周 武，吳新霞，李端有

(長江科學(xué)院a.工程安全與災(zāi)害防治研究所;b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心;c.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心;d.水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

大型水利水電工程施工場地布置復(fù)雜，施工場面宏大，參加的施工人員、機(jī)械設(shè)備、施工班組多，施工作業(yè)面相互干擾大，安全隱患因素多［1］。特別是修建在狹窄河谷上的水電工程往往混凝土澆筑方量非常巨大，施工作業(yè)面上施工機(jī)械布置十分密集，大量采用大型或超大型塔帶機(jī)、門塔機(jī)、纜車等混凝土運輸設(shè)備，這些設(shè)備又與混凝土倉面施工設(shè)備形成了立體交叉的繁忙施工場面;而且這些設(shè)備均為大壩施工關(guān)鍵設(shè)備，具有施工強(qiáng)度高、群機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備備用系數(shù)低等特點［2］。這些現(xiàn)代化大型機(jī)械設(shè)備對加快大壩施工速度、縮短建設(shè)工期提供了重要保證，同時也給施工場地的安全布置和施工設(shè)備的安全規(guī)劃帶來了巨大挑戰(zhàn)。通常這些設(shè)備在施工過程中呈立體交錯布置，彼此的工作范圍多有重疊現(xiàn)象，交叉作業(yè)頻繁，如果疏忽管理，將會發(fā)生一些意想不到的事故，輕則造成設(shè)備損傷，重則造成設(shè)備報廢、人員傷亡。

因此，對施工場地的安全和危險度進(jìn)行分析評價，科學(xué)合理進(jìn)行施工總布置的安全規(guī)劃，充分利用有限的施工空間，制訂合理的施工設(shè)備布置方法，可為施工操作提供安全的施工空間，為施工作業(yè)節(jié)省時間，能有效減少或避免重大安全事故和安全問題的發(fā)生［3］。本文將時間、空間和運動分析理論引入大型水利水電工程施工機(jī)械安全規(guī)劃問題的分析中，建立了一種完整的施工機(jī)械設(shè)備安全規(guī)劃的理論體系。

2 施工機(jī)械作業(yè)空間劃分

參照項目質(zhì)量管理的理論體系和方法，水利水電工程施工安全事故的影響因素也可以從5M1E過程進(jìn)行分析研究，即認(rèn)為施工過程中，影響安全生產(chǎn)的基本因素由 man(人員)、machine(機(jī)器設(shè)備)、material(原材料)、method(方法)、measurement(測量)和environment(環(huán)境)組成，并構(gòu)成了水電施工安全生產(chǎn)的基本保障體系。任何安全事故均是這些要素因為偶然性原因或系統(tǒng)性原因使安全狀況出現(xiàn)變化，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

水利水電工程施工機(jī)械作業(yè)過程中，人、機(jī)、料、環(huán)作為危險因素的作用主體，可以用來分析施工機(jī)械規(guī)劃布置的安全合理性。對于水利水電工程施工機(jī)械的安全布置問題，可以把空間看成由人－機(jī)－材－環(huán)構(gòu)成的整體，針對施工作業(yè)行為的動態(tài)過程則可以把水利水電工程施工看作是時間影響下的人－機(jī)－材－環(huán)四維系統(tǒng)。

因此，施工機(jī)械布置及施工機(jī)械作業(yè)安全危險性分析，可以看作是人的空間、機(jī)的空間、料的空間、作業(yè)環(huán)境空間隨時間變化情況下的運動分析問題。人的空間是指施工人員所需要的作業(yè)活動空間和安全避讓空間，機(jī)的空間是指施工機(jī)械設(shè)備的作業(yè)活動空間，料的空間是指施工作業(yè)工作面上物料攤鋪、堆放和存儲的空間，作業(yè)環(huán)境空間是施工作業(yè)面能夠提供的約束空間。施工作業(yè)時空及運動分析的概化模型見圖1。

圖1 施工作業(yè)時空及運動分析概化模型Fig.1 Generalized model of construction based on space-time analysis and motion analysis

