水運(yùn)工程預(yù)制樁施工安全關(guān)鍵指標(biāo)研究

黃周泉，吳鋒，邱松

（中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在水運(yùn)工程預(yù)制樁施工中發(fā)生的各類安全事故屢見不鮮，如：2009 年某配套碼頭工程施工中發(fā)生溜樁事故；2017 年某燃煤電廠碼頭工程，在預(yù)制樁沉樁過(guò)程中發(fā)生多次斷樁事故；2015 年某深水港碼頭工程由于樁基施工完成后未及時(shí)夾樁，導(dǎo)致鋼管樁折斷；2018 年某船閘工程施工中，發(fā)生工人掉落預(yù)制樁孔中的事故。各個(gè)事故均導(dǎo)致不同程度的直接經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡。

為更加有計(jì)劃、有組織地實(shí)現(xiàn)水運(yùn)工程施工安全生產(chǎn)，有必要以預(yù)制樁施工為對(duì)象，結(jié)合預(yù)制樁施工在碼頭工程、船塢工程和船閘工程等各類水運(yùn)工程的特點(diǎn)，考慮人、施工機(jī)械、環(huán)境和管理等對(duì)預(yù)制樁施工安全影響，提出多尺度的施工安全技術(shù)指標(biāo)。而由于水運(yùn)工程預(yù)制樁施工中所涉及的安全指標(biāo)眾多，因此建立完善的預(yù)制樁施工安全指標(biāo)體系，有助于施工人員全面地制定預(yù)防措施，從而有效地預(yù)防安全事故的發(fā)生。水運(yùn)工程中各種資源是有限的，通過(guò)施工安全關(guān)鍵指標(biāo)的研究，有助于施工人員在有限的資源下，對(duì)預(yù)制樁施工安全達(dá)到最優(yōu)化的控制。

1 預(yù)制樁施工安全指標(biāo)體系研究

1.1 預(yù)制樁施工安全指標(biāo)研究

預(yù)制樁施工涉及到制作、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、起吊、沉樁及后續(xù)處理等環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)之間存在相互關(guān)聯(lián)，且各個(gè)環(huán)節(jié)的施工安全又受到多種因素的影響。使得施工安全指標(biāo)的篩選非常復(fù)雜，給指標(biāo)的確定帶來(lái)一定的困難。根據(jù)初步研究，預(yù)制樁施工安全指標(biāo)可基于現(xiàn)有研究成果如現(xiàn)行規(guī)范制度和學(xué)術(shù)論文等[1-4]，結(jié)合水運(yùn)工程預(yù)制樁施工安全事故中直接導(dǎo)致人員傷亡或?qū)е轮卮笾苯咏?jīng)濟(jì)損失的致險(xiǎn)因素，采用專家調(diào)查，并依據(jù)水運(yùn)工程行業(yè)內(nèi)專家的經(jīng)驗(yàn)和判斷來(lái)確定。

首先針對(duì)預(yù)制樁工程中主要的安全技術(shù)指標(biāo)開展調(diào)研，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范對(duì)預(yù)制樁基工程施工中作業(yè)人員、沉樁設(shè)備等需要滿足的安全要求做出的各項(xiàng)規(guī)定，結(jié)合水運(yùn)工程預(yù)制樁施工安全事故的致險(xiǎn)因素分析，初步確定了預(yù)制樁施工安全指標(biāo)。然后將統(tǒng)計(jì)和分析得到的預(yù)制樁施工安全指標(biāo)發(fā)送給行業(yè)內(nèi)多位專家，根據(jù)專家調(diào)查反饋的意見和建議對(duì)安全指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，最終得到預(yù)制樁施工安全指標(biāo)共計(jì)41 個(gè)。

1.2 預(yù)制樁施工安全指標(biāo)體系構(gòu)建

各個(gè)施工安全指標(biāo)對(duì)預(yù)制樁施工過(guò)程中某一方面提出了具體的要求，不同指標(biāo)之間有一定的聯(lián)系又相互獨(dú)立，因此直接將數(shù)量繁多的施工安全指標(biāo)直接運(yùn)用到實(shí)際施工中，難度很大。預(yù)制樁工程施工安全作為一個(gè)由多指標(biāo)組成的系統(tǒng)，只有構(gòu)建一個(gè)全面而邏輯合理的安全指標(biāo)體系，才能為水運(yùn)工程預(yù)制樁施工提供一個(gè)可靠、便捷的判別標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)預(yù)制樁施工的安全性，引導(dǎo)水運(yùn)工程預(yù)制樁基工程的實(shí)施。所以，預(yù)制樁施工安全指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)當(dāng)以保證預(yù)制樁施工安全為目標(biāo)，緊密結(jié)合系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，將各個(gè)指標(biāo)統(tǒng)籌分類，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)體系的層次化和條理化。根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[5]，將生產(chǎn)過(guò)程中的危險(xiǎn)、有害因素分為4 大類、4 個(gè)層次，4 大類分別是人、物、環(huán)境、管理等因素；4 個(gè)層次分為大、中、小、細(xì)4 層次。參考以上危險(xiǎn)、有害因素的定義，結(jié)合水運(yùn)工程預(yù)制樁現(xiàn)場(chǎng)施工的特點(diǎn)，將水運(yùn)工程施工安全技術(shù)指標(biāo)劃分為4 個(gè)類別，2 個(gè)層級(jí)，其中4 個(gè)類別為人的指標(biāo)、物的指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)和管理指標(biāo)。

