大跨度斜拉桥整体顶升项目风险评估

李 扬

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092）

0 引 言

因航道等级提升，致使某大跨度斜拉桥的桥下净空不足，出于节约投资和保护环境的考虑，拟对其进行顶升改造。目前，梁式桥的整体顶升项目已在国内外有较多成功案例［1-3］，其工艺相对较为成熟。然而，对于大跨度斜拉桥的整体顶升，在业内还很罕见。

相比梁式桥而言，斜拉桥的顶升技术难度更大，其潜在的风险水平也更高，因此有必要对其顶升过程进行风险控制。目前，国内外学者在斜拉桥建造时的风险评估方面已经取得了大量的研究成果［4-6］。但是，对大跨度斜拉桥顶升方面的风险评估研究还未见报道。

本文依托某大跨度斜拉桥整体顶升项目，提出一套有效的风险评估方法，并利用该方法对其进行了风险识别、分析和评价，最后提出相应的风险应对措施。

1 项目概况及顶升方案

1.1 项目概况

本工程为双塔三跨预应力混凝土斜拉桥，塔梁固结，塔墩之间设置支座。跨径布置为85 m+200 m+85 m，主跨设挂孔，边跨设置两个辅助墩。桥面总宽12 m，布置双向2 车道及人行道。该工程的总体布置如图1所示。

图1 某大跨度斜拉桥总体布置（单位:m）Fig.1 Elevation of a long-span cable stayed bridge（Unit:m）

因航道等级提升，致使桥下净空不足，需要由原来的3.1 m 提升为7 m，出于节约投资和保护环境的考虑，拟对其进行顶升改造。

1.2 顶升施工方案

顶升的主要思路是在主桥所有的支座位置处布置千斤顶装置，通过采用可靠的千斤顶同步控制技术，将所有的支点同步顶升，并将桥墩永久接高。过程中需采用各种措施，确保桥梁时刻处于稳定状态。总体顶升方案如下:

（1）安装限位装置，部分切割墩顶混凝土，并在墩顶安装千斤顶顶升系统（包括液压千斤顶、随动千斤顶和自动控制系统）；

（2）顶升系统调试；

（3）正式顶升:液压千斤顶顶升100 mm；随动千斤顶自动跟进，并在产生100 t顶升力后停止跟进；液压千斤顶收顶，在其下放置100 mm 厚钢垫块；液压千斤顶顶紧至80%顶升力，把自螺纹装置旋紧；随动千斤顶收缸，在其下安装100 mm厚钢垫块；

（4）重复第（3）步，在结构顶升至规定标高后，安装支座和垫块；

（5）拆除全部的顶升设备，对主墩进行接高处理。

2 风险评估方法

2.1 风险定义

各文献对于风险一词尚未有统一的定义，但主要都是依据事故发生的概率和后果等问题制定的［7-9］。本文根据项目特点，采用了《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》［9］的定义，即风险是发生损失的概率及其严重程度的组合。

图2 千斤顶系统布置图（单位:mm）Fig.2 Arrangement of jack system（unit:mm）

2.2 风险评估工作内容

根据大跨度斜拉桥整体顶升的项目特点，其风险评估的主要工作内容包括［10］:①风险因素识别，即通过一定的调查手段，建立起该项目的风险指标体系；②风险权重分析，即采用科学的方法对这些风险因素的权重进行分析和排序，找到影响最大的风险因素；③风险等级评价，即通过分析各风险因素发生的概率和损失，判断该项目的总体风险等级；④风险应对措施，即针对影响最大的几类风险因素提出有效的应对措施，从而尽可能地降低项目风险。

2.3 风险因素识别方法

考虑本项目技术复杂、潜在风险较多，利用常用的风险识别方法（如检查表法、德尔菲法等）容易漏项，而采用鱼骨图法则可以避免个人思维的局限性，较为全面地识别风险因素［11］。

鱼骨图模型如图3所示，一般由鱼头、主骨、大小鱼刺组成。鱼头表示被分析的对象，即项目的“风险”，称为总指标；大鱼刺表示产生风险的几个大的方面，一般可分为“人员、设备、材料、方法和环境”，称为Ⅰ级指标；小鱼刺则表示其中的具体原因，称为Ⅱ级指标，可采用头脑风暴等形式获得。

图3 鱼骨图模型Fig.3 Fishbone Model

2.4 风险权重分析方法

本文采用层次分析法（即AHP 法）进行风险权重分析，该方法具有较高的精度［7］，其分析过程如下:

1）建立判断矩阵

在上一层某元素的管辖范围内，对本层中的各个元素进行两两对比，按照表1 所示的方法进行量化，组合形成判断矩阵A=(aij)n×n'(i'j=1'2'...'n)，其中n表示本层包含的元素数量，aij表示元素i对元素j的重要程度。

