五峰山長江大橋施工階段風險評估研究

施 洲,紀 鋒,楊仕力,呂大財

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.中國鐵路上海局集團有限公司 南京鐵路樞紐工程建設指揮部,南京 200142)

引言

隨著我國基礎設施建設進程逐漸加快，大型橋梁工程作為線路的關鍵節點，其重要性毋庸置疑。然而在橋梁施工過程中卻頻發工程事故，造成了巨大的損失，給橋梁發展蒙上了陰影。為科學合理控制工程施工中的風險，國內外學者相繼展開了橋梁工程風險評估研究，早年國外學者MARK[1]基于可靠性對橋梁風險進行了評估，而我國早在2004年，有研究者采用定性方法對蘇通大橋的索塔及上部結構施工方案施工階段的風險完成評估工作；阮欣[2]針對橋梁施工中的風險問題，在橋梁工程領域初步建立風險評估體系。時至今日橋梁風險評估理論已經形成定性和定量評估兩種類型，蔡筱波[3]應用專家調查表法定性對某鋼桁梁橋在運營期間的風險源進行研究，并成功應用于工程實踐，此外鄧維斌[4]等基于正交實驗對頭腦風暴法開展研究，提出因素篩選的方法，豐富了橋梁風險識別理論。韓國學者Taejun Cho[5]等利用主纜線斷裂的最終極限狀態來定量評估懸索橋的施工階段風險；韓興等[6]基于失效概率理論定量的對橋梁運營過程中地震風險進行了細致研究；丁閃閃等[7]采用蒙特卡羅法定量的對橋梁施工過程中風險進行了成功評估。從上述橋梁工程風險評估的實際應用可知，定性方法和定量方法均有其優缺點，其中以專家調查法[8]為代表的定性方法具有簡便高效等特點，但其局限性在于受人為因素影響顯著；而以可靠度計算[9]為代表的定量方法具有定量取值困難、樣本少、風險概率及后果損失確定困難等問題。針對上述問題， Hassan Hashemi等[10]提出一種混合專家調查和置信區間的方法，較為精確計算出風險事件發生概率和損失值；此外基于作業分解(WBS)-風險分解理論(RBS)具有既能把握項目整體風險，又能兼顧局部工程風險的優點[10-11]，辛望等[11]在重慶沿江高速公路蘇家溝特大橋項目應用工作分解結構-風險分解結構(WBS-RBS)方法對施工期安全風險進行分析，分析得出的各個作業單元施工安全主要影響因素及其風險等級，優化了施工風險源識別程序，降低風險評定中人為因素的干擾。隨著大型橋梁建設的不斷發展，其施工階段工藝愈加復雜，工程風險不容忽視，在施工階段開展系統的風險評估工作并控制實際施工中的風險顯得越來越重要。

新建五峰山長江特大橋主橋規模龐大、施工工藝十分復雜，很多分項分部工程并無借鑒案例，施工階段面臨的風險顯著。為提高五峰山特大橋工程風險評估的系統性、效率和水平，并指導實際工程施工，也為后續風險評估研究提供基礎；采用通過WBS-RBS方法識別風險源，并采用層次分析法(AHP)[12-14]和專家調查法結合的方法進行風險評估工作，全面識別施工階段風險源，并評估風險等級，對重大風險源提出專項風險控制措施以降低風險等級至可接受范圍，確保該橋施工安全。

1 施工階段風險評估方法

1.1 施工階段風險評估程序

五峰山長江大橋因其龐大的規模，施工階段工序繁多并相互影響，系統化、程序化的風險評估工作是準確識別并評估風險的關鍵。在對大橋勘測資料、地勘報告、橋梁設計圖、施工組織設計、各類專項施工方案、監控措施等資料詳細分析調研的基礎上，對五峰山長江大橋整個項目過程采用WBS-RBS方法以識別風險源，并根據專家調查意見從風險發生概率、風險后果損失兩方面結合風險接受標準評定風險等級，最后采用針對性的控制措施將風險降低至可接收的程度。大橋施工階段的風險評估具體流程如下。

