桥梁深水基础大直径双壁钢围堰施工安全风险评价.pdf

第 卷第 期粉 煤 灰 综 合 利 用 年 月 道桥技术桥梁深水基础大直径双壁钢围堰施工安全风险评价 周直，周鑫（重庆交通大学 经济与管理学院，重庆）摘 要：为准确评价桥梁深水基础大直径双壁钢围堰施工安全风险，针对其评价中模糊性、随机性、不确定性等特点，构建基于最优云熵改进云模型与改进证据理论的风险评价模型。依据研究文献与标准规范，从人、物、管理、环境、技术维度建立风险评价指标体系；基于博弈论思想，运用改进群组 法与改进 法确定指标权重；借助最优云熵改进云模型构建基本概率分配函数，引入冲突系数、距离、概率距离与 测度衡量证据冲突程度并修正证据源，再采用改进证据理论融合专家基本概率分配，且依据非对称贴近度原则确定风险等级。上述模型应用于丰都长江二桥、主墩施工，其评价结果与工程实际相符，验证了该模型在双壁钢围堰施工安全风险评价中的有效性。关键词：深水基础；双壁钢围堰；改进云模型；改进证据理论；风险评价中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：，（，）：，：；作者简介：周直（），男，博士，教授，研究方向：工程项目管理、风险管理。通信作者：周鑫（），男，硕士研究生，研究方向：工程项目管理、风险管理。收稿日期：期周 直等：桥梁深水基础大直径双壁钢围堰施工安全风险评价 道桥技术 引言随着跨江、跨海桥梁建设的发展，桥梁面临着在水位深、水流急或地质复杂的江河湖海中建设深水基础的难题。作为承台施工围护结构、钻孔平台支撑体系的双壁钢围堰，已广泛应用于桥梁深水基础施工中。然而，随着双壁钢围堰直径增大，其在恶劣的施工环境与复杂的施工过程中施工风险骤增，致使施工安全面临极大挑战。因此，评估双壁钢围堰施工安全风险且分析，有助于减少或避免施工过程中的风险事故，确保施工安全。国内外学者围绕桥梁施工安全风险问题展开了深入研究，梁晓飞等建立了基于可信性理论的模糊综合评判风险评估模型，使桩基础施工风险评价结果更具可信性；王丹等考虑到风险因素间相互联系，建立 结构模型且引入三角模糊数改进判断矩阵，使深水基础施工风险排序与评价更客观准确；戴良军等分析双壁钢围堰施工受力影响，构建了综合考虑抗滑安全系数、风险后果影响的双壁钢围堰施工抗滑风险评估模型；施洲等借助施工监测数据，建立了基于集对分析理论的桥梁沉井基础施工动态风险评估模型，为工程动态风险评估提供参考；李怡辰等针对风险因素相互联系、评价过程模糊性等问题，提出了基于 与云模型的深水桥梁基础施工风险评估模 型；等提 出 了 基 于 法、法与因子分析法的大型复杂桥梁施工安全风险评估模型，在考虑风险因素关联性基础上筛选出施工中主要风险因素。目前已有研究较少考虑评价等级界限模糊、专家主观认识差异等问题，且双壁钢围堰施工安全风险评价具有随机性、不确定性等特点。鉴于此，本文提出基于最优云熵改进云模型与改进证据理论的双壁钢围堰施工安全风险评价模型，并采用非对称贴近度判断决策，结合丰都长江二桥、主墩施工实际案例验证该模型可行性，以期为其施工安全风险研究提供借鉴。风险评价指标体系 风险评价指标体系构建遵循系统性、科学性等原则，在文献研究，、专家咨询基础上，参照 公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南（试行）、公路桥涵施工技术规范（）、双壁钢围堰设计及施工技术规范（）等标准规范，基于“”分析理论与事故致因理论，从人、物、管理、环境、技术维度构建双壁钢围堰施工安全风险评价指标体系，见表。