基于人因差錯的滿布式支架安全評估研究

陳 實(shí)， 黃顯周， 魏治國， 李俊德， 王鵬舉

(云南云嶺公路工程注冊安全工程師事務(wù)所有限公司， 昆明 650021)

近年來，隨著公路建設(shè)的快速發(fā)展，滿布式支架因其形式多樣、承載力要求低、成本較低等原因被廣泛應(yīng)用[1]，但支架施工發(fā)生事故的頻率逐年增高，傳統(tǒng)安全評估忽視了人因的主導(dǎo)作用。故亟需針對貫穿于支架施工始終的人因差錯進(jìn)行研究，使得支架施工安全評估向人因差錯控制轉(zhuǎn)變[2]。

目前，國內(nèi)外對于支架安全人因差錯的研究多集中于仿真、實(shí)測數(shù)據(jù)綜合分析，Bruce等[3]針對混凝土構(gòu)件施工進(jìn)行了研究，利用事件樹法得出各人為因素對結(jié)構(gòu)可靠度的影響規(guī)律及偏離程度；謝楠等[4]通過對比分析大量事故數(shù)據(jù)，對支架施工過程中產(chǎn)生的人因差錯進(jìn)行了歸納分類；Fabian C Hadipriono等[5]分析了公路滿布式支架倒塌事故的成因，利用層次分析法評估人因差錯與事故發(fā)生概率的相關(guān)性；宋方方[6]結(jié)合近年來的模板支架倒塌事故數(shù)據(jù)，并采用事故樹法進(jìn)行人因差錯識別。

綜上，本文以滿布式支架施工中的各類人因差錯為主要研究對象，通過仿真模擬及多元回歸等方法進(jìn)行評估，以求基于人因差錯對滿布式支架施工全過程進(jìn)行安全評估。

1 人因差錯識別及分析

1.1 人因差錯識別

通過搜集應(yīng)急管理部近15年來的事故報(bào)表及相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，統(tǒng)計(jì)到152組較為典型的滿布式支架事故，事故主因及其占比如表1所示[7]。

表1 事故數(shù)據(jù)分析

由表1可以看出，由人因差錯導(dǎo)致的安全事故占比較大(最高達(dá)到75%)、類型較多(共6個次類，14個小類)，且存在多因素共同作用的現(xiàn)象，故本文將人因差錯視為各類事故發(fā)生的主因進(jìn)行研究。將其分為2類：目標(biāo)差錯(由于施工人員識圖誤差、實(shí)際測量誤差、作業(yè)疏忽等原因而導(dǎo)致施工效果與最初設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生偏離)、過程差錯(作業(yè)過程中出現(xiàn)作業(yè)手段、施工工藝等誤差而導(dǎo)致的過程不規(guī)范，從而使結(jié)果偏離期望值)。

1.2 人因差錯指標(biāo)體系構(gòu)建

依據(jù)上述分類并結(jié)合工程實(shí)際參數(shù)，在Midas模型標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，按照模數(shù)或級數(shù)改變各類差錯值，分析搭設(shè)階段、澆筑階段滿布式支架的承載力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

由于支架施工各階段的差異，設(shè)置2種工況：工況1依據(jù)梁體澆筑時的實(shí)際情況進(jìn)行模擬，選擇支架自重和上部荷載；工況2依據(jù)支架搭設(shè)階段的實(shí)際情況進(jìn)行模擬，選擇支架自重和風(fēng)荷載。由于人因差錯難以定量的特點(diǎn)，利用Matlab建立數(shù)集隨機(jī)選擇沉降區(qū)域、脫空區(qū)域等以模擬人的作用；利用專家及管理人員賦分來計(jì)算安全監(jiān)管參數(shù)，各類人因差錯的指標(biāo)體系構(gòu)建如表2所示。

