施 洲 紀(jì) 鋒 余萬慶 李 冰

(1西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 成都 610031)(2中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京鐵路樞紐工程建設(shè)指部, 南京 200142)

沉井基礎(chǔ)具有自身剛度大、整體性強(qiáng)、能夠承受巨大的垂直和水平荷載等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于橋梁工程中[1].目前,橋梁沉井基礎(chǔ)的平面面積隨橋梁跨徑的增大而不斷增加,滬蘇通長(zhǎng)江大橋和五峰山長(zhǎng)江大橋沉井面積已分別突破5 100和7 200 m2.隨著沉井平面面積的不斷增大,其施工過程的復(fù)雜性及施工風(fēng)險(xiǎn)驟增,施工中一旦發(fā)生事故會(huì)造成大量經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響.因此,如何針對(duì)沉井基礎(chǔ)工程的特點(diǎn)建立合理高效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系,成為目前沉井施工過程中亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題.長(zhǎng)期以來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷對(duì)沉井工程中的風(fēng)險(xiǎn)問題開展研究.Abdrabbo等[1]從施工工藝、地質(zhì)條件等角度對(duì)一般工程中的沉井施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析.劉沐宇等[2]運(yùn)用主成分分析法,獲得武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)施工中主要的風(fēng)險(xiǎn)因素,如井底流沙、不均勻開挖等.針對(duì)施工過程中風(fēng)險(xiǎn)源隨各類施工控制措施的實(shí)施而不斷發(fā)生變化的問題,鄧友生等[3]采用MIDAS-GTS軟件建立了武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井的三維計(jì)算模型,模擬了沉井施工變位情況,詳細(xì)分析了施工中不同控制對(duì)策下的沉井變位風(fēng)險(xiǎn).彭儀普等[4]結(jié)合GPS-RTK信息化實(shí)時(shí)監(jiān)控和有限元分析方法,模擬了大型沉井定位著床及施工過程風(fēng)險(xiǎn),對(duì)沉井下沉中可能存在的幾何姿態(tài)和不利受力風(fēng)險(xiǎn)開展研究.曹茹接[5]利用有限差分法原理對(duì)沉井的施工過程受力風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,并對(duì)不同控制措施的防護(hù)效果進(jìn)行評(píng)估.

在橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)事故鏈[6]、動(dòng)態(tài)傳遞鏈模型[7]的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估日益發(fā)展.然而,目前針對(duì)橋梁大型沉井施工的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作較少.本文將風(fēng)險(xiǎn)分析與施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合,構(gòu)建了基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的沉井基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,提出了一種基于集對(duì)分析理論的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,對(duì)五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)施工階段進(jìn)行動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估.

1 沉井施工動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

1.1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)及體系構(gòu)建

既有的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,通常先識(shí)別與人員、機(jī)具、物料相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)源,再進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估[8-10],對(duì)沉井結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)變化特性的針對(duì)性不強(qiáng).考慮到沉井施工中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)施工過程進(jìn)行了較全面的監(jiān)控,沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形等監(jiān)測(cè)指標(biāo)同樣能夠指示施工中沉井的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài),因此可替代風(fēng)險(xiǎn)源作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基本指標(biāo).將隨時(shí)間不斷變化的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用于構(gòu)建沉井施工動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)時(shí),沉井結(jié)構(gòu)受力、位移參數(shù)可直接作為動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo).土壓力指標(biāo)因基底、井壁土體及開挖不均勻性的影響不便于直接應(yīng)用,可對(duì)其多測(cè)點(diǎn)取平均值并換算為基底和井壁的整體土壓力,再根據(jù)沉井浮力和自重值換算為下沉系數(shù).下沉系數(shù)、沉井刃腳附近泥面標(biāo)高以及沉井內(nèi)外水位差即為沉井基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的二級(jí)指標(biāo).為更好地反映沉井幾何姿態(tài),根據(jù)監(jiān)測(cè)的沉井幾何位移數(shù)據(jù),計(jì)算出平面扭轉(zhuǎn)、中心偏位、四角高差、沉井撓度等指標(biāo)參數(shù).大型沉井基礎(chǔ)施工中常用的監(jiān)控指標(biāo)[11-12]及對(duì)應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)體系見表1.

