水利水電工程施工機械設(shè)備安全規(guī)劃理論研究

周 武，吳新霞，李端有

(長江科學(xué)院a.工程安全與災(zāi)害防治研究所;b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心;c.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心;d.水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

大型水利水電工程施工場地布置復(fù)雜，施工場面宏大，參加的施工人員、機械設(shè)備、施工班組多，施工作業(yè)面相互干擾大，安全隱患因素多［1］。特別是修建在狹窄河谷上的水電工程往往混凝土澆筑方量非常巨大，施工作業(yè)面上施工機械布置十分密集，大量采用大型或超大型塔帶機、門塔機、纜車等混凝土運輸設(shè)備，這些設(shè)備又與混凝土倉面施工設(shè)備形成了立體交叉的繁忙施工場面;而且這些設(shè)備均為大壩施工關(guān)鍵設(shè)備，具有施工強度高、群機工作環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備備用系數(shù)低等特點［2］。這些現(xiàn)代化大型機械設(shè)備對加快大壩施工速度、縮短建設(shè)工期提供了重要保證，同時也給施工場地的安全布置和施工設(shè)備的安全規(guī)劃帶來了巨大挑戰(zhàn)。通常這些設(shè)備在施工過程中呈立體交錯布置，彼此的工作范圍多有重疊現(xiàn)象，交叉作業(yè)頻繁，如果疏忽管理，將會發(fā)生一些意想不到的事故，輕則造成設(shè)備損傷，重則造成設(shè)備報廢、人員傷亡。

因此，對施工場地的安全和危險度進行分析評價，科學(xué)合理進行施工總布置的安全規(guī)劃，充分利用有限的施工空間，制訂合理的施工設(shè)備布置方法，可為施工操作提供安全的施工空間，為施工作業(yè)節(jié)省時間，能有效減少或避免重大安全事故和安全問題的發(fā)生［3］。本文將時間、空間和運動分析理論引入大型水利水電工程施工機械安全規(guī)劃問題的分析中，建立了一種完整的施工機械設(shè)備安全規(guī)劃的理論體系。

2 施工機械作業(yè)空間劃分

參照項目質(zhì)量管理的理論體系和方法，水利水電工程施工安全事故的影響因素也可以從5M1E過程進行分析研究，即認為施工過程中，影響安全生產(chǎn)的基本因素由 man(人員)、machine(機器設(shè)備)、material(原材料)、method(方法)、measurement(測量)和environment(環(huán)境)組成，并構(gòu)成了水電施工安全生產(chǎn)的基本保障體系。任何安全事故均是這些要素因為偶然性原因或系統(tǒng)性原因使安全狀況出現(xiàn)變化，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

水利水電工程施工機械作業(yè)過程中，人、機、料、環(huán)作為危險因素的作用主體，可以用來分析施工機械規(guī)劃布置的安全合理性。對于水利水電工程施工機械的安全布置問題，可以把空間看成由人－機－材－環(huán)構(gòu)成的整體，針對施工作業(yè)行為的動態(tài)過程則可以把水利水電工程施工看作是時間影響下的人－機－材－環(huán)四維系統(tǒng)。

因此，施工機械布置及施工機械作業(yè)安全危險性分析，可以看作是人的空間、機的空間、料的空間、作業(yè)環(huán)境空間隨時間變化情況下的運動分析問題。人的空間是指施工人員所需要的作業(yè)活動空間和安全避讓空間，機的空間是指施工機械設(shè)備的作業(yè)活動空間，料的空間是指施工作業(yè)工作面上物料攤鋪、堆放和存儲的空間，作業(yè)環(huán)境空間是施工作業(yè)面能夠提供的約束空間。施工作業(yè)時空及運動分析的概化模型見圖1。

圖1 施工作業(yè)時空及運動分析概化模型Fig.1 Generalized model of construction based on space-time analysis and motion analysis

3 施工機械設(shè)備安全規(guī)劃理論體系

3.1 安全規(guī)劃分析的空間模型定義

為便于對施工機械安全規(guī)劃過程中的空間進行管理，可以把空間分析對象定義為實物空間、安全防護空間和約束空間。

實物空間是指在施工過程中的施工對象自身的幾何尺寸決定的空間。實物空間中，大部分不隨時間變形，只是空間尺寸出現(xiàn)變化，但也有隨著施工活動的開展，其在空間尺寸上是動態(tài)變化的，如施工完成的建筑物，隨著工程的進行其空間尺寸會動態(tài)變化;實物空間用VM表示。安全防護空間是指水利水電工程施工過程中，為保證施工安全，在各施工對象實物空間基礎(chǔ)上，按照有關(guān)安全防護技術(shù)規(guī)范各作業(yè)對象滿足自身安全運行的空間;安全防護空間用VP表示。約束空間是指提供給施工作業(yè)的環(huán)境空間，約束空間用VC表示。

