基于集對理論的混凝土泵送施工堵管風(fēng)險評價

魯惠敏， 杜 婷， 王本武

(華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院， 武漢 430074)

混凝土泵送施工技術(shù)真正起源于20 世紀(jì) 30 年代[1]，商品混凝土經(jīng)罐車運輸至泵送施工現(xiàn)場，通過泵送將混凝土沿泵送管道輸送到指定澆筑高度和澆筑地點，泵送技術(shù)大幅提高了混凝土澆筑速度和施工效率[2]。目前中國混凝土泵送技術(shù)被廣泛應(yīng)用，但泵送施工堵管時有發(fā)生，堵管會不同程度地影響施工進(jìn)度，嚴(yán)重時甚至引發(fā)爆管事故。近年來有學(xué)者通過泵送模擬和施工現(xiàn)場試驗對混凝土的可泵性評價[3-5]、堵管影響因素[6-10]等進(jìn)行了研究。而混凝土高處泵送涉及原材料、泵送管道、泵送高度等眾多因素，即引起堵管的原因是多方面的[11]。因此，為了預(yù)防堵管風(fēng)險的發(fā)生，基于事故因果連鎖理論、人-機-料-法-環(huán)理論和集對理論[12]，全面分析堵管致因，對混凝土泵送施工堵管風(fēng)險評價指標(biāo)和評價進(jìn)行研究[13]。

1 泵送堵管風(fēng)險評價指標(biāo)及權(quán)重

1.1 混凝土泵送堵管風(fēng)險評價指標(biāo)體系

根據(jù)事故因果連鎖理論，在混凝土泵送施工過程中，引發(fā)堵管風(fēng)險的原因主要為兩個方面：一方面混凝土泵送施工過程中存在“人的缺點”，即管理層的管理缺失和操作人員的操作失誤等導(dǎo)致“人的不安全行為”；另一方面存在“物的不安全狀態(tài)”，主要包括泵送機械設(shè)備、泵送管道等發(fā)生故障；而基于人-機-料-法-環(huán)-理論，對混凝土泵送施工而言，堵管風(fēng)險因素主要為：泵送操作人員因素，泵送機械設(shè)備因素，環(huán)境因素和施工管理因素。因此，基于事故因果連鎖理論、人-機-料-法-環(huán)-理論將混凝土泵送施工堵管的風(fēng)險影響因素進(jìn)行歸納和總結(jié)，構(gòu)建如表1所示的混凝土泵送施工堵管風(fēng)險評價指標(biāo)，其指標(biāo)主要由操作人員、混凝土材料、機械設(shè)備及實施方案、泵送管道、施工管理和環(huán)境六大風(fēng)險因素組成。

1.2 泵送堵管風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重

研究采用層次分析法[14]確定混凝土泵送堵管風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重，邀請43位專家對評價指標(biāo)的重要性進(jìn)行打分，專家來自于攪拌站、施工單位工作人員以及相關(guān)研究學(xué)者，其中攪拌站總工、攪拌站技術(shù)人員共14位，施工單位技術(shù)人員18位，相關(guān)行業(yè)的研究學(xué)者11位。應(yīng)用1～7標(biāo)度法對表1中同一準(zhǔn)則下指標(biāo)的相對重要性進(jìn)行賦值，這些賦值即為判斷矩陣的元素，用MATLAB軟件中編碼程序?qū)＜遗袛嗑仃囘M(jìn)行一致性檢驗和權(quán)重確定，只有一致性檢驗通過的判斷矩陣才用來確定各指標(biāo)權(quán)重，運算結(jié)果表明專家打分具有較高的一致性。根據(jù)專家打分和MATLAB軟件中編碼程序運算得到的權(quán)重取平均值后得到的各指標(biāo)權(quán)重如表1所示。

混凝土泵送施工堵管風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重向量如下所示。

施工堵管風(fēng)險評價指標(biāo)一級指標(biāo)權(quán)重為：W=(0.095 7,0.276 5,0.142 2,0.294 6,0.104 1,0.086 9)。

