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    泉州灣跨海大橋風險事態評估方法研究
    2022-12-13  

      黃慶航 唐力文 楊弘卿福建省交通建設工程監理咨詢有限公司 交通運輸部公路科學研究院

      摘 要:為了解復雜環境條件下施工的跨海大橋的施工安全風險,從安全角度出發,制定合理有效的風險應對策略,本文依托泉州灣大橋的工程實踐,提出跨海大橋風險事態的評估方法。首先介紹了風險損失模型和風險概率模型,從人員傷亡、時間延誤、貨幣損失方面對各風險事態進行損失評定和風險概率估計;然后通過調查問卷的方式,獲取建設單位的風險決策偏好,了解大橋管理人員的效用函數特征,以及他們對大橋風險概率和損失組合等級的風險態度;最后基于滿意準則進行風險事態評估,通過ALARP風險決策準則劃定合理的風險水平和相應的基本風險對策,并最終確定各特定狀態的顯著風險事態。泉州灣大橋的實踐結果表明,本文提出的風險事態評估方法,取得了良好的效果,希望能為類似跨海大橋的風險事態評估提供一定的借鑒作用。

      關鍵詞:風險事態評估;風險損失模型;風險概率模型;效用函數;ALARP風險決策準則;

      基金:國家重點研發計劃項目(2017YFC0805300);

      橋梁在施工過程中,由于某種不確定因素的影響,使橋梁結構發生損壞,由此而引發不利結果,而且這種結果是不確定的,即稱為橋梁工程施工風險。橋梁工程施工,尤其是復雜橋梁工程施工,由于工序繁多、受制約因素較多等原因的影響,存在重大的施工安全風險隱患。

      風險事態評估等在其他領域如經濟領域等,已應用的非常廣泛,但在工程領域應用較少,不過對其也逐漸開始重視起來,具體到橋梁施工方面,風險事態評估才剛剛起步。我國從20世紀80年代起,開始關注工程風險問題,橋梁工程界從2002年才開始進行橋梁施工風險事態評估問題的研究。

      今年來,我國修建了很多跨海大橋,如杭州灣跨海大橋、港珠澳大橋等,在海上進行橋梁施工,施工條件更加苛刻,受海上惡劣環境的影響更加復雜,隨之而來的施工風險也就更大,所以針對跨海大橋施工風險事態評估的研究十分重要。

      1 工程概況

      泉州灣跨海大橋工程起于晉江南塘,與泉州市環城高速公路晉江至石獅段相接,在石獅蚶江跨越泉州灣,經惠安、秀涂、張坂、終于塔埔,與泉州灣環城高速公路南惠支線相接。路線全長26.675km,其中泉州灣跨海大橋全長12.454km,分南岸陸地引橋、蚶江互通主線橋、南岸淺水區引橋、南岸深水區引橋、通航主橋(70+130+400+130+70)m雙塔分幅組合梁斜拉橋、北岸深水區引橋、北岸淺水區引橋、秀涂互通主線橋九個區段。全線共設蚶江、秀涂、張坂、塔埔四個互通。

      2 風險事態評估方法

      根據泉州灣大橋典型分部分項工程的風險事態,從人員傷亡、時間延誤、貨幣損失等方面對各風險事態進行損失評定和風險概率估計。

      通過調查問卷的方式,獲取泉州灣大橋管理者的風險決策偏好和對大橋風險概率和損失組合等級的風險態度,通過ALARP風險決策準則劃定合理的風險水平和相應的基本風險對策,并最終確定各特定狀態的顯著風險事態。

      2.1 風險損失模型

      用多個隨機變量描述不確定性,可以用隨機變量Ni表示在評估期內風險事態i出現的次數,用隨機變量Li,j,k表示該風險事態i在第k次實現時,造成的第j種損失幅度。則全壽命期內,風險事態i造成的損失j的總量可表示為:

      

      損失的表現形式有多種多樣,參考以往橋梁風險事態的研究,從損失基本物理形式的角度,將損失歸結為人員傷亡、時間延誤和貨幣損失三種基本類型。本文將三者損失水平分別乘以不同權重系數得到損失的綜合效應,同時考慮環境因素的影響,即:

      

      式中:wh為人員傷亡權重,根據參考資料取為0.45;wt為時間延誤權重,取為0.35;wm為貨幣損失權重,取為0.2。λ為環境影響系數,環境影響等級為較高風險時λ取1.2,中度風險時λ取1.1,較低風險和低風險時λ取1.0。

      根據《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南》和泉州灣大橋施工管理相關規定,通過施工現場實地發放調查問卷的方式,確定泉州灣大橋施工期的損失等級,如表1所示。

      表1 風險事態損失劃分等級 下載原圖

      

      2.2 風險概率模型

      橋梁風險概率模型是橋梁風險損失現實發生的可能性的數學描述。設在風險事態H作用下,引起損失的極限狀態可以用狀態方程Z=R-S<0表示,其中S為風險事態H作用下的廣義效應,R為廣義抗力,則損失發生的概率P可表示為:

      

      效應S與風險事態H相關,設關于S與H的聯合概率密度函數f(S,H),則有:

      

      式中:f(S|H)為給定風險H狀態下,極限狀態失效的條件概率密度函數;f(H)為風險事態H的概率密度函數。

      由全概率公式得:

      

