落墩中央分隔帶施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估研究

劉昶，劉輝，鄧小釗，劉耀坤

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.長沙拓正交通科技有限公司，湖南 長沙 410008；3.湖南理工學(xué)院，湖南 岳陽 414006)

中國高速公路主干網(wǎng)已貫通，現(xiàn)處于網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)時(shí)期，其建設(shè)過程中出現(xiàn)了各種復(fù)雜線路的交叉[1]。不少線路的交叉選擇將墩柱設(shè)置在現(xiàn)役高速公路的中央分隔帶上，這類跨線橋不僅存在一般橋梁的施工風(fēng)險(xiǎn)，而且對被交路段的交通產(chǎn)生較大影響。因此，如何系統(tǒng)地對此類橋施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，并提出風(fēng)險(xiǎn)控制措施，是橋梁建設(shè)安全管理的重點(diǎn)之一。目前，許多學(xué)者相繼對橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型展開了研究，提出了各類橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估方法。張美意[2?3]等人在識(shí)別橋梁施工階段主要風(fēng)險(xiǎn)因素的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了橋梁施工階段風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)的指標(biāo)體系,并建立了基于蒙特卡羅法的橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)模型?？悼齕4]等人構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)因素和風(fēng)險(xiǎn)事件的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)關(guān)系模型，引入連鎖故障的事故鏈理論，利用層次分析法(analytic hierarchy process,簡稱為AHP)對各事故鏈評分排序，識(shí)別誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn)事件的關(guān)鍵線路。陳常松[5]等人結(jié)合不確定層次法和模糊綜合評判法，提出了一種系統(tǒng)實(shí)用的橋梁工程風(fēng)險(xiǎn)評估方法。賴笑[6]等人運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度理論和LEC 法構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)的綜合性評價(jià)。由于這些方法大多是將其他領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法應(yīng)用于橋梁風(fēng)險(xiǎn)評估，在易用性和系統(tǒng)性方面存在缺陷，并且都只考慮了橋梁施工本身的風(fēng)險(xiǎn)，忽視了交通風(fēng)險(xiǎn)等因素。因此，作者擬采用作業(yè)分解結(jié)構(gòu)?風(fēng)險(xiǎn)分解結(jié)構(gòu)(work breakdown structure-risk based supervision，簡稱為WBS?RBS)方法對G72 分離橋進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別，采用改進(jìn)LEC(likelihood exposure criticality，簡稱為LEC)法對風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行衡量，并引入AHP 法對每一單位作業(yè)和分項(xiàng)工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算，得到總的風(fēng)險(xiǎn)度。針對交通方面的影響，提出了對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施，形成了一套施工完整的橋梁風(fēng)險(xiǎn)評估體系。

1 工程簡介

新建跨線橋上跨G72 泉南高速，橋長63 m，交角為96°，與泉南高速路面最小凈高6.9 m。橋梁上部構(gòu)造為2×30 m 預(yù)應(yīng)力砼小箱梁，下部為長8.1 m、厚70 cm、高5.5 m 的薄壁墩，墩柱兩側(cè)設(shè)置F型SS 級防撞護(hù)欄，墩柱基礎(chǔ)為長11.1 m、寬3.71 m、高1.5 m 的鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，埋深4.5 m。橋梁平面示意如圖1 所示。

1#墩設(shè)置在泉南高速中央分隔帶上，中央分隔帶寬1.8 m，防護(hù)形式為波形梁，兩側(cè)水溝為0.5 m，超車道為3.75 m，施工場地寬度共10.3 m，東西長度可根據(jù)施工要求拆除中央分隔帶，延長施工場地。采用圍擋進(jìn)行封閉，場內(nèi)預(yù)留堆土場，墩柱施工場地布置如圖2 所示。施工路段日均雙向車流量約1 萬臺(tái)，節(jié)假日、春運(yùn)流量倍增，其中，大車流量占1/3。

2 改進(jìn)的LEC 法

LEC 法作為一種半定量的評估方法，因其操作簡便，能對施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行量化，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)評估中。傳統(tǒng)LEC 法只研究了危險(xiǎn)源的固有屬性，沒有考慮作業(yè)環(huán)境和交通環(huán)境對施工帶來的風(fēng)險(xiǎn)。其次，其評分判據(jù)過于模糊，導(dǎo)致主觀性太強(qiáng)[7]。鑒于傳統(tǒng)LEC 法具有局限性，結(jié)合占道施工的特點(diǎn)對其進(jìn)行改進(jìn)，量化L、E、C的取值，考慮交通影響，建立LEC 改進(jìn)評估體系。

