高速公路桥梁施工过程安全评估及预警研究

刘朝阳，吕永波，刘步实，欧阳琪，李 晶

(北京交通大学 交通运输学院，北京 100044)

近些年，高速公路建设大规模向山区发展，但山区环境恶劣，桥梁、隧道工程众多，各种工序相互交叉，施工环境多变，导致危险源集中，造成高速公路的建设难度增大[1].因此，如何确保高速公路工程的施工安全，预防事故的发生，从而顺利实现公路交通建设跨越式发展，是一项重大而现实的课题.

文献[2]通过事故树方法，研究了高处坠落事故的发生原因.文献[3]通过统计分析的方法，寻找事故的发生规律.文献[4]研究了人的不安全行为产生过程，搭建安全管理与不安全行为之间的关系.文献[5]研究了基于事故树模型的贝叶斯网络，利用正反向推理的逻辑方法，得到险情的预测值.然而,相关研究只进行了事故的定性分析，未能获得比较精确的分析结果；或未能深入分析导致不安全行为的原因，没有考虑人为因素给生产带来的影响.

针对以上问题，本文作者应用科学的评价方法，对高速公路桥梁工程的施工过程进行安全风险评估，以桥梁工程高处坠落事故为研究对象，构建事故树模型，分析基本事件的不同失效概率，并采用改进的人因失误预测技术(Technique for Human Error Rate Prediction,THERP ) +人的认知可靠性(Human Cognitive Reliability,HCR) 模式计算人为因素的失效概率，进而计算得到顶事件的发生概率.在可靠性分析的基础之上，建立高速公路桥梁工程施工安全系统预警机制，对当前安全状态等级进行划分，从而实现对施工过程中有可能发生的安全事故及时做出管控，避免安全事故带来的重大影响，进一步提升安全管理的能力.

1 桥梁工程安全可靠性研究

1.1 高速公路桥梁工程

包茂高速公路粤境段第T10标全长15 871 m，其中主线桥梁10座，长2 224.9 m，其中包含一座特大桥，全长1 198 m.本项目在山区修建高速公路，环境恶劣，地形条件复杂；桥梁工程较多，导致高处作业多；地处广东茂名境内，夏季高温，受台风等自然环境的影响较大；劳动对象体积、规模大，施工作业者劳动强度高，手工劳动多；人机混合作业，易产生机械伤害.项目部同时管辖多个施工队，施工人员参差不齐，安全管理难度较大.本文以该项目为例，以桥梁工程的高处坠落事故为研究对象，对桥梁工程安全可靠性进行评估及预警研究.

1.2 系统可靠性研究方法

高速公路事故类型主要是高处坠落、施工坍塌、物体打击、触电和机械伤害等五大类型.在五大伤害事故中，高处坠落事故的发生数和死亡人数都是最多的，约占所有伤害事故的30%，是高速公路施工安全管理的重点[6-7].高处坠落是桥梁施工工程中高发事故的典型案例，可用事故树构建和预警体系方法进行安全风险评估.将桥梁工程安全的可靠性定义为：在规定时间内和规定条件下，在不发生高处坠落事故的前提下，高速公路建设项目施工方按照设计要求完成工程项目的能力.

在研究高速公路桥梁工程安全可靠性时，先采用事故树进行分析，计算最小割集.将底事件区分为客观因素和人为因素，其中人为因素的失效概率采用THERP+HCR模式[8]进行计算.但是在实际操作中，很难确定事故树基本事件发生的概率及其分布，这给正确计算事件的失效概率带来了困难.因此，在实际工程中，除了以上方法，还应该根据工程经验，采用概率统计和专家问卷调查法进行修正，最后根据最小割集以及底事件的危险程度，加权求得顶事件的发生概率，计算过程如图1所示.

图1 顶事件发生概率的计算过程Fig.1 Procedure of top event probability

2 桥梁施工高处坠落事故树分析

2.1 高处坠落事故树分析

根据对施工过程中高处坠落事故的原因分析，绘制事故树如图2所示,事件说明如表1所示.

