基于性能的巴基斯坦橙线地铁桥梁安全运维体系研究

林辉，董继峰，冯硕，崔冬建

(北方国际合作股份有限公司，北京 100040)

巴基斯坦是海上丝绸之路的重点国家。中国铁路总公司和中国北方工业有限公司组成的铁总-北方联营体负责承建，中国铁路国际有限公司和北方国际合作股份有限公司作为联营体执行团队负责具体实施。2020年2月，北方国际合作股份有限公司领导的联营体(包括广州地铁集团有限公司和巴基斯坦DW公司)签订橙线运营维护合同。2020年10月25日，巴基斯坦拉合尔轨道交通橙线正式开通运营。橙线是巴基斯坦第一条城市轨道交通项目，全部采用中国标准、中国技术和中国装备，使巴基斯坦拥有了南亚最先进的城市轨道交通运营体系。由于拉合尔市天然存在多个大面积地面沉降漏斗区的客观不利条件，中国铁路设计集团有限公司经地面沉降普查及多方案比选，橙线仍需穿过其中2个地面沉降漏斗区，如图1所示。INSAR(干涉雷达)监测数据显示，橙线5～8号车站属于一个沉降漏斗区域，8～11号车站属于另一个沉降漏斗区域。由于橙线全长的80.8%采用高架线，桥梁工后不均匀沉降将使轨面产生变形，恶化轨道几何状态，如不及时、有效维护线路，过大的轨面变形将对橙线正常运营造成威胁，影响1 200多万人口的拉合尔市沿线民众的正常出行。National Research Council等[1-2]研究了工程结构地震韧性，王克海等[3-5]研究了桥梁工程抗震设防标准，SHARIFI等[6]研究了工程结构损伤识别，但性能为基础的安全运维体系研究在城市轨道交通工程中的应用鲜有报道。

图1 地面沉降漏斗区Fig.1 Land subsidence funnelarea

1 桥梁安全运维体系性能化框架

橙线正线全长25.58 km(高架线路23.80 km，地下线路-高架线路过渡段0.71 km，地下线路1.07 km)，共设车站26座(高架站24座、地下站2座)，在线路北端设车辆段(占地20.32 km2，出入线长度0.85 km)，在线路南端设停车场(占地7.64公顷、出入线长度0.76 km)。桥梁长度21.979 km，占全线长度80.8%。区间段落梁部布置采用并排布置双单线U型梁，如图2所示。

图2 双单线U型梁Fig.2 Double single line U-Beam

橙线项目采用跨度30m梁为标准跨度梁，采用跨度20m，25m梁为配跨梁，个别控制工点采用非标准跨或其他大跨度桥梁。区间标准段高架桥主梁采用30m预应力混凝土单线简支U型梁，梁高1.8m，标准梁全宽5.06m，分别适用于线间距4.9m和5.0m情况。

虽然地面沉降漏斗区桥梁存在不均匀沉降威胁，但通过频繁采取人工测量的方式使所有桥梁的潜在风险处于安全水平，这在效率和经济上不是最优选择。因此，橙线运维团队必须找到新的对策。对橙线运维团队来说，在资源有限的条件下，安全运维体系应当建立在对桥梁不均匀沉降风险进行严格评估的基础上。有人可能会说，每一榀梁都需要采取安全运维措施。这种想法可以理解。但是，安全运维措施的采用不应当是一种基本配置，应当根据具体桥梁潜在差异沉降风险进行选择采用。接下来的问题是，橙线运维团队能否找到可以使用的评估风险的方法？运维资源的分配应当根据具体桥梁潜在差异沉降风险评估进行。因此，橙线桥梁安全运维体系性能化研究成为保证橙线运营安全，高质量提高运维效率的内在要求。

