張藝， 劉輝， 劉昶， 劉耀坤

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.湖南理工學(xué)院 南湖學(xué)院， 湖南 岳陽(yáng) 414000)

近年來(lái)橋梁安全事故頻發(fā)，其中施工期間的安全事故占比最高，加強(qiáng)施工期間橋梁建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將風(fēng)險(xiǎn)防范的關(guān)口前移尤為重要。已有許多學(xué)者對(duì)橋梁建設(shè)期間的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了研究，如施洲等研究了高速公路鐵路兩用橋梁的施工風(fēng)險(xiǎn)因素；黎立新等比選了山區(qū)橋梁建設(shè)采用的受力構(gòu)件類(lèi)型，總結(jié)了山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)安全理念；王飛球等開(kāi)展了跨既有線高速鐵路橋梁的施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法也趨于多樣化、復(fù)雜化、綜合化，對(duì)橋梁各結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估趨于精細(xì)化、具體化?？悼炔捎肒-means聚類(lèi)分析、貝斯網(wǎng)絡(luò)分析法對(duì)武漢某斜拉橋上部結(jié)構(gòu)開(kāi)展了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；梁曉飛等使用Delphi法、AHP(層次分析法)及可信性測(cè)度法對(duì)某跨江橋梁基礎(chǔ)開(kāi)展了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；王可意等采用AHP-DEA法對(duì)東洋河大橋樁基礎(chǔ)開(kāi)展了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。考慮到橋梁水下施工復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)因素多，權(quán)重優(yōu)化尤為重要，上述評(píng)價(jià)方法很少體現(xiàn)在優(yōu)化權(quán)重方面，而模糊數(shù)學(xué)綜合判斷法及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評(píng)價(jià)方法能實(shí)現(xiàn)權(quán)重優(yōu)化，弱化人為因素。該文借助模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)橋梁水下施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

依照傳統(tǒng)的施工安全風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)，從人員、機(jī)具設(shè)備、管理、環(huán)境、施工技術(shù)5個(gè)維度劃分風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型。為探討水下施工風(fēng)險(xiǎn)因素，基于專(zhuān)家調(diào)查法及文獻(xiàn)查閱法，構(gòu)建兩級(jí)指標(biāo)體系，其中一級(jí)指標(biāo)包括人員風(fēng)險(xiǎn)、安全管理風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、材料設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)、施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，二級(jí)指標(biāo)包括人員基礎(chǔ)素質(zhì)等19個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)(見(jiàn)表1)。

表1 橋梁水下施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

續(xù)表1

注：CI為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)；CR為一致性比率。

2 施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的建立

2.1 基于 AHP 的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

為定性與定量分析橋梁水下施工過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)，采用經(jīng)典的AHP法，依照9標(biāo)度的AHP要素比較標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造矩陣A，得：

(1)

對(duì)矩陣A進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。CR<0.1，矩陣A滿(mǎn)足一致性要求。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建與分析

多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型可反映評(píng)價(jià)對(duì)象的層次性及各層次因素的權(quán)重，避免因素過(guò)多造成難以分配權(quán)重。步驟如下：

R，得到：

Bi=Ai°Ri=(Bi1，Bi2，…，Bin)(i=1,2,…,p)

(2)

(4) 經(jīng)過(guò)模糊合成運(yùn)算，得二級(jí)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如下：

(3)

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的建立及訓(xùn)練

2.3.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)的確定

鑒于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有容錯(cuò)能力強(qiáng)、計(jì)算快、圖像簡(jiǎn)單易懂等優(yōu)點(diǎn)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為橋梁建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。參照相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)[11]、[12]及專(zhuān)家問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果構(gòu)建統(tǒng)一的橋梁水下施工安全指標(biāo)體系分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)參考值，作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訓(xùn)練及檢驗(yàn)的基礎(chǔ)。將表1中施工風(fēng)險(xiǎn)因素細(xì)化后，得到更具體的特征描述及相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)或參考值(見(jiàn)表2，因篇幅有限，表格中只列舉部分內(nèi)容)。

