多因素耦合作用影响的高速公路改扩建工程施工安全评价研究

戴坤阳 苏建安 毛红日

(1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410114；2.湖南省高速公路管理局，湖南 长沙 410016)

0 引言

高速公路改扩建工程的施工难度大、环境复杂，其安全系统是一个涉及人、机、料、方法、环境的复杂的管理系统，各子系统及子系统内的不同因素相互联系、相互制约[1-3]。高速公路改扩建工程施工不安全状态并非单一因素(因子)所导致的，而是由多项不安全因素耦合作用造成的。高速公路改扩建工程相比新建工程，会出现施工环境更加复杂、施工周期更长、施工技术更复杂、夜间施工更多、交通组织影响更大等问题，从而导致安全隐患增加。改扩建工程中各类人、机、料等大量生产要素在施工过程中都可能形成安全隐患，且各类安全隐患之间存在连带性和叠加性，施工安全影响因素之间经常发生耦合[4]。

传统的高速公路改扩建工程施工安全评价均从人、机、料、方法、环境以及交通安全等方面单独地评价施工安全状态[5-6]，传统的施工安全评价方法难以全面分析影响高速公路改扩建工程施工安全事故的因素及整体施工安全。因为在实际施工过程中，安全事故往往是由多因素间的相互作用与影响所引发的，需要考虑不同施工安全影响因素间的耦合作用[7]。为此，必须准确、有效地归纳影响高速公路改扩建工程施工安全的因素，以便施工方采取合理、有效的措施转移和规避施工安全隐患，从而达到降低施工安全事故率，改善施工安全管理水平的目的[7]。

1 高速公路改扩建工程施工安全原因分析

影响高速公路施工安全的因素众多，涉及诸多方面。而高速公路改扩建工程是在原有道路基础上的改建或者扩建，且大部分改扩建工程“边通车，边施工”，因此高速公路改扩建工程施工安全比新建工程的要求更加严格、管理更加复杂[8]。改扩建工程除了新建工程原有的施工安全影响因素，还需将行车安全和降低交通事故的概念加入评价体系中，即形成“施工+交通”双安全评价体系[9-10]。整理高速公路改扩建工程施工安全文献，结合JTG/T B05-2004《公路项目安全性评价指南》和专家的意见，将高速公路改扩建工程施工安全因素归纳为五方面：个人因素、机械因素、材料因素、方法因素、环境因素，即4M1E，见表1。

表1 高速公路改扩建工程施工安全影响因素

(续)

2 多因素耦合施工安全评价

2.1 多因素耦合施工安全机理分析

安全是高速公路改扩建工程施工期间需首要关注的问题，人、机、料、方法、环境构成了复杂的高速公路改扩建工程施工安全系统，“零安全事故”是管理人员追求的目标。但是，高速公路改扩建工程施工安全不仅被机械、环境等单一因素影响，而且受到人、机、料、法、环复杂系统中各因素的相互影响、相互作用。在多因素耦合作用下，安全事故发生的概率会增大，如高速公路改扩建期间作业区车流量过大，会增加作业人员的心理负担(恐惧、担忧等)，影响作业人员的注意力，进而可能导致施工机械的操作错误，引发安全事故[11]。高速公路改扩建工程施工安全耦合作用下的机理见图1。

图1 高速公路改扩建工程施工安全耦合机理

2.2 相互作用矩阵

相互作用矩阵法考虑高速公路改扩建工程施工安全系统中单一因素影响的同时，还考虑了不同因素间的相互作用、相互影响对整个安全系统的影响。应用该方法能有效解决复杂系统中不同因素间的相互影响和相互作用等耦合性的复杂问题[12]。

相互作用矩阵法在高速公路改扩建工程施工安全评价中的应用步骤如下：

(1)构建高速公路改扩建工程施工安全的评价指标体系，应用文献综述法、专家访谈法、问卷调查法等方法详细调查研究，得到影响高速公路改扩建工程施工安全的主要因素，见表1。

