水运工程预制桩施工安全关键指标研究

黄周泉，吴锋，邱松

（中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

通过调研发现，在水运工程预制桩施工中发生的各类安全事故屡见不鲜，如：2009 年某配套码头工程施工中发生溜桩事故；2017 年某燃煤电厂码头工程，在预制桩沉桩过程中发生多次断桩事故；2015 年某深水港码头工程由于桩基施工完成后未及时夹桩，导致钢管桩折断；2018 年某船闸工程施工中，发生工人掉落预制桩孔中的事故。各个事故均导致不同程度的直接经济损失或人员伤亡。

为更加有计划、有组织地实现水运工程施工安全生产，有必要以预制桩施工为对象，结合预制桩施工在码头工程、船坞工程和船闸工程等各类水运工程的特点，考虑人、施工机械、环境和管理等对预制桩施工安全影响，提出多尺度的施工安全技术指标。而由于水运工程预制桩施工中所涉及的安全指标众多，因此建立完善的预制桩施工安全指标体系，有助于施工人员全面地制定预防措施，从而有效地预防安全事故的发生。水运工程中各种资源是有限的，通过施工安全关键指标的研究，有助于施工人员在有限的资源下，对预制桩施工安全达到最优化的控制。

1 预制桩施工安全指标体系研究

1.1 预制桩施工安全指标研究

预制桩施工涉及到制作、储存、运输、起吊、沉桩及后续处理等环节，各个环节之间存在相互关联，且各个环节的施工安全又受到多种因素的影响。使得施工安全指标的筛选非常复杂，给指标的确定带来一定的困难。根据初步研究，预制桩施工安全指标可基于现有研究成果如现行规范制度和学术论文等[1-4]，结合水运工程预制桩施工安全事故中直接导致人员伤亡或导致重大直接经济损失的致险因素，采用专家调查，并依据水运工程行业内专家的经验和判断来确定。

首先针对预制桩工程中主要的安全技术指标开展调研，根据现有规范对预制桩基工程施工中作业人员、沉桩设备等需要满足的安全要求做出的各项规定，结合水运工程预制桩施工安全事故的致险因素分析，初步确定了预制桩施工安全指标。然后将统计和分析得到的预制桩施工安全指标发送给行业内多位专家，根据专家调查反馈的意见和建议对安全指标进行调整，最终得到预制桩施工安全指标共计41 个。

1.2 预制桩施工安全指标体系构建

各个施工安全指标对预制桩施工过程中某一方面提出了具体的要求，不同指标之间有一定的联系又相互独立，因此直接将数量繁多的施工安全指标直接运用到实际施工中，难度很大。预制桩工程施工安全作为一个由多指标组成的系统，只有构建一个全面而逻辑合理的安全指标体系，才能为水运工程预制桩施工提供一个可靠、便捷的判别标准，评价预制桩施工的安全性，引导水运工程预制桩基工程的实施。所以，预制桩施工安全指标体系的构建应当以保证预制桩施工安全为目标，紧密结合系统论的观点，将各个指标统筹分类，实现指标体系的层次化和条理化。根据有关标准的规定[5]，将生产过程中的危险、有害因素分为4 大类、4 个层次，4 大类分别是人、物、环境、管理等因素；4 个层次分为大、中、小、细4 层次。参考以上危险、有害因素的定义，结合水运工程预制桩现场施工的特点，将水运工程施工安全技术指标划分为4 个类别，2 个层级，其中4 个类别为人的指标、物的指标、环境指标和管理指标。

依据以上原则和方法，最终构建预制桩施工安全指标体系如表1 所示。

2 关键指标确定方法

通过预制桩施工安全指标体系的构建，发现预制桩施工过程中需要关注的指标达到41 项，而水运工程建设中可投入的安全施工费和安全管理人员等资源是有限的，因此有必要对影响预制桩施工安全的关键指标开展研究，以便在实际工程中对相关的指标重点关注，合理的分配安全投入。目前，安全评估指标体系方法中权重的计算方法主要包括主观赋权法、客观赋权法和组合赋权法3 类。其中组合赋权法汲取了主观赋权法和客观赋权法的优点，一方面可以结合专家的经验确定其对指标的重视程度，又可根据数据之间的内在联系，降低个体主观随意性对权重的影响。因此本文中，选择模糊层次分析法和聚类分析法相结合的方法，确定预制桩施工安全指标的权重。

