泰州大桥总体施工安全风险评估

6.2　泰州大桥总体施工安全风险评估

6.2.1　工程概况

泰州大桥是江苏省“五纵九横五联”高速公路网和国家《长江三角洲地区现代化公路交通规划纲要》重要的过江通道工程，对完善国、省干线公路网，加强泰州、镇江、常州的交流，促进长江两岸区域经济的均衡发展和沿江开发开放，改善长江航运条件具有积极的作用。在本书的第1章中已对泰州大桥的位置、技术难点和创新点进行了具体介绍，这里不再赘述。

6.2.2　施工安全分析

（1）泰州大桥建设项目参建施工及监理标段众多，参建人员目前已有上千人。全线划分为11个监理标段，38个主体工程施工标段和2个交通工程及沿线设施标段，施工组织及管理非常复杂，致使安全管理的难度加大。

（2）施工过程中采用大量新技术、新工艺、新材料，这些都给安全管理提出了更高的要求。主桥采用世界第一的2×1　080m特大跨径三塔两跨悬索桥；中塔采用世界高度第一的纵向人字形钢塔，塔高192m，总重13　000t；中塔采用世界上入土最深的水中沉井基础，下沉至标高－70m的深度。

（3）工程建设气候条件较差，易遇雷电、台风等自然灾害，地质、水文条件对工程要求也比较高，水上施工易受水流、潮汐、大风、河床冲刷等不利因素的影响。

（4）施工机械众多，全桥从基础工程到上部结构安装都使用了大量的机械设备，尤其是使用了大量危险性较大的起重机械。

（5）高处作业多，历时长。南、北锚碇分别采用高41m、57m的沉井，南、北塔塔顶高度达180m，中塔采用76m高沉井基础、192m高钢塔结构，这些施工都属于特高处作业，而且整个作业贯穿工程建设始终，历时较长。

（6）水上作业多，交通运输繁忙。悬索桥中塔的作业平面搭在水上，施工人员、材料和机具的运送都要依靠船舶，极易发生事故，而且作业平台需警惕受到船舶的撞击。

6.2.3　风险识别

风险识别阶段就是对施工阶段影响施工安全的风险因素进行识别。从上一小节施工安全分析中可以看出，桥梁施工阶段的安全风险可能来自施工工艺、意外事故、自然灾害、人为灾害等多方面，以往的桥梁施工阶段风险研究中，往往只考虑物的不安全因素，而忽略了人的不安全因素。实际上，由于施工阶段的很多环节都有人的参与，人的不安全因素对施工阶段的风险估计有着很大的影响。研究表明，当人的不安全因素与物的不安全因素同时出现时，事故的发生率就会显著增大。因此，本章在确定施工阶段主要风险因素指标体系时，综合考虑了物的不安全因素和人的不安全因素。具体的风险因素指标体系如图6－6所示。

6－6　桥梁施工阶段主要风险因素指标体系

1.施工环境

分为自然环境和社会环境。自然环境指的是桥梁施工阶段遇到的地震、台风、寒潮、洪水等自然灾害，这是桥梁施工中的常见风险；社会环境指的是政府支持程度、工程区域供水供电情况、交通运输情况、材料获取难易等，其引起的施工阶段后果主要是经济损失和施工延误。

2.施工过程管理

施工过程管理指施工过程中组织是否清晰，管理制度是否完善，人员安排和分工是否合理，进度安排是否控制得当，关键施工工序是否有单独完整的专项方案和施工组织设计等。桥梁工程施工组织管理是施工过程控制的重要措施，组织和管理混乱会增加施工成本，影响施工进度，降低施工质量，进而增加施工阶段风险。

3.施工工艺成熟度

施工工艺复杂程度，对施工工艺过程是否很清楚，有无类似工程经验作为参考，采用新材料和新技术前进行小规模试验的试验次数和程度是否足够等，这对施工阶段风险也有很大影响。

4.船撞

通过对国内外桥梁事故分析表明，碰撞事故在所有事故原因中所占比例最大。碰撞事故一般可分为船撞和车撞，桥梁施工阶段的碰撞事故主要是船撞，而船撞引起的后果往往比较严重，严重损伤或倒塌占多数。因此，船撞也是桥梁施工阶段的一个主要风险因素。

5.施工设备问题

大型桥梁施工机械众多，全桥从基础工程到上部结构安装，都使用了大量的机械设备，尤其是使用了大量危险性较大的起重机械。研究表明，桥梁施工过程中机械伤害所占比例很大。在施工机械众多的情况下，如果发生施工设备类型不符合、质量不合格、供应拖延等情况，又会进一步增加施工风险。