      考慮風險事態H可能引起失效的水平上、下限位H1和H2,將式(3-4)、(3-5)帶入到式(3-3),可得:

      

      將上式離散可得:

      

      式中:

      

      為風險事態Hi水平處于i區間的極限狀態失效概率;

      

      為風險事態水平處i區間的區間概率;N為劃分的風險事態水平區間數量。

      風險概率模型的研究,必須研究風險事態出現的概率和風險事態作用下損失發生的概率兩部分內容。將風險事態H出現的頻率成為風險事態的基礎概率,用隨機變量F0(H)表示;將在該風險事態作用下損失發生的概率稱為損失發生概率,用隨機變量FS(H)表示。

      根據《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南》及泉州灣大橋施工管理相關規定,確定泉州灣大橋施工期風險事態發生的概率等級,如表2所示。

      表2 風險事態概率劃分等級 下載原圖

      

      由于特大橋施工期風險事態均屬于小概率事件,人為原因在其實現過程中具有比較顯著的影響,建立規則的基礎概率模型比較困難,泉州灣大橋采用專家調查法確定此類風險事態的概率用作其風險事態的基礎概率。

      2.3 效用函數

      在決策分析中,將決策人對后果的實際判斷與后果的真實價值的差異稱為偏好。在決策理論中效用是描述決策人對后果的偏好,即后果的實際價值,并且用效用函數來量化對后果的偏好,它是后果的函數,是實值函數。

      效用函數的研究實質是確定建設單位對損失幅度的基本處理態度。通過調查問卷的方式,獲取泉州灣大橋建設單位的風險決策偏好,了解大橋管理人員的效用函數特征,以及他們對大橋風險概率和損失組合等級的風險態度。

      2.4 基于滿意準則的橋梁風險評估方法

      在作決策時決策人需要對各方案的優劣進行排序,從而找出最優方案進行實施,決策準則指的就是方案排序所遵守的基本依據。常用的決策準則可分為滿意準則和最優化準則兩大類。泉州灣大橋選用滿意準則進行決策,實踐證明,滿意準則已能夠滿足橋梁施工過程中各分項工程風險評估的要求。

      ALARP(As Low As Reasonably Possible)風險決策準則是滿意準則的具體體現。其操作方法是:首先確定合理的衡量風險的指標,然后研究確定其效用函數特點,根據其代表值,確定合理的風險水平,同時也就確定了基本的風險對策。

      通過對決策人的問卷調查,得到決策人效用函數的代表值,確定了風險等級的劃分水平,如表3所示。

      表3 決策人風險等級劃分水平 下載原圖

      

      將所確定的風險事態損失評定結果繪于風險等級區間劃分表格內,如圖1所示。風險等級區間劃分由風險決策人的風險態度決定,決策人的風險態度取決于決策人的風險效應函數。風險等級區間按照ALARP風險決策準則確定各劃分區域名稱,即將整個風險區域劃分為風險不可接受區域、風險可忽略區域和ALARP區域。落于不可接受區域的風險事態必須采用強制水平降低其風險;落于風險可忽略區域的風險事態表明其風險遠低于社會可接受水平,不需采取任何措施;落于兩者之間區域的風險事態介于可忽略和不可接受之間,應采取合理的控制成本降低其風險。

      

      圖1 決策人風險等級劃分水平 下載原圖

      3 風險時態評估結果

      采用上述風險事態評估方法,根據損失模型,對泉州灣大橋典型分部分項工程各風險事態進行損失評定。采用調查問卷發放的方式確定各風險事態人員傷亡、時間延誤和貨幣損失等級,并將三者損失水平分別乘以不同權重系數得到損失的綜合效應。本文所得泉州灣大橋施工特定狀態安全風險事態損失評定與風險事態評估結果如下:

      3.1 鋼棧橋施工

      表4 鋼棧橋施工風險事態損失評定結果 下載原圖

      

      

      圖2 鋼棧橋施工風險等級劃分結果 下載原圖

      3.2 水上群樁施工

      表5 水上群樁施工風險事態損失評定結果 下載原圖

      

      

      圖3 水上群樁施工風險等級劃分結果 下載原圖

      3.3 承臺施工

      表6 承臺施工風險事態損失評定結果 下載原圖

      

      限于篇幅,不能將泉州灣大橋典型分部分項工程施工特定狀態安全風險事態損失評定與風險事態評估結果一一列出。通過對各典型分部分項工程風險事態損失評定與風險事態評估結果的分析,得出泉州灣大橋施工中的顯著風險事態,并列于表7中。針對這些顯著風險事態,橋梁建設者在施工過程中需嚴格控制。

      表7 顯著風險事態 下載原圖

      

      4 結語

      本文依托泉州灣跨海大橋的工程實踐,提出復雜橋梁施工風險事態的評估方法。首先介紹了基于滿意準則的風險事態評估方法,其中包括風險損失模型、風險概率模型、效用函數、滿意準則以及滿意準則的具體體現—ALARP風險決策準則;然后對泉州灣大橋各典型分部分項工程進行了風險事態損傷評定與風險事態評估;最后從泉州灣大橋各分部分項工程的風險事態損傷評定與風險事態評估結果出發,得出泉州灣大橋各分部分項工程的顯著風險事態,提醒橋梁建設者在施工過程中需嚴格控制,指定合理有效的風險應對策略。

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