依據(jù)以上原則和方法，最終構(gòu)建預(yù)制樁施工安全指標(biāo)體系如表1 所示。

2 關(guān)鍵指標(biāo)確定方法

通過(guò)預(yù)制樁施工安全指標(biāo)體系的構(gòu)建，發(fā)現(xiàn)預(yù)制樁施工過(guò)程中需要關(guān)注的指標(biāo)達(dá)到41 項(xiàng)，而水運(yùn)工程建設(shè)中可投入的安全施工費(fèi)和安全管理人員等資源是有限的，因此有必要對(duì)影響預(yù)制樁施工安全的關(guān)鍵指標(biāo)開展研究，以便在實(shí)際工程中對(duì)相關(guān)的指標(biāo)重點(diǎn)關(guān)注，合理的分配安全投入。目前，安全評(píng)估指標(biāo)體系方法中權(quán)重的計(jì)算方法主要包括主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和組合賦權(quán)法3 類。其中組合賦權(quán)法汲取了主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法的優(yōu)點(diǎn)，一方面可以結(jié)合專家的經(jīng)驗(yàn)確定其對(duì)指標(biāo)的重視程度，又可根據(jù)數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，降低個(gè)體主觀隨意性對(duì)權(quán)重的影響。因此本文中，選擇模糊層次分析法和聚類分析法相結(jié)合的方法，確定預(yù)制樁施工安全指標(biāo)的權(quán)重。

2.1 模糊層次分析法

根據(jù)傳統(tǒng)的層次分析法和三角模糊數(shù)判斷的思想[6-7]，假設(shè) A={a1，a2，…，an}為影響事件 A 的n 個(gè)因素，首先邀請(qǐng)專家運(yùn)用1～9 標(biāo)度規(guī)則確定各個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要性，從而得到重要性判斷矩陣。若ai因素對(duì)事件A 影響的重要性大于aj，則aij標(biāo)度為2，3，4，…，9，數(shù)值越大表示因素ai比因素aj的重要程度越高，同時(shí)將aji標(biāo)度為aij的倒數(shù)，反之則將aji標(biāo)度為2，3，4，…，9；當(dāng)兩者重要性相等時(shí)，則將aij和aji均標(biāo)度為1。運(yùn)用模糊層次分析法，可以將多位專家打出的重要性判斷矩陣轉(zhuǎn)化為模糊判斷矩陣。

aijk表示由第k 位專家對(duì)a1因素和a2因素之間的重要性作出的判斷。

去模糊化的方法有很多種，本文選中參考文獻(xiàn)[8]中提出的一種較為容易操作的去模糊方法，該方法將三角模糊數(shù)去模糊化為：

式中：α 為決策者判斷的不確定性系數(shù)，α 越小表示不確定性越大；λ 為決策者對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的態(tài)度，λ 越大表示其越厭惡風(fēng)險(xiǎn)。去模糊化之后的判斷矩陣如式（9）所示：

則影響事件A 的各項(xiàng)指標(biāo)的重要性轉(zhuǎn)化成計(jì)算該判斷矩陣的特征向量，最大特征根對(duì)應(yīng)的特征向量即為各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。由于安全問(wèn)題復(fù)雜程度較高，為了避免誤差過(guò)大，還需要檢驗(yàn)各位專家判斷的一致性，一致性指標(biāo)CI 和隨機(jī)一致性比率CR 計(jì)算方法如式（10）和式（11），當(dāng) CR ＜0.10 時(shí)，判斷矩陣具有滿意的一致性。由于影響水運(yùn)工程預(yù)制樁施工安全的指標(biāo)數(shù)量較多，所以參考相關(guān)文獻(xiàn)[9]，運(yùn)用matlab 求解出n=41 時(shí)，RI=1.695。

2.2 K-means 聚類分析法

作為一種基于“距離”的最優(yōu)化算法，運(yùn)用KMeans 聚類分析法可以根據(jù)輸入的參數(shù)k，將若干個(gè)指標(biāo)分為k 個(gè)類別，同一類別中的各個(gè)指標(biāo)之間的距離小且相似性大，而不同類別的指標(biāo)之間距離大且相似性小[10]。

