基于AHP-熵权法的跨燃气管道现浇梁施工风险评价

张天宝 王雪颖

(1.中建三局基础设施建设投资有限公司 武汉 430073；2.北京科技大学土木与资源工程学院 北京 100083)

0 引言

桥梁是道路工程的咽喉部位，一般跨越里程长，常与现有公路、铁路等纵横交错，特别是与燃气管道相交时，易造成燃气管道第三方破坏，增加了桥梁施工风险。对上世纪末欧美及俄罗斯的天然气管道事故原因统计发现第三方破坏占比超过50%，成为首要原因[1]。据不完全统计，从2009～2012年，深圳市地下燃气管网共发生79次事故，因开挖导致管道失效事故占71%，严重影响了施工进度和人员的安全[2]。为了保障桥梁安全高效施工，国内外学者从BIM动态模拟[3]、数值仿真[4]、实验研究[5]、现场检测[6]等方面对桥梁施工做出大量研究，对跨燃气管道现浇梁施工风险研究较少。本文利用BIM技术动态模拟现浇梁施工，找出影响施工风险因素，建立风险评价体系；结合层次分析法和“熵”理论对跨燃气管道现浇梁施工进行风险评价并提出风险对策，保障施工安全和进度。

1 工程概况

该现浇箱梁设计采用(33.5+40+30) m，与既有市政道路斜交74°。该市政次干路路面宽13 m，左侧存在一处DN300次高压燃气管道，运行压力0.6 MPa，采用DN300 mm钢管，壁厚6.3 mm。桥梁承台施工需开挖基坑，承台边与燃气管道最小距离为3.4 m，最大距离为3.97 m，燃气管道覆土厚度约为2 m。承台开挖区域采用素土分层夯实、回填，靠近燃气管道附近有一处超过3 m的边坡，施工时处于该城市的梅雨季节，行车道旁有一处排水通道，排水能力有限，在下大雨时容易造成排水困难，浸泡地基土，具体位置分布如下图1所示。

图1 燃气管道与现浇梁位置关系

2 施工风险分析

2.1 BIM施工模拟

根据设计图纸、地质勘察报告以及施工方案构建了现浇箱梁施工BIM模型，对承台施工、墩柱施工、现浇箱梁施工动态模拟，BIM模型如图2所示。从施工模拟发现23#墩承台设计标高与原地面标高高差达4.4 m，施工作业时属于深基坑，同时该区域属于黄土，施工阶段正值该城市梅雨季节，承台边坡开挖风险较大。承台边距燃气管道最小距离为3.4 m，根据规范要求，承台施工处于燃气管道危险范围之内[7]。通过模拟吊车临时占位，发现左幅23#墩附近高压电线杆在汽车吊操作半径之内，威胁操作司机及附近施工人员生命安全。模拟还发现净空高度、地质条件影响了原施工方案满堂支架施工，BIM模型如下图所示。

图2 跨燃气管道现浇梁BIM模型

2.2 施工风险评价体系的建立

通过BIM动态模拟可以发现地质条件、外界条件均对该跨燃气管道施工造成影响，安全管理也是重要影响因素，从以上3个方面建立风险评价体系。其中地质条件包括雨水冲刷、黄土地质、高边坡、排水沟浸水4个因素；外界影响包括行车荷载的扰动、承台施工开挖、桩基施工扰动、现浇梁混凝土浇筑、高压电线杆干扰5个因素；安全管理包括安全方案不完善、应急预案不全面、安全交底未落实、安全教育不到位、边坡防护不足5个因素，构建施工风险评价体系如下图3所示。

图3 跨燃气管道现浇梁施工风险评价体系

2.3 熵权组合计算

跨燃气管道现浇梁施工风险存在模糊性，层次分析法通过使用者的主观认识对两两因素比较确定权重，主观因素较大，熵权法是通过分析实际数据，根据数据的变化程度来计算其权重的，是定量分析。本文使用的是层次分析法与熵权法相结合的方法来确定权重，能够兼顾主观与客观意见[8]，熵权组合确定权重的计算流程按以下步骤：①层次分析法计算权重；②熵权法计算熵权；③根据向量距离最短求出分配系数；④求出组合权值。

(1)AHP权重计算。通过对工作年限在7年以上相关管理人员调查以及现场踏勘，并对各风险因素进行比较打分，确定出A-Bi，Bi-Ci的判断矩阵，如下表1～表4所示。