為同時反映施工過程對空間的影響，可以把空間對象定義為靜態(tài)空間和動態(tài)空間，動態(tài)空間反映了施工活動考察期內(nèi)的空間變化過程。靜態(tài)空間用VS表示，動態(tài)空間用VD表示。

空間定義層次關(guān)系見圖2。

圖2 施工空間層次關(guān)系圖Fig.2 Hierarchical graph of construction space

3.2 施工空間的定量描述

定義如下功能函數(shù)，對施工作業(yè)對象的t時刻的所占用的空間Vt進行描述，即

式中:(x，y，z)表示施工對象所占用空間的位置;(r，h)表示施工對象所占用的圓柱狀包絡(luò)空間的大小。

顯然時間段ΔT內(nèi)的空間為施工對象的動態(tài)空間，可用考察期時間段內(nèi)各時刻點所占用空間的交集表示。

3.3 施工空間相互關(guān)系的定量描述

施工作業(yè)活動進行期間，施工作業(yè)空間對象隨時間不斷變換位置，同時部分對象動態(tài)空間的大小和性狀也會不斷變化，如施工機械的動態(tài)作業(yè)空間可用其圓柱狀包絡(luò)面的位置發(fā)生變化進行定量表示(見圖3)。

圖3 施工機械作業(yè)空間定量表示Fig.3 Quantitative expression for the work space of construction machinery

但是，不管施工作業(yè)對象的位置和大小如何變化，任意空間總是可以定量或定性的描述為相鄰關(guān)系或搭接關(guān)系。用數(shù)學(xué)關(guān)系表示即為對于任意施工對象V1和V2，如存在V1∩V2＞0，則認為空間對象V1和V2之間存在搭接關(guān)系，表示該施工作業(yè)活動中存在共享空間安排施工的情形;如存在V1∩V2＜0，則認為空間對象V1和V2之間為相鄰關(guān)系，表示該施工活動各自占用不同的施工空間。

用空間對象的距離關(guān)系表示，則對空間對象V1t(P1(x，y，z)，S1(r，h)，t)和V2t(P2(x，y，z)，S2(r，h)，t)。P1，P2為施工空間對象 V1和V2的形心點;S1和S2為施工空間對象動態(tài)作業(yè)的圓柱狀包絡(luò)面。如果對象之間的距離存在

則認為空間對象V1和V2之間為相鄰關(guān)系;如存在

則認為空間對象V1和V2之間為搭接關(guān)系。式中，

3.4 施工空間對象的投影轉(zhuǎn)換

水利水電工程施工機械設(shè)備布置往往是從三維空間的合理利用來進行考慮的，但是安全事故的發(fā)生與施工對象在施工作業(yè)面的投影工作面息息相關(guān)，如高空墜物危險最終導(dǎo)致的是施工作業(yè)面上的人機傷害事件，機械垮塔導(dǎo)致的是機械倒塌覆蓋面內(nèi)的地面施工作業(yè)面的人機傷害事件。

為便于分析施工場地的安全影響，我們把施工對象所占用的施工空間對象投影至施工工作面進行綜合考慮。進行投影轉(zhuǎn)換時，空間對象和平面投影采用同一坐標(biāo)系，且所有空間對象均投影至同一水平面(見圖4)，根據(jù)施工空間定量描述，同理空間對象的投影可以表示為

圖4 施工對象的投影轉(zhuǎn)換模型Fig.4 Projection transform model for construction objects

按照施工空間定義層次關(guān)系，可將各施工空間對象投影獲得的施工工作面分別定義為靜態(tài)實物工作面SSM、靜態(tài)安全防護工作面SSP、動態(tài)實物工作面SDM、動態(tài)安全防護工作面SDP和約束工作面SC。同時，對應(yīng)施工作業(yè)模型概念，可以把施工作業(yè)對象所占用的投影工作面分別分解為人的工作面、機的工作面、料的工作面和約束工作面。

4 施工機械安全規(guī)劃評價體系

4.1 施工作業(yè)對象的安全判別標(biāo)準(zhǔn)

按照施工空間相互關(guān)系的分類以及施工作業(yè)對象的投影工作面定義關(guān)系，可以認為施工作業(yè)對象(人員與機械之間、機械與機械之間、機械與材料之間等)在考慮國家強制性文件規(guī)定的安全防護空間后，如果存在作業(yè)面投影上的相鄰關(guān)系，則認為該場地發(fā)生安全事故的概率很小，以致可以忽略不計。如果是兩個作業(yè)對象實物空間投影滿足相鄰關(guān)系，但安全防護空間投影存在搭接關(guān)系，則認為存在安全事故隱患;如果2個作業(yè)對象實物空間投影存在搭接關(guān)系，則認為該工作無法完成或存在高事故安全隱患。