表 风险评价指标体系 一级指标二级指标桥梁深水基础大直径双壁钢围堰施工安全风险评价 人为因素风险机械材料风险因素 管理因素风险环境因素风险施工技术因素风险 安全意识淡薄 身心状况不良 技术能力不足 疲劳施工作业 无资质上岗 围堰材料质量 围堰块件现场保存 浇注混凝土性能 浮吊设备选型 机械设备磨损及故障 安全防护装备配置 缺乏安全教育及培训 未例行安全监督、检查 安全技术交底程度 安全管理机构及人员配置 安全规章制度制定与执行 应急预案制定与执行 自然灾害 恶劣天气 施工地质条件 施工水文条件 河水侵蚀 河水压迫 漂浮物撞击 围堰块件组拼 围堰整节段吊装 围堰整节段运输 围堰水中定位 壁舱刃脚砼浇筑 壁舱注水 吸泥下沉施工 围堰封底及浇筑物施工 风险评价等级划分基于文献研究、专家咨询与双壁钢围堰 粉煤灰综合利用 卷道桥技术施工特点，以 公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南（试行）与桥梁风险水平接受准则为依据，将大直径双壁钢围堰施工安全风险评价等级划分为 级，且设定风险测度取值范围为，见表。表 风险评价等级划分 风险等级定性描述风险测度风险接受低风险，可控较低风险，可接受中风险，可预防接受较高风险，难以接受高风险，无法接受 风险评价指标权重 改进群组 法改进群组 法基于 法，引入专家权重以反映专家差异，降低赋权主观性。该方法先判断专家序关系是否一致，再依据赋值向量相似度或序关系相似度计算专家权重与指标权重，步骤见文献。改进 法 法以指标内对比强度与指标间冲突程度衡量指标客观权重。针对传统 法标准差的量纲与数量级不一致问题，引入基尼系数衡量指标内对比强度；针对传统 法相关系数负数问题，引入 相关系数且取绝对值计算指标间冲突程度，步骤见文献。博弈论组合赋权法为兼顾专家主观经验与数据客观信息，基于博弈论思想优化改进群组 法主观权重 与改进 法客观权重，以满足最优组合权重与、的离差最小化，使指标赋权更加科学合理。步骤如下：）设 种赋权法计算指标权重，任一权重向量为 ，（，），则 个向量任意线性组合为 （）式中：为权重系数，且 。）基于博弈论思想，优化 求最优组合权重，使 与 的离差最小化，即 （）据矩阵微分性质将式（）展开得线性方程组（）使权重系数 ，归一化 （）将最优权重系数 代入式（），求得最优组合权重 （）风险评价模型针对大直径双壁钢围堰施工安全风险评价中评价等级界限模糊、专家主观认识差异与证据高度冲突等问题，提出基于最优云熵改进云模型与改进证据理论的双壁围堰施工安全风险评价模型，评价流程见图。最优云熵改进云模型的评语转化 最优云熵算法设评价等级界限为，云模型数字特征（，）中期望 由式（）计算；超熵 一般取常数，由实际经验与不确定性调整、确定；熵 既反映评价指标状态水平概念可接受量值范围，也影响评价等级决策结果准确性，故专家基于不同等级划分角度提出两种熵 计算方法，第一种“”规则突出评价等级划分的分明性，第二种“关联度”规则侧重评价等级界限的模糊性，由式（）计算。（）期周 直等：桥梁深水基础大直径双壁钢围堰施工安全风险评价 道桥技术图 风险评价流程图 （）基于“”规则与“关联度”规则确定熵，由此计算等级关联度可能导致决策结果冲突，故采用兼顾评价等级界限划分分明性与模糊性的最优云熵算法。假设某评价指标值为，其 评 价 等 级 数 为 ，则 对（，）等级云模型的最大关联度偏差 表示为（）（）（）式中：表示 对最优云熵 等级云模型的期望关联度；表示 对“”规则 等级云模型的最小关联度；表示 对“关联度”规则 等级云模型的最大关联度。基于式（），最优云熵由评价指标值 对 组等级云模型的最大关联度偏差之和最小求解，即构造关于 的非线性决策模型为（）（）式中：表示“”规则熵；表示“关联度”规则熵。最优云熵改进云模型基于最优云熵算法，由正向云发生器计算评价指标值 与最优云熵等级云的等级关联度为 粉煤灰综合利用 卷道桥技术（）（）（）（）式中：表示最优云熵 为期望、超熵 为标准差的正态随机数。