表2 指標(biāo)體系分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)參考值

續(xù)表2

采用模糊數(shù)學(xué)法，依照表2中的參考值，得出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的分級(jí)區(qū)間(見(jiàn)表3)。

2.3.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及訓(xùn)練成果分析

采用19-6-4-1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練函數(shù)為T(mén)raingd，訓(xùn)練次數(shù)設(shè)為1 000次，學(xué)習(xí)速率為0.002，目標(biāo)誤差為0.000 1。結(jié)合表2中評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)參考值，為加大訓(xùn)練數(shù)據(jù)量，采用線性?xún)?nèi)插的方式生成21組數(shù)據(jù)作為輸入，并按下式進(jìn)行歸一化：

(4)

式中：xi為變量的值；xmin和xmax分別為變量的最小值、最大值。

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的分級(jí)區(qū)間

將對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果作為期望輸出數(shù)據(jù)。在訓(xùn)練151次后，達(dá)到最優(yōu)效果(見(jiàn)圖1、圖2)。從圖2可以看出:訓(xùn)練及檢測(cè)效果良好。

3 石潭湘江特大橋水下施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 工程概況

常祁(常寧—祁東)高速公路石潭湘江特大橋橫跨湘江河道，位于祁東與常寧交界的湘江河段，泉州渡口上游 634 m 處。橋軸線與湘江河道正交，水流方向與橋軸法線的夾角小于5°，橋區(qū)河段水深條件良好，河床穩(wěn)定。主橋跨徑組合為(67+3×110+67) m，橋墩支點(diǎn)處梁高為6.9 m。梁底板底面曲線及底板頂面曲線均按照二次拋物線變化。主橋橋墩采用柱式墩，主墩樁基采用單排樁基礎(chǔ)，樁基均按嵌巖樁設(shè)計(jì)并進(jìn)入微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練均方差誤差曲線

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本回歸曲線

該橋?yàn)槌Ｆ罡咚俟房刂菩怨こ?，使用“四新”技術(shù)較多，綜合創(chuàng)新性強(qiáng)，施工期經(jīng)歷兩個(gè)汛期(每年6—10月)。該段航道為Ⅲ級(jí)，施工期間常有船舶過(guò)往，各種復(fù)雜因素造成施工安全風(fēng)險(xiǎn)不易掌控，需開(kāi)展橋梁水下施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以防止事故發(fā)生。

3.2 基于AHP法的模糊綜合評(píng)價(jià)

對(duì)該橋水下施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用專(zhuān)家調(diào)查問(wèn)卷的方法確定各風(fēng)險(xiǎn)因素的隸屬度。施工過(guò)程中涉及的一、二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)定及一致性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，均滿(mǎn)足一致性要求。專(zhuān)家成員主要由項(xiàng)目部經(jīng)理、項(xiàng)目總工、高校教授、工程安全部人員、施工管理人員組成。10位專(zhuān)家對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)中每個(gè)因素打分評(píng)價(jià)，各影響因素的隸屬度=每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的專(zhuān)家數(shù)/10，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 石潭湘江特大橋水下施工風(fēng)險(xiǎn)各因素專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果

由表4得石潭湘江特大橋水下施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣，其中人員風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣如下：

由表1可知人員風(fēng)險(xiǎn)各指標(biāo)的權(quán)重如下：

A1=(0.277 2,0.160 1,0.461 3,0.095 4,0)

人員風(fēng)險(xiǎn)的模糊評(píng)價(jià)矩陣為：

B1=A1°R1=(0.108 9,0.268 1,0.443 7,

0.127 1,0.046 1)

同理，得：

B2=(0.166 9,0.166 9,0.405 9,0.207 7,0.059 9)

B3=(0.263 1,0.231 0,0.321 5,0.100 0,0.084 5)

B4=(0.172 8,0.191 2,0.384 3,0.151 7,0.100 0)

B5=(0.186 3,0.213 7,0.375 0,0.287 5,0.062 5)

由B1、B2、B3、B4、B5構(gòu)成評(píng)價(jià)矩陣R：

R=

由表1可知水下施工風(fēng)險(xiǎn)各指標(biāo)的權(quán)重為：

A=(0.120 9, 0.073 8, 0.214 7,0.214 7, 0.376 0)

