張?zhí)鞂?王雪穎

(1.中建三局基礎設施建設投資有限公司 武漢 430073；2.北京科技大學土木與資源工程學院 北京 100083)

0 引言

橋梁是道路工程的咽喉部位，一般跨越里程長，常與現(xiàn)有公路、鐵路等縱橫交錯，特別是與燃氣管道相交時，易造成燃氣管道第三方破壞，增加了橋梁施工風險。對上世紀末歐美及俄羅斯的天然氣管道事故原因統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)第三方破壞占比超過50%，成為首要原因[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，從2009～2012年，深圳市地下燃氣管網(wǎng)共發(fā)生79次事故，因開挖導致管道失效事故占71%，嚴重影響了施工進度和人員的安全[2]。為了保障橋梁安全高效施工，國內外學者從BIM動態(tài)模擬[3]、數(shù)值仿真[4]、實驗研究[5]、現(xiàn)場檢測[6]等方面對橋梁施工做出大量研究，對跨燃氣管道現(xiàn)澆梁施工風險研究較少。本文利用BIM技術動態(tài)模擬現(xiàn)澆梁施工，找出影響施工風險因素，建立風險評價體系；結合層次分析法和“熵”理論對跨燃氣管道現(xiàn)澆梁施工進行風險評價并提出風險對策，保障施工安全和進度。

1 工程概況

該現(xiàn)澆箱梁設計采用(33.5+40+30) m，與既有市政道路斜交74°。該市政次干路路面寬13 m，左側存在一處DN300次高壓燃氣管道，運行壓力0.6 MPa，采用DN300 mm鋼管，壁厚6.3 mm。橋梁承臺施工需開挖基坑，承臺邊與燃氣管道最小距離為3.4 m，最大距離為3.97 m，燃氣管道覆土厚度約為2 m。承臺開挖區(qū)域采用素土分層夯實、回填，靠近燃氣管道附近有一處超過3 m的邊坡，施工時處于該城市的梅雨季節(jié)，行車道旁有一處排水通道，排水能力有限，在下大雨時容易造成排水困難，浸泡地基土，具體位置分布如下圖1所示。

圖1 燃氣管道與現(xiàn)澆梁位置關系

2 施工風險分析

2.1 BIM施工模擬

根據(jù)設計圖紙、地質勘察報告以及施工方案構建了現(xiàn)澆箱梁施工BIM模型，對承臺施工、墩柱施工、現(xiàn)澆箱梁施工動態(tài)模擬，BIM模型如圖2所示。從施工模擬發(fā)現(xiàn)23#墩承臺設計標高與原地面標高高差達4.4 m，施工作業(yè)時屬于深基坑，同時該區(qū)域屬于黃土，施工階段正值該城市梅雨季節(jié)，承臺邊坡開挖風險較大。承臺邊距燃氣管道最小距離為3.4 m，根據(jù)規(guī)范要求，承臺施工處于燃氣管道危險范圍之內[7]。通過模擬吊車臨時占位，發(fā)現(xiàn)左幅23#墩附近高壓電線桿在汽車吊操作半徑之內，威脅操作司機及附近施工人員生命安全。模擬還發(fā)現(xiàn)凈空高度、地質條件影響了原施工方案滿堂支架施工，BIM模型如下圖所示。

圖2 跨燃氣管道現(xiàn)澆梁BIM模型

2.2 施工風險評價體系的建立

通過BIM動態(tài)模擬可以發(fā)現(xiàn)地質條件、外界條件均對該跨燃氣管道施工造成影響，安全管理也是重要影響因素，從以上3個方面建立風險評價體系。其中地質條件包括雨水沖刷、黃土地質、高邊坡、排水溝浸水4個因素；外界影響包括行車荷載的擾動、承臺施工開挖、樁基施工擾動、現(xiàn)澆梁混凝土澆筑、高壓電線桿干擾5個因素；安全管理包括安全方案不完善、應急預案不全面、安全交底未落實、安全教育不到位、邊坡防護不足5個因素，構建施工風險評價體系如下圖3所示。

圖3 跨燃氣管道現(xiàn)澆梁施工風險評價體系

2.3 熵權組合計算

跨燃氣管道現(xiàn)澆梁施工風險存在模糊性，層次分析法通過使用者的主觀認識對兩兩因素比較確定權重，主觀因素較大，熵權法是通過分析實際數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化程度來計算其權重的，是定量分析。本文使用的是層次分析法與熵權法相結合的方法來確定權重，能夠兼顧主觀與客觀意見[8]，熵權組合確定權重的計算流程按以下步驟：①層次分析法計算權重；②熵權法計算熵權；③根據(jù)向量距離最短求出分配系數(shù)；④求出組合權值。

(1)AHP權重計算。通過對工作年限在7年以上相關管理人員調查以及現(xiàn)場踏勘，并對各風險因素進行比較打分，確定出A-Bi，Bi-Ci的判斷矩陣，如下表1～表4所示。