2.1 模糊层次分析法

根据传统的层次分析法和三角模糊数判断的思想[6-7]，假设 A={a1，a2，…，an}为影响事件 A 的n 个因素，首先邀请专家运用1～9 标度规则确定各个指标的相对重要性，从而得到重要性判断矩阵。若ai因素对事件A 影响的重要性大于aj，则aij标度为2，3，4，…，9，数值越大表示因素ai比因素aj的重要程度越高，同时将aji标度为aij的倒数，反之则将aji标度为2，3，4，…，9；当两者重要性相等时，则将aij和aji均标度为1。运用模糊层次分析法，可以将多位专家打出的重要性判断矩阵转化为模糊判断矩阵。

aijk表示由第k 位专家对a1因素和a2因素之间的重要性作出的判断。

去模糊化的方法有很多种，本文选中参考文献[8]中提出的一种较为容易操作的去模糊方法，该方法将三角模糊数去模糊化为：

式中：α 为决策者判断的不确定性系数，α 越小表示不确定性越大；λ 为决策者对风险的态度，λ 越大表示其越厌恶风险。去模糊化之后的判断矩阵如式（9）所示：

则影响事件A 的各项指标的重要性转化成计算该判断矩阵的特征向量，最大特征根对应的特征向量即为各项指标的权重。由于安全问题复杂程度较高，为了避免误差过大，还需要检验各位专家判断的一致性，一致性指标CI 和随机一致性比率CR 计算方法如式（10）和式（11），当 CR ＜0.10 时，判断矩阵具有满意的一致性。由于影响水运工程预制桩施工安全的指标数量较多，所以参考相关文献[9]，运用matlab 求解出n=41 时，RI=1.695。

2.2 K-means 聚类分析法

作为一种基于“距离”的最优化算法，运用KMeans 聚类分析法可以根据输入的参数k，将若干个指标分为k 个类别，同一类别中的各个指标之间的距离小且相似性大，而不同类别的指标之间距离大且相似性小[10]。

K-means 聚类分析具体方法如下[11-12]：1）初步选取k 个聚类中心；2）把每个指标分配到距离其最近的聚类中心，形成k 个类别；3）重新计算每类指标的中心点作为新的聚类中心点。迭代以上步骤2）和3），直到指标不再被分配到新的类别中。假设有 b1，b2，…，bi，…，bn共计 n 个待分类的指标。若以m 个评价标准来进行指标bi的重要性分类，则指标 bi可以表示为（bi1，bi2，…，bim），（bi1，bi2，…，bim）可视为 m 维空间的一个点。其中距离的计算采用最为常用的欧式（Euclidian）距离。

3 水运工程预制桩施工安全关键指标

本文研究中邀请水运工程行业内的32 位桩基施工方面的专家运用1～9 标度规则，一方面从各个指标诱发施工安全事故的可能性角度出发确定预制桩施工安全指标体系中各个指标的重要性，另一方面从一旦诱发事故后引起的人员伤亡和经济损失严重程度的角度出发确定各个指标的重要性。根据专家评价的结果，运用2.1 节所研究的模糊层次分析法进行各项指标权重的确定，结果如表2 所示。根据诱发事故严重程度打分结果确定的随机一致性比率CR=2.50×10-3＜0.10，根据诱发事故可能性打分结果确定的随机一致性比率CR=3.98×10-3＜0.10，均能够满足一致性检验。

将表2 中求得的水运工程预制桩施工安全指标权重，运用2.2 节所研究的K-means 聚类分析法开展聚类分析，聚类分析的结果如图1 所示。由图1 可知，A 类指标诱发事故的可能性及发生事故后导致的严重程度均较大；B 类指标诱发事故的可能性及严重程度均较小，C 类指标诱发安全事故的严重程度较大，但诱发事故的可能性较小。因此可将A 类指标确定为水运工程预制桩施工安全的关键指标。其中A 类指标包括：安全站位（R51）、夹桩（W37）、安全护栏或盖板（W52）、安全警示标志（W53）、沉桩工艺（G12）和防溜桩措施（G23）等，可以发现在施工过程中将A 类指标作为风险防控的重点对象，可以降低水运工程中断桩、人员落入桩孔中等各类常见的预制桩施工过程中发生安全事故的风险。

图1 预制桩施工安全指标聚类分析研究图Fig.1 Cluster analysis of safety indexes for precast pile construction

4 结语

本文以水运工程预制桩施工为研究对象，通过对现有规范和已发生事故调研和分析构建了水运工程预制桩施工安全指标体系。运用模糊层次分析法从诱发安全事故的可能性和诱发安全事故的严重程度出发，对施工安全指标进行了赋权分析，然后对赋权分析的研究结果运用K-means 聚类分析法，最终确定了水运工程预制桩施工安全关键指标。主要结论如下：

1）本文中构建的系统化、多层次的水运工程施工安全指标体系，为安全管理部门、建设单位、施工单位的施工安全管理工作提供了便利。

2）安全站位、夹桩、安全护栏或盖板、安全警示标志、沉桩工艺和防溜桩措施等6 个指标是水运工程预制桩施工安全关键指标，在相关工程建设过程中应重点关注，以降低水运工程施工的风险。

3） 本文中运用模糊层次分析法与K-means聚类分析法相结合的方法可作为水运施工中其他分部工程施工安全关键指标研究确定的一种方法，且当专家样本数量越多时，分析结果越具有更强的合理性。