图2 高处坠落事故事件及其符号Fig.2 Events and symbols of falling accident

符号事件 符号事件 符号事件 T高处坠落事故X1爬架提升时违章作业X16身体不适或突发疾病M1不可防护型故障X24 m以上立柱、独立架支撑不搭脚手架X17突遇大风、暴雨天气M2可防护型故障X3拆除工程违章作业X18机械、车辆碰撞M3设备管理缺陷X4井架吊篮载人上下X19夏季高温中暑M4固定设施故障X5携带笨重物品登高X20冬雨季施工脚手架及跳板上雨浸霜冻易滑M5发生故障X6相邻主框架建无定型支撑框架X21危险地段未设警示装置M6防护不当X7脚手架材料问题X22夜间施工照明不够M7个人操作问题X8围护栏杆材料问题X23作业面狭小M8个人身体故障X9脚手板有空头板X24地形条件问题M9环境故障X10架杆搭设不符合要求X25洞口未防护,临边未防护M10安全防护投入X11酒后登高X26操作平台、交叉作业安全防护不规范M11防护用具问题X12高处作业不安全动作X27攀登与悬空作业的安全防护不规范M12突发性环境故障X13攀登不安全位置X28三宝使用不当M13季节性环境故障X14混凝土运料追逐超车X29未配齐三宝M14施工环境故障X15职业病工人登高作业X30三宝质量问题

2.2 基本事件失效概率分析

2.2.1 客观因素的失效概率

客观因素的失效概率可类比于材料的疲劳寿命问题，即不同载荷下基本事件的客观因素失效概率是不同的，如脚手架长期处于超载状态，其使用寿命会相对较短，失效概率也相对较大.

用数学形式对疲劳寿命曲线进行描述，提出疲劳寿命曲线模型[9]为

σαN=C

(1)

式中：σα是材料所受的应力；N是材料在相应载荷下的使用寿命；C均为材料常数.

假设产品寿命满足威布尔分布，则其相应的分布函数和可靠度分别为

2.2.2 人为因素的失效概率

THERP模式主要基于人因可靠性分析(Human Reliability Analysis,HRA)事件树模型[10]，它将人因事件中涉及的人员行为按事件的发展过程进行分析，并在事故树中确定失效途径后进行定量计算.

HCR是人对系统异常信号未能在有限时间内做出正确响应的概率.它认为每种行为类型的失误概率决定于允许操作人员的响应时间t和操作人员执行时间T1/2之比，且遵从三参数的威布尔分布[10],有

(4)

式中α、β、γ是与行为类型有关的参数.

在不同行业中，人因差错率是不一样的，人承受负荷的能力也会影响人因差错率的差异.

1)基本失效概率的确定.在HRA事件树中，人员独立完成某一项子任务的失效概率由基本人为差错概率(Basic Human Error Probability,BHEP)表示.本文采用认知可靠性与误差分析方法(Cognitive Reliability and Error Analysis Method,CREAM)的认知功能失效概率作为基本值.

2)行业实际情况的修正.在不同行业环境下，工作人员也大有不同，这时需要用绩效形成因子(Performance Shaping Factor,PSF) 修正不同行业的差异，这里将高速公路施工行业的PSF值设置为0.5.

3)人承受负荷的修正.大量的实践证明，人由于心理和生理的原因，其承受工作负荷的能力在不同的工作时间段呈现出一定差异.当工作强度大于人的承受工作负荷的能力时，人因差错率要大于正常的工作状态.根据工地现场发放的调查问卷，得出人承受工作负荷的能力如图3所示.

曲线拟合的多项式(R2=0.994 3)为

y(t)=-0.015t4+0.5156t3-

5.74t2+18.183t+73.649

(5)

图3 人承受工作负荷的能力随时间的变化Fig.3 Variation of people tolerance with time

用承受负荷因子μ(t)修正基本失效概率，有

(6)

4)管理因素的修正.管理因素主要包括以下几个部分：安全培训、安全检查、现场监督、施工人员管理、施工组织方案和安全技术交底.为了区分明显，将管理因素进行分级，针对级别的不同，确定管理因素各自工作内容以及管理因素的修正值，见表2、表3.

表2 各管理因素在不同等级下的工作内容

表3 各管理因素的修正值

5)人因差错率与工效可靠度的关系.将与时间相关的人因差错率he(t)定义如下：

(7)

式中：Re(t)代表在工作时间t时人的工效可靠度.