表1 沉井施工監(jiān)測(cè)內(nèi)容與評(píng)估指標(biāo)

1.2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究成果,可將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為極低、較低、中等、高、極高的Ⅰ～Ⅴ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[2].對(duì)于極低及較低等級(jí)風(fēng)險(xiǎn),在施工中按正常施工工藝控制;對(duì)于中等風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施;對(duì)于高等級(jí)風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)停止施工并分析原因,采取措施將風(fēng)險(xiǎn)降至中等及以下等級(jí);對(duì)于極高等級(jí)風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)采取專項(xiàng)施工措施控制風(fēng)險(xiǎn).為建立沉井基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,參考以往的沉井基礎(chǔ)施工監(jiān)控經(jīng)驗(yàn)[11-12],制定二級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)內(nèi)容及分級(jí)界限值如下:沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力采用各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)應(yīng)力值σ;沉井幾何姿態(tài)中,針對(duì)平面扭轉(zhuǎn)角度、四角高差、中心偏位、井墻撓度分別采用相應(yīng)的監(jiān)控限值lc、Δc、ε、γ作為指標(biāo);控制參數(shù)指標(biāo)中,刃腳泥面標(biāo)高、沉井內(nèi)外水位差的控制限值為h、Δh,下沉系數(shù)可基于1.05～1.5的合理范圍劃分.根據(jù)工程情況,對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估等級(jí)區(qū)間劃分,得到指標(biāo)體系風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分表(見表2).表中指標(biāo)限值區(qū)間可根據(jù)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際參數(shù)調(diào)整.

2 基于集對(duì)分析理論的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 集對(duì)分析理論

大型沉井基礎(chǔ)施工中,將基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與監(jiān)控限值進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)合表2中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分,實(shí)現(xiàn)初步的風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)評(píng)估.監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間不斷變化,將其帶入評(píng)估,即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)評(píng)估.然而,沉井施工過程中監(jiān)測(cè)參數(shù)較多,初步風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中基于某一項(xiàng)數(shù)據(jù)評(píng)判的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可能存在一定偏差,且不同類型監(jiān)測(cè)參數(shù)下的不同風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)結(jié)果可能相互矛盾.為此,引入集對(duì)分析理論[13],建立基于多類型監(jiān)測(cè)參數(shù)的評(píng)估指標(biāo)與綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的聯(lián)系數(shù),并將聯(lián)系數(shù)量化為動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)m,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分.

表2 指標(biāo)體系風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

根據(jù)表2中指標(biāo)內(nèi)容及評(píng)估等級(jí)結(jié)果,設(shè)定基于監(jiān)測(cè)參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)集合A={σ,lc,ε,Δc,…},指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分集合B={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ},將集合A和B組成集對(duì)M=(A,B),建立基于多監(jiān)測(cè)參數(shù)的評(píng)估指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的多元聯(lián)系數(shù)公式.為與各監(jiān)測(cè)指標(biāo)5級(jí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分相對(duì)應(yīng),將不同指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量化成統(tǒng)一的無量綱值,采用五元聯(lián)系數(shù)μ進(jìn)行評(píng)估分析,其表達(dá)式為

μ=a+bi+cj+dk+el

(1)

式中,a為同一度;b、c、d為差異度;i、j、k為差異度系數(shù);bi、cj、dk為差異度分量;e為對(duì)立度;l為對(duì)立度系數(shù);el為對(duì)立度分量.當(dāng)μ=a,bi,cj,dk,el時(shí),表示指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)分別處于較低、低、中等、較高、極高等級(jí).

2.2 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

沉井基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,依據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中連續(xù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù),從二級(jí)指標(biāo)、一級(jí)指標(biāo)、總體指標(biāo)3個(gè)層次,逐層計(jì)算各級(jí)指標(biāo)五元聯(lián)系數(shù)公式中的系數(shù)a、b、c、d、e.在計(jì)算一級(jí)指標(biāo)和總體指標(biāo)時(shí),引入基于層次分析法的指標(biāo)體系權(quán)重W,以調(diào)整評(píng)估指標(biāo)的重要性程度.按照均分原則,確定差異度系數(shù)和對(duì)立度系數(shù),并計(jì)算五元聯(lián)系數(shù)主值,即可得到動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)m,根據(jù)其所處的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).因此,評(píng)估模型主要包括指標(biāo)權(quán)重W計(jì)算、五元聯(lián)系數(shù)計(jì)算、動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)m計(jì)算和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間劃分與評(píng)估4個(gè)部分.