水下施工風(fēng)險(xiǎn)的模糊評(píng)價(jià)矩陣為：

B=A°R=(0.189 1, 0.204 0,0.378 3,

0.189 0, 0.0731)

依照評(píng)價(jià)等級(jí)劃分原則，橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)各等級(jí)的分值見(jiàn)表5。

表5 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)總得分為：

F=B×ST=0.189 0×85+0.204 0×70+

0.378 3×60+0.189 0×50+0.073 1×

30=64.686

對(duì)照表3，石潭湘江特大橋水下施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬于Ⅲ級(jí)，為一般風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的石潭湘江特大橋水下施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證基于AHP法的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型開(kāi)展該橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。通過(guò)查閱該橋地址資料、設(shè)計(jì)文件、施工組織設(shè)計(jì)及安全管理文件，得到相關(guān)定量指標(biāo)數(shù)據(jù)，邀請(qǐng)項(xiàng)目參與者中的專(zhuān)家、管理人員進(jìn)行評(píng)分，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 石潭湘江特大橋水下施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)得分統(tǒng)計(jì)

將得到的數(shù)據(jù)向量歸一化后輸入訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型中，運(yùn)行后得到石潭湘江特大橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)輸出值為66.373 8，與模糊綜合評(píng)價(jià)的誤差為2.61%。

4 水下施工主要安全風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)及防范建議

4.1 主要風(fēng)險(xiǎn)

橋梁水下施工過(guò)程具有不可見(jiàn)的特點(diǎn)，施工完畢也不能開(kāi)挖驗(yàn)收，任何環(huán)節(jié)出錯(cuò)都伴隨著一定的經(jīng)濟(jì)損失及工期延誤。石潭湘江特大橋水下施工中的主要安全風(fēng)險(xiǎn)在于水面交通的布設(shè)規(guī)劃、汛期施工時(shí)采用的安全防范措施及施工人員所處水面環(huán)境的不斷變化，易造成溺水、物體打擊、觸電等風(fēng)險(xiǎn)。

橋梁水下施工的風(fēng)險(xiǎn)包括：1) 各級(jí)別航道在施工過(guò)程不能完全禁航，施工船只來(lái)往運(yùn)輸物料過(guò)程中會(huì)加大碰撞風(fēng)險(xiǎn)；2) 大型橋梁施工時(shí)間長(zhǎng)，難以避開(kāi)汛期，搶險(xiǎn)救治洪災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)上升；3) 人員處于水上，個(gè)人防護(hù)措施難以保證到位，溺水、觸電等風(fēng)險(xiǎn)陡升；4) 其他如施工技術(shù)、管理、材料、人員造成的風(fēng)險(xiǎn)與一般性橋梁架設(shè)期間的風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)似。

4.2 安全防范建議

(1) 加強(qiáng)班組級(jí)別的三級(jí)教育，特別是特種設(shè)備施工人員務(wù)必持證上崗，從源頭上杜絕人員的操作性失誤導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 開(kāi)展水上應(yīng)急演練，培養(yǎng)工人的“四不傷害”(不傷害自己、不傷害他人、不被他人傷害、保護(hù)他人不受傷害)意識(shí)。

(3) 嚴(yán)防因材料質(zhì)量原因、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原因?qū)е碌氖┕べ|(zhì)量安全問(wèn)題。

(4) 經(jīng)常性開(kāi)展安全隱患排查，將發(fā)現(xiàn)的安全隱患及時(shí)處理，并定期進(jìn)行安全隱患分析。

5 結(jié)語(yǔ)

在已有橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上，采用文獻(xiàn)總結(jié)與專(zhuān)家調(diào)查問(wèn)卷的方法，設(shè)計(jì)了橋梁水下施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將基于AHP法的模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)相結(jié)合構(gòu)建橋梁水下施工風(fēng)險(xiǎn)模型，對(duì)石潭湘江特大橋水下施工安全風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)展評(píng)估，得出該橋水下施工風(fēng)險(xiǎn)為一般風(fēng)險(xiǎn)。