在时间间隔[0,t]内，对式(7)积分，得到

(8)

he(t)=BHEP·PSF·μ(t)·m

(9)

式中：BHEP是基本人为差错概率；PSF是绩效形成因子；μ(t)代表承受负荷因子；m为材料常数.

2.2.3 基本事件失效概率计算

2.3 基本事件失效概率分析

以此类推，计算得到所有基本事件的失效概率，假定各个基本事件的概率都能精确估计，则所有基本事件可用布尔代数对事故树进行定量分析.基本事件危险程度见表4.

表4 基本事件危险程度分类

根据基本事件对造成顶事件发生的概率以及发生事故的危害性将这些基本事件进行分类，然后将基本事件的失效概率乘以危险系数再进行逻辑加和逻辑乘计算.综上进行加权计算，最终得到顶事件的发生概率为0.25%，即可靠度为99.75%.

3 高速公路桥梁施工安全预警机制

在可靠性分析的基础上，建立高速公路桥梁工程施工安全系统预警机制，对当前安全状态等级进行划分，达到实时监控的目的，并提出在不同预警状态下的工作方式.

3.1 预警机制

安全等级的确定要把握尺度，如果设计过松不够严谨，会造成潜在危险而未能发现，从而削弱了预警的作用；如果设置过严，则容易发出错误警报，导致误警的频繁发生，使人员思想麻痹.本文通过专家咨询法，在工地和项目部与部分员工进行探讨，结合实际情况，将安全状态等级分为4级，按照发生事故的可能性，从小到大依次是绿色、黄色、橙色和红色，如表5所示.根据计算得到桥梁工程可靠度为99.75%，说明本项目的安全状态处于黄色状态.

表5 不同安全状态等级的预警值

在不同的安全状态下，施工单位需要针对主要危险源采取不同的安全措施，如表6所示.

表6 在不同安全状态下的工作方式

3.2 确定危险源及管控意见

因本项目桥梁工程安全处于黄色状态，所以针对高处坠落事故的主要危险源需采用“黄色”甚至“橙色”的工作模式.根据所有基本事件的失效概率以及危险程度，结合实际情况，得到该项目高处坠落事故的主要危险源为：高处作业不安全动作过多、脚手架材料问题、安全网材料问题、夏季高温中暑.

针对这4个主要危险源，提出以下4点意见：

1)加强对各施工队的管理和教育，定期组织安全教育培训工作，各施工队及作业人员每年不少于20学时，特种作业人员不低于24学时，施工队负责人不低于30学时，所有人员意识到安全生产的重要性，每周项目部指派专职安全管理人员去现场监督施工，指导安全文明施工，并作定期汇报.

2)每天对脚手架进行检查，一旦发现变形或损坏，立即进行更换，并督促工人发现问题及时上报给相关负责人.

3)每天对安全网进行检查，一旦发现破损，立即进行更换.除了督促工人及时上报问题，还应定期指派专职安全管理人员去重点防护区域检查安全网的使用情况.

4)在夏季高温时期，给每个工人配备一定数量的避暑药品和水，合理控制工作时长，避免在高温环境下作业，持续工作时间不超过3.5h，鼓励工人自主调整工作状态.

4 结论

本文以高速公路项目建设的安全事故为研究背景，对高速公路桥梁工程建设主要存在的安全事故进行了分析.

1)选取桥梁工程施工阶段高处坠落事故为研究示例，构建事故树模型，分析基本事件不同失效概率.

2)采用改进的THERP+HCR模式计算人为因素的失效概率，进而得到顶事件的发生概率.

3)在可靠性分析的基础之上，建立高速公路桥梁工程施工安全系统预警机制，对当前安全状态等级进行划分，从而对施工过程中有可能发生的安全事故及时做出管控，有效避免安全事故带来的重大影响，实现对桥梁工程的施工过程中安全风险可靠性的设计、评估以及预警.

本文建立的高速公路桥梁工程安全可靠性评价模式和预警机制，能在外部条件恶化的情况下，督促建设企业重视安全管理，以提高整个项目的可靠性，对实际的生产活动具有一定的借鉴意义.未来将对桥梁施工工程中众多高发事故的安全可靠性进行比较精确、全面的分析，为高速公路项目建设的安全作业管理起到更好的推动作用.