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摘要：解决了铁路桥梁施工阶段安全风险辨识与评估的问题。通过广泛的事故统计、现场调研，并在对桥梁施工安全风险进行深入研究的基础上，建立了适用于特大铁路桥梁施工阶段安全风险评价的指标体系，提出了利用ANP来计算各指标整体权重的方法，并将其应用于太子河1号特大桥施工安全风险评估中，为该工程制定合理有效的应对措施提供了理论依据。实践表明，该体系和方法具有较强的实用性、可操作性与科学性，其理论、方法、思路和结论可为同类工程所借鉴。
关键词：铁路桥梁；安全风险；指标体系；ANP；应对措施
中图分类号：[U24] 文献标识码：A 文章编号：
Abstract: To solve the railway bridge construction stage security risk identification and evaluation of the problem. Through extensive accident statistics, field investigation, and on the bridge construction safety risk further research is established, on the basis of applicable to big railway bridge construction stage safety risk evaluation index system, and put forward the ANP use to calculate the index of the whole weight method, and applied to the TaiZiHe 1 # super major bridge construction safety risk assessment, for the engineering make rational effective measures to provide the theory basis. Practice shows that the system and the method has strong practicability, maneuverability and scientific nature, the theory, method, the thinking and the conclusion for the similar projects for reference.
Key Words: railway bridge; safety risk; index system; ANP; measures
0 引言
近年来铁路工程建设进行得如火如荼，预计到2020年，铁路运营里程可达12万公里[1]，其中铁路桥梁建设数量更是与日俱增。由于铁路桥梁施工技术复杂、项目繁多，施工阶段不可预见的安全隐患多，导致其施工阶段安全风险较高，其工程事故时有发生，在造成巨大经济人员伤亡的同时还延误了整条线路的通行时间。鉴于此，国内许多学者对桥梁风险进行了研究，也取得了一些成果，如朱赵东对路桥建设中项目的风险管理进行了研究[2]，田小勇等对初步设计阶段的特大桥安全风险评估进行了研究[3]，等等。
目前关于桥梁施工安全风险的分析基本都属于个案评价，其全面性和普适性较差，故建立起系统合理的评价体系并提出适用的评价方法迫在眉睫。风险评估的方法较多，有层次分析法(AHP) [4]、模糊评价法[5]和蒙特卡罗法等，其中AHP应用较多且被广泛接受。网络层次分析法(ANP)[6]是在AHP理论基础上发展而来，它可综合考虑影响因素两两之间的相互作用，评价结果更为合理有效。本文在广泛调查与研究的基础上，建立了适用于特大铁路桥施工阶段安全风险评价的指标体系，并利用ANP计算出各因素考虑相互影响后的整体权重，为制定工程对策提供了理论依据。实际工程应用表明，该体系和方法具有较强的实用性、可操作性与科学性，评价结果与实际基本相符。
1 铁路桥梁施工安全风险评价指标体系
铁路桥梁施工安全风险控制因素较多，通过对已有事故的广泛调研与统计，分析出起主要控制作用的包括安全、造价、质量、工期和环境这几个因素。铁路桥梁施工安全风险的影响因素更具有其多样性，主要包括设计因素、自然灾害、施工影响、地质环境、施工管理、设备运作这几方面，由于这些因素之间还具有一定的相关性，故还需考虑之间的相互影响，才能准确评估出铁路桥梁施工安全风险。本文在对已有成果进行深入研究的基础上，结合对铁路桥梁施工安全事故实例的广泛调研、统计与分析，辨识出铁路桥梁施工安全风险的主要影响因素包括6个一级指标，18个二级指标(见表1)。