专家（，）对评价指标 的 等级关联度（），经专家构造出评价指标 的关联度矩阵为（）（）将关联度归一化处理，即专家 关于评价指标在 等级的基本概率分配函数为（）（）（）（）基于改进证据理论的信息融合 证据权重系数双壁钢围堰施工安全风险评价问题的识别框架 ，因专家主观认识差异导致其对风险水平判断不同，故需在证据融合前修正证据源。步骤如下：）基于冲突系数、距离、概率距离的证据可信度计算。设、是证据、在识别框架 的基本概率分配，其冲突系数 为 （）（）（）以空间向量 对应基本概率分配，则证据、间 距离 为（）（）（）式中：为 矩阵，（，）。引入 概率函数（），则证据、间 概率距离 为（）（）（）（）（）（），（）（）冲突系数、距离、概率距离 具有值越大冲突越小特点，故引入向量空间距离思想构建三维坐标，定义坐标（，）到原点的绝对值为证据冲突量，即（）（）（）（）令 归一化处理，证据间冲突程度可用相似程度衡量且构建相似度矩阵，即 （）（）计算证据 的支持程度（）与可信度（）为（），、，（）（）（）（），（）基于 测度的证据可信度计算。设、是证据、在识别框架 的基本概率分配，则证据、的相似度系数（，）为（，）（）（）（）（）（）（）（）由证据间相似度系数（，）构建相似度矩阵为（，）（，）（，）（，）（，）（，）（）计算证据 的支持程度（）与可信度（）为（），（，），期周 直等：桥梁深水基础大直径双壁钢围堰施工安全风险评价 道桥技术、，（）（）（）（），（）综合可信度（）与（），得证据的折扣系数为（）（）（）式中：、为分配系数，、，通常 。改进证据合成规则依据折扣系数 修正证据源，如下（）（）（）（）（）式中：表示经证据折扣系数 修正后的基本概率分配。传统 组合规则在证据融合时忽略冲突信息，易产生与实际相悖结果，因此采用比例冲突重新分配规则（），其 将全局冲突细化分解至局部冲突且依据焦元值分配冲突，从而消除证据源差异以有效应对专家认知差异性。基于 改进证据合成规则为（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（），、（）风险评价等级确定修正证据源后，式（）所求指标权重与式（）所求证据融合结果经线性加权与非对称贴近度原则，最终确定双壁钢围堰施工安全风险评价等级 （）（）（，）（）（）（）（）工程实例 工程概况丰都长江二桥位于长江上游三峡库区，是桥长 、主跨长 的双塔双索面钢箱梁大跨径斜拉桥，、主墩为深水基础，采用双壁钢围堰辅助嵌岩钻孔灌注桩施工。、主墩在最高水位时水深为 且施工最高水位与最低水位相差 ，主墩处河床面倾斜且裸露岩石、主墩处覆盖层厚薄不均且基岩倾斜，故选用外径 、内径 的大直径双壁钢围堰。依据表 指标体系，咨询研究风险管理的高校教授、从事桥梁工程的工程师以及桥梁施工现场的技术人员等 位专家以表 风险测度对评价指标赋值，见表。表 风险评价指标值表 专家评价指标 专家评价指标 粉煤灰综合利用 卷道桥技术 风险指标权重按照改进群组 法与改进 法，计算大直径双壁钢围堰施工安全风险评价指标主、客观权重，再由博弈论组合赋权法式（）式（）得出 ，从而确定评价指标组合权重，见表。表 风险评价指标权重值表 指标组权指标主权客权组权 风险评价风险评价等级划分经最优云熵算法式（）式（）求最优云熵等级云，见表。由最优云熵改进云模型式（）得专家评价指标 值 与 最 优 云 熵 等 级 云 的 关 联 度 ，经式（）式（）获得初始基本概率分配。以评价指标 为例，其初始基本概率分配见表。表 最优云熵等级云 风险等级定性描述风险测度最优云熵等级云低风险，（，）较低风险，（，）中风险，（，）较高风险，（，）高风险，（，）表 评价指标 基本概率分配 专家 指标 初始基本概率分配经式（）式（）计算出基于冲突系数、距离、概率距离的证据可信度为 （，）、经式（）式（）计算 基 于 测 度 的 证 据 可 信 度（，），由式（）计算得出评价指标 的证据修正系数 （，），依据式（）修正证据源，再由改进证据合成规则式（）融 合 得 评 价 指 标 基 本 概 率 分 配 为（，）。