圖1 G72 分離橋平面示意Fig.1 Schematic diagram of the G72 separation bridge

圖2 墩柱施工場地布置Fig.2 Schematic diagram of the Construction site

2.1 事故發(fā)生的可能性

傳統(tǒng)LEC 法中事故發(fā)生的可能性(L)的取值標(biāo)準(zhǔn)單一，且主觀性太強(qiáng)。結(jié)合本工程及類似工程的實(shí)際情況，將專項(xiàng)施工方案、交通組織方案、日均車流量和工程地質(zhì)條件列入事故發(fā)生可能性評估體系中，取值見表1。改進(jìn)后L 值的計(jì)算公式為：

式中：λ 為L1～L4指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，分別為λ1=0.3、λ2=0.3、λ3=0.3、λ4=0.1。

表1 事故發(fā)生可能性等級劃分Table 1 Classification of accident probability

2.2 暴露于危險(xiǎn)環(huán)境的頻繁程度

作業(yè)人員暴露在危險(xiǎn)作業(yè)單元的頻率與作業(yè)時(shí)長有關(guān)，時(shí)間越長，頻率越高，則越容易受傷。參照文獻(xiàn)[8]，作業(yè)單元中以作業(yè)人員的作業(yè)時(shí)長為評估指標(biāo)，構(gòu)建暴露于危險(xiǎn)環(huán)境頻繁程度等級E 的劃分標(biāo)準(zhǔn)，E 值為10.0,6.0,3.0,2.0,1.0,0.5 m，其危險(xiǎn)環(huán)境的作業(yè)時(shí)長分別為≥10 h、8～10 h、6～8 h、4～6 h、2～4 h、＜2 h。

2.3 事故可能發(fā)生的后果

傳統(tǒng)LEC 法中事故可能發(fā)生后果C 的取值以人員傷亡作為唯一指標(biāo)，不能反映實(shí)際情況。為了盡量保證評價(jià)結(jié)果的可靠性，充分考慮動(dòng)態(tài)交通風(fēng)險(xiǎn)，在原有指標(biāo)的基礎(chǔ)上優(yōu)化了人員傷亡指標(biāo)的取值，并加入經(jīng)濟(jì)損失、工期延誤和交通延誤3 個(gè)指標(biāo)，見表2。改進(jìn)后事故可能發(fā)生的后果C 值的計(jì)算公式為：

式中：β 為C1～C4指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，分別為β1=0.4、β2=0.3、β3=0.2、β4=0.1。

表2 事故發(fā)生可能的后果等級Table 2 Possible consequence level of accident

2.4 危險(xiǎn)性等級

危險(xiǎn)性等級劃分由L、E、C 三者的乘積為每一個(gè)作業(yè)單元的危險(xiǎn)性分值D。當(dāng)D＜20 時(shí)，為Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)20≤D＜70 時(shí)，為Ⅱ級風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)70≤D＜160 時(shí)，為Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)160≤D＜270 時(shí)，為Ⅳ級風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)D≥270 時(shí)，為Ⅴ級風(fēng)險(xiǎn)。

3 風(fēng)險(xiǎn)評估體系

項(xiàng)目資料的調(diào)研、風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)衡量和風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算是土建工程施工安全評估工作的主要內(nèi)容[9]，也是橋梁風(fēng)險(xiǎn)評估體系的組成部分。其中，風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)采用職業(yè)健康、安全、環(huán)境(health security environment，簡稱為HSE)和WBS?RBS 結(jié)合的方法。風(fēng)險(xiǎn)衡量采用LEC 法和專家調(diào)查法綜合。風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算是在LEC 法計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用AHP法分配權(quán)重，再進(jìn)行計(jì)算。

3.1 基于WBS?RBS 的風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別

基于WBS?RBS 的風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別，不僅能全面統(tǒng)籌項(xiàng)目的整體風(fēng)險(xiǎn)，也能精確兼顧工程的局部風(fēng)險(xiǎn)[10]。其識(shí)別流程為：

1) 構(gòu)建WBS 分解。按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將G72 分離中橋劃分為橋臺(tái)施工(W1)、墩柱施工(W2)、上部結(jié)構(gòu)施工(W3)、橋面系及附屬結(jié)構(gòu)施工(W4)4 個(gè)分項(xiàng)工程。然后，按照施工順序?qū)⒎猪?xiàng)工程繼續(xù)分解，得到單位作業(yè)18 項(xiàng)，其中，W1分為基礎(chǔ)開挖(W11)、鋼筋運(yùn)輸與焊接(W12)、立模澆筑(W13)；W2分為交通設(shè)施布設(shè)(W21)、圍擋施工(W22)、基坑開挖(W23)、鋼筋運(yùn)輸與焊接(W24)、立模澆筑(W25)；W3 分為梁片預(yù)制(W31)、梁片運(yùn)輸(W32)、預(yù)制梁架設(shè)(W33)；W4分為支座安裝(W41)、防撞欄桿施工(W42)、橋面鋪裝(W43)、伸縮縫安裝(W44)、橋面排水(W45)、防拋網(wǎng)安裝(W46)、橋墩防撞墩施工(W47)。

