跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全影響因素及事故致因機(jī)理

陳海南，陳輝華，戶曉棟

跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全影響因素及事故致因機(jī)理

陳海南1，陳輝華2，戶曉棟2

(1. 湘潭九華投資控股集團(tuán)，湖南 湘潭 411100；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

為更好地開展跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全管理，剖析該情境下施工安全影響因素及事故致因機(jī)理?；谖墨I(xiàn)資料、典型案例及專家訪談等方法識(shí)別提煉了材料與設(shè)備、環(huán)境、施工技術(shù)、施工管理和人員等 5 類 23 個(gè)關(guān)鍵影響因素；應(yīng)用 FISM 方法構(gòu)建關(guān)鍵影響因素的多層遞階結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上剖析跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全事故致因機(jī)理；針對(duì)XX 特大橋項(xiàng)目進(jìn)行案例分析并提出安全防護(hù)措施。研究結(jié)果表明：本文識(shí)別的關(guān)鍵影響因素清單科學(xué)合理，構(gòu)建的事故致因機(jī)理多層遞階結(jié)構(gòu)模型行之有效；違規(guī)指揮、吊機(jī)傾斜、球鉸變形和結(jié)構(gòu)錯(cuò)位變形等安全事故致因鏈路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是管控的重點(diǎn)，而規(guī)章制度的落實(shí)和合理的施工組織設(shè)計(jì)可避免上述因素處于不安全狀態(tài)。

跨既有鐵路線；橋梁轉(zhuǎn)體施工；安全影響因素；FISM；事故致因機(jī)理

改革開放以來，我國鐵路發(fā)展成績(jī)斐然，路網(wǎng)規(guī)模快速擴(kuò)大，運(yùn)輸能力大幅提升，運(yùn)營速度和效率顯著提高，已成為名副其實(shí)的鐵路大國[1]。2008 年發(fā)布的《國家中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中提出，截至 2020年，我國鐵路營運(yùn)總里程將達(dá)到12萬km，其中新建鐵路客運(yùn)專線(高速鐵路)將達(dá)到1.6萬公里。在此背景下，出現(xiàn)了大量新建線路與鄰近既有線施工等情況，跨既有鐵路線橋梁工程數(shù)量日益增多。與常規(guī)鐵路橋梁施工相比，跨既有鐵路線橋梁施工既要保證既有鐵路線正常運(yùn)營，又要保證新建鐵路線施工安全和工期目標(biāo)，施工安全影響因素更加復(fù)雜多樣[2]。為此，更多的跨既有鐵路線橋梁施工采用轉(zhuǎn)體技術(shù)，最大程度降低對(duì)既有鐵路線的干擾，減少施工中存在的安全隱患[3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全管理的研究較少，對(duì)其影響因素的識(shí)別不夠全面。因此，有必要系統(tǒng)探究跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全影響因素，并深入剖析其安全事故致因機(jī)理，為跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體安全施工提供有力支撐。本文基于文獻(xiàn)資料、典型案例和專家訪談等方法系統(tǒng)識(shí)別跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全影響因素，運(yùn)用 FISM(fuzzy interpretative structural modeling，模糊解釋結(jié)構(gòu)模型)方法構(gòu)建關(guān)鍵安全影響因素的多層遞階結(jié)構(gòu)，并基于此分析該情境下轉(zhuǎn)體施工安全影響因素的事故致因機(jī)理，最后選用 XX 項(xiàng)目開展案例分析。研究結(jié)論有利于施工安全管理人員有效管控跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全事故關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，制定針對(duì)性措施，降低或避免安全事故的發(fā)生。

1 跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全影響因素識(shí)別

1.1 基于文獻(xiàn)資料的施工安全影響因素識(shí)別

通過梳理跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全管理相關(guān)文獻(xiàn)，初步識(shí)別了橋梁轉(zhuǎn)體施工安全影響因素(如表 1 所示)。