同理，计算出其它双壁钢围堰施工安全风险评价指标的基本概率分配融合结果。评价指标权重 与评价指标等级关联度（）经式（）计算出深水基础大直径双壁钢围堰施工安全风险等级关联度 为（，），再依据非对称贴近度准则式（）计算贴近度为（，），由此可确定丰都长江二桥深水基础大直径双壁钢围堰施工安全风险等级为级，即为较高风险。表 双壁钢围堰施工安全风险等级 指标风险等级贴近度风险等级 期周 直等：桥梁深水基础大直径双壁钢围堰施工安全风险评价 道桥技术 评价结果分析依据上述风险评价，丰都长江二桥大直径双壁钢围堰施工安全风险评价等级为级（较高风险），与施工现场情况相符。依据表，人为因素风险与环境因素风险为级，机械材料因素风险、管理因素风险与施工技术因素风险为级，故在风险控制阶段要依据其风险等级高低以针对性制定风险控制策略，从而保证施工安全。针对人为因素风险，注重施工人员资质、身心状态与安全意识；针对机械材料因素风险，保证材料质量性能与机械设备安全；针对管理因素风险，完善规章制度、安全教育培训与应急预案；针对环境因素风险，规范水文地质勘测与监控施工现场周围环境变化；针对施工技术因素风险，规范围堰组件、吊装、运输、定位、下沉与封底技术。结论（）依据双壁钢围堰施工工艺，参照研究文献与标准规范，基于“”分析理论与事故致因理论，以人、物、管理、环境、技术维度 个指标构建大直径双壁钢围堰施工安全风险评价指标体系，为其风险评价奠定基础。（）采用改进群组 法与改进 法确定评价指标主、客观权重，再以博弈论思想优化最优组合权重，从而避免单一赋权以兼顾专家主观经验与数据客观信息，使组合权重充分体现主观性与客观性。（）兼顾风险评价等级界限划分的分明性与模糊性，采用最优云熵改进云模型计算基本概率分配，避免了“”规则与“关联度”规则的冲突；针对专家认识差异与证据冲突问题，基于改进证据理论修正证据源且合成证据得到风险评价结果，避免冲突证据合成的失真问题。（）以丰都长江二桥深水基础双壁钢围堰施工为工程实例，该评价模型确定其施工安全风险评级为级（较高风险），与施工现场情况相符以验证模型可行性，为大直径双壁钢围堰施工安全风险防范提供参考。参 考 文 献龚维明，王正振，戴国亮，等 长江大桥基础的应用与发展 桥梁建设，（）：梁晓飞，郑小燕，李忠梅 基于可信性理论的桥梁基础施工风险评估 合肥工业大学学报（自然科学版），（）：王丹，赵辉 基于 的深水桥梁基础工程施工风险评估 公路工程，（）：戴良军，朱大勇，程涛，等 陡峭岩面双壁钢围堰稳定性分析及风险评估 中国公路学报，（）：施洲，纪锋，余万庆，等 基于集对分析理论的大型沉井基础施工动态风险评估 东南大学学报（自然科学版），（）：李怡辰，冯仲仁，吕尔燕 基于云模型的深水桥梁基础施工风险评估 中外公路，（）：，刘沐宇，荆武，张睿智 基于模糊故障树理论的双壁钢围堰水中墩施工风险分析 土木建筑与环境工程，（）：袁宏川，张伟龙，游佳成 基于改进云模型的桥梁施工安全风险评价 工程研究跨学科视野中的工程，（）：魏雪萍，郝伟，王炜，等 节段预制悬臂拼装梁施工安全风险评价 中国安全生产科学技术，（）：张志辉，曹邱林 基于云模型的水闸安全性态评价研究 长江科学院院报，（）：王坚浩，王龙，张亮，等 灰色群组聚类和改进 赋权的供应商选择 多属性决策 系统工程与电子技术：刘云鹏，许自强，付浩川，等 采用最优云熵改进可拓云理论的变压器本体绝缘状态评估方法 高压电技术，（）：狄鹏，倪子纯，尹东亮 基于云模型和证据理论的多属性决策优化算法 系统工程理论与实践，（）：沈延安，张均彪 基于改进证据理论的绩效综合评价模型及其应用 运筹与管理，（）：禹洪波，袁婉玲，汪敏，等 基于非对称贴近度证据云物元模型的电力变压器综合状态评估方法 电网技术，（）：