3 施工機(jī)械設(shè)備安全規(guī)劃理論體系

3.1 安全規(guī)劃分析的空間模型定義

為便于對施工機(jī)械安全規(guī)劃過程中的空間進(jìn)行管理，可以把空間分析對象定義為實物空間、安全防護(hù)空間和約束空間。

實物空間是指在施工過程中的施工對象自身的幾何尺寸決定的空間。實物空間中，大部分不隨時間變形，只是空間尺寸出現(xiàn)變化，但也有隨著施工活動的開展，其在空間尺寸上是動態(tài)變化的，如施工完成的建筑物，隨著工程的進(jìn)行其空間尺寸會動態(tài)變化;實物空間用VM表示。安全防護(hù)空間是指水利水電工程施工過程中，為保證施工安全，在各施工對象實物空間基礎(chǔ)上，按照有關(guān)安全防護(hù)技術(shù)規(guī)范各作業(yè)對象滿足自身安全運行的空間;安全防護(hù)空間用VP表示。約束空間是指提供給施工作業(yè)的環(huán)境空間，約束空間用VC表示。

為同時反映施工過程對空間的影響，可以把空間對象定義為靜態(tài)空間和動態(tài)空間，動態(tài)空間反映了施工活動考察期內(nèi)的空間變化過程。靜態(tài)空間用VS表示，動態(tài)空間用VD表示。

空間定義層次關(guān)系見圖2。

圖2 施工空間層次關(guān)系圖Fig.2 Hierarchical graph of construction space

3.2 施工空間的定量描述

定義如下功能函數(shù)，對施工作業(yè)對象的t時刻的所占用的空間Vt進(jìn)行描述，即

式中:(x，y，z)表示施工對象所占用空間的位置;(r，h)表示施工對象所占用的圓柱狀包絡(luò)空間的大小。

顯然時間段ΔT內(nèi)的空間為施工對象的動態(tài)空間，可用考察期時間段內(nèi)各時刻點所占用空間的交集表示。

3.3 施工空間相互關(guān)系的定量描述

施工作業(yè)活動進(jìn)行期間，施工作業(yè)空間對象隨時間不斷變換位置，同時部分對象動態(tài)空間的大小和性狀也會不斷變化，如施工機(jī)械的動態(tài)作業(yè)空間可用其圓柱狀包絡(luò)面的位置發(fā)生變化進(jìn)行定量表示(見圖3)。

圖3 施工機(jī)械作業(yè)空間定量表示Fig.3 Quantitative expression for the work space of construction machinery

但是，不管施工作業(yè)對象的位置和大小如何變化，任意空間總是可以定量或定性的描述為相鄰關(guān)系或搭接關(guān)系。用數(shù)學(xué)關(guān)系表示即為對于任意施工對象V1和V2，如存在V1∩V2＞0，則認(rèn)為空間對象V1和V2之間存在搭接關(guān)系，表示該施工作業(yè)活動中存在共享空間安排施工的情形;如存在V1∩V2＜0，則認(rèn)為空間對象V1和V2之間為相鄰關(guān)系，表示該施工活動各自占用不同的施工空間。

用空間對象的距離關(guān)系表示，則對空間對象V1t(P1(x，y，z)，S1(r，h)，t)和V2t(P2(x，y，z)，S2(r，h)，t)。P1，P2為施工空間對象 V1和V2的形心點;S1和S2為施工空間對象動態(tài)作業(yè)的圓柱狀包絡(luò)面。如果對象之間的距離存在

則認(rèn)為空間對象V1和V2之間為相鄰關(guān)系;如存在

則認(rèn)為空間對象V1和V2之間為搭接關(guān)系。式中，

3.4 施工空間對象的投影轉(zhuǎn)換

水利水電工程施工機(jī)械設(shè)備布置往往是從三維空間的合理利用來進(jìn)行考慮的，但是安全事故的發(fā)生與施工對象在施工作業(yè)面的投影工作面息息相關(guān)，如高空墜物危險最終導(dǎo)致的是施工作業(yè)面上的人機(jī)傷害事件，機(jī)械垮塔導(dǎo)致的是機(jī)械倒塌覆蓋面內(nèi)的地面施工作業(yè)面的人機(jī)傷害事件。