按照上述定義，假定某施工作業(yè)面存在施工機械對象O1和O2，其實物空間和安全防護空間施工作業(yè)面上的投影為(x1，y1，r1，t))、(x2，y2，r2，t)和(x1，y1，r'1，t)、(x2，y2，r'2，t)，可得到施工場地內(nèi)施工機械安全判別標(biāo)準(zhǔn):

(1)施工作業(yè)活動安全性高，施工機械對象O1和O2滿足下式:

其中，

(2)施工作業(yè)活動存在不可忽略的安全事故隱患，施工機械對象O1和O2滿足下式:

(3)施工作業(yè)活動安全隱患高，施工機械對象O1和O2滿足下式

4.2 施工場地內(nèi)施工機械安全評價標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)施工場地內(nèi)施工約束工作面為SC，約束工作面內(nèi)實際可供利用工作面為SUC。

考察施工作業(yè)面上所有施工對象:

(1)如存在

則認為考察期T內(nèi)給所有施工設(shè)備分配安全工作面，就能完成該項工作，所有施工機械能通過合理安排做到施工設(shè)備兩兩相鄰。說明施工場地內(nèi)機械配置合理，施工場地布置基本總體是安全的，且在不影響安全前提下存在加快工程施工進度的可能。

(2)如存在

且

則認為考察期T內(nèi)通過安排施工機械交叉作業(yè)能夠完成當(dāng)前計劃任務(wù)。但由于施工機械施工過程中安全緩沖區(qū)存在交叉搭接情況，因此施工過程中存在一定安全隱患，其施工過程中應(yīng)充分重視對施工機械設(shè)備的聯(lián)合調(diào)度。

(3)如存在

且

則認為考察期T內(nèi)通過安排施工機械交叉作業(yè)情況頻繁，施工機械施工過程存在設(shè)備之間的交錯情況，因此施工過程中存在較大安全隱患。

(4)如存在

則認為當(dāng)前選用的施工機械設(shè)備不能滿足當(dāng)前施工強度要求，也不能保證工程施工安全。

4.3 施工機械布置安全評價指標(biāo)

為有利于對施工機械布置方案進行調(diào)整，找出耗用施工場地時空資源的主要因素，可定義施工場地內(nèi)施工機械的時空重要性識別指標(biāo)Wi如下:

或

當(dāng)機械布置不合理時，通過對比時空重要性識別指標(biāo)，可以找出影響施工安全的主要機械設(shè)備，然后結(jié)合施工進度安排，通過調(diào)整該設(shè)備的具體運用計劃，可以達到提高施工場地安全性的目的。

同時通過建立施工機械設(shè)備時空容積率指標(biāo)R，可以得出施工場地施工設(shè)備安全規(guī)劃評價指標(biāo)，施工機械設(shè)備時空容積率指標(biāo)由式(18)獲得:

顯然施工機械設(shè)備容積率指標(biāo)反映了施工作業(yè)面上，施工機械設(shè)備動態(tài)作業(yè)的密集程度。當(dāng)R＜1認為施工場地施工機械布置合理，施工作業(yè)是安全的;當(dāng)R≥1時，R越大反映施工機械布置的安全風(fēng)險越高。

5 結(jié)語

本文首先給出了水利水電工程施工機械設(shè)備安全規(guī)劃理論的基本概念，然后通過對相鄰施工對象的安全評價準(zhǔn)則、場地內(nèi)施工機械對象的安全評價標(biāo)準(zhǔn)及安全評價指標(biāo)進行探討和研究，建立了水利水電施工場地安全規(guī)劃及施工機械設(shè)備布置安全規(guī)劃分析評價的理論體系。本文研究成果對如何客觀認識和評價施工場地內(nèi)和施工過程中的機械設(shè)備給施工過程帶來的安全問題;在保證施工安全前提條件下，如何充分利用有限的施工作業(yè)時空資源，制定科學(xué)合理的施工設(shè)備布置方案，提出了一種基于時間、空間和運動分析的全新理論體系。該理論體系為施工場地安全規(guī)劃的研究提供了一種新途徑。

目前該理論對于水利水電工程應(yīng)用研究的實例尚少，下一步將重點結(jié)合水利水工工程主要施工工作面、主要施工作業(yè)程序開展評價指標(biāo)的統(tǒng)計分析工作，總結(jié)出具有指導(dǎo)性意義的水利水電工程施工機械安全規(guī)劃，并提供定量化的評價標(biāo)準(zhǔn)。

［1］魏 璇.水利水電工程施工組織設(shè)計指南［M］.北京:中國水利水電出版社，1999.(WEI Xuan.Organization Design Guide for the Construction of Hydraulic and Hydroelectric Engineering［M］.Beijing:China Water Power Press，1999.(in Chinese))

［2］司兆樂，魏 璇，夏仲平.水利水電樞紐施工技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社，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，楊 弢，吳 艷.空間分析理論在水利水電工程安全問題研究中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，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))