橋梁沉井基礎施工風險主成分分析法*

劉沐宇　陳　珂　荊　武

(武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室　武漢　430070)

橋梁沉井基礎施工風險主成分分析法*

劉沐宇陳珂荊武

(武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室武漢430070)

摘要：提出了橋梁沉井基礎施工風險主成分分析法，并將該方法應用于武漢鸚鵡洲長江大橋北錨沉井基礎施工風險分析中.通過構建北錨沉井基礎風險因素和施工工序對應關系矩陣，獲得了北錨沉井基礎的風險因素在3個降維后的施工工序(主成分)中的排名情況.結果表明，沉井施工對周圍建筑物產生影響和井底流沙在沉井接高下沉中風險較大；井壁強度不足在鋼殼制作中風險較大；前期組織不完善在前期準備中風險較大.

關鍵詞：沉井基礎；施工工序；風險因素；防范措施

劉沐宇(1963- ):男，博士，教授，博導，主要研究領域為橋梁工程

0引言

隨著橋梁施工技術的不斷發展，橋梁的跨度越來越大，然而所面臨的風險也隨之增大.沉井基礎作為橋梁下部結構的組成部分[1]，由于施工的復雜性和多樣性，使得其在施工中極易出現事故,這就需要施工人員及時了解沉井施工中存在的風險因素，采取相應的措施減少事故的發生.因此有必要對橋梁沉井基礎的施工進行風險分析.

目前在橋梁的施工風險研究中，李書韜等[2]根據某大型懸索橋的施工工序，運用模糊層次分析法對其施工風險因素進行了權重計算；沈斌等[3]對潤揚長江公路大橋北錨碇基坑部分進行了綜合的施工風險分析，在沉井部分提出了沉井法的主要施工工藝以及沉井施工的風險對策；王榮文等[4]對沉井在設計和施工中容易發生的事故進行了歸納闡述，并對沉井的設計和施工要點進行了總結.本文以鸚鵡洲長江大橋北錨沉井基礎為例，將其劃分成7個工序和30個風險因素，并建立全面的對應矩陣，利用主成分分析法特有的處理施工工序和風險因素之間全面的對應關系這一特色，定量計算出每一個風險因素在降維后的施工工序中的風險程度大小并提出對策使施工風險降至最小.

1沉井基礎施工風險主成分分析方法

1.1沉井基礎施工風險主成分分析法思想

同一個風險因素可能在不同的工序中發生，用較少的工序來解釋資料中較多的工序[5]，并把相關性較大的工序轉換為相互獨立的工序，能充分反映出數據分布特征，這種降維處理技術能夠達到減少工序個數的目的，是主成分分析法的思想.

1.2沉井基礎施工風險主成分分析法步驟

1) 構造一個n×p階的全面對應矩陣(其中數據矩陣中有n個風險因素，每個風險因素中有p個施工工序).

(1)

2) 計算全面對應矩陣的相關系數矩陣.

(2)

(3)

3) 計算相關系數矩陣的特征值和特征向量

(4)

求出特征值之后按大小排列

(5)

并求出對應每一個特征值的特征向量eij(向量ei的第j個分量).

4) 計算降維后的工序貢獻率及累計貢獻率

(6)

(7)

一般取累計貢獻率達到85%左右的工序個數作為主成分.

5) 計算主成分載荷(降維后的工序矩陣)

(8)

6) 計算n個風險因素在m個主成分中的得分

(9)

式中：zmn為第n個風險因素在第m個主成分中的得分;lmp為第p個工序在第m個主成分中的載荷；xpn為對應矩陣中第n個風險因素在第p個施工工序中的數值.

2工程應用

2.1鸚鵡洲長江大橋北錨沉井基礎概況

鸚鵡洲長江大橋漢陽側的北錨碇沉井基礎是該大橋的主要基礎工程之一，沉井為圓形，第一節直徑為66.40 m，第二～九節的直徑為 66.0 m，中間均設置直徑是41.4 m的空心圓，沉井的總高度是45.50 m；周邊均設直徑分別是9.10,8.30和 8.70 m的圓筒，分9節制作，第一節是6.0 m的鋼殼，第二～八節是鋼筋混凝土，每節為 5 m，第九節是4.50 m，基底是以密實的礫砂作為持力層[6]，見圖1.

圖1　鸚鵡洲長江大橋北錨沉井基礎施工圖片

2.2鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎施工風險識別

根據工程資料和專家意見，識別出鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎的施工風險因素和施工工序(為了簡便起見，采用代號表示每個風險因素和施工工序)，見表1和表2.

表1　鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎施工風險因素

表2　鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎施工工序

2.3鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎施工風險估計

由于橋梁上缺少相應的施工事故數據庫，沒有大量的客觀數據去反映沉井施工中的每一種因素的風險程度，因此這里采用專家打分的方法近似代替統計數據的方式.具體的打分賦值標準見表3.