表1 基于文獻(xiàn)識(shí)別的跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全影響因素

1.2 基于典型案例的施工安全影響因素識(shí)別

在文獻(xiàn)資料分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合典型工程案例充實(shí)跨既有鐵路線橋梁工程施工安全影響因素。研究人員精選4座采用轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的跨既有鐵路線橋梁工程作為典型案例，采用 WBS-RBS 方法梳理典型案例施工安全影響因素[13](如表 2 所示)。

表2 基于案例識(shí)別的跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工典型案例安全影響因素

1.3 基于專家訪談的施工安全影響因素識(shí)別

基于文獻(xiàn)資料和典型案例提取的初步影響因素，通過郵件、電話、座談等方式深入訪談 20 位專家進(jìn)一步優(yōu)化篩選跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全影響因素。訪談對(duì)象均有 5 a以上施工經(jīng)驗(yàn)，且與研究人員團(tuán)隊(duì)合作關(guān)系密切，最終提煉形成跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全影響因素清單(如表 3 所示)。

表3 跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全影響因素清單

2 跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全事故致因機(jī)理分析

2.1 基于三角模糊數(shù)的安全關(guān)鍵影響因素的鄰接矩陣構(gòu)建

自 Zadeh[14]開創(chuàng)性提出“模糊集”以來，許多學(xué)者應(yīng)用模糊方法開展了成功且經(jīng)典的研究。例如，ZHANG等[15]使用模糊層次分析法(FAHP)評(píng)估了合資企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境，以支持項(xiàng)目利益相關(guān)者的理性決策。Abdelgawad等[16]使用模糊故障樹定量評(píng)估建筑行業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)事件。

三角模糊數(shù)通常由3個(gè)字母表示：，和。這3個(gè)參數(shù)分別代表最小可能值、中值和最大可能值(即≤≤)。參考LI[17]給出的語言算子和三角模糊數(shù)(如表 4 所示)，我們邀請(qǐng)了 20 位專家(與前述專家一致)對(duì)施工安全影響因素清單中兩兩因素之間的關(guān)系強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)判。

表4 語言算子和三角模糊數(shù)

然后，利用模糊數(shù)據(jù)求得施工安全影響因素的模糊直接關(guān)系矩陣[18]，具體步驟如下所示：

1) 三角模糊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

3) 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化值的總和

6) 確定關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊直接關(guān)系矩陣

7) 使用截距系數(shù)求得鄰接矩陣

通過使用適當(dāng)?shù)慕鼐嘞禂?shù)，將模糊直接關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)換為鄰接矩陣。

本文所構(gòu)建的鄰接矩陣如圖 1 所示。

2.2 施工安全關(guān)鍵影響因素的遞階結(jié)構(gòu)分析

以施工安全影響因素的鄰接矩陣為基礎(chǔ)，利用 Matlab R2016a 計(jì)算可達(dá)矩陣′，整理得到可達(dá)性集合((s))(如表5所示)。按照由上至下的原則依次抽取沒有可達(dá)性集合的關(guān)鍵影響因素并逐層進(jìn)行分析，調(diào)整后繪制跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全關(guān)鍵影響因素的多層遞階結(jié)構(gòu)事故致因機(jī)理模型(如圖 2 所示)。可以看出，事故致因機(jī)理模型共包含7個(gè)層次，L1層為轉(zhuǎn)體坍塌和高處墜落事故，L2層為頂層直接影響因素，L3，L4和L5 為中層間接影響因素，L6和L7為底層根源影響因素。

表5 跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全影響因素鄰接矩陣

圖2 跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全事故致因機(jī)理

底層根源影響因素是導(dǎo)致跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全事故發(fā)生的根本原因，包括 L7 層既有線股道數(shù)量、梁底至接觸網(wǎng)承力索距離、承臺(tái)施工與軌道中心距離、規(guī)章制度落實(shí)程度和 L6 層既有線入侵 5 個(gè)影響因素。這些影響因素屬于環(huán)境和管理方面，除既有線股道數(shù)量是客觀不可改變的因素之外，合理組織施工防止既有線入侵和高效的制度執(zhí)行是解決安全事故發(fā)生的根本途徑。