操作人員因素C1中各二級指標(biāo)權(quán)重：W1=(0.079 5,0.206 7,0.370 6,0.190 8,0.152 4)。

混凝土材料因素C2中各二級指標(biāo)權(quán)重：W2=(0.297 6,0.130 7,0.212 6,0.138 5,0.099 8,0.120 8)。

機械設(shè)備及實施方案因素C3中各二級指標(biāo)權(quán)重W3=(0.384 8,0.186 7,0.164 2,0.264 3)。

泵送管道因素C4中各二級指標(biāo)權(quán)重：W4=(0.336 5,0.315 9,0.180 5,0.167 1)。

施工管理因素C5中各二級指標(biāo)權(quán)重：W5=(0.262 1,0.318 5,0.419 4)。

環(huán)境因素C6中各二級指標(biāo)權(quán)重：W6=(0.519 0,0.299 9,0.181 1)。

表1 混凝土泵送施工堵管風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重表Table 1 Weight table of risk assessment index of blockage in concrete pumping construction

2 結(jié)合集對分析的模糊綜合評價模型

2.1 確定風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)集

采用風(fēng)險矩陣法[15]作為泵送堵管的風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)。在堵管風(fēng)險矩陣中有兩個重要的概念，堵管風(fēng)險發(fā)生的概率和堵管風(fēng)險影響程度。其定義為。

堵管風(fēng)險發(fā)生概率：混凝土泵送施工堵管風(fēng)險事件發(fā)生的可能性大小。

堵管風(fēng)險影響程度：混凝土泵送施工堵管風(fēng)險事件的發(fā)生對于堵管風(fēng)險的影響程度。堵管風(fēng)險影響程度是個抽象概念，難以量化，一般采用半量化方式來處理風(fēng)險影響程度值。

根據(jù)混凝土泵送堵管風(fēng)險事件發(fā)生概率、泵送堵管風(fēng)險事件的發(fā)生對于泵送堵管風(fēng)險影響程度這兩個變量，將堵管風(fēng)險量定義為

R=f(L,S)=LS

(1)

式(1)中：R為混凝土泵送施工堵管風(fēng)險量的大??；L為混凝土泵送施工堵管風(fēng)險事件發(fā)生的可能性大??；S為混凝土泵送施工堵管風(fēng)險事件的發(fā)生對于堵管風(fēng)險的影響程度。

混凝土泵送施工堵管風(fēng)險發(fā)生的可能性和影響后果如表2所示，堵管風(fēng)險的等級劃分及接受準(zhǔn)則、處理措施等如表3所示。

表2 混凝土泵送施工堵管風(fēng)險發(fā)生的可能性和影響后果Table 2 Possibility and influence consequence of blockagerisk happened in concrete pumping construction

2.2 確定隸屬度函數(shù)

(1)混凝土泵送施工堵管風(fēng)險評級等級為V={極低，低，中等，高，極高}。針對混凝土泵送施工堵管風(fēng)險，根據(jù)表3混凝土泵送施工堵管風(fēng)險等級評定標(biāo)準(zhǔn)表中的標(biāo)準(zhǔn)采用專家賦分法，設(shè)混凝土泵送施工堵管風(fēng)險指標(biāo)評分值為xij，此處研究的是指標(biāo)越小越優(yōu)型，利用距離來分別構(gòu)造對應(yīng)的5個堵管風(fēng)險等級的隸屬度函數(shù)i1(x)、i2(x)、i3(x)、i4(x)、i5(x)。具體隸屬度函數(shù)表達(dá)式如下：

表3 混凝土泵送施工堵管風(fēng)險等級、接受準(zhǔn)則和處理措施Table 3 Risk level, acceptance criteria and treatmentmeasures for blockage in concrete pumping construction