1.1 桥梁不均匀沉降影响等级

橙线桥梁不均匀沉降影响等级是表示差异沉降的影响程度，因为可以将不均匀沉降潜在可能性看作影响的一种表现。KATARIA等[7-8]研究了桥梁分级隔震，户东阳等[9-10]研究了设防减震装置。运维研究团队将橙线桥梁不均匀沉降影响等级划分为高，中高，中低和低共4个等级。橙线桥梁不均匀沉降影响等级以潜在差异沉降可能性为依据。桥梁不均匀沉降影响等级见表1。

表1 桥梁不均匀沉降影响等级Table 1 Influence grade of bridge uneven settlement

1.2 桥梁损坏严重性等级

狭义而言，后果严重性就是桥梁出现某种破坏状态的概率。宁晓晴等[11-13]研究了地震的可恢复性与基础设施的投入产出预测。运维研究团队认为桥梁破坏状态与不均匀沉降都是离散变量，则桥梁出现第i种破坏状态Si的概率为：

式中：P[Ri-1|Aj]-P[>Ri|Aj]。对于二态准则，上式简化为：

假若把不均匀沉降A看作是连续随机变量，则桥梁在不均匀沉降中出现第i种破坏状态的后果严重性为：

式中：f(A)是A的概率密度函数，其概率积累函数为

由于许多不确定性影响，Ri常常不是确定性的，而是随机变量，这时就要用Ri的概率分布来表示其规律。为了得到这种情况下的后果严重性，就要先得到概率密度函数f(Q)：

在考虑到抗力Ri的随机性后，出现破坏状态Si(Ri-1

上述后果严重性分析结果指出，后果严重性分析包括3个因素，即不均匀沉降活动性f(A)，桥梁结构反应分析F(Q|A)或f(Q|A)，桥梁结构自身抗力R。

对于橙线桥梁不均匀沉降，运维资源必须依据“软肋”来分配。对安全运维研究团队来说，没有什么事情比安排优先考虑的事项更重要。桥梁损坏严重性等级见表2。

表2 桥梁损坏严重性等级Tab le 2 Bridge damage severity level

1.3 桥梁安全运维体系风险等级矩阵

众所周知，在结构工程领域国外学者用“五倍定律”描述结构合理维护的重要性。比如在钢筋防腐方面：钢筋刚开始局部点状锈蚀时需要维修费1元；沿钢筋方向锈蚀时需要维修费5元；钢筋大面积锈蚀时需要维修费25元。那么，橙线桥梁安全运维又如何？上述费用仅仅是不均匀沉降超限后桥梁的维护费用，还没有把桥上车辆正常运行受到限制、甚至中断以进行维修对交通、乘客产生的费用计算在内。通常，评估风险有2种常用方法，分别是风险平面法和风险评估矩阵法。

在风险平面法中，定义了一个二维平面，其中X轴代表某一事件的概率P，Y轴代表该事件后果的严重性S。风险平面上任何一点的坐标值表示该事件的风险值R，它是概率P与严重性S的乘积。其数学表达式为：

式中：R为某一事件的风险值；P为某一事件的概率；S为该事件后果的严重性。

陆新征等[14-15]研究了城市地震韧性和结构长期寿命之间的关系。风险评估矩阵法基于风险平面概念，风险矩阵把某一事件发生的概率和后果的严重性进行了详细分类。概率可划分为频繁，可能发生，偶尔发生，很少发生或不可能；严重性可划分为完全破坏，严重损坏，中等损坏，轻微损坏或基本未损坏。所以，针对某一特定事件，需要结合相关的概率和严重性来确定风险高、低。据此，来决定是否需要减少风险；或在一定的风险水平下，某一事件是可接受的。

桥梁安全运维体系风险等级矩阵见表3。

表3 桥梁安全运维体系风险等级矩阵Table 3 Risk levelmatrix of bridge safety operation andmaintenance system