6.施工人员问题

桥梁施工人员规模依据桥梁大小的复杂程度而定，施工人员规模越大，参与人越多，风险越大。此外，施工人员的安全意识也对施工风险有很大影响。

7.设计问题

设计问题包括建设规模、设计复杂度和设计失误问题。在同一工程区域、同类型桥梁中，桥梁建设规模越大，复杂度越高，施工安全风险就越高。此外，设计时某些结构尺寸不合理、承载力不足等设计失误也是导致施工阶段发生重大事故的原因。

8.施工材料质量问题

施工时不按设计阶段对材料的要求而采用质量较差的材料，原材料供应不足，数量有误等，都会对桥梁风险产生重大影响。

在以上所有风险因素中，施工过程管理和施工人员问题属于人的不安全因素，其他因素属于物的不安全因素。

6.2.4　基于FCE的风险估计与评价

1.风险估计

（1）评语集的确定

采用模糊综合评判方法（FCE）进行风险估计，参照表6－5，取评语集F＝（f₁，f₂，f₃，f₄），f₁，f₂，f₃，f₄分别代表4种风险等级，各种风险等级的要求如表6－5所示。

（2）隶属度函数的确定

这里，根据每一项风险因素发生后可能引起的风险损失来确定其隶属度函数，风险损失包括人员伤亡损失和经济损失，其判断标准参考表6－2、6－3，得到各自的判断标准表如表6－7和表6－8所示。

表6－7　人员伤亡判断标准表

表6－8　经济损失判断标准表

采用专家调查法得到风险损失分值，其计算方法如下：

风险损失分值C＝人员伤亡分值C₁＋直接经济损失分值C₂（6－6）

这里选用三角形分布函数，并根据风险损失分值确定隶属度函数，如图6－7所示。

图6－7　隶属度函数图

用公式表示，可得评价矩阵中第i个风险因素的隶属度如下：

采用专家调查法，由表6－7、表6－8得到每一项风险因素发生后可能引起的风险损失分值如表6－9所示。

表6－9　风险损失分值表

根据式（6－6）计算得到：

　　　　　C＝［C₁　C₂　C₃　C₄　C₅　C₆　C₇　C₈］

　　　　　 ＝［85　75　70　65　80　75　75　73］

由式（6－7a）、（6－7b）、（6－7c）、（6－7d）得到评价矩阵如下：

（3）权重的确定

采用层次分析法进行权重的确定，由有经验的专家依据风险发生概率对不同风险因素在施工安全风险评估中的重要程度进行比较和分析，采用九分位法，得到判断矩阵A，如下所示：

根据式（6－2），得到各风险因素的权重为：

w₂＝［0.164　74　0.055　64　0.055　64　0.094　682　0.284　9　0.284　9　0.032　255　0.027　247］

根据式（6－3）计算得：CR＝0.013　157＜0.1，矩阵具有可接受的一致性，无需调整。

（4）模糊综合评判

将隶属度函数确定中得到的评价矩阵R和权重确定中得到的权重矩阵w带入式（6－5）可得：

B＝w·R＝（0.419　81　0.580　19　0　0）

2.风险评价

采用最大隶属度原则确定评价结果，可以看出，b₂＝0.580　19，按照最大隶属度原则可知，b₂＝max｛b_i：1≤i≤4｝，因此该桥风险等级为2级，风险水平有条件接受，工程有进一步实施预防措施以提升安全性的必要。

6.2.5　基于蒙特卡罗方法的风险估计与评价

1.风险估计

（1）确定功能函数

以风险后果值来衡量风险后果，它的值由风险发生概率和风险损失来确定，通常各项风险因素的风险发生概率和风险损失都不相同。考虑到人的不安全因素和物的不安全因素同时出现时，事故发生概率会显著增大，本书尝试构建这样的功能函数：

式中：R——风险后果值；

　　　p_i——物的不安全因素中第i项风险因素的发生概率；

　　　c_i——物的不安全因素中第i项风险因素引发风险后带来的损失；

　　　n——物的不安全因素项数；

　　　p_j——人的不安全因素中第j项风险因素的发生概率；

　　　c_j——人的不安全因素中第j项风险因素引发风险后带来的损失；

　　　m——人的不安全因素项数。

风险发生概率和风险损失的取值参照表6－10和表6－11。

表6－10　风险概率描述

表6－11　风险损失描述

（2）确定风险因素的概率分布

采用专家调查法并参照文献统计的资料，初步得到各项风险因素的风险发生概率分布和风险损失概率分布。某项风险因素的风险发生概率分布根据所有调查桥梁中由该项风险因素引发事故的概率确定，采用定值；风险损失概率分布由发生风险后的损失程度来确定，大体上服从正态分布。参照表6－10和表6－11，具体的风险发生概率值和风险损失概率分布参数如表6－12所示。

