劉朝陽，呂永波，劉步實，歐陽琪，李 晶

(北京交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，北京 100044)

近些年，高速公路建設(shè)大規(guī)模向山區(qū)發(fā)展，但山區(qū)環(huán)境惡劣，橋梁、隧道工程眾多，各種工序相互交叉，施工環(huán)境多變，導(dǎo)致危險源集中，造成高速公路的建設(shè)難度增大[1].因此，如何確保高速公路工程的施工安全，預(yù)防事故的發(fā)生，從而順利實現(xiàn)公路交通建設(shè)跨越式發(fā)展，是一項重大而現(xiàn)實的課題.

文獻[2]通過事故樹方法，研究了高處墜落事故的發(fā)生原因.文獻[3]通過統(tǒng)計分析的方法，尋找事故的發(fā)生規(guī)律.文獻[4]研究了人的不安全行為產(chǎn)生過程，搭建安全管理與不安全行為之間的關(guān)系.文獻[5]研究了基于事故樹模型的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，利用正反向推理的邏輯方法，得到險情的預(yù)測值.然而,相關(guān)研究只進行了事故的定性分析，未能獲得比較精確的分析結(jié)果；或未能深入分析導(dǎo)致不安全行為的原因，沒有考慮人為因素給生產(chǎn)帶來的影響.

針對以上問題，本文作者應(yīng)用科學(xué)的評價方法，對高速公路橋梁工程的施工過程進行安全風(fēng)險評估，以橋梁工程高處墜落事故為研究對象，構(gòu)建事故樹模型，分析基本事件的不同失效概率，并采用改進的人因失誤預(yù)測技術(shù)(Technique for Human Error Rate Prediction,THERP ) +人的認(rèn)知可靠性(Human Cognitive Reliability,HCR) 模式計算人為因素的失效概率，進而計算得到頂事件的發(fā)生概率.在可靠性分析的基礎(chǔ)之上，建立高速公路橋梁工程施工安全系統(tǒng)預(yù)警機制，對當(dāng)前安全狀態(tài)等級進行劃分，從而實現(xiàn)對施工過程中有可能發(fā)生的安全事故及時做出管控，避免安全事故帶來的重大影響，進一步提升安全管理的能力.

1 橋梁工程安全可靠性研究

1.1 高速公路橋梁工程

包茂高速公路粵境段第T10標(biāo)全長15 871 m，其中主線橋梁10座，長2 224.9 m，其中包含一座特大橋，全長1 198 m.本項目在山區(qū)修建高速公路，環(huán)境惡劣，地形條件復(fù)雜；橋梁工程較多，導(dǎo)致高處作業(yè)多；地處廣東茂名境內(nèi)，夏季高溫，受臺風(fēng)等自然環(huán)境的影響較大；勞動對象體積、規(guī)模大，施工作業(yè)者勞動強度高，手工勞動多；人機混合作業(yè)，易產(chǎn)生機械傷害.項目部同時管轄多個施工隊，施工人員參差不齊，安全管理難度較大.本文以該項目為例，以橋梁工程的高處墜落事故為研究對象，對橋梁工程安全可靠性進行評估及預(yù)警研究.

1.2 系統(tǒng)可靠性研究方法

高速公路事故類型主要是高處墜落、施工坍塌、物體打擊、觸電和機械傷害等五大類型.在五大傷害事故中，高處墜落事故的發(fā)生數(shù)和死亡人數(shù)都是最多的，約占所有傷害事故的30%，是高速公路施工安全管理的重點[6-7].高處墜落是橋梁施工工程中高發(fā)事故的典型案例，可用事故樹構(gòu)建和預(yù)警體系方法進行安全風(fēng)險評估.將橋梁工程安全的可靠性定義為：在規(guī)定時間內(nèi)和規(guī)定條件下，在不發(fā)生高處墜落事故的前提下，高速公路建設(shè)項目施工方按照設(shè)計要求完成工程項目的能力.

