五峰山长江大桥施工阶段风险评估研究

施 洲,纪 锋,杨仕力,吕大财

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 2.中国铁路上海局集团有限公司 南京铁路枢纽工程建设指挥部,南京 200142)

引言

随着我国基础设施建设进程逐渐加快，大型桥梁工程作为线路的关键节点，其重要性毋庸置疑。然而在桥梁施工过程中却频发工程事故，造成了巨大的损失，给桥梁发展蒙上了阴影。为科学合理控制工程施工中的风险，国内外学者相继展开了桥梁工程风险评估研究，早年国外学者MARK[1]基于可靠性对桥梁风险进行了评估，而我国早在2004年，有研究者采用定性方法对苏通大桥的索塔及上部结构施工方案施工阶段的风险完成评估工作；阮欣[2]针对桥梁施工中的风险问题，在桥梁工程领域初步建立风险评估体系。时至今日桥梁风险评估理论已经形成定性和定量评估两种类型，蔡筱波[3]应用专家调查表法定性对某钢桁梁桥在运营期间的风险源进行研究，并成功应用于工程实践，此外邓维斌[4]等基于正交实验对头脑风暴法开展研究，提出因素筛选的方法，丰富了桥梁风险识别理论。韩国学者Taejun Cho[5]等利用主缆线断裂的最终极限状态来定量评估悬索桥的施工阶段风险；韩兴等[6]基于失效概率理论定量的对桥梁运营过程中地震风险进行了细致研究；丁闪闪等[7]采用蒙特卡罗法定量的对桥梁施工过程中风险进行了成功评估。从上述桥梁工程风险评估的实际应用可知，定性方法和定量方法均有其优缺点，其中以专家调查法[8]为代表的定性方法具有简便高效等特点，但其局限性在于受人为因素影响显著；而以可靠度计算[9]为代表的定量方法具有定量取值困难、样本少、风险概率及后果损失确定困难等问题。针对上述问题， Hassan Hashemi等[10]提出一种混合专家调查和置信区间的方法，较为精确计算出风险事件发生概率和损失值；此外基于作业分解(WBS)-风险分解理论(RBS)具有既能把握项目整体风险，又能兼顾局部工程风险的优点[10-11]，辛望等[11]在重庆沿江高速公路苏家沟特大桥项目应用工作分解结构-风险分解结构(WBS-RBS)方法对施工期安全风险进行分析，分析得出的各个作业单元施工安全主要影响因素及其风险等级，优化了施工风险源识别程序，降低风险评定中人为因素的干扰。随着大型桥梁建设的不断发展，其施工阶段工艺愈加复杂，工程风险不容忽视，在施工阶段开展系统的风险评估工作并控制实际施工中的风险显得越来越重要。

新建五峰山长江特大桥主桥规模庞大、施工工艺十分复杂，很多分项分部工程并无借鉴案例，施工阶段面临的风险显著。为提高五峰山特大桥工程风险评估的系统性、效率和水平，并指导实际工程施工，也为后续风险评估研究提供基础；采用通过WBS-RBS方法识别风险源，并采用层次分析法(AHP)[12-14]和专家调查法结合的方法进行风险评估工作，全面识别施工阶段风险源，并评估风险等级，对重大风险源提出专项风险控制措施以降低风险等级至可接受范围，确保该桥施工安全。

1 施工阶段风险评估方法

1.1 施工阶段风险评估程序

五峰山长江大桥因其庞大的规模，施工阶段工序繁多并相互影响，系统化、程序化的风险评估工作是准确识别并评估风险的关键。在对大桥勘测资料、地勘报告、桥梁设计图、施工组织设计、各类专项施工方案、监控措施等资料详细分析调研的基础上，对五峰山长江大桥整个项目过程采用WBS-RBS方法以识别风险源，并根据专家调查意见从风险发生概率、风险后果损失两方面结合风险接受标准评定风险等级，最后采用针对性的控制措施将风险降低至可接收的程度。大桥施工阶段的风险评估具体流程如下。