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

由表2、表3可知，xij∈[1,25]，S1=5，S2=10，S3=15，S4=20，S5=25)。

(2)構(gòu)造隸屬度矩陣。根據(jù)隸屬度函數(shù)構(gòu)造隸屬度矩陣：操作人員因素C1中二級指標(biāo)的風(fēng)險等級隸屬度矩陣A1，混凝土材料因素C2中二級指標(biāo)的風(fēng)險等級隸屬度矩陣A2，機械設(shè)備及實施方案因素C3中二級指標(biāo)的風(fēng)險等級隸屬度矩陣A3，泵送管道因素C4中二級指標(biāo)的風(fēng)險等級隸屬度矩陣A4，施工管理因素C5中二級指標(biāo)的風(fēng)險等級隸屬度矩陣A5，環(huán)境因素C6中二級指標(biāo)的風(fēng)險等級隸屬度矩陣A6，具體如下所示。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

2.3 結(jié)合集對分析的模糊關(guān)系合成

集對分析是中國學(xué)者趙克勤1989年提出的主要針對不同領(lǐng)域存在的不確定性問題進(jìn)行分析的一種理論[12]。而混凝土泵送施工堵管的影響因素和堵管結(jié)果均存在一定的不確定性，因此可以將混凝土泵送施工堵管風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)集與堵管風(fēng)險評價指標(biāo)集作為集對進(jìn)行分析，然后根據(jù)集對分析中的同異反模型，設(shè)N是集合的屬性總數(shù)，兩個集合之間的相同屬性的數(shù)量用S表示，差異屬性的數(shù)量用F表示，對立屬性的數(shù)量用P表示，N=S+F+P，現(xiàn)將混凝土泵送堵管風(fēng)險評價等級分為五級，則集對分析的五元聯(lián)系度表達(dá)式為

U=a+b1i+b2i+b3i+cj

(13)

式(13)中:a為同一度系數(shù);b1、b2、b3為差異度系數(shù)，c為對立度系數(shù)，則結(jié)合集對分析五元聯(lián)系數(shù)的模糊關(guān)系合成具體分析過程如下。

將集對分析的聯(lián)系度表達(dá)式U=a+b1i+b2i+b3i+cj拆分成兩部分，即模糊關(guān)系合成M和系數(shù)分量E，其中模糊關(guān)系合成M即權(quán)向量W和隸屬度矩陣A的模糊合成，以此簡化、優(yōu)化模糊綜合評價過程。具體綜合評價的計算過程分成以下幾個步驟。

(1)同一度表示堵管風(fēng)險極低，差異度表示堵管風(fēng)險為低、中、高，對立度表示堵管風(fēng)險極高，混凝土泵送堵管風(fēng)險模糊綜合評價中模糊關(guān)系M為泵送堵管指標(biāo)權(quán)重向量W和各堵管風(fēng)險等級隸屬度矩陣A的科學(xué)合成[選擇合適的合成算子，目前較為通用的為M(·,⊕)]。

M=W×A

(14)

(2)將集對分析的聯(lián)系度理論與混凝土泵送施工堵管風(fēng)險模糊綜合評價中的隸屬度矩陣相結(jié)合，聯(lián)系數(shù)的元數(shù)與混凝土泵送堵管風(fēng)險模糊綜合評價等級相同，本文評價等級為5個，則構(gòu)造五元聯(lián)系數(shù)：U=a+b1i+b2i+b3i+cj，因此系數(shù)分量E的元素為[-1,1]的5個均分?jǐn)?shù)，i1=0.5、i2=0、i3=-0.5，系數(shù)分量E為

(15)

(3)泵送堵管評價等級為五個，則五元聯(lián)系數(shù)的表達(dá)式可以記作模糊關(guān)系合成M和系數(shù)分量E的乘積，即

U=a+b1i+b2i+b3i+cj=ME=

(16)

