大跨度斜拉橋拆除工程風險評估

李 揚

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

0 引 言

某大跨徑斜拉橋因橋下通航等級提升，致使橋下凈空無法滿足通航要求，同時該橋建造年代較為久遠，結構存在較多難以消除的疾患，故擬對其進行拆除重建。目前，國內外已經成功實施過一些斜拉橋的拆除[1-3]，但都是采用整體爆破手段。然而，對于橋位環境不適于爆破的斜拉橋則需要采用逆序法逐段拆除，目前尚無成功實施的案例。

相比爆破法拆除，斜拉橋逆序拆除技術更為復雜，其風險發生頻率和損失程度也相應增加。為使項目決策更科學合理，保障項目順利實施，對該橋拆除過程實施風險評估就顯得尤為必要。事實上，在斜拉橋建設領域，國內外學者已經開展了大量風險評估研究，并取得了豐碩成果[4-6]。然而，在對大跨徑斜拉橋逆序拆除方面，由于缺乏工程案例，其風險研究也暫未見報道。

筆者首先簡要介紹項目概況和拆除方案，其次提出一套適用于大跨度斜拉橋逆序拆除項目風險評估方法，然后利用該方法進行風險識別、分析和評價，并提出相應風險應對措施。

1 項目概況及風險定義

1.1 項目概況

某雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，跨徑布置為(85+200+85)m，采用塔梁固結、塔墩分離的結構體系。主跨跨中設置30 m簡支掛孔，邊跨三分點處設置兩個輔助墩，其總體布置如圖1。橋面布置為2.5 m(人行道)+7 m(車行道)+2.5 m(人行道)，總寬12 m。橋下河道通航凈寬為192 m，因航道等級提升，根據新的通航論證結果，通航凈空要求由原來的3.1 m提高為7 m，因此需要對大橋進行拆除改造。

圖1 某大跨度斜拉橋總體布置(單位：m)Fig. 1 Elevation of a long-span cable stayed bridge

1.2 拆除施工方案

橋梁拆除總體順序遵循“先上部后下部，拆橋為建橋施工的逆順序”原則，具體拆除方案為：

① 拆除橋面系附屬設施；② 拆除位于跨中的掛孔段主梁，可采用浮吊吊裝；③ 河跨標準段拆除，橋面懸臂掛籃切割后利用汽車吊轉運；④ 岸跨采用滿堂腳手支架支撐，斜拉索與河跨斜拉索同步對稱放索；待河跨拆除之后，進行岸跨切割拆除；⑤ 在橋梁兩岸各設置一塊構件破碎場地，將切割分塊的構件在場地內破碎、清運。

1.3 風險定義及風險評估工作內容

考察既有的風險研究成果，國內外學者對于風險定義雖有不同之處，但總體上都是圍繞事故概率和后果等問題展開[7-9]。筆者采納文獻[9]的定義：風險是“在給定條件下，評估對象發生損失概率及其嚴重程度的組合”。

風險評估工作內容十分豐富，且對于不同領域，風險評估工作側重點也有所不同。對于大跨度斜拉橋逆序拆除項目而言，風險評估核心工作內容主要有：風險識別、風險分析、風險評價和風險應對。

2 風險識別

2.1 魚骨圖法

常見風險識別有檢查表法、故障樹法、德爾菲法等[7]。這些方法很大程度上依賴于既有經驗，而本項目在國內外尚無參考案例，且技術復雜、未知因素較多，利用上述方法進行風險識別易產生漏項。

魚骨圖法是一種幫助發現問題本質原因的方法，將其用于風險識別，可避免個人思維局限性，能較為全面地獲得風險因素，且實施方便[10]。魚骨圖法用3個層次指標體系來分析問題，總指標即為“項目風險”，包括工期延誤、質量問題等在內的一切沒有如約完成的工程情況均可稱為“項目風險”；I級指標通常是指“人、機、料、法、環”這5個方面；II級指標則是造成該方面的具體原因，此時可采用頭腦風暴等形式，盡可能多而全地找出所有可能原因，而不僅限于自己掌控或正在執行的內容。

