水利水电工程施工机械设备安全规划理论研究

周 武，吴新霞，李端有

(长江科学院a.工程安全与灾害防治研究所;b.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心;c.国家大坝安全工程技术研究中心;d.水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

大型水利水电工程施工场地布置复杂，施工场面宏大，参加的施工人员、机械设备、施工班组多，施工作业面相互干扰大，安全隐患因素多［1］。特别是修建在狭窄河谷上的水电工程往往混凝土浇筑方量非常巨大，施工作业面上施工机械布置十分密集，大量采用大型或超大型塔带机、门塔机、缆车等混凝土运输设备，这些设备又与混凝土仓面施工设备形成了立体交叉的繁忙施工场面;而且这些设备均为大坝施工关键设备，具有施工强度高、群机工作环境复杂、设备备用系数低等特点［2］。这些现代化大型机械设备对加快大坝施工速度、缩短建设工期提供了重要保证，同时也给施工场地的安全布置和施工设备的安全规划带来了巨大挑战。通常这些设备在施工过程中呈立体交错布置，彼此的工作范围多有重叠现象，交叉作业频繁，如果疏忽管理，将会发生一些意想不到的事故，轻则造成设备损伤，重则造成设备报废、人员伤亡。

因此，对施工场地的安全和危险度进行分析评价，科学合理进行施工总布置的安全规划，充分利用有限的施工空间，制订合理的施工设备布置方法，可为施工操作提供安全的施工空间，为施工作业节省时间，能有效减少或避免重大安全事故和安全问题的发生［3］。本文将时间、空间和运动分析理论引入大型水利水电工程施工机械安全规划问题的分析中，建立了一种完整的施工机械设备安全规划的理论体系。

2 施工机械作业空间划分

参照项目质量管理的理论体系和方法，水利水电工程施工安全事故的影响因素也可以从5M1E过程进行分析研究，即认为施工过程中，影响安全生产的基本因素由 man(人员)、machine(机器设备)、material(原材料)、method(方法)、measurement(测量)和environment(环境)组成，并构成了水电施工安全生产的基本保障体系。任何安全事故均是这些要素因为偶然性原因或系统性原因使安全状况出现变化，导致安全事故的发生。

水利水电工程施工机械作业过程中，人、机、料、环作为危险因素的作用主体，可以用来分析施工机械规划布置的安全合理性。对于水利水电工程施工机械的安全布置问题，可以把空间看成由人－机－材－环构成的整体，针对施工作业行为的动态过程则可以把水利水电工程施工看作是时间影响下的人－机－材－环四维系统。

因此，施工机械布置及施工机械作业安全危险性分析，可以看作是人的空间、机的空间、料的空间、作业环境空间随时间变化情况下的运动分析问题。人的空间是指施工人员所需要的作业活动空间和安全避让空间，机的空间是指施工机械设备的作业活动空间，料的空间是指施工作业工作面上物料摊铺、堆放和存储的空间，作业环境空间是施工作业面能够提供的约束空间。施工作业时空及运动分析的概化模型见图1。

图1 施工作业时空及运动分析概化模型Fig.1 Generalized model of construction based on space-time analysis and motion analysis

3 施工机械设备安全规划理论体系

3.1 安全规划分析的空间模型定义

为便于对施工机械安全规划过程中的空间进行管理，可以把空间分析对象定义为实物空间、安全防护空间和约束空间。

实物空间是指在施工过程中的施工对象自身的几何尺寸决定的空间。实物空间中，大部分不随时间变形，只是空间尺寸出现变化，但也有随着施工活动的开展，其在空间尺寸上是动态变化的，如施工完成的建筑物，随着工程的进行其空间尺寸会动态变化;实物空间用VM表示。安全防护空间是指水利水电工程施工过程中，为保证施工安全，在各施工对象实物空间基础上，按照有关安全防护技术规范各作业对象满足自身安全运行的空间;安全防护空间用VP表示。约束空间是指提供给施工作业的环境空间，约束空间用VC表示。