(1)成立评估小组，收集相关工程地勘报告、设计图纸、施工组织设计文件、专项施工组织方案、监测方法等，以及相关类似桥梁工程风险案例等资料。

(2)依据桥址环境、桥梁结构方案设计、施工组织方案及监控措施、运维管理等方面分析该桥特点，运用WBS-RBS方法将大桥施工按照分项工程分解至基础工序，并按风险性质进行风险分解，程序化排查潜在风险源，并汇总成初步的风险源表。

(3)将初步的风险普查表制成专家调查表，邀请设计、施工、监理、运营管理等相关部门的专家进行风险源增补和调整，并对各风险源进行概率等级、风险损失等方面充分调查与评估。

(4)评估小组依据专家调查表，运用层次分析法(AHP)分析风险损失并采用公式计算风险概率等级，根据风险接受标准构建风险等级判断矩阵，以此对风险源进行风险等级评估，并对风险接受等级较高的风险源进行控制措施分项研究。

大桥施工阶段的风险源识别与评估流程如图1所示。

图1 风险评估流程

1.2 施工阶段风险源识别

风险源识别是风险评估工作的基础，可通过故障树分析、事故推演分析、专家调查等方法得到，在进行大型工程全系统风险源筛选和甄别研究时，需根据工程特点及全过程施工工艺，组织化和程序化地对复杂工程风险进行识别；另一方面，将工程所涉及的各方面未知风险及潜在因素联系，与行业专家的经验、分析与思考相结合。WBS-RBS可将工程程序化的细化工序分解并系统识别潜在的风险源。WBS-RBS法识别思路在于：通过构建一个工作、风险双维度的分解框架，其结构中每个递减级别代表了项目工作及风险的各层级的定义，据此在不同层次上对风险完成汇总分析，从而实现风险研究的初步识别。结合桥梁工程施工特点，WBS分解结构分解应当从施工步骤、结构特点出发，按照桥梁工程层次的顺序依次进行，RBS分解可以从周边环境、结构设计方案、施工工艺、运营影响4个方面出发，进一步细化为地质状况、周边建筑物、环境交通、工程机械、结构方案、人员组织管理、施工方案直至运营维护等多个方面，并结合施工工序逐项识别风险源存在与否。据此建立工程风险结构分解框架，可得到如图2所示的风险分解矩阵，矩阵的横、纵向分别代表工作分解和风险分解状况，每个矩阵元素表示1处风险源，包含具体的工作、风险信息。在此基础上通过专家调查对矩阵风险内容进行检查，判断该处风险是否存在，必要时调整、补充相关风险源。经上述程序，施工阶段的所有潜在风险能够充分识别，并按类放置在风险矩阵RBM中[15-16]。

图2 WBS-RBS分解识别源识别示意

1.3 施工阶段风险等级评估

风险识别过程完成后，在此基础上采用专家调查表与层次分析法(AHP法)相结合的方法开展风险评估。根据回收的专家调查表，汇总专家们对各风险源发生概率、风险损失及后果的评估内容，并引入AHP法，应用其在权重系数取值方面的系统性优势，综合评估各项风险源的损失等级，根据计算结果结合风险接受标准，构建风险判断矩阵，以评估各项风险源等级。具体的评估方法及流程如下。

(1)基于WBS-RBS的专家调查：基于WBS-RBS以分部工程为单位的风险分解识别结果编制专家调查表，邀请专家对风险项对应的风险因子、发生概率及风险损失等进行评判。其中风险损失评定时，应包括风险损失权重判断，并采用1-9 标度法赋值。在实际操作中，风险等级评估调查表与风险识别调查同步进行，除此之外还需附上该桥项目设计、施工、监控等相关资料等供专家参考。填表时根据表1中概率等级描述对风险事件发生概率等级做出判断，如“可能发生”、“偶然发生”等；同时风险损失分为人员伤亡、经济损失、环境影响三方面，其等级是根据风险事件发生后所造成影响程度确定，据此损失等级可划分为轻微、较大、严重、很严重、灾难性5个部分，分别对应等级1～5并填表。

表1 风险概率等级标准

(2)专家调查表处理：在专家调查表回收后，评估小组对调查表进行结果汇总，运用公式逐个对各项风险源发生概率和风险损失进行计算与汇总。分析时应需考虑不同技术人员的主观偏差，故采用考虑加权效应处理公式进行处理。其中风险源概率值计算依据表1所示的概率等级描述，如“可能发生”、“偶然发生”所对应中心值B计算风险事件概率，并以概率范围A为准判断最终风险事件概率等级；其中风险事件j的概率Pj计算公式

