落墩中央分隔带施工安全风险评估研究

2020-02-06刘昶刘辉邓小钊刘耀坤

交通科学与工程 2020年4期

刘昶，刘辉，邓小钊，刘耀坤

(1.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114；2.长沙拓正交通科技有限公司，湖南长沙 410008；3.湖南理工学院，湖南岳阳 414006)

中国高速公路主干网已贯通，现处于网络化建设时期，其建设过程中出现了各种复杂线路的交叉[1]。不少线路的交叉选择将墩柱设置在现役高速公路的中央分隔带上，这类跨线桥不仅存在一般桥梁的施工风险，而且对被交路段的交通产生较大影响。因此，如何系统地对此类桥施工进行风险评估，并提出风险控制措施，是桥梁建设安全管理的重点之一。目前，许多学者相继对桥梁施工风险评价模型展开了研究，提出了各类桥梁施工安全风险评估方法。张美意[2−3]等人在识别桥梁施工阶段主要风险因素的基础上,构建了桥梁施工阶段风险估计的指标体系,并建立了基于蒙特卡罗法的桥梁施工风险估计模型。康俊涛[4]等人构建了风险因素和风险事件的贝叶斯网络关系模型，引入连锁故障的事故链理论，利用层次分析法(analytic hierarchy process,简称为AHP)对各事故链评分排序，识别诱发风险事件的关键线路。陈常松[5]等人结合不确定层次法和模糊综合评判法，提出了一种系统实用的桥梁工程风险评估方法。赖笑[6]等人运用灰色关联度理论和LEC 法构建风险等级评价模型，实现对桥梁结构施工状态的综合性评价。由于这些方法大多是将其他领域的风险评价方法应用于桥梁风险评估，在易用性和系统性方面存在缺陷，并且都只考虑了桥梁施工本身的风险，忽视了交通风险等因素。因此，作者拟采用作业分解结构−风险分解结构(work breakdown structure-risk based supervision，简称为WBS−RBS)方法对G72 分离桥进行风险源识别，采用改进LEC(likelihood exposure criticality，简称为LEC)法对风险源进行衡量，并引入AHP 法对每一单位作业和分项工程进行风险度计算，得到总的风险度。针对交通方面的影响，提出了对应的风险管控措施，形成了一套施工完整的桥梁风险评估体系。

1 工程简介

新建跨线桥上跨G72 泉南高速，桥长63 m，交角为96°，与泉南高速路面最小净高6.9 m。桥梁上部构造为2×30 m 预应力砼小箱梁，下部为长8.1 m、厚70 cm、高5.5 m 的薄壁墩，墩柱两侧设置F型SS 级防撞护栏，墩柱基础为长11.1 m、宽3.71 m、高1.5 m 的钢筋混凝土扩大基础，埋深4.5 m。桥梁平面示意如图1 所示。

1#墩设置在泉南高速中央分隔带上，中央分隔带宽1.8 m，防护形式为波形梁，两侧水沟为0.5 m，超车道为3.75 m，施工场地宽度共10.3 m，东西长度可根据施工要求拆除中央分隔带，延长施工场地。采用围挡进行封闭，场内预留堆土场，墩柱施工场地布置如图2 所示。施工路段日均双向车流量约1 万台，节假日、春运流量倍增，其中，大车流量占1/3。

2 改进的LEC 法

LEC 法作为一种半定量的评估方法，因其操作简便，能对施工过程中的风险源进行量化，广泛应用于多个领域的风险评估中。传统LEC 法只研究了危险源的固有属性，没有考虑作业环境和交通环境对施工带来的风险。其次，其评分判据过于模糊，导致主观性太强[7]。鉴于传统LEC 法具有局限性，结合占道施工的特点对其进行改进，量化L、E、C的取值，考虑交通影响，建立LEC 改进评估体系。

图1 G72 分离桥平面示意Fig.1 Schematic diagram of the G72 separation bridge

图2 墩柱施工场地布置Fig.2 Schematic diagram of the Construction site

2.1 事故发生的可能性

传统LEC 法中事故发生的可能性(L)的取值标准单一，且主观性太强。结合本工程及类似工程的实际情况，将专项施工方案、交通组织方案、日均车流量和工程地质条件列入事故发生可能性评估体系中，取值见表1。改进后L 值的计算公式为：