K-means 聚類分析具體方法如下[11-12]：1）初步選取k 個(gè)聚類中心；2）把每個(gè)指標(biāo)分配到距離其最近的聚類中心，形成k 個(gè)類別；3）重新計(jì)算每類指標(biāo)的中心點(diǎn)作為新的聚類中心點(diǎn)。迭代以上步驟2）和3），直到指標(biāo)不再被分配到新的類別中。假設(shè)有 b1，b2，…，bi，…，bn共計(jì) n 個(gè)待分類的指標(biāo)。若以m 個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行指標(biāo)bi的重要性分類，則指標(biāo) bi可以表示為（bi1，bi2，…，bim），（bi1，bi2，…，bim）可視為 m 維空間的一個(gè)點(diǎn)。其中距離的計(jì)算采用最為常用的歐式（Euclidian）距離。

3 水運(yùn)工程預(yù)制樁施工安全關(guān)鍵指標(biāo)

本文研究中邀請(qǐng)水運(yùn)工程行業(yè)內(nèi)的32 位樁基施工方面的專家運(yùn)用1～9 標(biāo)度規(guī)則，一方面從各個(gè)指標(biāo)誘發(fā)施工安全事故的可能性角度出發(fā)確定預(yù)制樁施工安全指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)的重要性，另一方面從一旦誘發(fā)事故后引起的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重程度的角度出發(fā)確定各個(gè)指標(biāo)的重要性。根據(jù)專家評(píng)價(jià)的結(jié)果，運(yùn)用2.1 節(jié)所研究的模糊層次分析法進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的確定，結(jié)果如表2 所示。根據(jù)誘發(fā)事故嚴(yán)重程度打分結(jié)果確定的隨機(jī)一致性比率CR=2.50×10-3＜0.10，根據(jù)誘發(fā)事故可能性打分結(jié)果確定的隨機(jī)一致性比率CR=3.98×10-3＜0.10，均能夠滿足一致性檢驗(yàn)。

將表2 中求得的水運(yùn)工程預(yù)制樁施工安全指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用2.2 節(jié)所研究的K-means 聚類分析法開展聚類分析，聚類分析的結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知，A 類指標(biāo)誘發(fā)事故的可能性及發(fā)生事故后導(dǎo)致的嚴(yán)重程度均較大；B 類指標(biāo)誘發(fā)事故的可能性及嚴(yán)重程度均較小，C 類指標(biāo)誘發(fā)安全事故的嚴(yán)重程度較大，但誘發(fā)事故的可能性較小。因此可將A 類指標(biāo)確定為水運(yùn)工程預(yù)制樁施工安全的關(guān)鍵指標(biāo)。其中A 類指標(biāo)包括：安全站位（R51）、夾樁（W37）、安全護(hù)欄或蓋板（W52）、安全警示標(biāo)志（W53）、沉樁工藝（G12）和防溜樁措施（G23）等，可以發(fā)現(xiàn)在施工過(guò)程中將A 類指標(biāo)作為風(fēng)險(xiǎn)防控的重點(diǎn)對(duì)象，可以降低水運(yùn)工程中斷樁、人員落入樁孔中等各類常見的預(yù)制樁施工過(guò)程中發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 預(yù)制樁施工安全指標(biāo)聚類分析研究圖Fig.1 Cluster analysis of safety indexes for precast pile construction

4 結(jié)語(yǔ)

本文以水運(yùn)工程預(yù)制樁施工為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有規(guī)范和已發(fā)生事故調(diào)研和分析構(gòu)建了水運(yùn)工程預(yù)制樁施工安全指標(biāo)體系。運(yùn)用模糊層次分析法從誘發(fā)安全事故的可能性和誘發(fā)安全事故的嚴(yán)重程度出發(fā)，對(duì)施工安全指標(biāo)進(jìn)行了賦權(quán)分析，然后對(duì)賦權(quán)分析的研究結(jié)果運(yùn)用K-means 聚類分析法，最終確定了水運(yùn)工程預(yù)制樁施工安全關(guān)鍵指標(biāo)。主要結(jié)論如下：

1）本文中構(gòu)建的系統(tǒng)化、多層次的水運(yùn)工程施工安全指標(biāo)體系，為安全管理部門、建設(shè)單位、施工單位的施工安全管理工作提供了便利。

2）安全站位、夾樁、安全護(hù)欄或蓋板、安全警示標(biāo)志、沉樁工藝和防溜樁措施等6 個(gè)指標(biāo)是水運(yùn)工程預(yù)制樁施工安全關(guān)鍵指標(biāo)，在相關(guān)工程建設(shè)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，以降低水運(yùn)工程施工的風(fēng)險(xiǎn)。

3） 本文中運(yùn)用模糊層次分析法與K-means聚類分析法相結(jié)合的方法可作為水運(yùn)施工中其他分部工程施工安全關(guān)鍵指標(biāo)研究確定的一種方法，且當(dāng)專家樣本數(shù)量越多時(shí)，分析結(jié)果越具有更強(qiáng)的合理性。