為便于分析施工場地的安全影響，我們把施工對象所占用的施工空間對象投影至施工工作面進(jìn)行綜合考慮。進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換時，空間對象和平面投影采用同一坐標(biāo)系，且所有空間對象均投影至同一水平面(見圖4)，根據(jù)施工空間定量描述，同理空間對象的投影可以表示為

圖4 施工對象的投影轉(zhuǎn)換模型Fig.4 Projection transform model for construction objects

按照施工空間定義層次關(guān)系，可將各施工空間對象投影獲得的施工工作面分別定義為靜態(tài)實物工作面SSM、靜態(tài)安全防護(hù)工作面SSP、動態(tài)實物工作面SDM、動態(tài)安全防護(hù)工作面SDP和約束工作面SC。同時，對應(yīng)施工作業(yè)模型概念，可以把施工作業(yè)對象所占用的投影工作面分別分解為人的工作面、機(jī)的工作面、料的工作面和約束工作面。

4 施工機(jī)械安全規(guī)劃評價體系

4.1 施工作業(yè)對象的安全判別標(biāo)準(zhǔn)

按照施工空間相互關(guān)系的分類以及施工作業(yè)對象的投影工作面定義關(guān)系，可以認(rèn)為施工作業(yè)對象(人員與機(jī)械之間、機(jī)械與機(jī)械之間、機(jī)械與材料之間等)在考慮國家強(qiáng)制性文件規(guī)定的安全防護(hù)空間后，如果存在作業(yè)面投影上的相鄰關(guān)系，則認(rèn)為該場地發(fā)生安全事故的概率很小，以致可以忽略不計。如果是兩個作業(yè)對象實物空間投影滿足相鄰關(guān)系，但安全防護(hù)空間投影存在搭接關(guān)系，則認(rèn)為存在安全事故隱患;如果2個作業(yè)對象實物空間投影存在搭接關(guān)系，則認(rèn)為該工作無法完成或存在高事故安全隱患。

按照上述定義，假定某施工作業(yè)面存在施工機(jī)械對象O1和O2，其實物空間和安全防護(hù)空間施工作業(yè)面上的投影為(x1，y1，r1，t))、(x2，y2，r2，t)和(x1，y1，r'1，t)、(x2，y2，r'2，t)，可得到施工場地內(nèi)施工機(jī)械安全判別標(biāo)準(zhǔn):

(1)施工作業(yè)活動安全性高，施工機(jī)械對象O1和O2滿足下式:

其中，

(2)施工作業(yè)活動存在不可忽略的安全事故隱患，施工機(jī)械對象O1和O2滿足下式:

(3)施工作業(yè)活動安全隱患高，施工機(jī)械對象O1和O2滿足下式

4.2 施工場地內(nèi)施工機(jī)械安全評價標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)施工場地內(nèi)施工約束工作面為SC，約束工作面內(nèi)實際可供利用工作面為SUC。

考察施工作業(yè)面上所有施工對象:

(1)如存在

則認(rèn)為考察期T內(nèi)給所有施工設(shè)備分配安全工作面，就能完成該項工作，所有施工機(jī)械能通過合理安排做到施工設(shè)備兩兩相鄰。說明施工場地內(nèi)機(jī)械配置合理，施工場地布置基本總體是安全的，且在不影響安全前提下存在加快工程施工進(jìn)度的可能。

(2)如存在

且

則認(rèn)為考察期T內(nèi)通過安排施工機(jī)械交叉作業(yè)能夠完成當(dāng)前計劃任務(wù)。但由于施工機(jī)械施工過程中安全緩沖區(qū)存在交叉搭接情況，因此施工過程中存在一定安全隱患，其施工過程中應(yīng)充分重視對施工機(jī)械設(shè)備的聯(lián)合調(diào)度。