(1)成立評估小組，收集相關工程地勘報告、設計圖紙、施工組織設計文件、專項施工組織方案、監測方法等，以及相關類似橋梁工程風險案例等資料。

(2)依據橋址環境、橋梁結構方案設計、施工組織方案及監控措施、運維管理等方面分析該橋特點，運用WBS-RBS方法將大橋施工按照分項工程分解至基礎工序，并按風險性質進行風險分解，程序化排查潛在風險源，并匯總成初步的風險源表。

(3)將初步的風險普查表制成專家調查表，邀請設計、施工、監理、運營管理等相關部門的專家進行風險源增補和調整，并對各風險源進行概率等級、風險損失等方面充分調查與評估。

(4)評估小組依據專家調查表，運用層次分析法(AHP)分析風險損失并采用公式計算風險概率等級，根據風險接受標準構建風險等級判斷矩陣，以此對風險源進行風險等級評估，并對風險接受等級較高的風險源進行控制措施分項研究。

大橋施工階段的風險源識別與評估流程如圖1所示。

圖1 風險評估流程

1.2 施工階段風險源識別

風險源識別是風險評估工作的基礎，可通過故障樹分析、事故推演分析、專家調查等方法得到，在進行大型工程全系統風險源篩選和甄別研究時，需根據工程特點及全過程施工工藝，組織化和程序化地對復雜工程風險進行識別；另一方面，將工程所涉及的各方面未知風險及潛在因素聯系，與行業專家的經驗、分析與思考相結合。WBS-RBS可將工程程序化的細化工序分解并系統識別潛在的風險源。WBS-RBS法識別思路在于：通過構建一個工作、風險雙維度的分解框架，其結構中每個遞減級別代表了項目工作及風險的各層級的定義，據此在不同層次上對風險完成匯總分析，從而實現風險研究的初步識別。結合橋梁工程施工特點，WBS分解結構分解應當從施工步驟、結構特點出發，按照橋梁工程層次的順序依次進行，RBS分解可以從周邊環境、結構設計方案、施工工藝、運營影響4個方面出發，進一步細化為地質狀況、周邊建筑物、環境交通、工程機械、結構方案、人員組織管理、施工方案直至運營維護等多個方面，并結合施工工序逐項識別風險源存在與否。據此建立工程風險結構分解框架，可得到如圖2所示的風險分解矩陣，矩陣的橫、縱向分別代表工作分解和風險分解狀況，每個矩陣元素表示1處風險源，包含具體的工作、風險信息。在此基礎上通過專家調查對矩陣風險內容進行檢查，判斷該處風險是否存在，必要時調整、補充相關風險源。經上述程序，施工階段的所有潛在風險能夠充分識別，并按類放置在風險矩陣RBM中[15-16]。

圖2 WBS-RBS分解識別源識別示意

1.3 施工階段風險等級評估

風險識別過程完成后，在此基礎上采用專家調查表與層次分析法(AHP法)相結合的方法開展風險評估。根據回收的專家調查表，匯總專家們對各風險源發生概率、風險損失及后果的評估內容，并引入AHP法，應用其在權重系數取值方面的系統性優勢，綜合評估各項風險源的損失等級，根據計算結果結合風險接受標準，構建風險判斷矩陣，以評估各項風險源等級。具體的評估方法及流程如下。

(1)基于WBS-RBS的專家調查：基于WBS-RBS以分部工程為單位的風險分解識別結果編制專家調查表，邀請專家對風險項對應的風險因子、發生概率及風險損失等進行評判。其中風險損失評定時，應包括風險損失權重判斷，并采用1-9 標度法賦值。在實際操作中，風險等級評估調查表與風險識別調查同步進行，除此之外還需附上該橋項目設計、施工、監控等相關資料等供專家參考。填表時根據表1中概率等級描述對風險事件發生概率等級做出判斷，如“可能發生”、“偶然發生”等；同時風險損失分為人員傷亡、經濟損失、環境影響三方面，其等級是根據風險事件發生后所造成影響程度確定，據此損失等級可劃分為輕微、較大、嚴重、很嚴重、災難性5個部分，分別對應等級1～5并填表。

表1 風險概率等級標準

(2)專家調查表處理：在專家調查表回收后，評估小組對調查表進行結果匯總，運用公式逐個對各項風險源發生概率和風險損失進行計算與匯總。分析時應需考慮不同技術人員的主觀偏差，故采用考慮加權效應處理公式進行處理。其中風險源概率值計算依據表1所示的概率等級描述，如“可能發生”、“偶然發生”所對應中心值B計算風險事件概率，并以概率范圍A為準判斷最終風險事件概率等級；其中風險事件j的概率Pj計算公式