1.3 人因差錯分析

對表2中給出每類指標(biāo)的6組參數(shù)值進(jìn)行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ相應(yīng)的分級，其中各向長度差錯、桿件步距(加密區(qū))差錯等2類變化程度最明顯的目標(biāo)差錯分析結(jié)果如圖1、圖2所示。

通過分析仿真數(shù)據(jù)中的變化點(diǎn)、極限點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

1) 人因差錯與其他客觀因素相比受環(huán)境影響較大，工況2(風(fēng)荷載作用下)時人為造成的各向長度改變會使支架承載力驟降。

2) 支架桿件步距小于2.0 m時，可采取局部加密的措施以應(yīng)對桿件間距類人因差錯。

3) 人因差錯造成的掃地桿高度大于0.7 m、立桿伸出長度大于0.2 m，會使結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)。

斜撐間隔差錯、區(qū)域沉降差錯等2類變化程度最明顯的過程差錯的分析結(jié)果如圖3、圖4所示。

通過分析仿真數(shù)據(jù)中的變化點(diǎn)、極限點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

1) 人因差錯出現(xiàn)在縱向剪刀撐設(shè)置時對結(jié)構(gòu)的影響可忽略，故支架在縱向每10步設(shè)置剪刀撐更為經(jīng)濟(jì)安全，而斜撐必須按照規(guī)范要求滿布。

2) 支架搭設(shè)時應(yīng)提前檢查地基、設(shè)置墊板，以防止人為帶來的區(qū)域沉降差錯導(dǎo)致底部失穩(wěn)。

3) 支架的極限荷載值隨著風(fēng)荷載的增大呈線形增長，故嚴(yán)禁在風(fēng)力等級較大時施工。

表2 人因差錯指標(biāo)體系

圖1 屈曲荷載值隨各向長度變化情況

圖2 屈曲荷載值隨加密區(qū)步距變化情況

2 人因差錯評估方法及分級

利用前文仿真屈曲荷載值數(shù)據(jù)及變化曲線拐點(diǎn)、極限點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際情況對各類差錯參數(shù)的影響程度、發(fā)生概率及產(chǎn)生后果進(jìn)行綜合評估。

2.1 人因差錯影響程度評估

利用R語言程序中內(nèi)置的kappa函數(shù)，針對搭設(shè)階段(工況2)時的11個自變量、澆筑階段(工況1)時的17個自變量進(jìn)行共線性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

結(jié)果顯示桿件間距(加密區(qū))y1與桿件步距(加密區(qū))z1相關(guān)性顯著，這是由于加密區(qū)布置時各向距離需同時變化，去除桿件間距(加密區(qū))y1后結(jié)果顯示已不存在共線性，如圖6所示。

圖3 屈曲荷載值隨斜撐間隔變化情況

圖4 屈曲荷載值隨區(qū)域沉降量變化情況

圖5 原始共線性檢驗(yàn)

將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集及測試集，采用LASSO回歸模型進(jìn)行分析并交叉驗(yàn)證，結(jié)果如圖7、圖8所示。

最終通過回歸分析得到支架2個階段的承載力評估模型如下：

圖6 優(yōu)化后的共線性檢驗(yàn)

圖7 LASSO回歸模型分析

圖8 測試集數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證

P1=1.731X-5.291H/Y+1.648x-6.018z-4.728z1-3.353z2+5.037m-1.751n-11.078a+1.404c-2.758α1-10.060α2-10.178α3+3.887 8α4

P2=0.216X-7.777H/Y-4.088x-5.319z-5.299z1-2.997z2-2.126b-9.011a-0.465c

通過將屈曲荷載值與規(guī)范中的可靠度指標(biāo)β兩兩對應(yīng)進(jìn)行分級，結(jié)果如表3所示。

表3 影響程度分級

2.2 人因差錯發(fā)生概率評估

利用肯特指數(shù)法—層次分析法進(jìn)行層次劃分，邀請橋梁施工專家進(jìn)行賦分，對各因素構(gòu)建兩兩判斷矩陣確定權(quán)重，計(jì)算得到出概率分值P后根據(jù)表4確定事故概率等級。