中層間接影響因素是導(dǎo)致跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全事故發(fā)生的間接原因，作用關(guān)系復(fù)雜且具有傳遞作用，包含了材料與設(shè)備、施工環(huán)境、施工技術(shù)、施工管理和人員因素中的眾多影響因素。L5 層的施工天窗開設(shè)、人員安全意識(shí)、組織完善程度受到底層根源影響因素的作用，會(huì)導(dǎo)致 L4 層違規(guī)指揮的發(fā)生，進(jìn)而影響 L3 層人員作業(yè)水平、現(xiàn)場(chǎng)安全措施配備，最終影響 L2 層因素。違規(guī)指揮也可直接影響了 L2 層因素中吊機(jī)傾斜、球鉸變形、結(jié)構(gòu)錯(cuò)位變形的發(fā)生。因此，提升施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理水平，避免違規(guī)指揮是減少安全事故發(fā)生的重要途徑。不良地質(zhì)、機(jī)械設(shè)備故障、橋梁長(zhǎng)度與跨度等 L3 層影響因素交叉作用于L2 層的因素，L3 層的因素是造成L2 層因素發(fā)生的真正原因。

頂層直接影響因素是導(dǎo)致跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全事故發(fā)生的最直接原因，包括吊機(jī)傾斜、球鉸變形和結(jié)構(gòu)錯(cuò)位變形。頂層直接安全影響因素是底層和中間層安全影響因素不斷積累的結(jié)果，安全管理人員可通過提前發(fā)現(xiàn)和排除底層和中間層安全影響因素進(jìn)而有效控制安全事故的發(fā)生。

綜上可知，安全事故是安全影響因素逐層演化而產(chǎn)生的，過程中有比較明顯的安全事故致因鏈路。安全管理人員應(yīng)注重安全影響因素的安全事故致因鏈路，控制致因鏈路上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(前置因素與后置因素較多的安全影響因素，比如違規(guī)指揮)，制定針對(duì)性措施，從而減少甚至規(guī)避施工安全事故的發(fā)生。

3 案例分析

3.1 工程概況

XX特大橋全長(zhǎng)1 768.386 m，最大跨度128 m，轉(zhuǎn)體重量為8 300 t。27號(hào)至30號(hào)墩采用(72+128+72) m 連續(xù)梁，跨越6股道。原初步設(shè)計(jì)計(jì)劃采取跨鐵路懸灌連續(xù)梁施工，考慮到跨既有鐵路線施工，且梁底距離接觸網(wǎng)距離較近，對(duì)既有鐵路線運(yùn)營的影響較大。經(jīng)專家論證將懸澆改為轉(zhuǎn)體施工，即先采取懸灌澆筑的方法對(duì)T構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)澆施工，待澆筑完成后，利用承臺(tái)中預(yù)埋的轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)將 T 構(gòu)旋轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)軸線位置。

3.2 轉(zhuǎn)體施工安全影響因素識(shí)別

基于上文識(shí)別的跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵安全影響因素清單，結(jié)合施工區(qū)間的實(shí)際情況和專家分析，最終匯總得到 XX 特大橋轉(zhuǎn)體施工安全關(guān)鍵影響因素清單(如表 6 所示)。

表6 X特大橋轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵安全影響因素清單

3.3 安全防護(hù)措施及應(yīng)用結(jié)果

該項(xiàng)目安全管理人員依據(jù)前文安全事故致因機(jī)理，分析了施工安全關(guān)鍵影響因素的事故致因過程，采取了多種安全防護(hù)措施(如表 7 所示)。