(2)量化施工安全影响因素，构建高速公路改扩建工程施工安全相互作用矩阵，定量评价高速公路改扩建工程施工安全状态和等级。定量化描述的方法有完全数值分析法、参数斜率关系表示法、专家定量取值法、二值表示法等方法。

相关作用矩阵设置规则是：高速公路改扩建工程施工安全影响因素用矩阵主对角线上元素定量化描述，放置无顺序要求，矩阵主对角线上值代表该因素对施工安全的影响程度。不同因素间的耦合作用放置于次对角线，其值表示因素耦合作用对高速公路改扩建工程施工安全的影响程度。相关作用矩阵表示如下

在这个相关作用矩阵中，pii代表第i个高速公路改扩建工程施工安全影响因素，pij代表高速公路改扩建工程施工安全影响因素i作用影响因素j而对整个系统产生的影响程度。同理，pji代表影响因素i受影响因素j作用而对整个高速公路改扩建工程施工安全系统产生的影响。根据组成的相关作用矩阵，以式(1)、式(2)计算高速公路改扩建工程施工安全的影响因素的权重ki

(1)

其中

(2)

式中，m代表某个高速公路改扩建工程施工安全的主要影响因素；SR(i)代表施工安全影响因素i自身安全系数与对其他施工安全影响因素产生耦合作用的系数之和；SC(i)代表安全影响因素i自身安全系数与其他施工安全影响因素对因素i产生耦合作用的系数之和；权重ki代表施工安全影响因素i对高速公路改扩建工程施工安全的影响程度，其值愈大代表该安全因素对高速公路改扩建工程施工安全影响程度愈大，应当在施工过程中加强安全管理力度、完善安全管理制度，转移或规避其存在的安全隐患。根据式(3)进一步计算高速公路改扩建工程施工安全程度，即

(3)

式中，Vi代表施工安全影响因素安全性优劣性，其值为Vi=pii/4；SD值是高速公路改扩建在多个因素耦合作用下的评价结果，是个无量纲数值，称之为高速公路改扩建工程施工安全评价系数。

2.3 高速公路改扩建工程施工安全等级

为了定量评价高速公路改扩建工程施工的安全状态和等级，首先，构建多因素相互作用矩阵，根据式(1)～式(3)计算高速公路改扩建工程施工安全评价系数SD值；其次，按照高速公路改扩建工程施工安全程度将其分为极弱安全、弱安全、中等安全、强安全、极强安全5个安全等级，见表2。

表2 高速公路改扩建工程施工安全等级

(续)

根据所得的SD值，可以评价高速公路改扩建工程中的施工安全状态和等级。若该高速公路改扩建工程等级属于Ⅰ类或Ⅱ类，说明该工程处于极强或者强安全状态，此时不需要立即对该改扩建工程采取防治措施；若该改扩建工程属于Ⅲ类安全等级，即属于中等安全状态，则必须研究和分析该工程的安全隐患，进而采取有效措施将安全隐患分散或者转移；若该改扩建工程属于Ⅳ或者Ⅴ类等级，表明该改扩建工程处于弱或极弱安全状态，应当立即成立安全处理小组，全面排除该改扩建工程的安全隐患并针对性地采取有效措施。

3 实例分析

本文以GQ高速公路改扩建工程为例，通过分析该工程的特点，结合表1成果，建立该工程施工安全评价指标体系。采用专家半定量取值法定量描述GQ高速公路改扩建工程施工安全影响因素及因素间耦合作用于该工程施工安全的关系。将影响因素及其耦合作用对高速公路改扩建工程施工安全影响程度分为5个等级，应用无量纲数值0～4定量描述(表3)。

表3 半定量取值下的关系矩阵

根据关系矩阵的构建原则，确定表1中19个影响因子的关系矩阵。应用专家半定量取值法得到高施工安全影响因子以及各因子间的耦合作用对GQ高速公路改扩建工程施工安全影响程度的取值，组成GQ高速公路改扩建工程施工安全的多因素耦合作用关系矩阵p，即