(1)

式中,n為所邀請專家總人數，ni為認為風險事件發生概率等級i的專家人數，Bi為概率等級i的中心值。損失評定時由專家給出等級判斷值，采用加權平均分別計算出三方面風險損失等級值。

(3)AHP法權重分析：風險損失在環境、人員、經濟三方面進行相互比較，基于1-9標度法構造判斷矩陣，并根據判斷矩陣求解出的最大特征值和對應的歸一化特征向量，對判斷矩陣進行一致性檢驗[17-18]，保證結果的可靠性。

(4)風險等級計算：根據AHP法獲得的權重，可獲得綜合風險損失等級值，與風險概率等級組合成判斷坐標，依據風險接受標準所構建的判斷矩陣，考慮工程實際綜合評定出相應風險等級，劃分一般(中低)風險源和重大風險源。基于ALARP風險接受準則[19-20]，結合專家意見，構建本工程風險接受標準，如圖3所示。

圖3 風險接受標準

(5)風險對策制定及殘余風險分析：根據風險等級制定控制措施，一般風險源主要涵蓋項目建設條件中如地質、氣象、人員、常規機具等風險；施工工藝中如安全裝置缺位、高空墜落、操作不當、工程機械傷害等風險。一般風險源的控制措施主要是依據相關技術標準、安全管理要求并根據現場實際制定，所制定的風險控制措施應當簡單明確、重點突出，同時明確安全措施、管理意見等方面的內容并確保在橋梁施工過程中各項風險控制措施得到落實。重大風險源的控制對策應制定專項預案，其控制措施主要涵蓋：各分部工程專項技術方案研究、各分部工程結構的施工監測控制措施、施工中動態的技術分析總結、監控分析評估、施工技術調整、風險制度管理等。對施工工藝中施工方案造成的風險應制定專項監測與控制技術方案。采用控制方案后，對重大風險源重復風險等級評估程序，驗證其風險等級處于可接受狀態。

2 五峰山長江大橋施工階段風險評估

2.1 工程概況

新建五峰山長江特大橋是連云港至鎮江鐵路的關鍵性和重難點工程，主橋為(84+84+1092+84+84) m跨徑布置，結構采用雙塔柱五跨鋼桁梁懸索橋形式，全橋布置形式如圖4所示。大橋為高速鐵路及公路兩用橋，設雙層橋面，下層四線鐵路為客運專線，上層為雙向八車道高速公路。大橋設南、北兩個錨碇，錨碇結構組成為基礎、錨體、大纜錨固系統及相關附屬設施。北錨碇采用沉井擴大基礎，其尺寸為100.7 m(長)×72.1 m(寬)×56 m(高)；錨體采用“U”形方式布置，尾部橫寬為70.2 m，前端相分離，每側橫寬為10 m，錨體順橋向長度為83.3 m，高度為56.6 m。南錨碇采用長大地連墻圍護現澆圓形擴大基礎，錨體形狀布置在平面前部呈圓端形、尾部矩形，橫向寬71.0 m，順橋向長度為88.0 m，錨塊高度為31 m。主纜錨固系統作用在于將主纜所受拉力由主纜傳遞并轉由錨碇承擔，結構組成分為后錨梁和錨桿，錨體內部通過澆筑混凝土安裝后錨梁，錨桿兩端與后錨梁上和大纜索股相連接。大橋主塔墩采用梅花式布置的群樁基礎，樁長65～128 m，鉆孔施工并澆筑成型；承臺形狀呈啞鈴型，圓形部分直徑40 m，厚9.5 m，采用鋼板樁圍堰澆筑施工。兩邊主塔均采用鋼筋混凝土門式框架類型，北主塔高度為203 m，南主塔高度為191 m；主塔塔柱采用爬模法澆筑施工，上下橫梁用支架施工，塔頂安裝主纜鞍座和鞍座罩房。大橋主纜采用預制平行高強鋼絲索股(PPWS)結構，每根主纜包含352根索股，每根索股由127根φ5.5 mm鍍鋅鋁高強鋼絲組成，其長度約1 933.6 m，主纜擠圓后理論直徑為1.3 m。大橋主梁采用了板桁結合鋼桁梁的形式，桁高16 m，節間距14 m，主桁橫向中心距30 m，按照兩節間大節段整體設計制造，最重施工節段質量為1 760 t，標準施工節段質量為1 400 t。