式中：λ 为L1～L4指标的权重系数，分别为λ1=0.3、λ2=0.3、λ3=0.3、λ4=0.1。

表1 事故发生可能性等级划分Table 1 Classification of accident probability

2.2 暴露于危险环境的频繁程度

作业人员暴露在危险作业单元的频率与作业时长有关，时间越长，频率越高，则越容易受伤。参照文献[8]，作业单元中以作业人员的作业时长为评估指标，构建暴露于危险环境频繁程度等级E 的划分标准，E 值为10.0,6.0,3.0,2.0,1.0,0.5 m，其危险环境的作业时长分别为≥10 h、8～10 h、6～8 h、4～6 h、2～4 h、＜2 h。

2.3 事故可能发生的后果

传统LEC 法中事故可能发生后果C 的取值以人员伤亡作为唯一指标，不能反映实际情况。为了尽量保证评价结果的可靠性，充分考虑动态交通风险，在原有指标的基础上优化了人员伤亡指标的取值，并加入经济损失、工期延误和交通延误3 个指标，见表2。改进后事故可能发生的后果C 值的计算公式为：

式中：β 为C1～C4指标的权重系数，分别为β1=0.4、β2=0.3、β3=0.2、β4=0.1。

表2 事故发生可能的后果等级Table 2 Possible consequence level of accident

2.4 危险性等级

危险性等级划分由L、E、C 三者的乘积为每一个作业单元的危险性分值D。当D＜20 时，为Ⅰ级风险；当20≤D＜70 时，为Ⅱ级风险；当70≤D＜160 时，为Ⅲ级风险；当160≤D＜270 时，为Ⅳ级风险；当D≥270 时，为Ⅴ级风险。

3 风险评估体系

项目资料的调研、风险辨识、风险衡量和风险度计算是土建工程施工安全评估工作的主要内容[9]，也是桥梁风险评估体系的组成部分。其中，风险辨识采用职业健康、安全、环境(health security environment，简称为HSE)和WBS−RBS 结合的方法。风险衡量采用LEC 法和专家调查法综合。风险度计算是在LEC 法计算结果的基础上，采用AHP法分配权重，再进行计算。

3.1 基于WBS−RBS 的风险源识别

基于WBS−RBS 的风险源识别，不仅能全面统筹项目的整体风险，也能精确兼顾工程的局部风险[10]。其识别流程为：

1) 构建WBS 分解。按照结构特点将G72 分离中桥划分为桥台施工(W1)、墩柱施工(W2)、上部结构施工(W3)、桥面系及附属结构施工(W4)4 个分项工程。然后，按照施工顺序将分项工程继续分解，得到单位作业18 项，其中，W1分为基础开挖(W11)、钢筋运输与焊接(W12)、立模浇筑(W13)；W2分为交通设施布设(W21)、围挡施工(W22)、基坑开挖(W23)、钢筋运输与焊接(W24)、立模浇筑(W25)；W3 分为梁片预制(W31)、梁片运输(W32)、预制梁架设(W33)；W4分为支座安装(W41)、防撞栏杆施工(W42)、桥面铺装(W43)、伸缩缝安装(W44)、桥面排水(W45)、防抛网安装(W46)、桥墩防撞墩施工(W47)。

随着共同文化认同出现的必然是民族身份意识的强化。当美国人把自身所处的“新世界”与“旧世界”严格区分之时，就表明他们逐渐地明确了自身的利益和价值追求，也逐步形成了特殊的民族身份意识。随着英国对北美殖民地的掠夺和压迫日益加剧，“美国人”的民族身份意识进一步萌发，自主自治意识显著增强。他们先是按照其自由主义观念要求实现英帝国范围内的“自治”，由于希望落空，转而要求实现完全的独立。

2) 构建RBS 分解。从HSE 的3 个方面出发，结合相关行业规范，采用专家调查方式，得到了该桥梁工程RBS 风险识别体系，分别为职业健康风险(R1)、安全管理风险(R2)和施工环境风险(R3)，其中，R1包括施工噪音(R11)、粉尘(R12)、化学毒物(R13)、焊接操作(R14)、恶劣天气(R15)；R2包括施工路段车速过快(R21)、施工围挡不牢固(R22)、运输车辆出入(R23)、用电不当(R24)、高空作业防护不当(R25)、高处掉落施工材料(R26)、设备欠修或老化(R27)、易燃易爆物存放不当(R28)、机械故障或使用不当(R29)；R3包括施工垃圾、污水及废弃物(R31)、施工机具油污泄漏(R32)、尾气、化合物挥发(R33)。