根据式(1)、式(2)，可得到高速公路改扩建工程施工安全19个影响因子的权重，见表4。从中可以看出机械质量、机械维护、安全管理、交通组织、管理组织是影响GQ高速公路改扩建工程施工安全的主要影响因素。因此，GQ高速公路改扩建工程施工期间应该制定严格的机械管理规章制度规范机械管理；加强安全管理工作，包括采取有效的安全防护措施，定期进行安全培训，加强交通组织安全管理；优化交通组织方案，弱化交通方面的影响，减少施工安全事故率；加强作业人员知识技能和安全知识培训，提高作业人员本身素质和安全意识。从表4可以看出，整体上，方法因素是影响高速公路改扩建工程施工安全的主要影响因素，加强方法上的优化可减少高速公路改扩建工程施工中的安全问题。

表4 高速公路改扩建工程施工安全影响因素权重及排序

(续)

确定各影响因子的权重后，根据式(3)可得GQ高速公路改扩建工程施工安全系数SD=42.5%，这也与GQ高速公路改扩建工程出现的施工安全事故原因一致。按照表1中的高速公路改扩建工程施工安全等级划分，可判断GQ高速公路改扩建工程的施工安全等级属于Ⅲ类等级，虽然GQ高速公路改扩建工程处于中等安全状态，但是该工程还是有必要采取有效的防范措施，以避免该工程发生重大事故。

4 结语

(1)基于4 M1 E的角度构建了高速公路改扩建工程施工安全评价指标体系，探索了高速公路改扩建工程施工安全耦合机理，发现施工安全事故并非由简单的单一因素(因子)所引起，而往往是由人、机、材、方法、环境间不同安全因素(因子)交互耦合作用导致的。

(2)相互作用矩阵不仅解决了高速公路改扩建工程施工安全系统中单一因素(因子)对整个系统的影响，而且还解决了不同施工安全因素(因子)间的耦合作用对整个系统的影响，应用相互作用矩阵的方法能有效解决高速公路改扩建工程施工安全复杂系统的评价问题。构建多因素相互作用关系矩阵时，需要合理地分析和正确地选择高速公路改扩建工程施工安全评价因素(因子)，以确保高速公路改扩建工程施工安全评价系数的正确性。

(3)对GQ高速公路改扩建工程施工安全的评价结果表明，考虑人、机、材、法、环境间相互作用、相互影响，以安全耦合作用机理为基础评价高速公路改扩建工程施工安全，更加符合工程的实际情况，更能真实地反映高速公路改扩建工程施工安全状态，有利于防治措施的选择。

[1]朱莉.高速公路改扩建施工的安全隐患及预控措施[J].筑路机械与施工机械化,2012,29(5):63-66.

[2]苏保章.高速公路改扩建工程项目施工安全管理研究[D].重庆：重庆交通大学，2015.

[3]胡兴俊,严小丽.基于风险耦合机理的建设项目施工安全评价[J].安全与环境工程,2015,22(6):134-138.

[4]Akintola S Akintoye，Malcolm J Macleod.Risk analysis and manage- ment in construction[J].International Journal of Project Management，1997,15(1)：31-38.

[5]李慧,张静晓.建筑安全事故防范认知与主体身份特征关系诊断研究[J].中国安全科学学报,2012,22(8):157-163.

[6]宁乐然,田小光,邬俊峰,等.高速公路改扩建期交通安全预警评价系统研究[J].土木工程与管理学报,2014,31(3):56-59.

[7]Wideman R M.Project and program risk management：a guide to managing project risk and opportunities[M]. Newtown Square: Project Management Institute,1992.

[8]孟祥海,郑来,毕海峰,等.高速公路半幅封闭施工区交通特性与交通冲突特性研究[J].中国公路学报,2013,26(2):140-146.

[9]梁铎强,雷靖晖.浅谈安全风险评估在高速公路改扩建工程桥梁施工中的运用[J].公路,2012(2):153-155.

[10]雷剑.高速公路改扩建工程精细化管理关键问题研究[D].西安：长安大学,2011.

[11]栾兰.公路施工安全管理问题研究[D].西安：长安大学,2012.

[12]乔万冠,李新春.多因素耦合作用下煤矿企业风险评价[J].煤炭工程,2014,46(4):145-148. PMT