跨既有線鋼箱梁頂推施工安全控制研究

趙紅軍

摘要：某立交橋在跨越既有鐵路線時(shí)采用4跨連續(xù)鋼箱梁的設(shè)計(jì)，鋼箱梁施工采用頂推法。本文在分析該橋梁頂推法施工發(fā)展和技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，首先對(duì)施工過(guò)程中大概率出現(xiàn)的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了辨識(shí)，并結(jié)合層次分析法理論，建立了施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系，包含4個(gè)二級(jí)指標(biāo)以及15個(gè)三級(jí)指標(biāo)。將施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為5個(gè)層次，再結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論，最終得到該橋梁在施工過(guò)程中處于中度風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。最后，針對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)中主梁風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)力控制進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：連續(xù)鋼箱梁;頂推法;風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別;層次分析法;安全評(píng)估

1 橋梁頂推法施工的發(fā)展及特點(diǎn)

1.1 頂推施工法溯源

在現(xiàn)代橋梁工程界，頂推施工法（Incremental launchi）的定義表述為“在橋頭沿橋縱軸線方向，將逐段拼裝（預(yù)制張拉）的梁段通過(guò)千斤頂向前推出使值就位的施工方法”，主要適用于中等跨徑等截面梁、連續(xù)梁、拱橋、斜拉橋等的施工[1，2]。該方法思路可追溯至縱向拖拉施工，即用千斤頂代替卷?yè)P(yáng)機(jī)滑車(chē)組，用滑道梁等結(jié)果代替滾筒。最早施工頂推法進(jìn)行施工的是1959年的奧地利，當(dāng)時(shí)萊昂哈特（Leonhardt）教授提出該方并建造了阿格爾橋。時(shí)隔四年之后的委內(nèi)瑞拉在建造卡羅尼河橋（中孔跨徑為96m）時(shí)第二次使用了頂推法，并將鋼導(dǎo)梁和臨時(shí)墩首次引入施工過(guò)程。該橋的施工被工程界普遍認(rèn)為是第一次嚴(yán)格意義的頂推施工法。次年，分段預(yù)制、逐段頂推和逐段接長(zhǎng)等施工工藝的引入，使得頂推法得到了進(jìn)一步的改進(jìn)和發(fā)展。截止目前，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)已有千余座以上的橋梁的施工是采用的頂推法。而國(guó)內(nèi)如佛山平勝大橋[3]、杭州九堡大橋[4]、鄭州黃河公鐵兩用橋[5]等均在用該法進(jìn)行施工。

保證梁體在千斤頂提供的一定頂推力的作用下能夠在克服梁體與滑到之間的摩擦力向前移動(dòng)時(shí)頂推法施工的關(guān)鍵所在。根據(jù)頂推方式，可將頂推法分為單點(diǎn)頂推和多點(diǎn)頂推。下圖1所示為頂推法施工的一般流程。

1.2 頂推施工法特點(diǎn)

在施工環(huán)境、設(shè)備和技術(shù)要求以及施工控制等多個(gè)角度，頂推法與支架拼裝法、轉(zhuǎn)體法和懸臂拼裝法等施工方法之間存在著明顯的差異。頂推施工法除了具有可不中斷交通的特點(diǎn)以外，還在以下幾個(gè)方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)[6]：

（1）橋梁節(jié)段可以在現(xiàn)場(chǎng)或工廠進(jìn)行預(yù)制，結(jié)構(gòu)的整體性好，制造質(zhì)量施工管理可以得到保證，還可以節(jié)約勞動(dòng)力，提高施工過(guò)程的機(jī)械化程度。

（2）對(duì)大型施工機(jī)械的要求程度較低，無(wú)需大量的腳手架等臨時(shí)結(jié)構(gòu)，施工造價(jià)較其他方式要低。

（3）施工過(guò)程中占用場(chǎng)地較少，環(huán)境和氣候條件對(duì)施工的影響程度低;施工設(shè)備可多次循環(huán)周轉(zhuǎn)使用。