通過制定針對(duì)性的安全防護(hù)和管理措施，XX 特大橋轉(zhuǎn)體施工過程中未發(fā)生安全事故，按目標(biāo)順利完成。

表7 XX特大橋轉(zhuǎn)體施工采取的主要安全防護(hù)措施

4 結(jié)論

1) 基于文獻(xiàn)資料、案例分析和專家訪談識(shí)別、提煉了跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全影響因素，共包括材料與設(shè)備、環(huán)境、施工技術(shù)、施工管理、人員等 5 類 23 個(gè)關(guān)鍵影響因素。

2) 運(yùn)用FISM 方法構(gòu)建了跨既有鐵路線橋梁轉(zhuǎn)體施工安全影響因素作用關(guān)系及其多層遞階結(jié)構(gòu)，并基于此剖析了轉(zhuǎn)體施工安全事故致因機(jī)理。

3) 選擇 XX 特大橋項(xiàng)目對(duì)本文識(shí)別的施工安全關(guān)鍵影響因素和事故致因模型進(jìn)行實(shí)證分析，通過采取針對(duì)性的安全措施，達(dá)到較好的施工安全管理效果。

[1] 傅志寰, 孫永福, 翁孟勇, 等. 交通強(qiáng)國戰(zhàn)略研究[M].北京: 人民交通出版社, 2019. FU Zhihuan, SUN Yongfu, WENG Mengyong, et al. Research on the strategy of a powerful transport country [M]. Beijing: China Communications Press, 2019.

[2] 張青春, 劉德鋒. 滬杭高速鐵路上跨既有滬昆鐵路施工安全技術(shù)研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2011(6): 114?117. ZHANG Qingchun, LIU Defeng. Research on construction safety technology of Shanghai-Hangzhou high-speed railway overpassing existing Shanghai- Kunming railway[J]. Railway Standard Design, 2011(6): 114?117.

[3] 劉志宏. 跨越高速公路轉(zhuǎn)體橋梁設(shè)計(jì)與施工控制[J]. 北方交通, 2006(12): 39?42. LIU Zhihong. Design and construction control of a swivel bridge across a highway[J]. Beifang Jiaotong, 2006(12): 39?42.

[4] 宋剛. T 形剛構(gòu)橋水平轉(zhuǎn)體施工控制及施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[D]. 西安: 長(zhǎng)安大學(xué), 2011. SONG Gang. Study on construction control and risk assessment of T-shaped rigid frame bridge under level rotation[D]. Xi’an: Chang’an University, 2011.

[5] 童紀(jì)新, 邵婷. 風(fēng)險(xiǎn)矩陣法改進(jìn)模型在橋梁轉(zhuǎn)體施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 項(xiàng)目管理技術(shù), 2013, 11(9): 59? 64. TONG Jixin, SHAO Ting. Application of improved risk matrix method in risk assessment of bridge swivel construction[J]. Project Management Technology, 2013, 11(9): 59?64.

[6] 李艷哲. 受既有線控制的重慶白沙沱長(zhǎng)江大橋施工風(fēng)險(xiǎn)控制研究[D]. 重慶: 重慶交通大學(xué), 2014. LI Yanzhe. Study on construction risk control of Chongqing Baishatuo Yangtze River Bridge under the control of existing lines[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2014.

[7] ZENG X, YIN H, LI Y. Application of modified LEC method in the large municipal bridge construction hazard evaluation[C]// 2015 8th International Symposium on Computational Intelligence and Design (ISCID). IEEE, 2015.

[8] 譚仁偉, 周思鋒. 淺談跨運(yùn)營既有線鐵路連續(xù)梁施工安全控制[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版), 2016(7): 279?280, 290. TAN Renwei, ZHOU Sifeng. Discussion on safety control of continuous beam construction across existing railway lines[J]. Journal of Guizhou University of Finance and Economics, 2016(7): 279?280, 290.

[9] 肖嘯. 某橋梁轉(zhuǎn)體施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系研究[D]. 武漢: 武漢工程大學(xué), 2017. XIAO Xiao. Risk evaluation system research of one bridge construction[D]. Wuhan: Wuhan Institute of Technology, 2017.

