基于轨迹交叉理论的塔机群施工作业研究及应用

吴磊 杨磊 李飞

(中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

塔机是建筑施工常用的大型机械设备之一，随着施工规模的扩大、场地局限、施工进度要求高等原因，塔机群施工作业得到了广泛应用。受制于塔机自身构件的复杂性、立体作业空间大、不完善的管理体系，塔机事故时常发生，造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此，研究建筑施工塔机群作业的安全管理具有重要意义。

目前，已有学者对塔机的安全问题开展了详细研究。张潇等[1]从事故时间特性、事故类型和事故等级、发生阶段及事故致因4个方面对96起塔机事故进行了统计分析，并提出了预防对策；赵挺生等[2-5]根据塔吊自身的结构、施工环境及人员系统识别了56项安全风险因素，通过建立多种模型分析各因素之间的关系；周全吉等[6]通过研发一套塔吊安全监控预警系统，可实时对塔吊运行状态参数进行监管和自动报警，有效地降低了塔机碰撞事故发生概率；黄莺等[7]从系统动力学角度对塔机风险因素展开分析，得出作业人员因素对塔机安全水平的影响程度最大；周进[8]针对塔吊运行过程中的安全隐患，建立了基于模糊控制的塔吊运行防摆控制模型，对塔机变幅和回转运动时所吊重物的摆角幅度进行了控制，同时研究了塔机可能发生碰撞的两种情况，给出相对应的防碰撞算法。多数学者的研究成果基于理论模型的仿真模拟与计算，未能完全结合施工现场实际工况给出动态反馈分析。

因此，本文采用轨迹交叉理论并结合电力建设现场实际工况，对塔机安全进行系统分析，辨别主要风险因素，针对各项安全风险因素，确定其相互间联系，并提出相对应的安全管理措施。

1 项目施工作业概况及轨迹交叉理论

1.1 项目施工作业概况及施工作业特点

连云港虹洋热电联产扩建项目(原场址)规划建设9×800t/h高温超高压循环流化床锅炉、5×35MW级背压式汽轮发电机组、4×60MW级抽背式汽轮发电机组。分两个阶段实施建设，本阶段需满足盛虹炼化一体化项目的用汽需求，建设6×800t/h高温超高压循环流化床锅炉、3×35MW级背压式汽轮发电机组、3×60MW级抽背式汽轮发电机组。

本工程项目受地质环境、施工场地、施工进度、施工工艺等因素影响，安全风险呈现以下特点：一是自然环境复杂，项目选址位于连云港徐圩新区，临近黄海，地下水系丰富，特殊的海相沉积层深厚淤泥质软土增加了工程推进难度，常年5级以上风速的天气较多，露天作业条件差；二是施工规模大、周期长达28个月、场地小、参建队伍和人员多，高峰期可达3200余人；三是工程建设专业性强，涉及土建、安装、调试、消缺等专业，导致多工种同时交叉作业，对管理人员具有较高的专业要求；四是动态风险点较多且变化快，例如建设前期深基坑数量较多，中后期建筑物普遍较高，导致高处作业多，吊装物体积庞大，需要的大型起重机械设备较多，后期调试消缺过程中带电作业现象较多，易发生触电伤害；五是转序施工及作业人员自身因素，导致人员流动性较大，增加了安全培训的工作量；六是受疫情影响，疫情防控工作较为繁杂，物资、人员入场困难，施工成本增加。综上，塔机群施工作业在“人、物、环、管”4个方面面临着复杂多变的安全风险，当这些安全风险因素同时作用时，极大地增加了事故发生的概率和后果的严重程度。

1.2 轨迹交叉理论

轨迹交叉理论是一种研究伤亡事故致因的理论[9-10]。多个事故案例的分析表明：事故发生的直接原因是人的不安全行为与物的不安全状态在时间或空间上产生交叉，导致能量意外释放。

为了降低塔机群作业过程中的安全风险，有必要从时空上避免人的不安全行为和物的不安全状态产生运动轨迹的交叉。根据《建筑施工塔式起重机安装、使用、拆卸安全技术规程》(JGJ 196—2010)和安全检查过程中常见隐患，将塔机群吊装安全风险因素按照“人、机、环、管”分为作业相关人员风险、塔机自身结构风险、作业环境风险与管理风险四大类，共32项安全风险因素(表1)。

表1 塔群施工作业各项安全风险因素程度及其权重指数

2 安全风险因素权重确定及分析

2.1 风险因素的权重赋值

结合赵挺生等[11]对建筑工程塔吊安全影响因素分析、施工现场隐患排查情况及事故案例分析，对风险程度进行划分：低风险[0，0.2]，一般风险[0.2，0.5]，较大风险[0.5，0.8]，重大风险[0.8，1]。邀请7名专家对各项风险因素进行赋值。每项值去除一个最高分和一个最低分，取其平均值为最终风险程度的结果。通过使用熵权法对各项安全风险因素指标权重进行确定，并计算各风险因素的权重，公式如下

