基于本质安全的桥梁支架安全风险评估

2013-12-06俞素平刑喜乐

长春工程学院学报（自然科学版） 2013年4期

俞素平，刑喜乐

（1.福建船政交通职业学院道路工程系，福州350007；2.厦门中平工程监理咨询有限公司，福建厦门361000）

0 前言

随着我国交通基础建设的快速发展，桥梁施工技术得到了长足的进步，大量造型新颖、技术复杂、施工难度大的桥梁不断涌现，积累了丰富的桥梁施工经验。同时，越来越多的桥梁采用就地浇筑的施工方法，如高速公路的各种互通立交，城市中的互通立交、高架道路等，其中的简支箱梁、连续箱梁，大多采用现浇施工。现浇施工离不开大量的模板支架，而近年来发生了多起支架垮塌的安全事故，造成了严重人员伤亡和重大财产损失，桥梁支架施工的安全问题日益引起桥梁建设者的重视。目前用于桥梁施工作为支撑系统的支架有扣件式钢管支架、门式钢管支架、碗扣式钢管支架、万能杆件支架、贝雷片支架等多种形式［1］。随着工程技术的发展，碗扣式钢管支架越来越多地应用于公路桥梁的施工，尤其是现浇连续箱梁的施工，因此，本文选取应用广泛的碗扣式钢管支架进行研究。

“本质安全”的原意是通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使用在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故。在现阶段，本质安全已成为一种安全管理理念，广泛应用于矿产开采、企业生产等各行各业。国务院《安全生产“十二五”规划》也将“完善安全保障体系，提高企业本质安全水平和事故防范能力”作为主要任务之一。2011年6月21日召开的全国公路水运工程平安工地建设推进会上，交通运输部冯正霖副部长要求进一步强化、着重推广“本质安全”理念，将“本质安全”作为“平安工地”建设活动的一个重要原则，从“本质安全”的角度看安全生产管理，使人的可靠性、物的可靠性和系统的可靠性有机结合，推动公路水运施工安全形势的不断好转。鉴于此，本文基于本质安全原理，从人员、机具、材料、作业环境、工艺技术及现场管理6个方面分析影响桥梁支架安全的风险因素，建立施工安全风险评估指标体系，应用层次分析法确定各级指标的权重，采用风险矩阵法作为风险评价准则，并结合实例进行评估分析。

1 本质安全的概念

本质安全概念最初源于20世纪50年代世界宇航技术领域，主要是指电气系统具备防止可能导致可燃物质燃烧所需能量释放的安全性［2］。维基百科（英文版）载明：“本质安全是电气设备在爆炸性环境和非正常工作条件下安全运行的一种保护技术”［3］。

对于本质安全的含义，从目前的研究来看，有广义与狭义两种阐述。狭义的本质安全是指机器、设备本身所具有的安全特性。广义的本质安全是指“人—设备—环境—管理”这一系统表现出的安全性能，它包括人的可靠性、物的可靠性、系统的可靠性和管理的规范化与持续改进等4个方面的内容。

本文采用广义的本质安全进行研究，即考虑人、设备、环境、管理等因素。

2 桥梁支架本质安全风险评估指标体系的建立

引发桥梁支架垮塌事故的因素很多，主要分为人员、机具、材料、作业环境、工艺技术及现场管理6个方面，根据相关规范［4－6］，查阅相关文献［7－9］并征求专家意见后，制定了19个二级指标，6个一级指标，其安全风险评价指标体系见图1。

图1 桥梁支架施工安全风险评估指标体系

3 评估指标权重的确定

3.1 层次分析法确定权重的过程

（1）构造梯阶层次结构模型。按评估目标的不同，将评估系统分为几个等级层次，构成由最高层、若干中间层和最低层排列的层次分析结构模型。按照图1所建立的评估体系，桥梁支架施工安全风险A 包括人员（A1）、机具（A2）、材料（A3）、作业环境（A4）、工艺技术（A5）及现场管理（A6）6个准则层指标，每层指标又由若干个因素组成。

（2）对各指标因素两两比较评分，建立判断矩阵

对各评价指标进行两两比较决定其重要性，对比较结果进行评分。在层次分析法中，一般采用1～9标度方法（见表1）来确定分值，以表示其重要性。

表1 重要性描述分值表

假定Ak为因素B1，B2，…，Bn上一层次某一因素，bij为Bi与Bj相对重要程度的分值，经评分可得两两判断矩阵，见表2。该矩阵有如下性质：bii＝1，bji＝1／bij，bij≥0（i，j＝1，2，…，n）。