表1 重要性评分法则Table 1 Grade principle for importance

2）层次单排序

层次单排序是指对于上一层某元素而言，将本层各元素的重要性进行排序。其实质可以归结为求解判断矩阵A的最大特征根λmax及其对应的特征向量W=(w1'w2'...'wn)。计算所得到的w1'w2'...'wn即为该层各元素对上一层元素的权重系数。

层次分析法要求判断矩阵A必须通过一致性检验，即应满足式（1）的要求:其中，CR为一致性比率；CI为一致性指标；RI为平均随机一致性指标，可通过表 2 查询［12］；n为判断矩阵的阶数。

表2 平均随机一致性指标RI取值表Table 2 Value of mean random consistency index

3）层次总排序

将最底层各元素对于总指标层的权重进行分析和排序，称为层次总排序。假定令I 级指标层各元素相对于总指标层的权重向量为W(I)；II级指标层上所有元素对I 级指标层上对应元素的权重向量为V(Ⅱ)，则II 级指标层各元素对总指标层的排序向量W(Ⅱ)为

2.5 风险等级评价方法

本文采用模糊综合评价法［13］进行项目总体风险等级的评价，其过程如下:

（1）建立评价集。将风险的严重程度进行分值量化，定义评价集合U=｛极低，低，中，高，极高｝，令其相应的评分集合为G=｛1，2，3，4，5｝。

（2）构建模糊关系矩阵。利用评价集合对所有II级指标分别进行评价，以评价出现的概率值作为模糊关系矩阵R的各个元素数值。

（3）模糊合成。按照式（3）求得项目风险的综合隶属度M:

（4）综合评分。按照式（4）求得项目风险的综合评分值u:

u值与评分集合G中的哪个元素最接近，即可按照风险评价集合U确定该项目风险属于哪一级。

（5）总体风险等级评定。在利用前文所述的方法分别计算得到风险概率和损失的等级后，可进一步根据表3 确定项目总体风险等级。对各类风险等级的定义列于表 4［13］。

2.6 风险应对方法

为了降低项目风险，需要进一步提出相应的风险对策。常见的方法有风险自留、风险转移、风险控制、风险规避、风险预防等［7］。视具体风险情况，可以采用其中的一种或多种应对方法。

表3 风险等级评价矩阵Table 3 Rating matrix of risk level

表4 风险等级定义Table 4 Definition of risk level

3 案例分析

利用上述方法，对所述大跨度斜拉桥顶升项目进行了风险评估。

3.1 风险因素识别

利用鱼骨图法建立风险识别指标体系，如图4所示。

图4 风险识别指标体系Fig.4 Risk identification index system

3.2 风险权重分析

邀请专家根据表1 的准则对上述风险指标进行两两判断，形成判断矩阵，如表5和表6所示。

按照式（1）验算各矩阵的一致性比率，均符合要求。利用式（2）计算得到层次总排序向量W(II)为

表5 I级指标判断矩阵ATable 5 Judgment matrix A for index class I

表6 II级指标判断矩阵A1～A5Table 6 Judgment matrix A1～A5 for index class II

3.3 风险等级评价

1）风险概率等级评价

邀请专家填写风险概率调查表，得到相应模糊关系矩阵，如表7所示。

表7 风险概率模糊关系矩阵Table 7 Fuzzy relation matrix of risk probability

利用式（3）和式（4），可以得到风险概率的评价分值u=2.747，说明风险概率等级为中级。

2）风险损失等级评价

采用同样方法可得到风险损失的模糊关系矩阵，如表8所示。

利用式（3）和式（4），可以得到风险损失的评分值u=2.884，说明风险损失的等级为中级。

3）总体风险等级评价

查询表3，可知本项目的总体风险等级为中级，即该项目风险可控，可以实施，但应采取一定的风险控制措施。

表8 风险损失模糊关系矩阵Tab.8 Fuzzy relation matrix of risk loss

3.4 风险应对措施

式（5）已经揭示出对本项目风险影响最大的三个风险因素分别为人员技术水平风险K11、同步控制系统风险K21、千斤顶失效风险K22，限于篇幅，本节仅针对这三大风险提出相应的应对措施，如表9所示。

表9 风险应对措施Table 9 Risk counter measure

4 结 论

本文针对大跨度斜拉桥顶升改造时存在的各类风险，提出了一套综合风险评估方法。该方法的核心内容为:首先采用鱼骨图法对潜在的风险因素进行识别；其次采用层次分析法对各类风险因素的权重进行计算；然后再利用模糊综合评价法判定总体风险的等级。

利用该方法，对依托工程进行了分析，评估结果显示，该项目的总体风险等级为中级，且风险最大的三个因素分别是人员技术水平风险、同步控制系统风险和千斤顶失效风险。最后针对这些潜在风险提出了有效的预防措施。