（3）风险等级分级

通过Matlab编制计算程序，利用随机数发生器进行抽样，将产生的随机数序列带入功能函数进行计算，得到的样本风险后果值分布频率直方图如图6－8所示，风险后果值累计频率如图6－9所示。

表6－12　风险因素概率分布

图6－8　风险后果值分布频率直方图

图6－9　风险后果值频率累积图

根据图6－9中的累计频率，将风险等级分为1、2、3、4级，各级对应的累计频率范围、风险后果值范围和风险等级要求如表6－13所示。

表6－13　风险等级表

采用蒙特卡罗方法对某座桥梁进行施工阶段风险估计时，首先根据桥梁实际情况确定各项风险因素的风险发生概率和风险损失，然后带入功能函数，得到风险后果值，参照表6－13判断其风险等级。

（4）泰州大桥风险发生概率和风险损失取值

①施工环境

该桥地处平原水网地区，地质灾害较少，主要为地面沉降、地裂缝、长江江岸坍塌等缓变性地质灾害。此外，该区域处于北亚热带湿润气候区，由于受热带季风的影响，每年汛期，需要格外注意台风和洪涝引起的长江江岸崩塌。综合以上因素，初步认为p₁＝3.5，c₁＝1.5。

②施工组织管理

该桥梁作为特大工程，参建施工及监理标段众多，施工组织复杂，管理难度较大。但该桥梁建设进行了一系列安全管理创新性实践，包括将职业健康安全管理体系引入到工程建设项目、首次制定安全生产风险抵押金考核等，因此，初步认为p₂＝3，c₂＝2.5。

③施工工艺成熟度

该桥施工过程中采用大量新技术、新工艺、新材料，施工难度高，风险大。在工程可行性研究阶段，开展了多项相关研究，例如自主研发，采用钢锚墩加锚系的半刚性锚固体系，在沉井施工全过程中，采用数字化动态监控系统对沉井进行实时监测，保证了沉井精确下沉就位。高度重视和不断研究在一定程度上减少了风险发生概率，初步认为p₃＝2.5，c₃＝3.5。

④船撞

该桥施工期间，水上作业多，交通运输繁忙，易发生事故，而且作业平台需警惕受到船舶的撞击。但该桥在施工期间开展了防撞专项研究，在中塔承台四周设置灯光警示标志，并设计了两个防撞设施。鉴于这些因素，初步认为p₄＝3，c₄＝4。

⑤施工设备问题

该桥属于特大桥梁，施工机械众多，全桥从基础工程到上部结构安装，都使用了大量的机械设备，尤其是使用了大量危险性较大的起重机械，因此，初步认为p₅＝3.5，c₅＝2。

⑥施工人员问题

该桥梁作为特大工程，参建人员目前已有上千人，因此，存在一定风险。但由于该特大桥梁的建设受到高度重视，因此在施工人员的选择上也严格把关，且施工阶段有比较完备的安全检查制度，因此，初步认为p₆＝3，c₆＝2.5。

⑦设计问题

该桥梁在设计阶段经过严格把关，因此，由于设计失误造成尺寸不合理的概率很小。但是由于该桥梁主桥设计标准高、桥型结构体系复杂、沉井规模大、钢中塔阶段重量大、吊装难度高等原因，还是会给施工带来很大的风险。鉴于上述因素，初步认为p₇＝1.5，c₇＝2.5。

⑧施工材料质量问题

该大桥在建设时对施工材料进行严格控制和把关，实行三级检查制度，包括施工单位自检，监理单位抽检和业主复检。因此，由于施工材料质量问题造成的风险较小，初步认为p₇＝1.5，c₇＝3。

（5）结论分析

根据式（6－8），计算可得：

R＝（3.5×1.5＋2.5×3.5＋3×4＋3.5×2＋1.5×2.5＋1.5×3）

　×（3×2.5＋3×2.5）

　＝618.75

2.风险评价

参照表6－13可得该桥施工阶段风险等级为2级。风险水平有条件接受，工程有进一步实施预防措施以提升安全性的必要。

6.2.6　风险控制

由于泰州大桥为新型超大桥梁，因此其施工安全风险需要引起人们的格外关注。6.2节分别采用模糊综合评判法和蒙特卡罗法进行总体施工安全风险评估，旨在风险评价的基础上，采取适当的风险控制措施，使施工安全风险降到最低。从确定权重的风险发生概率上可以看出，风险发生概率最大的风险因素为施工设备问题、施工人员问题和施工环境，这主要是因为桥梁参与的施工人员多而复杂、施工设备众多以及高处作业、水上作业时间长引起的。因此，在施工开始之前，应针对各项具体的施工环节合理选择施工方法，并制定相应的人员、设备安全措施。具体的工程案例和控制措施在6.3节和6.4节中进行阐述。