隨著共同文化認(rèn)同出現(xiàn)的必然是民族身份意識(shí)的強(qiáng)化。當(dāng)美國人把自身所處的“新世界”與“舊世界”嚴(yán)格區(qū)分之時(shí)，就表明他們逐漸地明確了自身的利益和價(jià)值追求，也逐步形成了特殊的民族身份意識(shí)。隨著英國對北美殖民地的掠奪和壓迫日益加劇，“美國人”的民族身份意識(shí)進(jìn)一步萌發(fā)，自主自治意識(shí)顯著增強(qiáng)。他們先是按照其自由主義觀念要求實(shí)現(xiàn)英帝國范圍內(nèi)的“自治”，由于希望落空，轉(zhuǎn)而要求實(shí)現(xiàn)完全的獨(dú)立。

2) 構(gòu)建RBS 分解。從HSE 的3 個(gè)方面出發(fā)，結(jié)合相關(guān)行業(yè)規(guī)范，采用專家調(diào)查方式，得到了該橋梁工程RBS 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別體系，分別為職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)(R1)、安全管理風(fēng)險(xiǎn)(R2)和施工環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)(R3)，其中，R1包括施工噪音(R11)、粉塵(R12)、化學(xué)毒物(R13)、焊接操作(R14)、惡劣天氣(R15)；R2包括施工路段車速過快(R21)、施工圍擋不牢固(R22)、運(yùn)輸車輛出入(R23)、用電不當(dāng)(R24)、高空作業(yè)防護(hù)不當(dāng)(R25)、高處掉落施工材料(R26)、設(shè)備欠修或老化(R27)、易燃易爆物存放不當(dāng)(R28)、機(jī)械故障或使用不當(dāng)(R29)；R3包括施工垃圾、污水及廢棄物(R31)、施工機(jī)具油污泄漏(R32)、尾氣、化合物揮發(fā)(R33)。

3) 構(gòu)建RBM 耦合矩陣。以工作分解為行，風(fēng)險(xiǎn)分解為列，構(gòu)成作業(yè)單元和風(fēng)險(xiǎn)的映射關(guān)系，耦合形成RBM 耦合矩陣，總共確定了192 處風(fēng)險(xiǎn)源。以墩柱施工的RBM 耦合矩陣為例，共存在50 處風(fēng)險(xiǎn)源，見表3，其中“0”表示耦合不產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。由于WBS 和RBS 分解均具有層次關(guān)系。因此，既能從宏觀層面把握工程的總體風(fēng)險(xiǎn)，也能從微觀角度分析每處風(fēng)險(xiǎn)的來源及其嚴(yán)重程度，使得后續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)管控更加系統(tǒng)和精確。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)衡量

采用改進(jìn)的LEC 法，邀請了5 位專家以問卷調(diào)查的形式對RBM 耦合矩陣中的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行評分，以他們的評分結(jié)果的算數(shù)平均值作為風(fēng)險(xiǎn)源評估結(jié)果。以墩柱施工為例，Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)源有10 處，Ⅱ級風(fēng)險(xiǎn)源17 處，Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)源17 處，Ⅳ級風(fēng)險(xiǎn)源5處，Ⅴ級風(fēng)險(xiǎn)源1 處，其不同作業(yè)單元的危險(xiǎn)性分值見表3。

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

3.3 風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算

WBS?RBS 法的分解結(jié)構(gòu)符合AHP 法的權(quán)重計(jì)算原理。具體步驟：

1) 計(jì)算該橋WBS 中4 個(gè)分項(xiàng)工程的權(quán)重ωi。將4 個(gè)分項(xiàng)工程W1、W2、W3、W4組成4 階判斷矩陣，并采用Saaty 九標(biāo)度法進(jìn)行重要性賦值，得到的判斷矩陣A 為：

按式(4)計(jì)算矩陣最大特征值所對應(yīng)的正規(guī)化特征向量(各被比較元素的權(quán)重)，得到ω1=0.118,ω2=0.305,ω3=0.527,ω4=0.051。