在研究高速公路橋梁工程安全可靠性時，先采用事故樹進行分析，計算最小割集.將底事件區(qū)分為客觀因素和人為因素，其中人為因素的失效概率采用THERP+HCR模式[8]進行計算.但是在實際操作中，很難確定事故樹基本事件發(fā)生的概率及其分布，這給正確計算事件的失效概率帶來了困難.因此，在實際工程中，除了以上方法，還應(yīng)該根據(jù)工程經(jīng)驗，采用概率統(tǒng)計和專家問卷調(diào)查法進行修正，最后根據(jù)最小割集以及底事件的危險程度，加權(quán)求得頂事件的發(fā)生概率，計算過程如圖1所示.

圖1 頂事件發(fā)生概率的計算過程Fig.1 Procedure of top event probability

2 橋梁施工高處墜落事故樹分析

2.1 高處墜落事故樹分析

根據(jù)對施工過程中高處墜落事故的原因分析，繪制事故樹如圖2所示,事件說明如表1所示.

圖2 高處墜落事故事件及其符號Fig.2 Events and symbols of falling accident

符號事件 符號事件 符號事件 T高處墜落事故X1爬架提升時違章作業(yè)X16身體不適或突發(fā)疾病M1不可防護型故障X24 m以上立柱、獨立架支撐不搭腳手架X17突遇大風(fēng)、暴雨天氣M2可防護型故障X3拆除工程違章作業(yè)X18機械、車輛碰撞M3設(shè)備管理缺陷X4井架吊籃載人上下X19夏季高溫中暑M4固定設(shè)施故障X5攜帶笨重物品登高X20冬雨季施工腳手架及跳板上雨浸霜凍易滑M5發(fā)生故障X6相鄰主框架建無定型支撐框架X21危險地段未設(shè)警示裝置M6防護不當(dāng)X7腳手架材料問題X22夜間施工照明不夠M7個人操作問題X8圍護欄桿材料問題X23作業(yè)面狹小M8個人身體故障X9腳手板有空頭板X24地形條件問題M9環(huán)境故障X10架桿搭設(shè)不符合要求X25洞口未防護,臨邊未防護M10安全防護投入X11酒后登高X26操作平臺、交叉作業(yè)安全防護不規(guī)范M11防護用具問題X12高處作業(yè)不安全動作X27攀登與懸空作業(yè)的安全防護不規(guī)范M12突發(fā)性環(huán)境故障X13攀登不安全位置X28三寶使用不當(dāng)M13季節(jié)性環(huán)境故障X14混凝土運料追逐超車X29未配齊三寶M14施工環(huán)境故障X15職業(yè)病工人登高作業(yè)X30三寶質(zhì)量問題

2.2 基本事件失效概率分析

2.2.1 客觀因素的失效概率

客觀因素的失效概率可類比于材料的疲勞壽命問題，即不同載荷下基本事件的客觀因素失效概率是不同的，如腳手架長期處于超載狀態(tài)，其使用壽命會相對較短，失效概率也相對較大.

用數(shù)學(xué)形式對疲勞壽命曲線進行描述，提出疲勞壽命曲線模型[9]為

σαN=C

(1)

式中：σα是材料所受的應(yīng)力；N是材料在相應(yīng)載荷下的使用壽命；C均為材料常數(shù).

假設(shè)產(chǎn)品壽命滿足威布爾分布，則其相應(yīng)的分布函數(shù)和可靠度分別為

2.2.2 人為因素的失效概率

THERP模式主要基于人因可靠性分析(Human Reliability Analysis,HRA)事件樹模型[10]，它將人因事件中涉及的人員行為按事件的發(fā)展過程進行分析，并在事故樹中確定失效途徑后進行定量計算.