为同时反映施工过程对空间的影响，可以把空间对象定义为静态空间和动态空间，动态空间反映了施工活动考察期内的空间变化过程。静态空间用VS表示，动态空间用VD表示。

空间定义层次关系见图2。

图2 施工空间层次关系图Fig.2 Hierarchical graph of construction space

3.2 施工空间的定量描述

定义如下功能函数，对施工作业对象的t时刻的所占用的空间Vt进行描述，即

式中:(x，y，z)表示施工对象所占用空间的位置;(r，h)表示施工对象所占用的圆柱状包络空间的大小。

显然时间段ΔT内的空间为施工对象的动态空间，可用考察期时间段内各时刻点所占用空间的交集表示。

3.3 施工空间相互关系的定量描述

施工作业活动进行期间，施工作业空间对象随时间不断变换位置，同时部分对象动态空间的大小和性状也会不断变化，如施工机械的动态作业空间可用其圆柱状包络面的位置发生变化进行定量表示(见图3)。

图3 施工机械作业空间定量表示Fig.3 Quantitative expression for the work space of construction machinery

但是，不管施工作业对象的位置和大小如何变化，任意空间总是可以定量或定性的描述为相邻关系或搭接关系。用数学关系表示即为对于任意施工对象V1和V2，如存在V1∩V2＞0，则认为空间对象V1和V2之间存在搭接关系，表示该施工作业活动中存在共享空间安排施工的情形;如存在V1∩V2＜0，则认为空间对象V1和V2之间为相邻关系，表示该施工活动各自占用不同的施工空间。

用空间对象的距离关系表示，则对空间对象V1t(P1(x，y，z)，S1(r，h)，t)和V2t(P2(x，y，z)，S2(r，h)，t)。P1，P2为施工空间对象 V1和V2的形心点;S1和S2为施工空间对象动态作业的圆柱状包络面。如果对象之间的距离存在

则认为空间对象V1和V2之间为相邻关系;如存在

则认为空间对象V1和V2之间为搭接关系。式中，

3.4 施工空间对象的投影转换

水利水电工程施工机械设备布置往往是从三维空间的合理利用来进行考虑的，但是安全事故的发生与施工对象在施工作业面的投影工作面息息相关，如高空坠物危险最终导致的是施工作业面上的人机伤害事件，机械垮塔导致的是机械倒塌覆盖面内的地面施工作业面的人机伤害事件。

为便于分析施工场地的安全影响，我们把施工对象所占用的施工空间对象投影至施工工作面进行综合考虑。进行投影转换时，空间对象和平面投影采用同一坐标系，且所有空间对象均投影至同一水平面(见图4)，根据施工空间定量描述，同理空间对象的投影可以表示为

图4 施工对象的投影转换模型Fig.4 Projection transform model for construction objects

按照施工空间定义层次关系，可将各施工空间对象投影获得的施工工作面分别定义为静态实物工作面SSM、静态安全防护工作面SSP、动态实物工作面SDM、动态安全防护工作面SDP和约束工作面SC。同时，对应施工作业模型概念，可以把施工作业对象所占用的投影工作面分别分解为人的工作面、机的工作面、料的工作面和约束工作面。

4 施工机械安全规划评价体系

4.1 施工作业对象的安全判别标准

按照施工空间相互关系的分类以及施工作业对象的投影工作面定义关系，可以认为施工作业对象(人员与机械之间、机械与机械之间、机械与材料之间等)在考虑国家强制性文件规定的安全防护空间后，如果存在作业面投影上的相邻关系，则认为该场地发生安全事故的概率很小，以致可以忽略不计。如果是两个作业对象实物空间投影满足相邻关系，但安全防护空间投影存在搭接关系，则认为存在安全事故隐患;如果2个作业对象实物空间投影存在搭接关系，则认为该工作无法完成或存在高事故安全隐患。

按照上述定义，假定某施工作业面存在施工机械对象O1和O2，其实物空间和安全防护空间施工作业面上的投影为(x1，y1，r1，t))、(x2，y2，r2，t)和(x1，y1，r'1，t)、(x2，y2，r'2，t)，可得到施工场地内施工机械安全判别标准:

(1)施工作业活动安全性高，施工机械对象O1和O2满足下式:

其中，

(2)施工作业活动存在不可忽略的安全事故隐患，施工机械对象O1和O2满足下式:

(3)施工作业活动安全隐患高，施工机械对象O1和O2满足下式

4.2 施工场地内施工机械安全评价标准

设施工场地内施工约束工作面为SC，约束工作面内实际可供利用工作面为SUC。

考察施工作业面上所有施工对象:

(1)如存在

则认为考察期T内给所有施工设备分配安全工作面，就能完成该项工作，所有施工机械能通过合理安排做到施工设备两两相邻。说明施工场地内机械配置合理，施工场地布置基本总体是安全的，且在不影响安全前提下存在加快工程施工进度的可能。

(2)如存在

且

则认为考察期T内通过安排施工机械交叉作业能够完成当前计划任务。但由于施工机械施工过程中安全缓冲区存在交叉搭接情况，因此施工过程中存在一定安全隐患，其施工过程中应充分重视对施工机械设备的联合调度。

(3)如存在

且

则认为考察期T内通过安排施工机械交叉作业情况频繁，施工机械施工过程存在设备之间的交错情况，因此施工过程中存在较大安全隐患。

(4)如存在

则认为当前选用的施工机械设备不能满足当前施工强度要求，也不能保证工程施工安全。

4.3 施工机械布置安全评价指标

为有利于对施工机械布置方案进行调整，找出耗用施工场地时空资源的主要因素，可定义施工场地内施工机械的时空重要性识别指标Wi如下:

或

当机械布置不合理时，通过对比时空重要性识别指标，可以找出影响施工安全的主要机械设备，然后结合施工进度安排，通过调整该设备的具体运用计划，可以达到提高施工场地安全性的目的。

同时通过建立施工机械设备时空容积率指标R，可以得出施工场地施工设备安全规划评价指标，施工机械设备时空容积率指标由式(18)获得:

显然施工机械设备容积率指标反映了施工作业面上，施工机械设备动态作业的密集程度。当R＜1认为施工场地施工机械布置合理，施工作业是安全的;当R≥1时，R越大反映施工机械布置的安全风险越高。

5 结语

本文首先给出了水利水电工程施工机械设备安全规划理论的基本概念，然后通过对相邻施工对象的安全评价准则、场地内施工机械对象的安全评价标准及安全评价指标进行探讨和研究，建立了水利水电施工场地安全规划及施工机械设备布置安全规划分析评价的理论体系。本文研究成果对如何客观认识和评价施工场地内和施工过程中的机械设备给施工过程带来的安全问题;在保证施工安全前提条件下，如何充分利用有限的施工作业时空资源，制定科学合理的施工设备布置方案，提出了一种基于时间、空间和运动分析的全新理论体系。该理论体系为施工场地安全规划的研究提供了一种新途径。

目前该理论对于水利水电工程应用研究的实例尚少，下一步将重点结合水利水工工程主要施工工作面、主要施工作业程序开展评价指标的统计分析工作，总结出具有指导性意义的水利水电工程施工机械安全规划，并提供定量化的评价标准。

［1］魏 璇.水利水电工程施工组织设计指南［M］.北京:中国水利水电出版社，1999.(WEI Xuan.Organization Design Guide for the Construction of Hydraulic and Hydroelectric Engineering［M］.Beijing:China Water Power Press，1999.(in Chinese))

［2］司兆乐，魏 璇，夏仲平.水利水电枢纽施工技术［M］.北京:中国水利水电出版社，2002.(SI Zhao-le，WEI Xuan，XIA Zhong-ping.Technology of the Construction of Hydraulic and Hydroelectric Engineering［M］.Beijing:China Water Power Press，2002.(in Chinese))

［3］王任超，杨 弢，吴 艳.空间分析理论在水利水电工程安全问题研究中的应用［J］.水利水电技术，2004，35(5):52－55.(WANG Ren-chao，YANG Tao，WU Yan.Application of Spatial Analysis Theory in Studying Safety Problems of Water Conservancy and Hydropower Project［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2004，35(5):52－55.(in Chinese))