2 桥梁安全运维体系性能化实施

随着近年来拉合尔市现代化进程的不断加快，城市人口大量聚集、经济高速发展，对轨道交通橙线(也可以说是生命线)的依赖性越来越强。巴基斯坦政府预测，橙线投入运营第1年，便能够为乘客节省出行时间方面创造直接收益约92.9亿卢比(约合5 890万美元)，节约驾车运行花费约56.2亿卢比(约合3 560万美元)。而一旦由于各种不均匀沉降事件(由于人类认知不足，甚至根本未考虑到)使橙线中断(或者长时间限制正常通行)，可能导致的直接以及间接经济损失将会非常巨大，甚至是社会所不能接受的。为此，橙线地铁桥梁安全运维体系研究成为摆在运维研究团队以及关心“一带一路”中巴轨道交通合作人士面前一个不得不考虑的重要问题。运维研究团队对橙线桥梁进行安全运维体系建设，该体系分6步，橙线桥梁安全运维体系性能化实施流程如图3所示。

图3 橙线桥梁安全运维体系性能化实施流程Fig.3 Performance based im plementation processof orange line bridge safety operation andmaintenance system

第1阶段：查明情况。首先用INSAR(干涉雷达)监测数据核查橙线上哪些桥梁属于地面沉降漏斗区影响范围内的桥梁，然后再根据核查结果确定这些桥梁中哪些会因为不均匀沉降过大对安全运维造成较严重后果。运维团队借助计算机辅助决策系统以地面沉降漏斗区影响范围和地面沉降漏斗区变形-时间域趋势为基础进行初步决策。

第2阶段：双向过滤。第1阶段调查会产生相当数量的潜在风险桥梁，但并不是所有潜在风险都会立即和同时发生。因此，运维团队需要借助自主知识产权卫星导航定位变形监测系统进一步精细化分析。橙线卫星导航定位变形监测系统(1期)布设3个卫星导航定位基准站，点位选择在稳定的建筑物或其他结构物上。根据尽量靠近卫星导航定位监测站的原则，同时为更好为地面沉降漏斗区提供基准，在Sabzazar和Shanoor车站之间主变电站、U.E.T和Baghbanpura车站之间主变电站、Dera Guiran车站附近的车辆段楼顶布设基准站。橙线定义桥梁不均匀沉降影响等级和桥梁破坏后果严重等级的乘积为桥梁安全运维体系风险等级矩阵。

第3阶段：综合评价。该阶段引入成本效益、社会影响等因数综合评价橙线桥梁安全运维体系风险等级。

第4阶段：实施对策。这个阶段根据综合评价阶段得到的桥梁安全运维体系风险等级拟采取相应的性能化风险缓解措施，包括调整扣件等小修措施、调整轨道板等中修措施、起顶桥梁支座等大修措施等。安全运维体系控制流程如图4所示。

图4 安全运维体系控制流程Fig.4 Control flow chartof safety operation andmaintenance system

第5阶段：重新评估。采取风险缓解措施后重新评估桥梁安全运维体系风险等级。如果剩余风险是可接受的，则进入运维体系风险监控阶段；如果剩余风险是不可接受的，则需要进一步采取风险缓解措施直到剩余风险可接受。

第6阶段：风险监控。根据卫星导航定位变形监测系统提供的桥梁不均匀沉降数据，随时监控安全运维体系风险等级。当外部变形发生突然恶化时，应迅速启动桥梁安全运维体系风险重新评估程序，使桥梁安全运维体系风险始终保持在可接受水平。

3 结论

1)构建了基于性能的桥梁安全运维体系风险等级矩阵。定义桥梁不均匀沉降影响等级来描述不均匀沉降威胁程度，将桥梁损坏严重性等级划分为受重大影响、受较重影响、受中等影响、受轻微影响和基本未受影响共5个等级，损坏严重性分析包括3个因素，即：不均匀沉降活动性f(A)，桥梁结构反应分析F(Q|A)或f(Q|A)，桥梁结构自身抗力R。

2)搭建了基于性能的桥梁安全运维体系实施流程，该流程包括查明情况，双向过滤，综合评价，实施对策，重新评估和风险监控6个具体实施阶段，进一步发展了桥梁安全运维体系控制流程。