HCR是人對系統(tǒng)異常信號未能在有限時間內(nèi)做出正確響應(yīng)的概率.它認(rèn)為每種行為類型的失誤概率決定于允許操作人員的響應(yīng)時間t和操作人員執(zhí)行時間T1/2之比，且遵從三參數(shù)的威布爾分布[10],有

(4)

式中α、β、γ是與行為類型有關(guān)的參數(shù).

在不同行業(yè)中，人因差錯率是不一樣的，人承受負(fù)荷的能力也會影響人因差錯率的差異.

1)基本失效概率的確定.在HRA事件樹中，人員獨立完成某一項子任務(wù)的失效概率由基本人為差錯概率(Basic Human Error Probability,BHEP)表示.本文采用認(rèn)知可靠性與誤差分析方法(Cognitive Reliability and Error Analysis Method,CREAM)的認(rèn)知功能失效概率作為基本值.

2)行業(yè)實際情況的修正.在不同行業(yè)環(huán)境下，工作人員也大有不同，這時需要用績效形成因子(Performance Shaping Factor,PSF) 修正不同行業(yè)的差異，這里將高速公路施工行業(yè)的PSF值設(shè)置為0.5.

3)人承受負(fù)荷的修正.大量的實踐證明，人由于心理和生理的原因，其承受工作負(fù)荷的能力在不同的工作時間段呈現(xiàn)出一定差異.當(dāng)工作強度大于人的承受工作負(fù)荷的能力時，人因差錯率要大于正常的工作狀態(tài).根據(jù)工地現(xiàn)場發(fā)放的調(diào)查問卷，得出人承受工作負(fù)荷的能力如圖3所示.

曲線擬合的多項式(R2=0.994 3)為

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

5.74t2+18.183t+73.649

(5)

圖3 人承受工作負(fù)荷的能力隨時間的變化Fig.3 Variation of people tolerance with time

用承受負(fù)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幾個部分：安全培訓(xùn)、安全檢查、現(xiàn)場監(jiān)督、施工人員管理、施工組織方案和安全技術(shù)交底.為了區(qū)分明顯，將管理因素進行分級，針對級別的不同，確定管理因素各自工作內(nèi)容以及管理因素的修正值，見表2、表3.

表2 各管理因素在不同等級下的工作內(nèi)容

表3 各管理因素的修正值

5)人因差錯率與工效可靠度的關(guān)系.將與時間相關(guān)的人因差錯率he(t)定義如下：

(7)

式中：Re(t)代表在工作時間t時人的工效可靠度.

在時間間隔[0,t]內(nèi)，對式(7)積分，得到

(8)

he(t)=BHEP·PSF·μ(t)·m

(9)

式中：BHEP是基本人為差錯概率；PSF是績效形成因子；μ(t)代表承受負(fù)荷因子；m為材料常數(shù).

2.2.3 基本事件失效概率計算

2.3 基本事件失效概率分析

以此類推，計算得到所有基本事件的失效概率，假定各個基本事件的概率都能精確估計，則所有基本事件可用布爾代數(shù)對事故樹進行定量分析.基本事件危險程度見表4.

表4 基本事件危險程度分類

根據(jù)基本事件對造成頂事件發(fā)生的概率以及發(fā)生事故的危害性將這些基本事件進行分類，然后將基本事件的失效概率乘以危險系數(shù)再進行邏輯加和邏輯乘計算.綜上進行加權(quán)計算，最終得到頂事件的發(fā)生概率為0.25%，即可靠度為99.75%.

3 高速公路橋梁施工安全預(yù)警機制

在可靠性分析的基礎(chǔ)上，建立高速公路橋梁工程施工安全系統(tǒng)預(yù)警機制，對當(dāng)前安全狀態(tài)等級進行劃分，達到實時監(jiān)控的目的，并提出在不同預(yù)警狀態(tài)下的工作方式.