由于施工阶段铁路桥梁施工安全风险影响因素相互联系、相互影响，故应建立网络层次结构才能描述各因素之间的复杂关系，依据之间的关系网，可构建出该体系主指标之间的网络层次结构如图1。
图1 铁路桥梁施工安全风险主指标网络结构
2 网络层次分析法原理
美国T.L.Saaty教授創立了AHP[4]理论，并在此基础上发展出ANP[6]，在该理论基础上，结合常用的专家咨询的理念，本文提出综合利用ANP与专家调查法对铁路桥梁施工安全风险进行评价。
2.1计算各准则下风险因素的相对权重
由于ANP是建立在AHP基础之上，所以可以采用Saaty提出的1~9标度法，建立两两判断矩阵A，由此计算准则及次准则下的n个风险因子的相对权重值。用于该类计算的方法较多，本文选取方根法来计算两两判断矩阵，计算式如下：
（1）
式中的对应于两两判断矩阵A中第i行第j列的元素，对应与两两判断矩阵A中第k行第j列的元素，n则为该判断矩阵的阶数，。
2.2计算二级指标整体权重
二级指标整体权重可以通过计算加权超矩阵而得到，为了满足加权超矩阵求解精度较高的要求，本文采取特征根法来计算。首先应根据式2写出矩阵关于特征根的特征方程，只要在复数范围内，该方程恒有解且解的个数等于方程的次数。故可求得阶矩阵的个特征值，其中模最大者为。
（2）
然后可以利用线性代数中特征值和特征向量之间的关系（式3）来求得最大特征根所对应的特征向量，并对该特征向量进行归一化处理，处理后的特征向量即为各因子的权重。
（3）
式中的是矩阵的某一特征值，而非零向量则为矩阵对应于特征值的某个特征向量。
3 案例分析
本文以太子河1号特大桥施工阶段安全风险评估为实例，阐述了怎样利用ANP对桥梁施工安全风险进行识别与评估。为了达到全面有效地对该桥施工安全风险识别与评估的目的，组织了熟悉此项目的建设各方以及相关专家学者共计20人，组成专家咨询团，其评价意见作为风险识别、评估的基础数据。
3.1工程概况
辽溪下行及沈大下行线跨太子河1号特大桥为辽溪铁路辽阳至安平段改移工程重点控制工点之一，该桥为辽溪下行及沈大下行线跨太子河而设。太子河设计流量为Q1/100＝7356m3/s，设计流速为2.3m/s，设计水位为25.09m，主河槽一般冲刷高程为9.37m，局部冲刷高程为4.16m。
该特大桥全桥均采用简支梁形式，其中第2跨跨越太子河防洪大堤，由于桥下净高限制采用1-32m槽形梁跨越。该桥设计荷载为铁路“中-活载”，地震基本烈度7度，最大冻结深度为1.3m。该桥上游为哈大客运专线双线桥，下游为辽溪上行及沈大上行线跨太子河2号特大桥。
3.2 构建施工安全风险因素集
在已建立起铁路桥梁施工安全风险评价指标体系的前提下，可构建出一级指标因素集为＝{设计,自然,施工,地质,管理,设备}T，再基于指标体系建立起各二级指标因素集，以为例：＝{前期计算,结构设计,工艺方案} T，同理可得、、、、。
3.3 计算二级指标超矩阵
通过对准则和次准则下的网络层中各因素两两比较可构建出一系列两两判断矩阵，以此计算出各因素在考虑相互影响时的相对权重值。如以为准则，为次准则，相对权重向量可由对元素组中各因素之间进行间接优势度比较，利用式1即可计算得出。
同理可计算出、，从而构建出子矩阵。同理可得、、、、、、、、、等其余35个子矩阵，从而构建出超矩阵W如下：
3.4 计算指标体系加权超矩阵
超矩阵W并非归一化矩阵，还应结合一级指标的影响计算W的加权矩阵，通过在各准则下对指标体系的一级指标按照1~9标度法进行两两比较，建立起比较判断矩阵，从而计算出该矩阵的特征向量，归一化后即可得到一级指标加权矩阵如下：
将加权矩阵J与超矩阵W相乘即得加权超矩阵，然后根据式2计算出，再根据式3可计算出矩阵的特征向量，运用归一化方法处理后即得到指标体系全体二级指标的整体权重向量：
w＝[0.0470,0.1060,0.0409,0.0328,0.1368,0.0170,
0.0129,0.0154,0.2637,0.0652, 0.0418,0.0954,
0.0180,0.0389,0.0252,0.0065,0.0160,0.0205]T
3.5 风险评估及控制
计算得到指标体系整体权重向量之后，根据其权重排序可知二级指标重要程度位列前四位的为主体结构施工、暴风、结构设计和持力层承载力。结合该桥自然、水文和地质等情况，经过专家组商讨，决定对该桥采取以下措施：
（1）桥梁主体结构