1)指標(biāo)權(quán)重W的計(jì)算.考慮到不同沉井監(jiān)測(cè)參數(shù)指標(biāo)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響程度的差異,采用層次分析法[13]計(jì)算指標(biāo)權(quán)重.即分別計(jì)算二級(jí)指標(biāo)、一級(jí)指標(biāo)層次內(nèi)各指標(biāo)的權(quán)重,并用于后續(xù)一級(jí)指標(biāo)、總體指標(biāo)層五元聯(lián)系數(shù)的計(jì)算.在各層次指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算過程中,首先分析同層次內(nèi)各指標(biāo)的相對(duì)重要性,并建立模糊判斷矩陣A=(aij)n×n,即采用1～9標(biāo)度法[14]對(duì)二級(jí)指標(biāo)中各項(xiàng)內(nèi)容的重要性進(jìn)行兩兩比較,并將所有比值按照對(duì)應(yīng)位置向矩陣元素aij賦值,組成n階判斷矩陣A.其次,根據(jù)評(píng)價(jià)矩陣滿足公式AW=λmaxW,求得權(quán)重向量W={w1,w2,…,w4}T,其中λmax為最大特征值.最后,根據(jù)λmax來檢驗(yàn)矩陣A是否滿足一致性.當(dāng)計(jì)算隨機(jī)一致性比率小于0.1時(shí)[14],認(rèn)為判斷矩陣有效.

2)五元聯(lián)系數(shù)μ的計(jì)算.首先計(jì)算二級(jí)指標(biāo)的聯(lián)系數(shù),根據(jù)施工中某一時(shí)刻的沉井基礎(chǔ)指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),按照表2中的等級(jí)劃分區(qū)間,計(jì)算式(1)中的a、b、c、d、e.代入不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間的二級(jí)指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),得到五元聯(lián)系數(shù)計(jì)算公式為

(2)

式中,S0～S5分別為二級(jí)指標(biāo)Ⅰ～Ⅴ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間劃分的界限值;x為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值.當(dāng)x∈[S0,S1)時(shí),聯(lián)系數(shù)僅呈現(xiàn)同一性,對(duì)應(yīng)較低風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)x∈[S1,S2)、[S2,S3)、[S3,S4)、[S4,S5]時(shí),聯(lián)系數(shù)同一性逐步降低,差異性逐步增大,對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越來越高;當(dāng)x>S5時(shí),聯(lián)系數(shù)呈現(xiàn)完全對(duì)立性而無工程意義,故不做考慮.記第t個(gè)二級(jí)指標(biāo)的聯(lián)系數(shù)為μt,同一度為at,差異度為bt、ct、dt,對(duì)立度為et,則式(2)可簡(jiǎn)化為

μt=at+bti+ctj+dtk+etl

(3)

基于二級(jí)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)計(jì)算結(jié)果,結(jié)合二級(jí)指標(biāo)權(quán)重W進(jìn)行一級(jí)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算.假設(shè)第t個(gè)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重為wt,則一級(jí)指標(biāo)q的聯(lián)系數(shù)μq的計(jì)算公式為

(4)

同樣,基于一級(jí)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)計(jì)算結(jié)果,結(jié)合一級(jí)指標(biāo)權(quán)重W,計(jì)算總體指標(biāo)聯(lián)系數(shù).