(1)

式中,n为所邀请专家总人数，ni为认为风险事件发生概率等级i的专家人数，Bi为概率等级i的中心值。损失评定时由专家给出等级判断值，采用加权平均分别计算出三方面风险损失等级值。

(3)AHP法权重分析：风险损失在环境、人员、经济三方面进行相互比较，基于1-9标度法构造判断矩阵，并根据判断矩阵求解出的最大特征值和对应的归一化特征向量，对判断矩阵进行一致性检验[17-18]，保证结果的可靠性。

(4)风险等级计算：根据AHP法获得的权重，可获得综合风险损失等级值，与风险概率等级组合成判断坐标，依据风险接受标准所构建的判断矩阵，考虑工程实际综合评定出相应风险等级，划分一般(中低)风险源和重大风险源。基于ALARP风险接受准则[19-20]，结合专家意见，构建本工程风险接受标准，如图3所示。

图3 风险接受标准

(5)风险对策制定及残余风险分析：根据风险等级制定控制措施，一般风险源主要涵盖项目建设条件中如地质、气象、人员、常规机具等风险；施工工艺中如安全装置缺位、高空坠落、操作不当、工程机械伤害等风险。一般风险源的控制措施主要是依据相关技术标准、安全管理要求并根据现场实际制定，所制定的风险控制措施应当简单明确、重点突出，同时明确安全措施、管理意见等方面的内容并确保在桥梁施工过程中各项风险控制措施得到落实。重大风险源的控制对策应制定专项预案，其控制措施主要涵盖：各分部工程专项技术方案研究、各分部工程结构的施工监测控制措施、施工中动态的技术分析总结、监控分析评估、施工技术调整、风险制度管理等。对施工工艺中施工方案造成的风险应制定专项监测与控制技术方案。采用控制方案后，对重大风险源重复风险等级评估程序，验证其风险等级处于可接受状态。

2 五峰山长江大桥施工阶段风险评估

2.1 工程概况

新建五峰山长江特大桥是连云港至镇江铁路的关键性和重难点工程，主桥为(84+84+1092+84+84) m跨径布置，结构采用双塔柱五跨钢桁梁悬索桥形式，全桥布置形式如图4所示。大桥为高速铁路及公路两用桥，设双层桥面，下层四线铁路为客运专线，上层为双向八车道高速公路。大桥设南、北两个锚碇，锚碇结构组成为基础、锚体、大缆锚固系统及相关附属设施。北锚碇采用沉井扩大基础，其尺寸为100.7 m(长)×72.1 m(宽)×56 m(高)；锚体采用“U”形方式布置，尾部横宽为70.2 m，前端相分离，每侧横宽为10 m，锚体顺桥向长度为83.3 m，高度为56.6 m。南锚碇采用长大地连墙围护现浇圆形扩大基础，锚体形状布置在平面前部呈圆端形、尾部矩形，横向宽71.0 m，顺桥向长度为88.0 m，锚块高度为31 m。主缆锚固系统作用在于将主缆所受拉力由主缆传递并转由锚碇承担，结构组成分为后锚梁和锚杆，锚体内部通过浇筑混凝土安装后锚梁，锚杆两端与后锚梁上和大缆索股相连接。大桥主塔墩采用梅花式布置的群桩基础，桩长65～128 m，钻孔施工并浇筑成型；承台形状呈哑铃型，圆形部分直径40 m，厚9.5 m，采用钢板桩围堰浇筑施工。两边主塔均采用钢筋混凝土门式框架类型，北主塔高度为203 m，南主塔高度为191 m；主塔塔柱采用爬模法浇筑施工，上下横梁用支架施工，塔顶安装主缆鞍座和鞍座罩房。大桥主缆采用预制平行高强钢丝索股(PPWS)结构，每根主缆包含352根索股，每根索股由127根φ5.5 mm镀锌铝高强钢丝组成，其长度约1 933.6 m，主缆挤圆后理论直径为1.3 m。大桥主梁采用了板桁结合钢桁梁的形式，桁高16 m，节间距14 m，主桁横向中心距30 m，按照两节间大节段整体设计制造，最重施工节段质量为1 760 t，标准施工节段质量为1 400 t。