由集對分析理論可知，U為五元綜合聯(lián)系數(shù)，a、c為確定性分量，b1、b2、b3為不確定分量。a為同一度分量，代表混凝土泵送施工堵管風(fēng)險極低；b1為差異度偏同分量，代表混凝土泵送施工堵管風(fēng)險低；b2為差異度居中分量，代表混凝土泵送施工堵管風(fēng)險為中等；b3為差異度偏異分量，代表混凝土泵送施工堵管風(fēng)險高；c為對立度分量，代表混凝土泵送施工堵管風(fēng)險極高。

(4)根據(jù)混凝土泵送施工堵管風(fēng)險的五個等級將五元聯(lián)系數(shù)U的取值范圍五等分，集對分析理論中提到聯(lián)系數(shù)U的取值范圍為[-1,1]，五等分后為[-1,-0.6)、 [-0.6,-0.2)、[-0.2,0.2)、[0.2,0.6)、[0.6,1]，相應(yīng)的堵管風(fēng)險等級為極高、高、中、低、極低，具體如表4所示。

表4 基于集對分析的泵送施工堵管風(fēng)險評價最終等級標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Final grade criteria for risk assessment of pipe blockage in pumping construction based on set pair analysis

3 案例分析

3.1 項目概況

某住宅小區(qū)項目位于武漢市光谷廣場附近，其中的10、11、13號樓均為地上58層，高169.60 m的剪力墻結(jié)構(gòu)超高層建筑。以其中10棟樓為泵送施工研究對象，泵送混凝土的主要強度等級為C40、C50和C60。

3.2 工程施工條件及周圍環(huán)境

3.2.1 氣候條件

武漢市屬于亞熱帶季風(fēng)性(濕潤)氣候，一般每年6月份會進(jìn)入梅雨季節(jié)，常年雨量充沛。歷史可查的最高溫為41.3 ℃，近年來夏季高溫可達(dá)到40 ℃，冬季低溫最低在零下10 ℃左右。該項目冬季施工期間最低氣溫為零下3 ℃，最高氣溫12 ℃，平均氣溫在3 ℃左右；夏季施工期間最高氣溫37 ℃，而最低溫度為21 ℃，平均氣溫在32 ℃左右，夏季高溫、冬季低溫等對于混凝土泵送施工堵管風(fēng)險影響較大，使得泵送堵管風(fēng)險管理工作存在較大難度。

3.2.2 場地及周邊交通運輸條件

該項目地處關(guān)山大道與珞喻路交匯處，北起珞喻路、南接武漢中環(huán)線(三環(huán)線)，其中關(guān)山大道寬70 m、長5 km，珞喻路長6.9 km，寬60 m，兩條主干道皆為雙向八車道。該項目門前干道與隧道相連，環(huán)線和高架相通，且地鐵延長線、有軌電車等均可到達(dá)項目所在地；目前已有近二十多條公交線路運營中；項目周邊的商業(yè)配套、醫(yī)療配套一應(yīng)俱全，往西500 m左右有醫(yī)院、1 000 m有商場，往南600 m有學(xué)校，步行街，1 000 m左右有酒店，處于繁華區(qū)位，交通人流車流量極大，而混凝土罐車運行主要經(jīng)過主干道，交通車流量極多，運輸距離、路況及罐車的運輸時間等都會影響到罐車?yán)锩婊炷敛牧系南嚓P(guān)性質(zhì)，容易造成坍落度經(jīng)時損失或混凝土分層離析堵管。

3.3 混凝土泵送施工堵管風(fēng)險評價

(1)采用專家打分法對該項目泵送堵管的風(fēng)險評價指標(biāo)進(jìn)行評分，共得到10位相關(guān)專家的混凝土泵送施工堵管風(fēng)險等級的賦值，根據(jù)上文建立的混凝土泵送施工堵管風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)，取10位專家的打分均值為綜合評分，具體如表5所示。

再根據(jù)式(7)～式(12)等對專家綜合評分得出的指標(biāo)隸屬矩陣如下所示：

表5 施工現(xiàn)場堵管風(fēng)險評價專家賦分表Table 5 Expert score table for risk assessment of blockage in concrete pumping construction site