3)各級(jí)指標(biāo)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)m的計(jì)算.依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果和權(quán)重,得到各級(jí)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)中同一度a、差異度b、c、d和對(duì)立度e.為計(jì)算五元聯(lián)系數(shù)主值,需進(jìn)一步確定聯(lián)系數(shù)公式中差異度系數(shù)i、j、k和對(duì)立度系數(shù)l.由文獻(xiàn)[13]可知,μ∈[-1,1],參照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法,采用邊坡穩(wěn)定[13]、煤礦安全[14]等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)常用的均分原則,將區(qū)間[-1,1]進(jìn)行 五節(jié)點(diǎn)等分,取各等分點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值:i=0.5,j=0,k=-0.5,l=-1.0,即完成相關(guān)系數(shù)取值.代入式(1),可得各級(jí)指標(biāo)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的計(jì)算公式為

m=a+0.5b-0.5d-e

(5)

4)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間劃分與評(píng)估.參照均分原則,將[-1,1]按5個(gè)評(píng)估區(qū)間等分,建立風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果見表3.因評(píng)估中未考慮x>S5的極端狀況,故表中未考慮m=-1的情況.

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

3 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)例

3.1 工程簡(jiǎn)介

連鎮(zhèn)鐵路五峰山長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)橹骺玳L(zhǎng)1 092 m的鋼桁架懸索橋,承載著四線高速鐵路和八線高速公路.大橋北錨碇采用沉井基礎(chǔ),長(zhǎng)100.7 m,寬72.1 m,高56 m(見圖1).

沉井施工過程中分3次下沉.鑒于該沉井平面面積巨大,達(dá)到7 200.0 m2,施工中尚無有效工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒,施工階段安全風(fēng)險(xiǎn)顯著,風(fēng)險(xiǎn)控制至關(guān)重要.沉井實(shí)際下沉施工過程中,去除沉井接高施工及就位后穩(wěn)定的非下沉施工時(shí)間,沉井下沉施工的總有效工作時(shí)間為134 d,其中第1～46天、第47～88天、第89～134天分別為第1、2、3次下沉的有效工作時(shí)間.

圖1 沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置(單位:m)

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)施工過程中,采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)沉井幾何變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、基底土壓力、井內(nèi)泥面標(biāo)高等重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[11].沉井幾何變位采用GPS+北斗系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),并采用人工全站儀監(jiān)測(cè)校核;共設(shè)置9個(gè)幾何測(cè)點(diǎn),分別位于沉井頂面四角、中心以及四周井墻頂面中部.采用振弦式應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力,包括對(duì)首節(jié)鋼殼、混凝土及其內(nèi)部普通鋼筋應(yīng)力的監(jiān)測(cè),其中鋼殼應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置于內(nèi)部靠近底面位置以及鋼殼外壁,混凝土及鋼筋應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置于鋼殼與混凝土交界處以及第3、4、6、9、10節(jié)頂部.在井墻和隔墻刃腳踏面底部以及各節(jié)井壁側(cè)面中部布置土壓力盒,測(cè)量井壁和井底的土壓力.此外,采用3D聲納系統(tǒng)和水位傳感器,分別測(cè)量刃腳土體埋深值和井內(nèi)外水位值.通過自動(dòng)采集箱采集傳感器信號(hào),經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸至服務(wù)器,進(jìn)行分析處理,然后將信號(hào)發(fā)送到終端服務(wù)器,進(jìn)一步處理得到監(jiān)測(cè)所需各類參數(shù).圖2為第3次下沉階段部分幾何變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).

圖2 幾何姿態(tài)部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

沉井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否超限等情況能夠直接反映施工安全與否,但無法對(duì)沉井施工風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確、合理、細(xì)化評(píng)判.為此,需構(gòu)建基于集對(duì)分析理論的沉井基礎(chǔ)施工動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型.模型構(gòu)建前,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程的實(shí)際監(jiān)控限值(絕對(duì)值),劃分指標(biāo)體系風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間.各指標(biāo)的具體限值為:鋼殼、混凝土、鋼筋應(yīng)力分別為140、14.6、120 MPa;平面扭轉(zhuǎn)角度lc=80 cm;沉井中心偏位ε=50 cm;沉井四角高差Δc=40 cm;沉井撓度γ=50 mm;刃腳埋深h=200 cm;沉井內(nèi)外水位差Δh=200 cm.