此外，雖然臨時(shí)結(jié)構(gòu)（臨時(shí)墩、導(dǎo)梁等）的布置增加了橋梁頂推施工的跨度，但是導(dǎo)梁的設(shè)計(jì)與安裝、頂推精度和千斤頂?shù)耐叫浴⒄w結(jié)構(gòu)和局部的穩(wěn)定性問(wèn)題一直是頂推法施工的難度所在。

2層次分析法基本原理及一般步驟

2.1 層次分析法基本原理

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是將影響總決策的相關(guān)因素進(jìn)行分解，一般情況下可劃為目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等幾個(gè)層次，其特點(diǎn)是采用了一定的標(biāo)準(zhǔn)以對(duì)人的主觀判斷進(jìn)行了量化的，基于此對(duì)決策進(jìn)行定性和定量分析。

該方法的首要目標(biāo)就是解決人為主觀因素對(duì)復(fù)雜問(wèn)題問(wèn)題的思考過(guò)程。即依據(jù)有較多經(jīng)驗(yàn)決策者的判斷，來(lái)評(píng)判各個(gè)衡量目標(biāo)與能否實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)之間的相對(duì)重要程度。通過(guò)數(shù)學(xué)方法合理地給出每個(gè)影響因素對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重，最后利用權(quán)數(shù)求出各方案的優(yōu)劣次序，以求解決決策問(wèn)題層時(shí)的層次化、數(shù)量化。結(jié)合數(shù)學(xué)方法進(jìn)行量性兼具的決策分析，旨在通過(guò)簡(jiǎn)單的方法來(lái)解決多目標(biāo)、多準(zhǔn)則復(fù)雜的決策問(wèn)題。特別適用于人的主觀定性判斷和需要將決策結(jié)果進(jìn)行精確量化計(jì)量的場(chǎng)合，其分析過(guò)程和結(jié)果具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性和科學(xué)性[7]。

2.2 層次分析法一般步驟

以下4步為層次分析法的一般步驟：

（1）第一步是建立層次結(jié)構(gòu)模型：根據(jù)決策目標(biāo)、決策準(zhǔn)側(cè)以及決策對(duì)象三者之間的相互影響關(guān)系，一般情況下層次結(jié)構(gòu)模型可以分為最高層、中間層以及最底層和三類(lèi)。依次又稱為目標(biāo)層、因素層（準(zhǔn)則層、指標(biāo)層或約束層等）和方案層。

（2）第二步是要構(gòu)造成對(duì)比較矩陣：借助矩陣來(lái)表示本層所有因素對(duì)上一指標(biāo)層中某一個(gè)因素的相對(duì)影響的比較。采用相對(duì)尺度，以盡量減小性質(zhì)不同的諸因素相互比較的困難，目的是為了避免在確定各指標(biāo)間權(quán)重時(shí)僅給出定性結(jié)果。

（3）第三步是對(duì)層次進(jìn)行單排序及其一致性檢驗(yàn)。將判斷矩陣（記作A）的最大特征根lmax進(jìn)行歸一化處理的結(jié)果記為W。W中各元素的含義式同一層次的指標(biāo)對(duì)于上一層次某個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要程度的排序權(quán)值。此外最大特征值和與之相對(duì)應(yīng)的特征向量是每個(gè)矩陣必須求解的參量，并對(duì)該參量進(jìn)行一致性檢驗(yàn)（包括一致性指標(biāo)、隨機(jī)一致性指標(biāo)以及一致性比率）。在檢驗(yàn)通過(guò)的情況下，特征向量W即為權(quán)向量;否則另需構(gòu)造比較矩陣并進(jìn)行分析。

（4）第四步是計(jì)算總排序權(quán)向量并對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。該過(guò)程需要計(jì)算的是計(jì)算最下層對(duì)最上層總排序的權(quán)向量。在檢驗(yàn)通過(guò)的情況下，則可按照總排序權(quán)向量表示的結(jié)果進(jìn)行決策。否則需要對(duì)一致性比率高的判斷矩陣高的元素的值進(jìn)行調(diào)整，重新進(jìn)行分析。

