黄庆航 唐力文 杨弘卿福建省交通建设工程监理咨询有限公司 交通运输部公路科学研究院
摘 要：为了解复杂环境条件下施工的跨海大桥的施工安全风险，从安全角度出发，制定合理有效的风险应对策略，本文依托泉州湾大桥的工程实践，提出跨海大桥风险事态的评估方法。首先介绍了风险损失模型和风险概率模型，从人员伤亡、时间延误、货币损失方面对各风险事态进行损失评定和风险概率估计;然后通过调查问卷的方式，获取建设单位的风险决策偏好，了解大桥管理人员的效用函数特征，以及他们对大桥风险概率和损失组合等级的风险态度;最后基于满意准则进行风险事态评估，通过ALARP风险决策准则划定合理的风险水平和相应的基本风险对策，并最终确定各特定状态的显著风险事态。泉州湾大桥的实践结果表明，本文提出的风险事态评估方法，取得了良好的效果，希望能为类似跨海大桥的风险事态评估提供一定的借鉴作用。
关键词：风险事态评估;风险损失模型;风险概率模型;效用函数;ALARP风险决策准则;
基金：国家重点研发计划项目(2017YFC0805300);
桥梁在施工过程中，由于某种不确定因素的影响，使桥梁结构发生损坏，由此而引发不利结果，而且这种结果是不确定的，即称为桥梁工程施工风险。桥梁工程施工，尤其是复杂桥梁工程施工，由于工序繁多、受制约因素较多等原因的影响，存在重大的施工安全风险隐患。
风险事态评估等在其他领域如经济领域等，已应用的非常广泛，但在工程领域应用较少，不过对其也逐渐开始重视起来，具体到桥梁施工方面，风险事态评估才刚刚起步。我国从20世纪80年代起，开始关注工程风险问题，桥梁工程界从2002年才开始进行桥梁施工风险事态评估问题的研究。
今年来，我国修建了很多跨海大桥，如杭州湾跨海大桥、港珠澳大桥等，在海上进行桥梁施工，施工条件更加苛刻，受海上恶劣环境的影响更加复杂，随之而来的施工风险也就更大，所以针对跨海大桥施工风险事态评估的研究十分重要。
1 工程概况
泉州湾跨海大桥工程起于晋江南塘，与泉州市环城高速公路晋江至石狮段相接，在石狮蚶江跨越泉州湾，经惠安、秀涂、张坂、终于塔埔，与泉州湾环城高速公路南惠支线相接。路线全长26.675km，其中泉州湾跨海大桥全长12.454km，分南岸陆地引桥、蚶江互通主线桥、南岸浅水区引桥、南岸深水区引桥、通航主桥(70+130+400+130+70)m双塔分幅组合梁斜拉桥、北岸深水区引桥、北岸浅水区引桥、秀涂互通主线桥九个区段。全线共设蚶江、秀涂、张坂、塔埔四个互通。
2 风险事态评估方法
根据泉州湾大桥典型分部分项工程的风险事态，从人员伤亡、时间延误、货币损失等方面对各风险事态进行损失评定和风险概率估计。
通过调查问卷的方式，获取泉州湾大桥管理者的风险决策偏好和对大桥风险概率和损失组合等级的风险态度，通过ALARP风险决策准则划定合理的风险水平和相应的基本风险对策，并最终确定各特定状态的显著风险事态。
2.1 风险损失模型
用多个随机变量描述不确定性，可以用随机变量Ni表示在评估期内风险事态i出现的次数，用随机变量Li,j,k表示该风险事态i在第k次实现时，造成的第j种损失幅度。则全寿命期内，风险事态i造成的损失j的总量可表示为:
损失的表现形式有多种多样，参考以往桥梁风险事态的研究，从损失基本物理形式的角度，将损失归结为人员伤亡、时间延误和货币损失三种基本类型。本文将三者损失水平分别乘以不同权重系数得到损失的综合效应，同时考虑环境因素的影响，即:
式中:wh为人员伤亡权重，根据参考资料取为0.45;wt为时间延误权重，取为0.35;wm为货币损失权重，取为0.2。λ为环境影响系数，环境影响等级为较高风险时λ取1.2，中度风险时λ取1.1，较低风险和低风险时λ取1.0。
根据《公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南》和泉州湾大桥施工管理相关规定，通过施工现场实地发放调查问卷的方式，确定泉州湾大桥施工期的损失等级，如表1所示。
表1 风险事态损失划分等级 下载原图
2.2 风险概率模型
桥梁风险概率模型是桥梁风险损失现实发生的可能性的数学描述。设在风险事态H作用下，引起损失的极限状态可以用状态方程Z=R-S<0表示，其中S为风险事态H作用下的广义效应，R为广义抗力，则损失发生的概率P可表示为:
效应S与风险事态H相关，设关于S与H的联合概率密度函数f(S,H)，则有:
式中:f(S|H)为给定风险H状态下，极限状态失效的条件概率密度函数;f(H)为风险事态H的概率密度函数。
由全概率公式得:
考虑风险事态H可能引起失效的水平上、下限位H1和H2，将式(3-4)、(3-5)带入到式(3-3)，可得:
将上式离散可得:
式中:
为风险事态Hi水平处于i区间的极限状态失效概率;
为风险事态水平处i区间的区间概率;N为划分的风险事态水平区间数量。
风险概率模型的研究，必须研究风险事态出现的概率和风险事态作用下损失发生的概率两部分内容。将风险事态H出现的频率成为风险事态的基础概率，用随机变量F0(H)表示;将在该风险事态作用下损失发生的概率称为损失发生概率，用随机变量FS(H)表示。
根据《公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南》及泉州湾大桥施工管理相关规定，确定泉州湾大桥施工期风险事态发生的概率等级，如表2所示。
表2 风险事态概率划分等级 下载原图
由于特大桥施工期风险事态均属于小概率事件，人为原因在其实现过程中具有比较显著的影响，建立规则的基础概率模型比较困难，泉州湾大桥采用专家调查法确定此类风险事态的概率用作其风险事态的基础概率。
2.3 效用函数
在决策分析中，将决策人对后果的实际判断与后果的真实价值的差异称为偏好。在决策理论中效用是描述决策人对后果的偏好，即后果的实际价值，并且用效用函数来量化对后果的偏好，它是后果的函数，是实值函数。
效用函数的研究实质是确定建设单位对损失幅度的基本处理态度。通过调查问卷的方式，获取泉州湾大桥建设单位的风险决策偏好，了解大桥管理人员的效用函数特征，以及他们对大桥风险概率和损失组合等级的风险态度。
2.4 基于满意准则的桥梁风险评估方法
在作决策时决策人需要对各方案的优劣进行排序，从而找出最优方案进行实施，决策准则指的就是方案排序所遵守的基本依据。常用的决策准则可分为满意准则和最优化准则两大类。泉州湾大桥选用满意准则进行决策，实践证明，满意准则已能够满足桥梁施工过程中各分项工程风险评估的要求。
ALARP(As Low As Reasonably Possible)风险决策准则是满意准则的具体体现。其操作方法是:首先确定合理的衡量风险的指标，然后研究确定其效用函数特点，根据其代表值，确定合理的风险水平，同时也就确定了基本的风险对策。
通过对决策人的问卷调查，得到决策人效用函数的代表值，确定了风险等级的划分水平，如表3所示。
表3 决策人风险等级划分水平 下载原图
将所确定的风险事态损失评定结果绘于风险等级区间划分表格内，如图1所示。风险等级区间划分由风险决策人的风险态度决定，决策人的风险态度取决于决策人的风险效应函数。风险等级区间按照ALARP风险决策准则确定各划分区域名称，即将整个风险区域划分为风险不可接受区域、风险可忽略区域和ALARP区域。落于不可接受区域的风险事态必须采用强制水平降低其风险;落于风险可忽略区域的风险事态表明其风险远低于社会可接受水平，不需采取任何措施;落于两者之间区域的风险事态介于可忽略和不可接受之间，应采取合理的控制成本降低其风险。
图1 决策人风险等级划分水平 下载原图
3 风险时态评估结果
采用上述风险事态评估方法，根据损失模型，对泉州湾大桥典型分部分项工程各风险事态进行损失评定。采用调查问卷发放的方式确定各风险事态人员伤亡、时间延误和货币损失等级，并将三者损失水平分别乘以不同权重系数得到损失的综合效应。本文所得泉州湾大桥施工特定状态安全风险事态损失评定与风险事态评估结果如下:
3.1 钢栈桥施工
表4 钢栈桥施工风险事态损失评定结果 下载原图
图2 钢栈桥施工风险等级划分结果 下载原图
3.2 水上群桩施工
表5 水上群桩施工风险事态损失评定结果 下载原图
图3 水上群桩施工风险等级划分结果 下载原图
3.3 承台施工
表6 承台施工风险事态损失评定结果 下载原图
限于篇幅，不能将泉州湾大桥典型分部分项工程施工特定状态安全风险事态损失评定与风险事态评估结果一一列出。通过对各典型分部分项工程风险事态损失评定与风险事态评估结果的分析，得出泉州湾大桥施工中的显著风险事态，并列于表7中。针对这些显著风险事态，桥梁建设者在施工过程中需严格控制。
表7 显著风险事态 下载原图
4 结语
本文依托泉州湾跨海大桥的工程实践，提出复杂桥梁施工风险事态的评估方法。首先介绍了基于满意准则的风险事态评估方法，其中包括风险损失模型、风险概率模型、效用函数、满意准则以及满意准则的具体体现—ALARP风险决策准则;然后对泉州湾大桥各典型分部分项工程进行了风险事态损伤评定与风险事态评估;最后从泉州湾大桥各分部分项工程的风险事态损伤评定与风险事态评估结果出发，得出泉州湾大桥各分部分项工程的显著风险事态，提醒桥梁建设者在施工过程中需严格控制，指定合理有效的风险应对策略。
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