除受个别控制点影响需设小跨梁或特殊梁型用以配跨以外，其孔跨布置全桥以32m简支T梁等跨布置为主，简支T梁形式采用时速160公里客货共线铁路预制后张法简支T梁，施工期间梁体架设分别按2座单线桥考虑。
预应力混凝土槽形梁特殊设计应报相关部门审核，通过后才可施工，施工期间可采用满堂支架原位现浇法施工。
（2）墩台
桥墩可采用圆端形实体墩，桥台可采用T形桥台。桥墩台顶横向刚度应按《铁路桥涵设计基本规范》进行控制，相邻结构物轴线间的水平折角不得大于1.5‰。下部结构纵向水平刚度应按《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》的规定限值控制。其中第1-43号墩可采用双线圆端形桥墩，由于44号墩后线路位于曲线上，此时双线桥已变为2座单线桥，故可采用单线圆端形桥墩。
（3）基础
钻孔桩设计桩径一般可采用φ100cm、φ125cm，当技术条件允许时，可优先采用较小桩径，否则应选用较大桩径。基础埋置深度应根据冲刷、地形、地质以及地基承载力等条件来确定。
4 結论
通过开展广泛的事故统计、现场调研，并在对桥梁施工安全风险相关问题进行深入研究的基础上，构建出适用于特大铁路桥梁施工阶段安全风险评价的指标体系，提出利用ANP来计算各指标的整体权重，并将其应用于太子河1号特大桥施工安全风险评估中。实践表明，该体系和方法具有较强的实用性、可操作性与科学性，评价结果与实际基本相符，可为桥梁工程施工阶段制定合理有效的风险应对措施提供理论依据，以期能为进一步提高我国铁路桥梁施工安全风险评估技术水平作出贡献。
参考文献：
中华人民共和国铁道部. 中长期铁路网调整规划方案 [R]. 2008-11-27.
朱赵东. 路桥建设中的风险管理[J]. 科技资讯. 2011.11(27):175-179
田小勇，王国清，周刚. 特大桥的桥梁初步设计安全风险评估[J]. 中国水运. 2011.11(5):171-173
许树柏. 实用决策方法——层次分析法原理[M]. 天津：天津大学出版.
陈胜利. 工程项目施工管理风险评价方法研究[J]. 山西建筑. 2012.38(2):254-256
Saaty T. L. Decision making with dependence and feedback[M]. RWS Publication, Pittsburgh, PA, 1996:28-30.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：铁路桥梁；安全风险；指标体系；ANP；应对措施
中图分类号：[U24] 文献标识码：A 文章编号：
Abstract: To solve the railway bridge construction stage security risk identification and evaluation of the problem. Through extensive accident statistics, field investigation, and on the bridge construction safety risk further research is established, on the basis of applicable to big railway bridge construction stage safety risk evaluation index system, and put forward the ANP use to calculate the index of the whole weight method, and applied to the TaiZiHe 1 # super major bridge construction safety risk assessment, for the engineering make rational effective measures to provide the theory basis. Practice shows that the system and the method has strong practicability, maneuverability and scientific nature, the theory, method, the thinking and the conclusion for the similar projects for reference.