五峰山长江特大桥承载巨大，结构规模庞大，沉井基础面积、主缆直径及主缆力、主梁承载等参数远超出同类型桥梁，并采用了众多新设备及新工艺参与施工，施工中可借鉴的工程案例较少，大桥施工全过程中面临的挑战与风险显著。为实现大桥安全、顺利、高质量施工，在施工全过程中，开展施工风险评估十分必要。

图4 五峰山长江特大桥主桥立面布置(单位：m)

2.2 风险源的识别

全桥采用WBS-RBS方法初步分析大桥中分项工程及分部工程风险源。首先将五峰山长江大桥项目施工分解到各分项工程，共分解为北锚碇巨型沉井基础施工、南锚碇地连墙扩大基础施工、大直径高低桩基础施工、南北锚体安装施工、南北主塔柱施工、主/散索鞍安装、主缆猫道平台架设、1.3 m大直径主缆架设施工、大节段板桁结合梁施工、公/铁路桥面及附属设施施工10个分项工程；各分项工程可进一步进行相应工作分解至各基本工序总计78项。在工作分解之后，在纵向结合工程实际开展风险分解，从周边环境、结构设计、施工工艺、运营影响4个方面出发，进一步细化为地质状况 、周边建筑物、环境交通、结构开裂、结构几何姿态、施工工艺(如沉降开挖、主缆丝股架设等)、施工控制、施工机具及人员、长期变形、噪声影响、运营维护等15个风险分解子项，结合横向各基础工序，对每个基础工序逐项检查潜在的风险源并列入表中，可实现风险源初步识别。五峰山长江大桥施工项目中，采用这种识别方法即可完成风险初步识别。其中工作分解以主缆和主梁架设为例，从工程层次得工作分解结构如表2所示。

表2 主缆架设及主梁架设的WBS分解(部分)

风险分解过程以主缆和主梁架设风险分解为例，从建设环境、结构设计、施工工艺、运营影响等角度出发，可识别如表3所示的风险分解结构。

表3 主缆架设及主梁架设的RBS分解(部分)

在WBS-RBS风险初步识别结果的基础上，引入工程事故类比法，即在分项工程基础上通过调研以往类似工程风险事故案例，结合本工程实际工程情况，并进一步补充各项工程活动中可能存在的风险源，并以此制作初步的风险调查表，并经过专家调查意见增补、调整后汇总风险源。经过相关风险识别程序，识别出五峰山长江大桥施工阶段风险源共610项。其中15项建设条件风险源，207项结构方案风险源，369项施工技术风险源，19项运营阶段影响风险。鉴于桥梁施工过程中严格按照施工阶段进行，故根据施工过程将识别的RBS风险汇总，形成层次分析法目标层和准则层，便于风险评估分析，其中主缆架设及主梁架设分项中的部分风险源结果见表4。

表4 主缆及主梁分项工程典型风险源(部分)

2.3 风险源的等级评定

五峰山长江大桥工程各分项工程中风险等级评定以风险源发生概率等级和损失等级评定为基础，并结合风险等级接受标准共同确定，这一过程通过专家调查并结合层次分析法(AHP法)来实现。以主缆施工分项风险源等级评定为例，首先将风险综合损失的二级分解元素，即将人员伤亡R1、经济损失R2、环境影响R3组成3阶判断矩阵，并使用1-9标度值进行重要性相对程度赋值，得到判断矩阵如表5所示。计算得矩阵最大特征值λmax=3.018 3，相容性指标C.I.=0.000 91，一致性比率C.R.=0.015 8<0.1，矩阵结果满足一致性要求，计算元素权重W=(0.32，0.56，0.12)。其次计算出主缆施工中各项风险源的发生概率、风险损失等级，并结合表5权重计算风险综合损失等级，依据图3中风险接受标准评定相应风险等级，最终汇总专家调查表结果可得大直径主缆施工部分风险源评定结果，如表6所示。