3) 采用同樣的方法分別計(jì)算出同一分項(xiàng)工程中各個(gè)單位作業(yè)的權(quán)重ωij和同一單位作業(yè)中各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的權(quán)重ωijk；

4) 按照式(7)～(9)計(jì)算出任意單位作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)度Dij、分項(xiàng)工程風(fēng)險(xiǎn)度Di和橋梁總風(fēng)險(xiǎn)度D。

式中：i 為分項(xiàng)工程序號；j 為單位作業(yè)序號；k 為風(fēng)險(xiǎn)源序號。

按照該方法，識(shí)別出Ⅲ級以上風(fēng)險(xiǎn)的單位作業(yè)7 處，其中，W25為Ⅳ級風(fēng)險(xiǎn)，W33為Ⅴ級風(fēng)險(xiǎn)。4個(gè)分項(xiàng)工程中，W3為Ⅳ級風(fēng)險(xiǎn)，W2為Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)，W1和W4為Ⅱ級風(fēng)險(xiǎn)，其對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)度分別為D3=223.4,D2=146.2,D1=61.4,D4=43.6，則橋梁總風(fēng)險(xiǎn)度D=171.8，屬于Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)。

4 風(fēng)險(xiǎn)管控措施

針對該橋施工期間對交通的影響，提出從交通組織與安全防護(hù)兩方面的施工風(fēng)險(xiǎn)管控措施[10]，給類似的工程提供借鑒。

4.1 防護(hù)棚架搭設(shè)

防護(hù)棚長36 m、右側(cè)寬12 m、左側(cè)寬9.7 m，高5.5 m。基礎(chǔ)采用C20 砼條形基礎(chǔ)，立柱采用φ400×10 的鋼管，布置在高速路兩側(cè)和中間隔離帶處，間距6 m。在四立柱頂面沿高速方向設(shè)置I40b鋼梁作為橫向主梁。在主梁頂面沿橋梁方向，按間距2.0 m 設(shè)置工I40b鋼梁作為縱向次梁。在次梁頂面沿高速方向，按間距 0.6 m，設(shè)12a 槽鋼+2 mm鋼板+彩鋼瓦，形成封閉緩沖層和隔水層。

4.2 交通組織方案

跨線施工期間，將對該路段的車輛通行帶來不可避免的影響，結(jié)合施工實(shí)際，交通組織擬分4 個(gè)階段進(jìn)行：①施工時(shí)，封閉泉南高速雙向超車道，利用水馬、交通錐壓縮部分車道。施工車輛的進(jìn)出順著高速公路方向，封閉區(qū)域布置材料堆放場地、設(shè)備停放區(qū)，采用架管圍擋進(jìn)行隔離。②基礎(chǔ)立柱施工時(shí)，根據(jù)施工需求靈活封閉部分車道，防護(hù)棚架橫縱梁及頂面鋪裝分幅施工。期間，需管制交通，每次管制時(shí)間約 3～5 min。開放交通后，車輛通過超車道通行。③施工時(shí)，需在施工路段近端管制交通。當(dāng)預(yù)制箱梁吊裝進(jìn)入高速范圍時(shí)，通知交通警察開始管制交通，管制時(shí)間約 10～15 min。開放交通后，車輛在已搭設(shè)好的安全通道內(nèi)通行。④此階段交通組織參照第二階段交通組織。

5 結(jié)論

1) 在傳統(tǒng)LEC 法基礎(chǔ)上，考慮交通因素的影響，同時(shí)，對這3 個(gè)指標(biāo)的取值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化和補(bǔ)充，獲得更加準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)果。

2) 對G72 分離橋施工階段進(jìn)行WBS 分解，得到4 大分項(xiàng)工程，并繼續(xù)細(xì)化到18 個(gè)單位作業(yè)。采用HSE 風(fēng)險(xiǎn)管理模式，對本橋進(jìn)行RBS 分解，確定了17 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)?；赪BS-RBS 耦合矩陣，確定了192 處風(fēng)險(xiǎn)源，并采用改進(jìn)的LEC 法確定了各風(fēng)險(xiǎn)源的危險(xiǎn)性分值。

3) WBS?RBS 耦合矩陣基礎(chǔ)上，采用AHP 法，確定Ⅲ級以上風(fēng)險(xiǎn)的單位作業(yè)7 處，總風(fēng)險(xiǎn)度為171.8，屬于Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)。

4) 跨線施工期間結(jié)合實(shí)際，交通組織擬分橋墩施工、防護(hù)棚架安裝、橋梁小箱梁吊裝施工、防護(hù)棚架拆除4 個(gè)階段進(jìn)行，可供類似工程提供借鑒。