Key Words: railway bridge; safety risk; index system; ANP; measures
0 引言
近年来铁路工程建设进行得如火如荼，预计到2020年，铁路运营里程可达12万公里[1]，其中铁路桥梁建设数量更是与日俱增。由于铁路桥梁施工技术复杂、项目繁多，施工阶段不可预见的安全隐患多，导致其施工阶段安全风险较高，其工程事故时有发生，在造成巨大经济人员伤亡的同时还延误了整条线路的通行时间。鉴于此，国内许多学者对桥梁风险进行了研究，也取得了一些成果，如朱赵东对路桥建设中项目的风险管理进行了研究[2]，田小勇等对初步设计阶段的特大桥安全风险评估进行了研究[3]，等等。
目前关于桥梁施工安全风险的分析基本都属于个案评价，其全面性和普适性较差，故建立起系统合理的评价体系并提出适用的评价方法迫在眉睫。风险评估的方法较多，有层次分析法(AHP) [4]、模糊评价法[5]和蒙特卡罗法等，其中AHP应用较多且被广泛接受。网络层次分析法(ANP)[6]是在AHP理论基础上发展而来，它可综合考虑影响因素两两之间的相互作用，评价结果更为合理有效。本文在广泛调查与研究的基础上，建立了适用于特大铁路桥施工阶段安全风险评价的指标体系，并利用ANP计算出各因素考虑相互影响后的整体权重，为制定工程对策提供了理论依据。实际工程应用表明，该体系和方法具有较强的实用性、可操作性与科学性，评价结果与实际基本相符。
1 铁路桥梁施工安全风险评价指标体系
铁路桥梁施工安全风险控制因素较多，通过对已有事故的广泛调研与统计，分析出起主要控制作用的包括安全、造价、质量、工期和环境这几个因素。铁路桥梁施工安全风险的影响因素更具有其多样性，主要包括设计因素、自然灾害、施工影响、地质环境、施工管理、设备运作这几方面，由于这些因素之间还具有一定的相关性，故还需考虑之间的相互影响，才能准确评估出铁路桥梁施工安全风险。本文在对已有成果进行深入研究的基础上，结合对铁路桥梁施工安全事故实例的广泛调研、统计与分析，辨识出铁路桥梁施工安全风险的主要影响因素包括6个一级指标，18个二级指标(见表1)。
由于施工阶段铁路桥梁施工安全风险影响因素相互联系、相互影响，故应建立网络层次结构才能描述各因素之间的复杂关系，依据之间的关系网，可构建出该体系主指标之间的网络层次结构如图1。
图1 铁路桥梁施工安全风险主指标网络结构
2 网络层次分析法原理
美国T.L.Saaty教授創立了AHP[4]理论，并在此基础上发展出ANP[6]，在该理论基础上，结合常用的专家咨询的理念，本文提出综合利用ANP与专家调查法对铁路桥梁施工安全风险进行评价。
2.1计算各准则下风险因素的相对权重
由于ANP是建立在AHP基础之上，所以可以采用Saaty提出的1~9标度法，建立两两判断矩阵A，由此计算准则及次准则下的n个风险因子的相对权重值。用于该类计算的方法较多，本文选取方根法来计算两两判断矩阵，计算式如下：
（1）
式中的对应于两两判断矩阵A中第i行第j列的元素，对应与两两判断矩阵A中第k行第j列的元素，n则为该判断矩阵的阶数，。
2.2计算二级指标整体权重
二级指标整体权重可以通过计算加权超矩阵而得到，为了满足加权超矩阵求解精度较高的要求，本文采取特征根法来计算。首先应根据式2写出矩阵关于特征根的特征方程，只要在复数范围内，该方程恒有解且解的个数等于方程的次数。故可求得阶矩阵的个特征值，其中模最大者为。
（2）
然后可以利用线性代数中特征值和特征向量之间的关系（式3）来求得最大特征根所对应的特征向量，并对该特征向量进行归一化处理，处理后的特征向量即为各因子的权重。
（3）
式中的是矩阵的某一特征值，而非零向量则为矩阵对应于特征值的某个特征向量。
3 案例分析
本文以太子河1号特大桥施工阶段安全风险评估为实例，阐述了怎样利用ANP对桥梁施工安全风险进行识别与评估。为了达到全面有效地对该桥施工安全风险识别与评估的目的，组织了熟悉此项目的建设各方以及相关专家学者共计20人，组成专家咨询团，其评价意见作为风险识别、评估的基础数据。
3.1工程概况
辽溪下行及沈大下行线跨太子河1号特大桥为辽溪铁路辽阳至安平段改移工程重点控制工点之一，该桥为辽溪下行及沈大下行线跨太子河而设。太子河设计流量为Q1/100＝7356m3/s，设计流速为2.3m/s，设计水位为25.09m，主河槽一般冲刷高程为9.37m，局部冲刷高程为4.16m。