五峰山長江特大橋承載巨大，結構規模龐大，沉井基礎面積、主纜直徑及主纜力、主梁承載等參數遠超出同類型橋梁，并采用了眾多新設備及新工藝參與施工，施工中可借鑒的工程案例較少，大橋施工全過程中面臨的挑戰與風險顯著。為實現大橋安全、順利、高質量施工，在施工全過程中，開展施工風險評估十分必要。

圖4 五峰山長江特大橋主橋立面布置(單位：m)

2.2 風險源的識別

全橋采用WBS-RBS方法初步分析大橋中分項工程及分部工程風險源。首先將五峰山長江大橋項目施工分解到各分項工程，共分解為北錨碇巨型沉井基礎施工、南錨碇地連墻擴大基礎施工、大直徑高低樁基礎施工、南北錨體安裝施工、南北主塔柱施工、主/散索鞍安裝、主纜貓道平臺架設、1.3 m大直徑主纜架設施工、大節段板桁結合梁施工、公/鐵路橋面及附屬設施施工10個分項工程；各分項工程可進一步進行相應工作分解至各基本工序總計78項。在工作分解之后，在縱向結合工程實際開展風險分解，從周邊環境、結構設計、施工工藝、運營影響4個方面出發，進一步細化為地質狀況 、周邊建筑物、環境交通、結構開裂、結構幾何姿態、施工工藝(如沉降開挖、主纜絲股架設等)、施工控制、施工機具及人員、長期變形、噪聲影響、運營維護等15個風險分解子項，結合橫向各基礎工序，對每個基礎工序逐項檢查潛在的風險源并列入表中，可實現風險源初步識別。五峰山長江大橋施工項目中，采用這種識別方法即可完成風險初步識別。其中工作分解以主纜和主梁架設為例，從工程層次得工作分解結構如表2所示。

表2 主纜架設及主梁架設的WBS分解(部分)

風險分解過程以主纜和主梁架設風險分解為例，從建設環境、結構設計、施工工藝、運營影響等角度出發，可識別如表3所示的風險分解結構。

表3 主纜架設及主梁架設的RBS分解(部分)

在WBS-RBS風險初步識別結果的基礎上，引入工程事故類比法，即在分項工程基礎上通過調研以往類似工程風險事故案例，結合本工程實際工程情況，并進一步補充各項工程活動中可能存在的風險源，并以此制作初步的風險調查表，并經過專家調查意見增補、調整后匯總風險源。經過相關風險識別程序，識別出五峰山長江大橋施工階段風險源共610項。其中15項建設條件風險源，207項結構方案風險源，369項施工技術風險源，19項運營階段影響風險。鑒于橋梁施工過程中嚴格按照施工階段進行，故根據施工過程將識別的RBS風險匯總，形成層次分析法目標層和準則層，便于風險評估分析，其中主纜架設及主梁架設分項中的部分風險源結果見表4。

表4 主纜及主梁分項工程典型風險源(部分)

2.3 風險源的等級評定

五峰山長江大橋工程各分項工程中風險等級評定以風險源發生概率等級和損失等級評定為基礎，并結合風險等級接受標準共同確定，這一過程通過專家調查并結合層次分析法(AHP法)來實現。以主纜施工分項風險源等級評定為例，首先將風險綜合損失的二級分解元素，即將人員傷亡R1、經濟損失R2、環境影響R3組成3階判斷矩陣，并使用1-9標度值進行重要性相對程度賦值，得到判斷矩陣如表5所示。計算得矩陣最大特征值λmax=3.018 3，相容性指標C.I.=0.000 91，一致性比率C.R.=0.015 8<0.1，矩陣結果滿足一致性要求，計算元素權重W=(0.32，0.56，0.12)。其次計算出主纜施工中各項風險源的發生概率、風險損失等級，并結合表5權重計算風險綜合損失等級，依據圖3中風險接受標準評定相應風險等級，最終匯總專家調查表結果可得大直徑主纜施工部分風險源評定結果，如表6所示。