(2)結(jié)合集對分析的模糊關(guān)系合成。前文層次分析法確定了混凝土泵送施工堵管風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重，然后通過合成算子M(·,⊕)將指標(biāo)權(quán)重與不同風(fēng)險等級的隸屬度矩陣合成，具體結(jié)果如下所示。

M1=W1×A1=(0.239 9,0.760 1,0,0,0)；

M2=W2×A2=(0.024 3,0.365 0,0.559 6,

0.051 1,0)；

M3=W3×A3=(0.186 7,0.671 6,0.141 7,0,0)；

M4=W4×A4=(0,0.408 3,0.468 2,0.123 5,0)；

M5=W5×A5=(0,0.506 1,0.493 9,0,0)；

M6=W6×A6=(0.005 5,0.644 2,0.350 3,0,0)；

0.050 5,0)。

從合成算子M中可以看出，整體來看，混凝土材料因素和泵送管道因素誘發(fā)堵管的風(fēng)險較其他因素大，其具體的表達(dá)式可以記作系數(shù)分量E和5個評價等級的隸屬度矩陣M的乘積，再結(jié)合表4進(jìn)行風(fēng)險等級確定，具體分析如下。

U1=M1E=0.628 3表明由施工人員相關(guān)評價指標(biāo)引發(fā)堵管的風(fēng)險極低，堵管風(fēng)險等級為Ⅰ級，風(fēng)險可忽略，則混凝土可以正常泵送，但需要定期進(jìn)行泵送現(xiàn)場安全檢查和泵送狀態(tài)相關(guān)風(fēng)險評價指標(biāo)的檢查。

U2=M2E=0.181 1和U4=M4E=0.142 5分別表明由混凝土材料和泵送管道相關(guān)評價指標(biāo)引發(fā)堵管的風(fēng)險為中等，堵管風(fēng)險等級為Ⅲ級，風(fēng)險為不期望，泵送前要進(jìn)行泵送現(xiàn)場管理和泵送狀態(tài)相關(guān)風(fēng)險因素巡查，泵送過程中對主要風(fēng)險源和風(fēng)險因素進(jìn)行重點監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)堵管隱患馬上暫停泵送，直至排除隱患。

U3=M3E=0.522 5，U5=M5E=0.253 1和U6=M6E=0.327 7分別表明機械設(shè)備及施工方案、施工管理和環(huán)境因素引發(fā)堵管風(fēng)險低，堵管風(fēng)險等級為Ⅱ級，可接受，混凝土正常泵送，但要注重泵送前和泵送過程中堵管風(fēng)險評價指標(biāo)的巡查。

該工程實例的U=ME=0.280 55表明該項目混凝土泵送施工堵管風(fēng)險低，堵管風(fēng)險等級為Ⅱ級，堵管風(fēng)險可接受，混凝土正常泵送，但要注重泵送前和泵送過程中堵管風(fēng)險評價指標(biāo)的巡查。需要重點監(jiān)控混凝土材料因素和泵送管道因素。冬夏季還應(yīng)監(jiān)控環(huán)境溫度的變化，冬季泵送施工現(xiàn)場的混凝土坍落度較大，夏季因溫度較高或長途運輸?shù)仁沟锰涠冉?jīng)時損失較為明顯；此外，泵送施工現(xiàn)場的管道布置設(shè)計也應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際施工條件因地制宜，合理布置管道支撐點，防止混凝土泵送過程中管道劇烈振動導(dǎo)致管道密封松動泄漏堵管等。

3.4 泵送堵管風(fēng)險防范措施

在混凝土泵送過程中，要注重現(xiàn)場安全巡查，查找堵管風(fēng)險隱患，并針對引發(fā)堵管的風(fēng)險因素制定相應(yīng)的應(yīng)對措施。