表5 风险损失判断矩阵

表6 大直径主缆施工风险源等级评估(部分)

按照相同的方法，五峰山长江大桥全桥施工阶段识别出的610项风险源，经过相关风险等级评估程序，共评估出低度风险源528项，中度风险源67项，高度风险源15项，极高度风险源0项。鉴于该桥的复杂性及施工面临的挑战，在详细制定施工组织设计的同时还引入多种第三方监控措施等，降低了可能存在的“极高风险”，但仍存在中度及以上风险82项。考虑到该桥的重要性等级及其影响力，将其中部分涉及特殊复杂结构以及施工新工艺等的Ⅱ级风险(中度风险)及Ⅲ级风险(高度风险)归纳为重大风险源。重大风险源是指具有极大复杂性，产生后果严重性较大的风险源，该风险源必须从结构设计、环境影响、施工工艺等方面进行重点控制和防范。因此在评定主缆线形偏差重大风险源之外，考虑五峰山长江大桥1.3 m大直径主缆的紧缆缠丝施工新工艺的特殊性，以及大节段板桁结合梁制作精度高的要求，将紧缆机及缠丝机性能、板桁结合梁制作及运输这两项Ⅱ级风险纳入重大风险源，结合既有的高度风险，共评定全桥重大风险源17项，如表7所示。

表7 全桥重大风险源评定结果

3 五峰山长江大桥施工阶段风险对策

3.1 中低度风险源控制措施

五峰山长江大桥的施工过程中，存在数量庞大的中低度风险，相关风险源相对简单，与其他常规工程的常规风险类似，属于运用一般风险控制措施即可控制。

3.2 重大风险源控制措施

针对五峰山长江大桥的重大风险源控制，以主缆施工为例，主缆施工分项中的重大风险控制对策中制定的专项控制方案：首先通过专项仿真分析计算影响主缆长度的各种因素，并考虑测量误差分析其可能的误差范围，为主缆丝股下料提供理论依据；在架设过程中，以定位丝股为参照，精确控制丝股间相互位置并充分考虑温度的影响，通过详细的计算分析索股锚固位置、主塔偏位、主塔塔顶高程、架设温度等因素，并制定施工过程专项监测项目的监测限值等，在实际施工中及时对各类监测数据进行及时分析与信息反馈，掌握施工中针对性监测对象的变形情况，及时分析计算结果并修改设计，以达到指导施工的目的，确保对主缆丝股架设进行可靠的预测和控制。在大直径主缆紧缆、缠丝施工机具重大风险源控制方案中，提前研发技术达标且性能可靠的缠丝机和紧缆机，确保施工顺利推进，避免工期延误而产生不必要的经济损失。在实施重大风险控制对策后，再次制定专家调查表评估或邀请专家开会研讨风险控制效果，并重复风险评估流程，确认残余风险等级在可接受范围。按照相同程序，全桥施工阶段重大风险源的控制对策及残余风险等级评定结果如表8所示，确保原所有重大风险源降低至Ⅰ级或Ⅱ级可接受的风险等级。

表8 主要风险源控制措施及残余风险分析

4 结论

针对连云港至镇江铁路五峰山长江大桥在施工阶段的工程风险问题，在大量资料调研的基础上，采用WBS-RBS法及专家调查法，依据风险接受标准，识别并评估该桥施工阶段中的风险，得到如下结论。

(1)基于工作分析-风险分解(WBS-RBS)并结合专家调查法，建立了五峰山长江特大桥施工阶段的风险源识别及评估对策体系，提高了风险识别与评估的系统性及评估效率。

(2)对五峰山长江大桥全桥施工阶段展开工作分解及风险分解，将施工全过程细化为10大分项78个子项工序；风险分解为“建设条件”、“结构方案”等5类共15个风险类型。

(3)五峰山长江特大桥施工阶段共识别出610项风险源，评估出中度及以上等级风险源82项，其中17项为重大风险源。

(4)针对重大风险源提出专项风险控制及对策，基于该桥施工工艺、结构特点引入专项监测、计算控制对策、应急预案等技术措施，将17项重大风险源降为能够接受的中低度风险源，为五峰山长江大桥施工的安全性和经济性提供了保障，并为类似工程的施工管理提供参考。