该特大桥全桥均采用简支梁形式，其中第2跨跨越太子河防洪大堤，由于桥下净高限制采用1-32m槽形梁跨越。该桥设计荷载为铁路“中-活载”，地震基本烈度7度，最大冻结深度为1.3m。该桥上游为哈大客运专线双线桥，下游为辽溪上行及沈大上行线跨太子河2号特大桥。
3.2 构建施工安全风险因素集
在已建立起铁路桥梁施工安全风险评价指标体系的前提下，可构建出一级指标因素集为＝{设计,自然,施工,地质,管理,设备}T，再基于指标体系建立起各二级指标因素集，以为例：＝{前期计算,结构设计,工艺方案} T，同理可得、、、、。
3.3 计算二级指标超矩阵
通过对准则和次准则下的网络层中各因素两两比较可构建出一系列两两判断矩阵，以此计算出各因素在考虑相互影响时的相对权重值。如以为准则，为次准则，相对权重向量可由对元素组中各因素之间进行间接优势度比较，利用式1即可计算得出。
同理可计算出、，从而构建出子矩阵。同理可得、、、、、、、、、等其余35个子矩阵，从而构建出超矩阵W如下：
3.4 计算指标体系加权超矩阵
超矩阵W并非归一化矩阵，还应结合一级指标的影响计算W的加权矩阵，通过在各准则下对指标体系的一级指标按照1~9标度法进行两两比较，建立起比较判断矩阵，从而计算出该矩阵的特征向量，归一化后即可得到一级指标加权矩阵如下：
将加权矩阵J与超矩阵W相乘即得加权超矩阵，然后根据式2计算出，再根据式3可计算出矩阵的特征向量，运用归一化方法处理后即得到指标体系全体二级指标的整体权重向量：
w＝[0.0470,0.1060,0.0409,0.0328,0.1368,0.0170,
0.0129,0.0154,0.2637,0.0652, 0.0418,0.0954,
0.0180,0.0389,0.0252,0.0065,0.0160,0.0205]T
3.5 风险评估及控制
计算得到指标体系整体权重向量之后，根据其权重排序可知二级指标重要程度位列前四位的为主体结构施工、暴风、结构设计和持力层承载力。结合该桥自然、水文和地质等情况，经过专家组商讨，决定对该桥采取以下措施：
（1）桥梁主体结构
除受个别控制点影响需设小跨梁或特殊梁型用以配跨以外，其孔跨布置全桥以32m简支T梁等跨布置为主，简支T梁形式采用时速160公里客货共线铁路预制后张法简支T梁，施工期间梁体架设分别按2座单线桥考虑。
预应力混凝土槽形梁特殊设计应报相关部门审核，通过后才可施工，施工期间可采用满堂支架原位现浇法施工。
（2）墩台
桥墩可采用圆端形实体墩，桥台可采用T形桥台。桥墩台顶横向刚度应按《铁路桥涵设计基本规范》进行控制，相邻结构物轴线间的水平折角不得大于1.5‰。下部结构纵向水平刚度应按《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》的规定限值控制。其中第1-43号墩可采用双线圆端形桥墩，由于44号墩后线路位于曲线上，此时双线桥已变为2座单线桥，故可采用单线圆端形桥墩。
（3）基础
钻孔桩设计桩径一般可采用φ100cm、φ125cm，当技术条件允许时，可优先采用较小桩径，否则应选用较大桩径。基础埋置深度应根据冲刷、地形、地质以及地基承载力等条件来确定。
4 結论
通过开展广泛的事故统计、现场调研，并在对桥梁施工安全风险相关问题进行深入研究的基础上，构建出适用于特大铁路桥梁施工阶段安全风险评价的指标体系，提出利用ANP来计算各指标的整体权重，并将其应用于太子河1号特大桥施工安全风险评估中。实践表明，该体系和方法具有较强的实用性、可操作性与科学性，评价结果与实际基本相符，可为桥梁工程施工阶段制定合理有效的风险应对措施提供理论依据，以期能为进一步提高我国铁路桥梁施工安全风险评估技术水平作出贡献。
参考文献：
中华人民共和国铁道部. 中长期铁路网调整规划方案 [R]. 2008-11-27.
朱赵东. 路桥建设中的风险管理[J]. 科技资讯. 2011.11(27):175-179
田小勇，王国清，周刚. 特大桥的桥梁初步设计安全风险评估[J]. 中国水运. 2011.11(5):171-173
许树柏. 实用决策方法——层次分析法原理[M]. 天津：天津大学出版.
陈胜利. 工程项目施工管理风险评价方法研究[J]. 山西建筑. 2012.38(2):254-256
Saaty T. L. Decision making with dependence and feedback[M]. RWS Publication, Pittsburgh, PA, 1996:28-30.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。