3 工程背景

某立交橋采用跨徑為（23+42+35+30）m的連續(xù)鋼箱梁，且需要跨域鐵路線，而該鐵路線在保證華北與西北的聯(lián)通方面發(fā)揮著不可替代的作用。施工期間保證該鐵路線的正常營(yíng)運(yùn)是決定采用何種施工方案的第一要素，因此鋼箱梁橋在跨線部位整體上采用頂推法進(jìn)行施工。

結(jié)合工廠制造的節(jié)段大小、現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地的實(shí)際情況和所搭建的臨時(shí)支架的承載能力，并考慮到頂推過(guò)程中鋼箱梁的配重問(wèn)題，沿橋軸線自西向東將鋼箱梁分成9段（A1～A9）焊接，其中16#墩～18#墩之間為頂推段，其余段為支架拼裝段，下圖2所示為鋼箱梁的分段示意。整體施工流程為：首先在臨時(shí)搭設(shè)的支架上拼裝由工廠分塊預(yù)制的鋼箱梁，由汽車(chē)吊調(diào)整就位后進(jìn)行焊縫的連接以及焊縫焊接質(zhì)量的檢查，待檢查合格后向前頂推至預(yù)訂位置，此后循環(huán)該過(guò)程，直至全部鋼箱梁拼裝頂推就位。最后進(jìn)行落梁施工以及二期橋面等附屬結(jié)構(gòu)的施工。

4 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

4.1 頂推施工風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的選取

施工過(guò)程中一旦發(fā)生安全事故，不僅會(huì)造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)的損失，還會(huì)帶來(lái)一系列十分惡劣的社會(huì)影響。鋼箱梁在跨線頂推施工過(guò)程中，不僅要確保施工自身的安全，還要保證施工過(guò)程不會(huì)對(duì)既有線路的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不利的影響。因此在施工前要結(jié)合工程實(shí)際情況對(duì)有可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估，并對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)所帶來(lái)危害的影響程度有一定的量化比較，以便于采取一定響應(yīng)的措施多風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行主動(dòng)防御和控制。這也是橋梁施工過(guò)程中至關(guān)重要的一步。

通過(guò)結(jié)合設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)情況結(jié)合對(duì)鋼箱梁的施工特點(diǎn)進(jìn)行分析，并基于專家調(diào)查和以往的工程案例，總結(jié)在施工過(guò)程中出現(xiàn)概率較大且需重點(diǎn)考率的風(fēng)險(xiǎn)因素并進(jìn)行篩選，其風(fēng)險(xiǎn)因素主要可以分為4類(lèi)，即：①主梁風(fēng)險(xiǎn);②既有線、周邊設(shè)施以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn);③施工設(shè)施風(fēng)險(xiǎn);④其他風(fēng)險(xiǎn)。基于此，通過(guò)對(duì)目標(biāo)分解法和層次分析法構(gòu)造出下圖2所示的包括4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和15個(gè)二級(jí)指標(biāo)的鋼箱梁頂推施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。

4.2 鋼箱梁頂推階段施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

以上述第3節(jié)工程背景為依托，從對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員、管理人員和專家的調(diào)查結(jié)果出發(fā)，基于層次分析法對(duì)該橋梁施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。圖2所示的各安全風(fēng)險(xiǎn)層次中各風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)別的權(quán)重見(jiàn)下表1。

本文將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為5級(jí)，依次為高風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、中度風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)，用V={0.9，0.7，0.5，0.3，0.1}依次表示各風(fēng)險(xiǎn)危害程度，劃分等級(jí)及其描述見(jiàn)下表2。

5 結(jié)論

目前在橋梁建造過(guò)程中發(fā)生安全風(fēng)險(xiǎn)事故的案例屢見(jiàn)不鮮，尤其在大跨度復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的施工中。在跨越既有線路方面，不僅橋梁本身的施工會(huì)出現(xiàn)一系列風(fēng)險(xiǎn)，此外還會(huì)對(duì)既有線的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)一定的威脅。本文以某連續(xù)鋼箱梁的頂推施工為工程背景，采用層次分析法對(duì)施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，旨在為同類(lèi)橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估和控制提供參考。

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