[10] 劉磊. 跨既有鐵路線連續(xù)箱梁橋轉(zhuǎn)體施工技術(shù)研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2017. LIU Lei. Research on swivel construction technology of continuous box girder bridge across existing railway lines[D]. Jinan: Shandong University, 2017.

[11] 胡剛. 高速公路上跨既有鐵路線的轉(zhuǎn)體工程施工技術(shù)研究[D]. 西安: 長(zhǎng)安大學(xué), 2018. HU Gang. Research on the swivel construction technology of the expressway across the existing railway line[D]. Xi’an: Chang’an University, 2018.

[12] 張雪, 王有志, 周春霖, 等. 基于灰色模糊物元分析的轉(zhuǎn)體橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 中外公路, 2019, 39(3): 78?83. ZHANG Xue, WANG Youzhi, ZHOU Chunlin, et al. Risk assessment of swivel bridge construction based on grey fuzzy matter-element analysis[J]. Journal of China and Foreign Highway, 2019, 39(3): 78?83.

[13] 黃艷敏, 郝建新. WBS-RBS 法在城市軌道工程風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)中的應(yīng)用[J]. 都市快軌交通, 2004, 17(4): 9?12. HUANG Yanmin, HAO Jianxin. Application of WBS- RBS method in risk identification of urban rail engineering[J]. Urban Rapid Rail Transit, 2004, 17(4): 9?12.

[14] Zadeh L A. Fuzzy sets[J]. Information and Control, 1965, 8(3): 338?353.

[15] ZHANG G M, ZOU P X W. Fuzzy analytical hierarchy process risk assessment approach for joint venture construction projects in China[J]. Journal of Construction Engineeiring and Management-ASCE, 2007, 133(10): 771?779.

[16] Abdelgawad M, Fayek A R. Fuzzy reliability analyzer: Quantitative assessment of risk events in the construction industry using fuzzy fault-tree analysis[J]. Journal of Construction Engineering and Management, 2011, 137(4): 294–302.

[17] LI R J. Fuzzy method in group decision making[J]. Computers and Mathematics with Applications, 1999, 38(1): 91–101.

[18] WU W W, Lee Y T. Developing global managers’ competencies using the fuzzy DEMATEL method[J]. Expert Systems with Applications, 2007, 32(2): 499?507.

On safety-influencing factors and accident-causing mechanisms of swivel construction of bridges across existing railway lines

CHEN Hainan1, CHEN Huihua2, HU Xiaodong2

(1. Xiangtan Jiuhua Investment Holding Group, Xiangtan 411100, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to better manage the safety of the swivel construction of bridges across existing railway lines, this paper analyzed the factors influencing the construction safety and the accident causes in this type of situation. Based on literature survey, typical case studies, and expert interviews, 23 key influencing factors were identified, refined, and categorized into the following five groups: materials and equipment, environment, construction technologies, construction management, and personnel. A multi-level hierarchical structure incorporating key influencing factors was constructed using FISM. Based on this structure, the accident-causing mechanisms of the swivel construction safety of bridges across existing railway lines were analyzed. Finally, the case study of a real-world mega bridge project was performed with corresponding preventive safety measures proposed. The results show that the list of key influencing factors identified is sound and reasonable, and that the multi-level hierarchical structure model constructed to analyze the accident-causing mechanisms is effective. The key nodes of the accident-causing links are the focus of controlling accidents such as illegal command, crane tilt, ball hinge deformation, and structural misalignment deformation. The enforcement of rules and regulations and the reasonable organization and design of construction activities can prevent such factors from falling into unsafe states.

across existing railway lines; swivel construction of bridges; safety-influencing factors; fuzzy interpretative structural modeling; accident-causing mechanisms

U24

A

1672 ? 7029(2020)06 ? 1595 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200115

2020?02?18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71273283)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2019JJ40407)

陳輝華(1976?)，男，湖南邵陽人，副教授，博士，從事工程項(xiàng)目安全管理等研究；E?mail：chh24770@163.com

(編輯 蔣學(xué)東)