評(píng)估模型分別從二級(jí)指標(biāo)、一級(jí)指標(biāo)、總體指標(biāo)3個(gè)方面來計(jì)算指標(biāo)權(quán)重和五元聯(lián)系數(shù),求得動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),進(jìn)而得到沉井施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).具體計(jì)算過程如下:

① 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算.根據(jù)表2中的指標(biāo)體系,采用層析分析法,逐層計(jì)算沉井基礎(chǔ)的二級(jí)指標(biāo)、一級(jí)指標(biāo)、總體指標(biāo)權(quán)重,結(jié)果見表4.

表4 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重

② 二級(jí)、一級(jí)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)及動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的計(jì)算.首先計(jì)算二級(jí)聯(lián)系數(shù),將沉井施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代入式(2)和(5),計(jì)算出二級(jí)指標(biāo)的聯(lián)系數(shù)及聯(lián)系數(shù)主值.然后,將二級(jí)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)主值和表4中的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重代入式(4),計(jì)算出一級(jí)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)的參數(shù).以出現(xiàn)下沉困難的第94天為例,計(jì)算得到的一級(jí)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)參數(shù)結(jié)果見表5.

表5 一級(jí)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

③ 總體指標(biāo)聯(lián)系數(shù)及動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的計(jì)算與評(píng)估.將二級(jí)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)主值結(jié)果以及表4中的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重代入式(4),計(jì)算得到總體指標(biāo)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù).例如,將沉井第94天的一級(jí)指標(biāo)結(jié)果代入式(4),計(jì)算得到其總體風(fēng)險(xiǎn)的五元聯(lián)系數(shù)μ=0.236 44+0.075 7i+0.433 78j+0.116 2k+0.137 8l;再根據(jù)式(5),計(jì)算出總體動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)m=0.078 3,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí).

3.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果與分析

沉井下沉施工過程中,基于監(jiān)測(cè)參數(shù)計(jì)算的鋼殼、混凝土應(yīng)力等10個(gè)二級(jí)指標(biāo)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)變化曲線見圖3.

(a) 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

(b) 幾何姿態(tài)

(c) 控制參數(shù)

由圖3(a)可見,沉井應(yīng)力3項(xiàng)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)曲線在2次接高(第47和89天)時(shí)出現(xiàn)波動(dòng),說明沉井受力增大,受力不均勻的風(fēng)險(xiǎn)增大,對(duì)應(yīng)著沉井因自重增加而受力更為復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài).第102天時(shí),混凝土應(yīng)力指數(shù)A13降低至-0.47,對(duì)應(yīng)Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn),并持續(xù)至沉井就位,說明沉井混凝土受力復(fù)雜且開裂風(fēng)險(xiǎn)較高.然而,鋼殼應(yīng)力指數(shù)A11和鋼筋應(yīng)力指數(shù)A12的曲線相對(duì)平穩(wěn),表明結(jié)構(gòu)受力仍是安全的.

由圖3(b)可見,沉井平面扭轉(zhuǎn)角度指數(shù)A21全過程變化平緩且大都大于0.5,表明沉井平面扭轉(zhuǎn)角度風(fēng)險(xiǎn)小.沉井中心偏位指數(shù)A22始終為1,表明沉井基本無中心偏位風(fēng)險(xiǎn).沉井四角高差指數(shù)A23在下沉施工全過程變化顯著,多次低于-0.2甚至接近-1.0,表明施工過程中沉井開挖不均勻,沉井幾何偏位風(fēng)險(xiǎn)大,施工控制困難.沉井撓度指數(shù)A24存在波動(dòng)但大都大于0.6,說明沉井自身變形尚控制在良好狀態(tài).

由圖3(c)可知,第102天前,沉井下沉系數(shù)A31、刃腳泥面標(biāo)高指數(shù)A32和內(nèi)外水位差指數(shù)A33稍有波動(dòng),其量值均接近1,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低,亦未發(fā)生涌砂、涌水等風(fēng)險(xiǎn)事件.第102天后,下沉系數(shù)指數(shù)A31波動(dòng)顯著,最低下降到-0.85,對(duì)應(yīng)Ⅴ級(jí)風(fēng)險(xiǎn),與沉井混凝土應(yīng)力指數(shù)A13、四角高差指數(shù)A23的低值相對(duì)應(yīng),說明此階段出現(xiàn)了小規(guī)模滯沉、突沉等風(fēng)險(xiǎn)[15].同時(shí),其余風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)并未處于低值,表明風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi).