表4 事故概率分級

2.3 人因差錯產(chǎn)生后果評估

根據(jù)人因差錯后果表現(xiàn)形式的不同，將其分為經(jīng)濟(jì)損失(包括直接經(jīng)濟(jì)損失及間接經(jīng)濟(jì)損失)和非經(jīng)濟(jì)損失(包括生命損失、環(huán)境損失及社會損失)2大類，并建立人因差錯后果估計(jì)總體模型：

C=Cz+Cj+Cm+Ch+Cs

式中：C為總后果；Cz、Cj為直接、間接經(jīng)濟(jì)損失；Cm為生命損失；Ch為環(huán)境損失；Cs為社會損失。為避免難以量化的后果計(jì)算帶來誤差，本文利用當(dāng)量轉(zhuǎn)換法進(jìn)行分級，如表5所示[8]。

表5 事故后果分級

2.4 基于人因差錯的評估分級

結(jié)合上述3個方面的評估方法，并取滿布式支架安全影響程度評估等級與概率評估等級二者中大者，采用風(fēng)險矩陣法確定滿布式支架全過程安全評估等級，如表6所示。

表6 施工安全分級

3 工程實(shí)例驗(yàn)證

3.1 工程概況

依托宜賓至昭通高速公路云南段一期項(xiàng)目，針對彝良(海子)至昭通A1段北閘互通F匝道橋第4聯(lián)現(xiàn)澆箱梁開展安全評估[9]。該專項(xiàng)工程采用承插型盤扣滿布式支架，各參數(shù)調(diào)查結(jié)果如表7所示。

表7 實(shí)際參數(shù)調(diào)查

3.2 安全評估

利用前文所述評估模型計(jì)算可得，該支架專項(xiàng)工程的安全評估等級為Ⅲ級(高度風(fēng)險)。邀請專家利用傳統(tǒng)打分法(不以人因作主導(dǎo)，以整體安全為導(dǎo)向)得出該工程的安全等級為Ⅱ級(中度風(fēng)險)，說明本文建立的人因差錯概率評估模型與實(shí)際工程較為符合，且更加符合施工安全要求[10]。

3.3 結(jié)果驗(yàn)證

將有限元分析所得的屈曲荷載值，與前文所得的承載力評估模型計(jì)算值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)承載力模型評估值誤差均在10%以內(nèi)，且結(jié)果更符合實(shí)際，二者結(jié)果對比如表8所示。

表8 影響程度評估對比

4 結(jié)論

本文利用有限元軟件模擬、數(shù)據(jù)分析等手段并結(jié)合工程實(shí)踐，對滿布式支架人因差錯的影響程度、發(fā)生概率、產(chǎn)生后果及安全評估等問題展開了研究，并得出以下認(rèn)識：

1) 結(jié)合事故數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)支架施工中的人因差錯是導(dǎo)致事故發(fā)生的主導(dǎo)因素，利用仿真軟件得出了各類人因差錯的產(chǎn)生機(jī)理及作用規(guī)律，最終構(gòu)建出基于人因差錯的支架施工安全評估指標(biāo)體系。

2) 研究得出人因差錯的影響程度評估模型、發(fā)生概率評估模型、產(chǎn)生后果評估模型多維評價方法并進(jìn)行分級，應(yīng)用于云南省高速公路項(xiàng)目后發(fā)現(xiàn)影響程度評估誤差在10%以內(nèi)、發(fā)生概率評估等級更加貼近實(shí)際，說明模型具有可行性及實(shí)用性。

3) 未來對于支架施工安全的研究需要開發(fā)相關(guān)的系統(tǒng)，通過電腦終端、移動設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)，與智能感應(yīng)設(shè)備、信號傳輸設(shè)備結(jié)合從而開發(fā)智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。