表1 A-Bi的判断矩阵

表2 B1-Ci的判断矩阵

表3 B2-Ci的判断矩阵

表4 B3-Ci的判断矩阵

矩阵一致性检验结果见表5。

表5 矩阵一致性检验

当λmax≥n，且随机一致性比例CR≤0.10时，即认为判断矩阵具有满意的一致性，说明权值分配是合理的；否则就需要调整判断矩阵，直到取得满意的一致性为止，由以上计算均满足一致性检验要求。通过层次分析法最终计算得到各层次权重分布，如表6所示。

表6 层次分析法权重计算结果

(2)熵权计算。由于选取的指标大多属于定性指标模糊性较大，采用五级评分法[9]对所有指标进行评分，见表7。根据熵权计算方法[10]计算得到各风险因素风险等级评分及熵权值如表8所示。

表7 风险等级评价

表8 风险因素评分及熵权值

(1)

分配系数之间的差异用α、β表示：

D=|α-β|

(2)

构造方程组并求得系数：

(3)

经计算，综合权重为：[0.113 3；0.076 3；0.054 7；0.040 3；0.049 0；0.152 5；0.226 1；0.074 1；0.071 7；0.029 6；0.027 9；0.046 7；0.041 2；0.032 7]

3 模糊综合评价

跨燃气管道现浇梁左右幅22#、23#墩与燃气管道相距较近，为了保障现浇箱梁安全施工，需对该4座桥墩进行模糊综合评价。模糊综合评价的步骤主要可以分为：①确定评价指标因素集和评语集即风险分级；②通过权重计算方法计算权重，见图4；③结合隶属度函数进行多级综合评价；④分析通过所建立的模型模糊评价得出的结果。本文选取的隶属度函数为直线型梯形分布函数[11]，求得隶属度如表9、表10所示。

图4 权重分布

表9 23#桩的隶属度计算

表10 22#桩的隶属度计算

根据以上算法求得4个墩柱的综合隶属度如下：

23#左：[0.248 7 0.371 2 0.239 8 0.0781 2 0.098 2]根据最大隶属度原则，属于严重Ⅳ。

23#右：[0.082 7 0.442 8 0.262 4 0.049 9 0.198 0]根据最大隶属度原则，属于严重Ⅳ。

22#左：[0.000 0 0.073 7 0.394 0 0.311 4 0.256 8]根据最大隶属度原则，属于中等Ⅲ。

22#右：[0.022 7 0.141 7 0.330 7 0.338 8 0.202 1]根据最大隶属度原则，属于不严重Ⅱ。

参照表7，各墩施工风险严重程度如图5所示。

4 施工对策及建议

减少对燃气管道的扰动和侧压力对于燃气管道的保护十分重要[12]，根据不同施工阶段提出“早隔离、少扰动、快施工、勤测量”4个原则，以下对现浇梁每个施工阶段提出不同的防控措施：

图5 风险严重程度示意

(1)桩基施工。桩基施工前，在桩基与燃气管道之间打设钢板桩进行隔离，减小施工侧压力；旋挖钻机成孔速度快，对周围土体扰动小，可选用该设备桩基成孔；成孔过程中，钻渣堆载、机械停靠远离燃气管道侧并及时清运钻渣，减少对燃气管道的扰动作用[13]。

(2)承台施工。承台施工前，在承台外边线四周打设钢板桩进行支护，再进行承台基坑开挖及钢筋混凝土施工。承台基坑施工期间，在钢板桩上设置变形观测点，实施全程监控，避免基坑周边土体变形。对燃气管道进行管沟开挖回填、砌筑箱涵、回填砂保护。

(3)现浇箱梁施工。将燃气管道上方支架形式由原满堂支架改为少支点支架形式，原方案跨路门洞处2排钢立柱优化成4排布置，避免在燃气管道附近产生应力集中，并在施工过程中对架体进行沉降和变形观测，确保架体整体稳定性。施工过程中，在燃气管道周围设置警示标识线，禁止无关人员、材料、机械等停放在燃气管道上方。

5 结论

(1)建立了跨燃气管道现浇梁BIM三维模型，通过动态模拟识别出影响施工的风险因素，构建了跨燃气管道现浇梁风险评估体系，为防止出现“错、漏、碰、缺”等施工问题提供了决策依据。

(2)结合层次分析法和熵理论对4座桥墩的施工风险进行模糊综合评价，发现左幅23#属于严重Ⅳ，右幅23#属于严重Ⅳ，左幅22#属于中等Ⅲ，右幅22#右属于不严重Ⅱ，最后根据风险评估结论提出了应对措施和策略，为安全施工明确方向。