3.1 預(yù)警機制

安全等級的確定要把握尺度，如果設(shè)計過松不夠嚴(yán)謹(jǐn)，會造成潛在危險而未能發(fā)現(xiàn)，從而削弱了預(yù)警的作用；如果設(shè)置過嚴(yán)，則容易發(fā)出錯誤警報，導(dǎo)致誤警的頻繁發(fā)生，使人員思想麻痹.本文通過專家咨詢法，在工地和項目部與部分員工進行探討，結(jié)合實際情況，將安全狀態(tài)等級分為4級，按照發(fā)生事故的可能性，從小到大依次是綠色、黃色、橙色和紅色，如表5所示.根據(jù)計算得到橋梁工程可靠度為99.75%，說明本項目的安全狀態(tài)處于黃色狀態(tài).

表5 不同安全狀態(tài)等級的預(yù)警值

在不同的安全狀態(tài)下，施工單位需要針對主要危險源采取不同的安全措施，如表6所示.

表6 在不同安全狀態(tài)下的工作方式

3.2 確定危險源及管控意見

因本項目橋梁工程安全處于黃色狀態(tài)，所以針對高處墜落事故的主要危險源需采用“黃色”甚至“橙色”的工作模式.根據(jù)所有基本事件的失效概率以及危險程度，結(jié)合實際情況，得到該項目高處墜落事故的主要危險源為：高處作業(yè)不安全動作過多、腳手架材料問題、安全網(wǎng)材料問題、夏季高溫中暑.

針對這4個主要危險源，提出以下4點意見：

1)加強對各施工隊的管理和教育，定期組織安全教育培訓(xùn)工作，各施工隊及作業(yè)人員每年不少于20學(xué)時，特種作業(yè)人員不低于24學(xué)時，施工隊負(fù)責(zé)人不低于30學(xué)時，所有人員意識到安全生產(chǎn)的重要性，每周項目部指派專職安全管理人員去現(xiàn)場監(jiān)督施工，指導(dǎo)安全文明施工，并作定期匯報.

2)每天對腳手架進行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)變形或損壞，立即進行更換，并督促工人發(fā)現(xiàn)問題及時上報給相關(guān)負(fù)責(zé)人.

3)每天對安全網(wǎng)進行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)破損，立即進行更換.除了督促工人及時上報問題，還應(yīng)定期指派專職安全管理人員去重點防護區(qū)域檢查安全網(wǎng)的使用情況.

4)在夏季高溫時期，給每個工人配備一定數(shù)量的避暑藥品和水，合理控制工作時長，避免在高溫環(huán)境下作業(yè)，持續(xù)工作時間不超過3.5h，鼓勵工人自主調(diào)整工作狀態(tài).

4 結(jié)論

本文以高速公路項目建設(shè)的安全事故為研究背景，對高速公路橋梁工程建設(shè)主要存在的安全事故進行了分析.

1)選取橋梁工程施工階段高處墜落事故為研究示例，構(gòu)建事故樹模型，分析基本事件不同失效概率.

2)采用改進的THERP+HCR模式計算人為因素的失效概率，進而得到頂事件的發(fā)生概率.

3)在可靠性分析的基礎(chǔ)之上，建立高速公路橋梁工程施工安全系統(tǒng)預(yù)警機制，對當(dāng)前安全狀態(tài)等級進行劃分，從而對施工過程中有可能發(fā)生的安全事故及時做出管控，有效避免安全事故帶來的重大影響，實現(xiàn)對橋梁工程的施工過程中安全風(fēng)險可靠性的設(shè)計、評估以及預(yù)警.

本文建立的高速公路橋梁工程安全可靠性評價模式和預(yù)警機制，能在外部條件惡化的情況下，督促建設(shè)企業(yè)重視安全管理，以提高整個項目的可靠性，對實際的生產(chǎn)活動具有一定的借鑒意義.未來將對橋梁施工工程中眾多高發(fā)事故的安全可靠性進行比較精確、全面的分析，為高速公路項目建設(shè)的安全作業(yè)管理起到更好的推動作用.