表2 两两判断矩阵表

可写成判断矩阵

式中bij为因素Bi和Bj相对于上次因素Ak的相对重要性之比。

（3）计算各判断矩阵权重向量

（4）一致性检验

计算判断矩阵的最大特征值λmax：

式中（Aω）i为向量（Aω）的第i个元素。

计算CI，进行一致性检验。在算出λmax后，可计算CI，进行一致性检验，其公式如下：

上式中n为判断矩阵阶数，根据表3，查随机一致性指标RI，并计算比值CR＝CI／RI。

当CR＜0.1时，可以认为得到的权重结果有了满意的一致性，否则应对判断矩阵做适当修正。

根据以上计算方法，对其他各层指标判断矩阵进行计算、检验，可得到各级指标的权重。

3.2 计算综合权重

由于专家工作经验、学术背景及对所评估项目的了解程度不同，专家的权重也不尽一样。专家自身的权重主要考虑职称、从事桥梁工程时间、对工程风险理论及方法的熟悉程度及对本支架施工方案了解程度而综合确定，分指标分值按最高取10分，其他按五级制递减取定，见表4。

表3 RI取值表

表4 专家权重体系

表中分指标相对权值为分指标对应分值除以分值之和30。

由于职称、从事桥梁工程时间等几个指标的重要程度相近，可以认为各指标权重是相同的，将各位专家实际情况对应的分指标相对权值相加，然后进行归一化处理，则可得专家自身的权重，记为w（k）。设第k个专家给出的权重向量为：

则L位专家确定的评价指标权重综合在一起得到各评价指标权重的矩阵为：

4 确定风险等级

目前，公路桥梁施工安全风险评估时，多采用风险矩阵法作为风险评价准则［10］，风险矩阵评价准则较为简单直观，便于应用，本文也采用此法来确定桥梁支架安全风险等级。根据风险事故可能性和事故严重程度，将桥梁支架安全风险等级分为4级，建立风险矩阵如表5所示，其中风险事故可能性等级分为很可能、可能、偶然、不太可能4级。根据交通运输部施工安全风险评估的相关要求［12］，确定事故严重程度等级如表6、表7所示，事故严重程度主要考虑人员伤亡和直接经济损失，两者同时产生时，采用就高原则确定事故严重程度等级。在该风险等级矩阵中，Ⅰ级（低度）风险表示可忽略，不需采取风险处理措施和监测；Ⅱ级（中度）风险表示可接受，一般不需采取风险处理措施，但需予以监测；Ⅲ 级（高度）风险表示不期望，必须采取风险处理措施降低风险并加强监测；Ⅳ级（极高）风险表示不可接受，必须高度重视，采取切实可行的规避措施并加强监测，否则要不惜代价将风险至少降低到不期望的程度。

表5 风险等级矩阵

表6 人员伤亡等级

表7 直接经济损失等级

5 应用实例

5.1 背景材料

漳永高速公路A5合同段和平枢纽互通主线2号桥长119m（左幅K95＋533.9—K95＋652.9，右幅K95＋534.19—K95＋653.189），桥梁平面分别位于缓和曲线和直线上，纵断面坡度2.8%，墩台等角度布置。该桥上部采用现浇后张预应力连续箱梁结构，桥梁跨径组合设计为左幅（30＋32＋30＋20）m，右幅（20＋30＋32＋30）m。梁体设计为单箱二室连续箱梁结构，箱梁高1.8m，顶宽12m，底宽7m，悬臂长2.5m。除2＃墩前后各16.45m范围采用钢管柱加工字钢支架法跨越莆永高速，其余均用满堂支架法现浇施工。

现浇箱梁满堂支架采用WDJ碗扣式多功能脚手杆搭设，使用与立杆配套的横杆及立杆可调底座、立杆可调托撑。立杆顶设二层方木，立杆顶托上纵向设10cm×12cm方木；纵向方木上设10cm×10cm的横向方木，间距30cm。模板用厚1.8cm的优质竹胶合板，横板边角用4cm厚木板加强，防止转角漏浆或出现波浪形，影响外观。腹板外侧根部采用5cm×10cm的方木固定在底模外侧进行加固。支顶用钢管支撑，固定在支架上。支架纵横均设置剪刀撑，其中横桥向斜撑每3.0m设一道，纵桥向斜撑沿横桥向共设5道（单幅），位置为边腹板、中腹板下及最外一排立杆处（即支架外表面满布剪刀撑），水平剪刀撑设3道，分别为上、中、下各一道。每根立杆底部应设置底座或垫板，同时支架立杆设置纵、横向扫地杆。剪刀撑、斜撑搭设随立杆、纵向和横向水平杆等同步搭设。

为严防安全事故发生，切实完成生产目标，组织相关专家在研究设计图纸及施工单位编写的专项施工方案和满堂支架方案计算书的基础上，结合现场考察掌握的第一手资料，对该支架的施工安全风险进行评估。