3) 构建RBM 耦合矩阵。以工作分解为行，风险分解为列，构成作业单元和风险的映射关系，耦合形成RBM 耦合矩阵，总共确定了192 处风险源。以墩柱施工的RBM 耦合矩阵为例，共存在50 处风险源，见表3，其中“0”表示耦合不产生风险。由于WBS 和RBS 分解均具有层次关系。因此，既能从宏观层面把握工程的总体风险，也能从微观角度分析每处风险的来源及其严重程度，使得后续的风险管控更加系统和精确。

3.2 风险衡量

采用改进的LEC 法，邀请了5 位专家以问卷调查的形式对RBM 耦合矩阵中的风险源进行评分，以他们的评分结果的算数平均值作为风险源评估结果。以墩柱施工为例，Ⅰ级风险源有10 处，Ⅱ级风险源17 处，Ⅲ级风险源17 处，Ⅳ级风险源5处，Ⅴ级风险源1 处，其不同作业单元的危险性分值见表3。

表3 墩柱施工RBM 耦合矩阵Table 3 RBM coupling matrix of pier construction

3.3 风险度计算

WBS−RBS 法的分解结构符合AHP 法的权重计算原理。具体步骤：

1) 计算该桥WBS 中4 个分项工程的权重ωi。将4 个分项工程W1、W2、W3、W4组成4 阶判断矩阵，并采用Saaty 九标度法进行重要性赋值，得到的判断矩阵A 为：

按式(4)计算矩阵最大特征值所对应的正规化特征向量(各被比较元素的权重)，得到ω1=0.118,ω2=0.305,ω3=0.527,ω4=0.051。

3) 采用同样的方法分别计算出同一分项工程中各个单位作业的权重ωij和同一单位作业中各个风险源的权重ωijk；

4) 按照式(7)～(9)计算出任意单位作业风险度Dij、分项工程风险度Di和桥梁总风险度D。

式中：i 为分项工程序号；j 为单位作业序号；k 为风险源序号。

按照该方法，识别出Ⅲ级以上风险的单位作业7 处，其中，W25为Ⅳ级风险，W33为Ⅴ级风险。4个分项工程中，W3为Ⅳ级风险，W2为Ⅲ级风险，W1和W4为Ⅱ级风险，其对应的风险度分别为D3=223.4,D2=146.2,D1=61.4,D4=43.6，则桥梁总风险度D=171.8，属于Ⅲ级风险。

4 风险管控措施

针对该桥施工期间对交通的影响，提出从交通组织与安全防护两方面的施工风险管控措施[10]，给类似的工程提供借鉴。

4.1 防护棚架搭设

防护棚长36 m、右侧宽12 m、左侧宽9.7 m，高5.5 m。基础采用C20 砼条形基础，立柱采用φ400×10 的钢管，布置在高速路两侧和中间隔离带处，间距6 m。在四立柱顶面沿高速方向设置I40b钢梁作为横向主梁。在主梁顶面沿桥梁方向，按间距2.0 m 设置工I40b钢梁作为纵向次梁。在次梁顶面沿高速方向，按间距 0.6 m，设12a 槽钢+2 mm钢板+彩钢瓦，形成封闭缓冲层和隔水层。

4.2 交通组织方案

跨线施工期间，将对该路段的车辆通行带来不可避免的影响，结合施工实际，交通组织拟分4 个阶段进行：①施工时，封闭泉南高速双向超车道，利用水马、交通锥压缩部分车道。施工车辆的进出顺着高速公路方向，封闭区域布置材料堆放场地、设备停放区，采用架管围挡进行隔离。②基础立柱施工时，根据施工需求灵活封闭部分车道，防护棚架横纵梁及顶面铺装分幅施工。期间，需管制交通，每次管制时间约 3～5 min。开放交通后，车辆通过超车道通行。③施工时，需在施工路段近端管制交通。当预制箱梁吊装进入高速范围时，通知交通警察开始管制交通，管制时间约 10～15 min。开放交通后，车辆在已搭设好的安全通道内通行。④此阶段交通组织参照第二阶段交通组织。