(1)

(2)

式中，X为风险程度数值；S为风险程度数值归一化处理后的结果；k为修正系数，令k=0.01；P为权重。

2.2 风险因素分析

根据权重的极差对各项风险因素的重要性重新划分：[0.001，0.021]为较为重要，[0.021，0.042]为重要；[0.042，0.063]为非常重要。由表1可知：非常重要的风险因素占比31.25%，重要的风险因素占比34.38%，较为重要的风险因素占比34.38%。

从风险类型来看：塔机司机、起重指挥人员、司索工的业务能力均为重要及以上风险因素，他们的操作工序直接决定了吊物是否捆绑牢固、是否避开构筑物、在空中是否平衡等，他们的安全意识是塔机安全的最后一道防线；塔机作为起重机械，其力学性能的稳定性对自身安全性能有着决定性的作用，表中与力学性能相关的结构风险因素均为重要或非常重要；6级以上大风、雷雨等恶劣天气会影响塔吊自身和吊物的稳定性，限制司机的视野，易发生物体打击和机械伤害等事故；各项管理风险因素的重要性均为重要及以上，因为管理人员的专业能力、履职情况可以对上述三种风险因素产生一定的约束性。

3 塔机群施工作业安全控制措施

3.1 管理队伍专业化

项目自开工以来，组建了一支以高学历为主且能够精通安全专业、擅长安全技术、吃透政策法规、善于协调配合、敢于严格监督的管理队伍。在安全监管方面，设置了安全督查大队作为第三方安全监管，督查大队有检查、考核奖励权力，对于不能有效完成整改闭环的有约谈相关单位负责人的权力；建立了专管成线、群管成网、横向到边、纵向到底的安全网格化管理体系(根据施工总平面布置图从空间上将施工现场划分成8个区域39个网格，按照“标段、工区、工点”分层级明确建设单位、建立总包和承(分)商安全保证体系与安全监督体系)，压实各级安全责任；针对现场机械设备，聘请一名机械管理的专家，专职负责机械设备考察引进、进/退场、安装/拆卸、使用、维保的全过程安全管理与监督。

3.2 过程管控精细化

一是按照法律严格审查了塔机等机械设备、相关作业人员的资质；二是保证机械设备费用的提取和使用，塔机安装前组织人员进行安全技术交底，明确了交底的类型、工种、交底人、交底时间和注意事项；三是建立了安全验收机制，明确塔机的验收标准、验收部门、验收方式和验收内容；四是针对塔吊重量达到起重机械额定负荷的90%及以上的严格执行工作票的许可，实施过程中作业区域设置了隔离警戒，安排专人监护；五是督促承(分)包商单位相关负责人在现场履职，对塔机作业进行现场监督，严格落实了双重预防机制，加强风险动态识别与跟踪管控，定期开展机械设备的专项检查与日常隐患排查；六是严格执行了节假日、夜间等特殊时段的领导带班制度，关键岗位24小时应急值守，确保遇到突发事件第一时间报告、第一时间响应、第一时间处置，努力将险情损失和影响降至最低；七是在起重设备投入使用快速增长阶段(2021年6月)与快速下降阶段(2022年2月)提升管控等级，通过开展起重伤害应急演练，加强宣传教育，强化人员安全意识。2021年1月—2022年4月全场起重设备数量使用情况如图1所示。

图1 2021年1月—2022年4月全场起重设备数量使用情况

3.3 信息监管数字化

针对塔机群施工作业易发生碰撞这一安全风险，智慧工地增加了塔吊防碰撞模块，通过数据传输至PC端与微信小程序，可实时查看塔吊运行时的相关数据(风速、起重荷载、高度、幅度、回转、力矩等)；通过在起重臂与平衡臂上设置传感器，设置防碰撞等安全参数，当两个塔吊的距离小于安全距离时，塔吊会及时发出报警指令，并可及时向平台发出报警时间及塔吊位置。

从表3可以看出，一段弱磁给矿细度-0.074 mm粒级含量从改造前30%左右提高到75.6%，提高45.6%；二段弱磁选给矿细度-0.045 mm粒级含量从改造前65%提高到72.09%，提高7.09%。

4 结语

本文基于轨迹交叉理论，分析了连云港虹洋热电联产扩建项目(原场址)的施工特点、塔机群施工作业的主要安全风险因素，对风险因素进行辨识和评价，其中安全管理能够直接或间接影响安全工作环境，针对安全管理从施工前、施工过程中及施工结束后提出了管理队伍建设、过程安全管理与信息化管理等安全控制措施。