表5 風險損失判斷矩陣

表6 大直徑主纜施工風險源等級評估(部分)

按照相同的方法，五峰山長江大橋全橋施工階段識別出的610項風險源，經過相關風險等級評估程序，共評估出低度風險源528項，中度風險源67項，高度風險源15項，極高度風險源0項。鑒于該橋的復雜性及施工面臨的挑戰，在詳細制定施工組織設計的同時還引入多種第三方監控措施等，降低了可能存在的“極高風險”，但仍存在中度及以上風險82項。考慮到該橋的重要性等級及其影響力，將其中部分涉及特殊復雜結構以及施工新工藝等的Ⅱ級風險(中度風險)及Ⅲ級風險(高度風險)歸納為重大風險源。重大風險源是指具有極大復雜性，產生后果嚴重性較大的風險源，該風險源必須從結構設計、環境影響、施工工藝等方面進行重點控制和防范。因此在評定主纜線形偏差重大風險源之外，考慮五峰山長江大橋1.3 m大直徑主纜的緊纜纏絲施工新工藝的特殊性，以及大節段板桁結合梁制作精度高的要求，將緊纜機及纏絲機性能、板桁結合梁制作及運輸這兩項Ⅱ級風險納入重大風險源，結合既有的高度風險，共評定全橋重大風險源17項，如表7所示。

表7 全橋重大風險源評定結果

3 五峰山長江大橋施工階段風險對策

3.1 中低度風險源控制措施

五峰山長江大橋的施工過程中，存在數量龐大的中低度風險，相關風險源相對簡單，與其他常規工程的常規風險類似，屬于運用一般風險控制措施即可控制。

3.2 重大風險源控制措施

針對五峰山長江大橋的重大風險源控制，以主纜施工為例，主纜施工分項中的重大風險控制對策中制定的專項控制方案：首先通過專項仿真分析計算影響主纜長度的各種因素，并考慮測量誤差分析其可能的誤差范圍，為主纜絲股下料提供理論依據；在架設過程中，以定位絲股為參照，精確控制絲股間相互位置并充分考慮溫度的影響，通過詳細的計算分析索股錨固位置、主塔偏位、主塔塔頂高程、架設溫度等因素，并制定施工過程專項監測項目的監測限值等，在實際施工中及時對各類監測數據進行及時分析與信息反饋，掌握施工中針對性監測對象的變形情況，及時分析計算結果并修改設計，以達到指導施工的目的，確保對主纜絲股架設進行可靠的預測和控制。在大直徑主纜緊纜、纏絲施工機具重大風險源控制方案中，提前研發技術達標且性能可靠的纏絲機和緊纜機，確保施工順利推進，避免工期延誤而產生不必要的經濟損失。在實施重大風險控制對策后，再次制定專家調查表評估或邀請專家開會研討風險控制效果，并重復風險評估流程，確認殘余風險等級在可接受范圍。按照相同程序，全橋施工階段重大風險源的控制對策及殘余風險等級評定結果如表8所示，確保原所有重大風險源降低至Ⅰ級或Ⅱ級可接受的風險等級。

表8 主要風險源控制措施及殘余風險分析

4 結論

針對連云港至鎮江鐵路五峰山長江大橋在施工階段的工程風險問題，在大量資料調研的基礎上，采用WBS-RBS法及專家調查法，依據風險接受標準，識別并評估該橋施工階段中的風險，得到如下結論。

(1)基于工作分析-風險分解(WBS-RBS)并結合專家調查法，建立了五峰山長江特大橋施工階段的風險源識別及評估對策體系，提高了風險識別與評估的系統性及評估效率。

(2)對五峰山長江大橋全橋施工階段展開工作分解及風險分解，將施工全過程細化為10大分項78個子項工序；風險分解為“建設條件”、“結構方案”等5類共15個風險類型。

(3)五峰山長江特大橋施工階段共識別出610項風險源，評估出中度及以上等級風險源82項，其中17項為重大風險源。

(4)針對重大風險源提出專項風險控制及對策，基于該橋施工工藝、結構特點引入專項監測、計算控制對策、應急預案等技術措施，將17項重大風險源降為能夠接受的中低度風險源，為五峰山長江大橋施工的安全性和經濟性提供了保障，并為類似工程的施工管理提供參考。