3.4.1 操作人員風(fēng)險因素控制措施

泵送施工是一個專業(yè)技術(shù)要求很高的施工工種之一，泵送施工操作人員只有在專業(yè)技能掌握熟練的情況下方能根據(jù)實際施工情況合理選擇泵送速度和泵壓，控制好停機時間。因此施工單位應(yīng)對泵送操作人員上崗前進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，包括操作專業(yè)技能、泵速和泵壓的選擇、停機時間的控制，泵送施工操作人員必須通過技術(shù)培訓(xùn)持證上崗。

3.4.2 混凝土材料

混凝土材料因素是影響混凝土泵送施工的最主要的因素。實驗測得該項目冬季施工現(xiàn)場坍落度達(dá)到了250 mm左右，屬于大流性混凝土，坍落度過大會造成混凝土拌合物離析從而引發(fā)堵管；而攪拌站出站坍落度為(180±30) mm，坍落度變化較大。為了保證混凝土的可泵性，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土配合比以及外加劑(減水劑、抗凍劑)等的摻量，合理規(guī)劃運輸時間距離和路線。

3.4.3 機械設(shè)備及實施方案

混凝土罐車、混凝土輸送泵、輸送管及配件(包括異型管：錐管、彎管，換向閥、逆止閥)等，按要求進(jìn)行機械設(shè)備的選配，且要定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。混凝土泵送實施方案需按照要求編制，且操作人員按施工方案進(jìn)行泵送施工。

3.4.4 泵送管道

泵送管道對堵管影響較大，其中泵管的布設(shè)、安裝固定、清洗、潤滑須嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和實施方案實施，且施工人員需時常注意泵管的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)堵管則馬上逐段查找確定堵管區(qū)段，對堵管段立即拆卸，清洗干凈后重新安裝固定。

3.4.5 施工管理

施工現(xiàn)場調(diào)度指揮人員，應(yīng)及時與混凝土攪拌站和現(xiàn)場施工技術(shù)和管理人員進(jìn)行溝通、協(xié)調(diào)，防止出現(xiàn)混凝土斷供、泵送中斷的現(xiàn)象。此外，在泵送施工過程以及泵送停止時，定期檢査相應(yīng)水平彎管和豎直彎管的工作狀態(tài)，通過檢查結(jié)果確定是否更換管道還是繼續(xù)施工；泵送施工管理人員對現(xiàn)場泵送操作人員加強管理，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行泵送施工；組織泵送施工人員群策群力，結(jié)合泵送施工方案，制定行之有效的泵送堵管風(fēng)險預(yù)防及處理對策。

3.4.6 環(huán)境

項目所在地夏季高溫時為避免堵管可采取以下措施：物理降溫-泵送前用冷水清洗管道，選取陰涼處布設(shè)管道，嚴(yán)格控制澆筑間歇時間，盡可能選擇夜間澆筑混凝土；低溫天氣為避免堵管可采取的措施有：物理保溫-罐車上安裝防凍套、雨雪天氣管道用干草布條等圍蓋。由于項目地處繁華街道，可根據(jù)當(dāng)天實際情況(路況、天氣狀況等)選擇車流較小的路線運送商品混凝土。

4 結(jié)論

(1)基于事故因果連鎖理論、人-機-環(huán)-管理理論對混凝土泵送施工的影響因素進(jìn)行總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，建立了混凝土泵送施工堵管風(fēng)險評價指標(biāo)。

(2)運用層次分析法確定了混凝土泵送堵管的風(fēng)險評價指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合集對分析和模糊綜合評價法建立了混凝土泵送堵管的風(fēng)險評價模型。

(3)結(jié)合某高層建筑混凝土泵送施工實例，根據(jù)堵管風(fēng)險評價模型，對高層泵送施工現(xiàn)場的泵送堵管風(fēng)險狀況進(jìn)行定量分析，確定堵管風(fēng)險等級，并針對性給出風(fēng)險防范措施。