下沉期間一級(jí)指標(biāo)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)變化曲線見圖4.由圖可見,結(jié)構(gòu)應(yīng)力指數(shù)A1從0.41逐步下降到-0.30,對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也從Ⅱ級(jí)升至Ⅴ級(jí),符合第68天后沉井下沉深度增加且開挖工藝從預(yù)留核心土向“大鍋底”轉(zhuǎn)換時(shí),沉井因底部支撐減少、受力復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)增大的實(shí)際情況.幾何姿態(tài)指數(shù)A2與沉井四角高差指數(shù)A23的曲線波動(dòng)趨勢(shì)一致,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)基本保持在可接受的Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)以內(nèi).控制參數(shù)指數(shù)A3與下沉系數(shù)指數(shù)A31的曲線發(fā)展趨勢(shì)類似,且最高達(dá)到Ⅴ級(jí)風(fēng)險(xiǎn);究其原因在于,作為重要的影響參數(shù),下沉系數(shù)被賦予了較高權(quán)重值.由此可見,一級(jí)指數(shù)更為宏觀地反映二級(jí)指數(shù)變化情況,并體現(xiàn)關(guān)鍵指標(biāo)的變化趨勢(shì).

圖4 一級(jí)指標(biāo)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)變化曲線

總體動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)變化曲線見圖5.由圖可見,第46天前,總體風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)穩(wěn)定在0.5以上,處于較低的Ⅰ、Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn).第46～90天時(shí),沉井總體風(fēng)險(xiǎn)雖仍在Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)以內(nèi),但曲線波動(dòng)較前期更為明顯;原因在于,隨著下沉深度的增加,沉井基底土的不均勻性、結(jié)構(gòu)受力與變形更為復(fù)雜,施工控制難度增大.第90～129天,曲線波動(dòng)顯著,最低值為-0.09,對(duì)應(yīng)Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn),反映了沉井出現(xiàn)滯沉、突沉等高風(fēng)險(xiǎn)事件.第130天后,下沉末期引入空氣幕、降水等助沉措施,曲線逐步回升并趨于穩(wěn)定,沉井總體風(fēng)險(xiǎn)降至可接受的Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn).

圖5 總體動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)變化曲線

基于集對(duì)分析理論的沉井動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)估計(jì)算結(jié)果能夠全面、動(dòng)態(tài)地反映五峰山長(zhǎng)江大橋沉井基礎(chǔ)下沉施工中的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)情況,為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制提供一種新的量化方法.

4 結(jié)論

1) 將風(fēng)險(xiǎn)分析與沉井施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合,建立動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系.引入集對(duì)分析理論和層次分析法(AHP),提出了基于五元聯(lián)系數(shù)的三層次動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法.

2) 沉井二級(jí)指標(biāo)中,第102天混凝土應(yīng)力指數(shù)A13降至-0.47,對(duì)應(yīng)Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn),并持續(xù)至沉井就位,說明沉井混凝土受力復(fù)雜且開裂風(fēng)險(xiǎn)較高.下沉系數(shù)A31和四角高差A(yù)23的低值反映了第102天后出現(xiàn)小規(guī)模滯沉、突沉等風(fēng)險(xiǎn);其余風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)并未處于低值,表明風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi).

3) 沉井一級(jí)指標(biāo)中,結(jié)構(gòu)應(yīng)力指數(shù)A1在第68～112天中逐步降至-0.30,對(duì)應(yīng)Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn),反映了混凝土等受力復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)增大的實(shí)際情況.控制參數(shù)指數(shù)A3與下沉系數(shù)指數(shù)A31的曲線發(fā)展趨勢(shì)類似，評(píng)估為Ⅴ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，說明下沉系數(shù)為關(guān)鍵指標(biāo).

4) 總體動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在第90天前處于低值,之后指數(shù)曲線波動(dòng)顯著,最低值為-0.09,對(duì)應(yīng)Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn),說明沉井整體處于中等風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài).

5) 通過五峰山大橋沉井基礎(chǔ)施工實(shí)例,驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型及其指標(biāo)體系的可靠性,為橋梁基礎(chǔ)等工程風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估提供了新的量化方法.