表3　風險賦值標準

以施工風險因素(行)為樣本，施工工序(列)為變量建立30×7階矩陣作為數據表格.此表一式15份，給15個專家進行打分，并取其平均值.表中的數字代表每一個風險因素在各施工工序中發生的可能性的大小.打分樣表見表4.

表4　專家打分樣表

2.4鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎施工風險評價

這里將專家打分表作為原始統計數據進行主成分分析，依據前面所說的主成分分析法的原理，用統計分析軟件SPSS中的因子分析進行計算,通過計算其相關系數矩陣和主成分矩陣，得到了3個主成分,分別命名為沉井施工(接高下沉并封底)，鋼殼制作，施工準備工作(防護、地基處理).

最終計算得出每一個風險因素在3個主成分中的排名，見表5.

由表5可見，第一主成分中風險較大的2個因素是沉井施工對周圍土層或建筑物產生影響和井底流砂.第二主成分中風險較大的因素是井壁強度不足.第三主成分中風險較大的因素是前期組織工作不完善.

3鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎風險對策

為了減少沉井施工對周圍環境造成的影響，施工周邊的地區應設置盡量多的沉降觀測點，并不定時進行測量監測[7-8].

對于流砂事故，挖土時盡量避免在刃腳下開挖，防止砂石進入井內.用沉井降水的方法也可以減少井內外的水頭差，及時對滲流的穩定性進行驗算.對井底的軟硬程度不均勻的土層進行加固或者換填處理.

表5　風險因素在3個主成分中的分值排名

為了降低井壁強度不足所帶來的影響，鋼構件的取用應該有質量保證，混凝土的配合比應該適當.盡量避免粘有雜物.接縫和拼縫過程必須嚴密并且支撐牢固.

在前期準備中，應嚴格按照先控制后細部的原則，不斷補充還沒進行到位的組織工作，認真做好記錄，進行有效的組織管理.

4結論

1) 運用主成分分析法解決了橋梁沉井基礎施工中施工工序與風險因素之間缺乏全面的對應關系(每一個施工工序都可能發生各種風險因素)的問題.

2) 計算結果表明:橋梁沉井施工對周圍建筑物產生影響和井底流沙在沉井接高下沉中風險較大；沉井井壁強度不足在鋼殼制作中風險較大；施工前期組織不完善在前期準備中風險較大.

3) 通過對鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎的施工風險分析，對主成分分析法在其他復雜的橋梁施工風險分析中的應用提供很好的借鑒.

參 考 文 獻

[1]高紀兵.泰州長江公路大橋中塔深水大型沉井基礎施工技術[D].重慶：重慶交通大學,2010.

[2]李書韜，程進.模糊層次分析方法在大跨度橋梁施工期風險評估中的應用[J].結構工程師，2011(10):159-162.

[3]沈斌.幾種懸索橋錨碇結構基坑的施工風險分析及對策[J].公路交通科技 ,2008(4):108-112.

[4]王榮文，葛春輝.沉井設計和施工中的常見事故及其防治措施[J].特種結構,2007(3):103-105.

[5]李娜娜，施龍青，李忠建，等.主成分分析法在底板突水影響因素評價中的應用[J].煤礦開采，2011(2):26-28.

[6]李明華，楊燦文. 武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇新型沉井基礎設計[J].橋梁建設，2011(4):1-4.

[7]袁勇.沉井施工風險分析[J].中國水運,2011(12):221-223.

[8]趙有明，田欣，牛亞洲，等.南京長江第四大橋北錨碇沉井基礎施工關鍵技術[J].橋梁建設,2009(1):62-65.

中圖法分類號：U443.13 1

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.001

收稿日期：2014-09-10

Principal Component Analysis Method of Construction
Risk of Open Caisson Foundation in a Bridge

LIU MuyuCHEN KeJING Wu

(HubeiKeyLaboratoryofRoadwayBridgeandStructure

Engineering,WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430070,China)

Abstract：Principal components analysis method is a kind of risk analysis method which can reduce the dimensionality of complicated construction process and sort risk factors. This passage proposes principal component analysis method of risk analysis of construction of bridge open caisson foundation based on the principle, and it is applied to the risk analysis of construction of North Anchorage caisson foundation of the Parrot Island Yangtze River Bridge. Through determine the complete correspondence matrix according to risk factor and construction procedure, use the principal component analysis method to calculate the risk factor level ranking in 3 reduced dimension of construction process(principal component).The results show that: the influence of the construction of open caisson foundation on the surrounding building and bottom hole flowing sand are in high risk in construction of caisson sinking; the insufficient wall strength is in high risk in the making process of steel shell; the imperfect work of organization is in high risk in the process of preparation of construction of open caisson foundation.

Key words：open caisson foundation; construction procedure; risk factor; preventive measure

*高等學校博士點專項基金項目(批準號：20110143110016)、武漢市科技攻關項目(批準號：201160923308)資助