2.2 風險識別指標體系

利用魚骨圖法對該項目的風險源進行分析，定性地建立風險識別指標體系，如表1。限于篇幅，筆者對各風險因素具體含義不再贅述。

表1 風險識別指標體系Table 1 Risk identification index system

3 風險分析

3.1 層次分析法

風險分析方法有蒙特卡羅法、決策樹法、層次分析法(AHP法)等[7]，其中層次分析法用于多級指標分析時具有較好精度。

3.1.1 建立判斷矩陣

以上一層某元素為準則，對本層元素進行兩兩比較判斷，按照表2的評分法則將比較結果數量化，形成判斷矩陣。以Ⅰ級指標為例，若包含n個元素，則I級指標的判斷矩陣A=(aij)n×n, (i,j=1, 2,…,n)，其中：aij表示從總指標層考慮元素i對元素j的相對重要程度。

表2 重要性評分法則Table 2 Grade principle for importance

3.1.2 層次單排序

獲得某一層判斷矩陣后，可對該層各元素對上一層元素重要性進行排序，稱為層次單排序。單排序問題可歸結為計算判斷矩陣的最大特征根及特征向量。特征根和特征向量的計算方法有很多種，例如和積法、方根法、冪法等，筆者不再贅述。若判斷矩陣A的最大特征根為λmax，對應特征向量為W=(w1,w2, …,wn)，w1,w2, …,wn即為該層各元素對上一層元素的權重系數，其數值越大則重要性越大。

應用層次分析法時，必須保證思維判斷一致性，因此需對判斷矩陣A進行一致性檢驗，即一致性比率CR應滿足式(1)要求：

(1)

式中：CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標，與判斷矩陣階數n有關，可由表3查得[11]。

表3 平均隨機一致性指標RI取值Table 3 RI value of mean random consistency index

3.1.3 層次總排序

層次分析法的最終目的，是求出II級指標層上各元素對于總指標層的權重，稱為層次總排序。假定已經按照層次單排序方法算出I級指標層上各元素相對于總指標層的權重向量為W(Ⅰ)；Ⅱ級指標層上所有元素對Ⅰ級指標層上對應元素的排序權重向量為V(Ⅱ)，則II級指標層上元素對總指標層的合成排序向量W(Ⅱ)如式(2)：

W(Ⅱ)=W(Ⅰ)×V(Ⅱ)

(2)

3.2 風險權重排序

基于層次分析法，依據項目特點制作風險矩陣調查表，邀請多位專家依據表2準則對調查表中的風險進行兩兩判斷。根據專家判斷打分，構造判斷矩陣(結果如表4、5)。

表4 Ⅰ級指標判斷矩陣ATable 4 Judgment matrix A for index class Ⅰ

表5 Ⅱ級指標判斷矩陣A1～A5Table 5 Judgment matrix A1～A5 for index class Ⅱ

通過求解上述判斷矩陣最大特征根及特征向量，驗證各判斷矩陣一致性比率均滿足式(1)要求；將所得各特征向量代入式(2)，可算出II級指標層上所有元素對總指標層的合成排序向量W(Ⅱ)，如式(3)：

W(Ⅱ)=(0.033,0.01,0.01,0.02,0.036,0.018,

0.156,0.191,0.004,0.014,0.03,0.006,0.125,0.033,0.077,0.011,0.019,0.157,0.059,0.011)

(3)

4 風險評價

4.1 模糊綜合評價法

在計算出各風險因素的權重之后，還需用量化手段描述風險概率及其損失的嚴重程度，這一過程可利用模糊綜合評價法[12]實現。

4.1.1 建立評價集合

定義風險評語集合U={極低，低，中，高，極高}用于對由風險嚴重程度進行描述，其對應評分集合G={1, 2, 3, 4, 5}。

4.1.2 構建模糊關系矩陣

利用評價集合對II級指標層所有元素進行一一評價，然后各元素得到某種評價次數除以總調查人數，即可得到模糊關系矩陣R的各個元素數值。

4.1.3 模糊合成

將II級指標層各元素對總指標層的權重向量W(Ⅱ)和模糊關系矩陣R進行模糊合成，可得到項目風險的綜合隸屬度M，如式(4)：

M=W(Ⅱ)×R

(4)