(3)如存在

且

則認(rèn)為考察期T內(nèi)通過安排施工機(jī)械交叉作業(yè)情況頻繁，施工機(jī)械施工過程存在設(shè)備之間的交錯情況，因此施工過程中存在較大安全隱患。

(4)如存在

則認(rèn)為當(dāng)前選用的施工機(jī)械設(shè)備不能滿足當(dāng)前施工強(qiáng)度要求，也不能保證工程施工安全。

4.3 施工機(jī)械布置安全評價指標(biāo)

為有利于對施工機(jī)械布置方案進(jìn)行調(diào)整，找出耗用施工場地時空資源的主要因素，可定義施工場地內(nèi)施工機(jī)械的時空重要性識別指標(biāo)Wi如下:

或

當(dāng)機(jī)械布置不合理時，通過對比時空重要性識別指標(biāo)，可以找出影響施工安全的主要機(jī)械設(shè)備，然后結(jié)合施工進(jìn)度安排，通過調(diào)整該設(shè)備的具體運用計劃，可以達(dá)到提高施工場地安全性的目的。

同時通過建立施工機(jī)械設(shè)備時空容積率指標(biāo)R，可以得出施工場地施工設(shè)備安全規(guī)劃評價指標(biāo)，施工機(jī)械設(shè)備時空容積率指標(biāo)由式(18)獲得:

顯然施工機(jī)械設(shè)備容積率指標(biāo)反映了施工作業(yè)面上，施工機(jī)械設(shè)備動態(tài)作業(yè)的密集程度。當(dāng)R＜1認(rèn)為施工場地施工機(jī)械布置合理，施工作業(yè)是安全的;當(dāng)R≥1時，R越大反映施工機(jī)械布置的安全風(fēng)險越高。

5 結(jié)語

本文首先給出了水利水電工程施工機(jī)械設(shè)備安全規(guī)劃理論的基本概念，然后通過對相鄰施工對象的安全評價準(zhǔn)則、場地內(nèi)施工機(jī)械對象的安全評價標(biāo)準(zhǔn)及安全評價指標(biāo)進(jìn)行探討和研究，建立了水利水電施工場地安全規(guī)劃及施工機(jī)械設(shè)備布置安全規(guī)劃分析評價的理論體系。本文研究成果對如何客觀認(rèn)識和評價施工場地內(nèi)和施工過程中的機(jī)械設(shè)備給施工過程帶來的安全問題;在保證施工安全前提條件下，如何充分利用有限的施工作業(yè)時空資源，制定科學(xué)合理的施工設(shè)備布置方案，提出了一種基于時間、空間和運動分析的全新理論體系。該理論體系為施工場地安全規(guī)劃的研究提供了一種新途徑。

目前該理論對于水利水電工程應(yīng)用研究的實例尚少，下一步將重點結(jié)合水利水工工程主要施工工作面、主要施工作業(yè)程序開展評價指標(biāo)的統(tǒng)計分析工作，總結(jié)出具有指導(dǎo)性意義的水利水電工程施工機(jī)械安全規(guī)劃，并提供定量化的評價標(biāo)準(zhǔn)。

［1］魏 璇.水利水電工程施工組織設(shè)計指南［M］.北京:中國水利水電出版社，1999.(WEI Xuan.Organization Design Guide for the Construction of Hydraulic and Hydroelectric Engineering［M］.Beijing:China Water Power Press，1999.(in Chinese))

［2］司兆樂，魏 璇，夏仲平.水利水電樞紐施工技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社，2002.(SI Zhao-le，WEI Xuan，XIA Zhong-ping.Technology of the Construction of Hydraulic and Hydroelectric Engineering［M］.Beijing:China Water Power Press，2002.(in Chinese))

［3］王任超，楊 弢，吳 艷.空間分析理論在水利水電工程安全問題研究中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2004，35(5):52－55.(WANG Ren-chao，YANG Tao，WU Yan.Application of Spatial Analysis Theory in Studying Safety Problems of Water Conservancy and Hydropower Project［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2004，35(5):52－55.(in Chinese))