表1 A-Bi的判斷矩陣

表2 B1-Ci的判斷矩陣

表3 B2-Ci的判斷矩陣

表4 B3-Ci的判斷矩陣

矩陣一致性檢驗結果見表5。

表5 矩陣一致性檢驗

當λmax≥n，且隨機一致性比例CR≤0.10時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權值分配是合理的；否則就需要調整判斷矩陣，直到取得滿意的一致性為止，由以上計算均滿足一致性檢驗要求。通過層次分析法最終計算得到各層次權重分布，如表6所示。

表6 層次分析法權重計算結果

(2)熵權計算。由于選取的指標大多屬于定性指標模糊性較大，采用五級評分法[9]對所有指標進行評分，見表7。根據(jù)熵權計算方法[10]計算得到各風險因素風險等級評分及熵權值如表8所示。

表7 風險等級評價

表8 風險因素評分及熵權值

(1)

分配系數(shù)之間的差異用α、β表示：

D=|α-β|

(2)

構造方程組并求得系數(shù)：

(3)

經(jīng)計算，綜合權重為：[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 模糊綜合評價

跨燃氣管道現(xiàn)澆梁左右幅22#、23#墩與燃氣管道相距較近，為了保障現(xiàn)澆箱梁安全施工，需對該4座橋墩進行模糊綜合評價。模糊綜合評價的步驟主要可以分為：①確定評價指標因素集和評語集即風險分級；②通過權重計算方法計算權重，見圖4；③結合隸屬度函數(shù)進行多級綜合評價；④分析通過所建立的模型模糊評價得出的結果。本文選取的隸屬度函數(shù)為直線型梯形分布函數(shù)[11]，求得隸屬度如表9、表10所示。

圖4 權重分布

表9 23#樁的隸屬度計算

表10 22#樁的隸屬度計算

根據(jù)以上算法求得4個墩柱的綜合隸屬度如下：

23#左：[0.248 7 0.371 2 0.239 8 0.0781 2 0.098 2]根據(jù)最大隸屬度原則，屬于嚴重Ⅳ。

23#右：[0.082 7 0.442 8 0.262 4 0.049 9 0.198 0]根據(jù)最大隸屬度原則，屬于嚴重Ⅳ。

22#左：[0.000 0 0.073 7 0.394 0 0.311 4 0.256 8]根據(jù)最大隸屬度原則，屬于中等Ⅲ。

22#右：[0.022 7 0.141 7 0.330 7 0.338 8 0.202 1]根據(jù)最大隸屬度原則，屬于不嚴重Ⅱ。

參照表7，各墩施工風險嚴重程度如圖5所示。

4 施工對策及建議

減少對燃氣管道的擾動和側壓力對于燃氣管道的保護十分重要[12]，根據(jù)不同施工階段提出“早隔離、少擾動、快施工、勤測量”4個原則，以下對現(xiàn)澆梁每個施工階段提出不同的防控措施：

圖5 風險嚴重程度示意

(1)樁基施工。樁基施工前，在樁基與燃氣管道之間打設鋼板樁進行隔離，減小施工側壓力；旋挖鉆機成孔速度快，對周圍土體擾動小，可選用該設備樁基成孔；成孔過程中，鉆渣堆載、機械停靠遠離燃氣管道側并及時清運鉆渣，減少對燃氣管道的擾動作用[13]。

(2)承臺施工。承臺施工前，在承臺外邊線四周打設鋼板樁進行支護，再進行承臺基坑開挖及鋼筋混凝土施工。承臺基坑施工期間，在鋼板樁上設置變形觀測點，實施全程監(jiān)控，避免基坑周邊土體變形。對燃氣管道進行管溝開挖回填、砌筑箱涵、回填砂保護。

(3)現(xiàn)澆箱梁施工。將燃氣管道上方支架形式由原滿堂支架改為少支點支架形式，原方案跨路門洞處2排鋼立柱優(yōu)化成4排布置，避免在燃氣管道附近產(chǎn)生應力集中，并在施工過程中對架體進行沉降和變形觀測，確保架體整體穩(wěn)定性。施工過程中，在燃氣管道周圍設置警示標識線，禁止無關人員、材料、機械等停放在燃氣管道上方。

5 結論

(1)建立了跨燃氣管道現(xiàn)澆梁BIM三維模型，通過動態(tài)模擬識別出影響施工的風險因素，構建了跨燃氣管道現(xiàn)澆梁風險評估體系，為防止出現(xiàn)“錯、漏、碰、缺”等施工問題提供了決策依據(jù)。

(2)結合層次分析法和熵理論對4座橋墩的施工風險進行模糊綜合評價，發(fā)現(xiàn)左幅23#屬于嚴重Ⅳ，右幅23#屬于嚴重Ⅳ，左幅22#屬于中等Ⅲ，右幅22#右屬于不嚴重Ⅱ，最后根據(jù)風險評估結論提出了應對措施和策略，為安全施工明確方向。