4.1.4 綜合評分

項目風險綜合評分結果u可由式(5)求得：

u=M·GT

(5)

將u值與評分集合G中各分值進行比較，即可按照較為接近的一類進行判定。

4.1.5 總體風險等級評定

利用上述方法分別對項目風險概率、風險損失進行評分，得到風險概率及損失等級，然后根據表6確定項目總體風險等級。對各類風險等級定義列于表7[12]。

表6 風險等級評價Table 6 Evaluation of risk level

表7 風險等級定義Table 7 Definition of risk level

4.2 風險概率等級評價

根據本項目特點制作風險概率調查表，并邀請前述專家在相應概率級別上打勾，將打勾次數除以專家人數后填入表8，即得風險概率模糊關系矩陣。

表8 風險概率模糊關系Table 8 Fuzzy relation of risk probability

利用式(4)、(5)可得到風險概率綜合評分結果u=2.602，因此可認為該項目總體風險概率為中級。

4.3 風險損失等級評價

制作風險損失調查表，采用同樣方法可得到風險損失模糊關系矩陣，如表9。

表9 cTable 9 Fuzzy relation of risk loss

(續表9)

利用式(4)、(5)可得到風險損失綜合評分結果u=3.186，因此可認為該項目總體風險損失為中級。

4.4 總體風險等級評價

查詢表6，可知本項目總體風險等級為中級，即項目有條件實施，但應采取一定措施降低風險。

5 風險應對

5.1 風險應對方法

在風險等級確定之后，需根據風險等級提出更加具有針對性風險應對措施。常見風險應對方法有風險自留、風險轉移、風險控制、風險規避、風險預防等[7]。對于同一個風險因素，可采用其中的一種或多種應對方法。

5.2 風險應對措施

式(3)已揭示出對本項目風險影響最大的4個風險因素為：拉索臨時工裝風險K24、水體污染風險K52、破碎切割設備風險K23、設計計算風險K41。這主要是由于：① 拉索臨時工裝是斜拉索切割過程中索力轉換裝置，其失效將直接導致對應梁體節段坍塌；② 梁體切割時產生的碎塊、粉塵極易造成水體污染；③ 梁體、橋塔節段中布設有大量鋼筋和預應力鋼束，對切割機性能要求極高；④ 老橋已經運營了30余年，其混凝土老化、斜拉索錨頭銹蝕等情況嚴重，需在計算模型中充分考慮這些因素影響。

通過層次分析法得出風險權重排序結果符合實際情況。限于篇幅，筆者僅針對這4大風險提出相應的應對措施，如表10。

表10 風險應對措施Table 10 Corresponding risk countermeasures

(續表10)

風險因素應對措施水體污染風險K52破碎切割設備風險K23設計計算風險K41①在擬切割構件的周圍布置防拋網,阻止碎塊掉入河中;②原位進行大塊切割,運至岸邊場地再進行破碎;③施工過程中進行水質實時監測,如有異常立即停止,并研究解決。①切割和破碎設備通過招標后由專業的設備廠家提供,出廠前對設備進行保養,所有設備必須出具合格證書和保養憑證;②正式切割破碎前,先對整個切割和破碎過程進行預演調試。①聘請第三方咨詢機構,對拆橋設計和計算文件進行復核、審查;②設計單位應充分考慮斜拉索錨頭老化造成的無法完全重現原施工狀態的問題,按照最不利工況進行結構驗算,并預留一定的安全度。

6 結 論

筆者在總結風險評估主要工作內容基礎上，提出了一套適用于大跨度斜拉橋拆除項目的風險評估方法。該方法核心內容包括：① 利用魚骨圖法進行風險因素識別；② 利用層次分析法進行風險權重分析；③ 利用模糊綜合評價法進行風險等級評價。

利用所提出方法，對某大跨度斜拉橋拆除項目案例進行風險評估。構建起5個I級指標、20個II級指標組成的風險識別指標體系；然后對各風險因素的權重、概率、損失進行分析與評價。結果顯示：該項目總體風險等級為中級；最后針對影響最大的4個風險因素提出了相應的應對措施。

筆者提出的風險評估方法可對今后類似工程建設風險評估提供參考，具有較好的社會經濟效益。