多因素耦合作用影響的高速公路改擴建工程施工安全評價研究

戴坤陽 蘇建安 毛紅日

(1.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114；2.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410016)

0 引言

高速公路改擴建工程的施工難度大、環境復雜，其安全系統是一個涉及人、機、料、方法、環境的復雜的管理系統，各子系統及子系統內的不同因素相互聯系、相互制約[1-3]。高速公路改擴建工程施工不安全狀態并非單一因素(因子)所導致的，而是由多項不安全因素耦合作用造成的。高速公路改擴建工程相比新建工程，會出現施工環境更加復雜、施工周期更長、施工技術更復雜、夜間施工更多、交通組織影響更大等問題，從而導致安全隱患增加。改擴建工程中各類人、機、料等大量生產要素在施工過程中都可能形成安全隱患，且各類安全隱患之間存在連帶性和疊加性，施工安全影響因素之間經常發生耦合[4]。

傳統的高速公路改擴建工程施工安全評價均從人、機、料、方法、環境以及交通安全等方面單獨地評價施工安全狀態[5-6]，傳統的施工安全評價方法難以全面分析影響高速公路改擴建工程施工安全事故的因素及整體施工安全。因為在實際施工過程中，安全事故往往是由多因素間的相互作用與影響所引發的，需要考慮不同施工安全影響因素間的耦合作用[7]。為此，必須準確、有效地歸納影響高速公路改擴建工程施工安全的因素，以便施工方采取合理、有效的措施轉移和規避施工安全隱患，從而達到降低施工安全事故率，改善施工安全管理水平的目的[7]。

1 高速公路改擴建工程施工安全原因分析

影響高速公路施工安全的因素眾多，涉及諸多方面。而高速公路改擴建工程是在原有道路基礎上的改建或者擴建，且大部分改擴建工程“邊通車，邊施工”，因此高速公路改擴建工程施工安全比新建工程的要求更加嚴格、管理更加復雜[8]。改擴建工程除了新建工程原有的施工安全影響因素，還需將行車安全和降低交通事故的概念加入評價體系中，即形成“施工+交通”雙安全評價體系[9-10]。整理高速公路改擴建工程施工安全文獻，結合JTG/T B05-2004《公路項目安全性評價指南》和專家的意見，將高速公路改擴建工程施工安全因素歸納為五方面：個人因素、機械因素、材料因素、方法因素、環境因素，即4M1E，見表1。

表1 高速公路改擴建工程施工安全影響因素

(續)

2 多因素耦合施工安全評價

2.1 多因素耦合施工安全機理分析

安全是高速公路改擴建工程施工期間需首要關注的問題，人、機、料、方法、環境構成了復雜的高速公路改擴建工程施工安全系統，“零安全事故”是管理人員追求的目標。但是，高速公路改擴建工程施工安全不僅被機械、環境等單一因素影響，而且受到人、機、料、法、環復雜系統中各因素的相互影響、相互作用。在多因素耦合作用下，安全事故發生的概率會增大，如高速公路改擴建期間作業區車流量過大，會增加作業人員的心理負擔(恐懼、擔憂等)，影響作業人員的注意力，進而可能導致施工機械的操作錯誤，引發安全事故[11]。高速公路改擴建工程施工安全耦合作用下的機理見圖1。

圖1 高速公路改擴建工程施工安全耦合機理

2.2 相互作用矩陣

相互作用矩陣法考慮高速公路改擴建工程施工安全系統中單一因素影響的同時，還考慮了不同因素間的相互作用、相互影響對整個安全系統的影響。應用該方法能有效解決復雜系統中不同因素間的相互影響和相互作用等耦合性的復雜問題[12]。

相互作用矩陣法在高速公路改擴建工程施工安全評價中的應用步驟如下：

(1)構建高速公路改擴建工程施工安全的評價指標體系，應用文獻綜述法、專家訪談法、問卷調查法等方法詳細調查研究，得到影響高速公路改擴建工程施工安全的主要因素，見表1。

(2)量化施工安全影響因素，構建高速公路改擴建工程施工安全相互作用矩陣，定量評價高速公路改擴建工程施工安全狀態和等級。定量化描述的方法有完全數值分析法、參數斜率關系表示法、專家定量取值法、二值表示法等方法。

相關作用矩陣設置規則是：高速公路改擴建工程施工安全影響因素用矩陣主對角線上元素定量化描述，放置無順序要求，矩陣主對角線上值代表該因素對施工安全的影響程度。不同因素間的耦合作用放置于次對角線，其值表示因素耦合作用對高速公路改擴建工程施工安全的影響程度。相關作用矩陣表示如下

在這個相關作用矩陣中，pii代表第i個高速公路改擴建工程施工安全影響因素，pij代表高速公路改擴建工程施工安全影響因素i作用影響因素j而對整個系統產生的影響程度。同理，pji代表影響因素i受影響因素j作用而對整個高速公路改擴建工程施工安全系統產生的影響。根據組成的相關作用矩陣，以式(1)、式(2)計算高速公路改擴建工程施工安全的影響因素的權重ki

(1)

其中

(2)

式中，m代表某個高速公路改擴建工程施工安全的主要影響因素；SR(i)代表施工安全影響因素i自身安全系數與對其他施工安全影響因素產生耦合作用的系數之和；SC(i)代表安全影響因素i自身安全系數與其他施工安全影響因素對因素i產生耦合作用的系數之和；權重ki代表施工安全影響因素i對高速公路改擴建工程施工安全的影響程度，其值愈大代表該安全因素對高速公路改擴建工程施工安全影響程度愈大，應當在施工過程中加強安全管理力度、完善安全管理制度，轉移或規避其存在的安全隱患。根據式(3)進一步計算高速公路改擴建工程施工安全程度，即

(3)

式中，Vi代表施工安全影響因素安全性優劣性，其值為Vi=pii/4；SD值是高速公路改擴建在多個因素耦合作用下的評價結果，是個無量綱數值，稱之為高速公路改擴建工程施工安全評價系數。

2.3 高速公路改擴建工程施工安全等級

為了定量評價高速公路改擴建工程施工的安全狀態和等級，首先，構建多因素相互作用矩陣，根據式(1)～式(3)計算高速公路改擴建工程施工安全評價系數SD值；其次，按照高速公路改擴建工程施工安全程度將其分為極弱安全、弱安全、中等安全、強安全、極強安全5個安全等級，見表2。

表2 高速公路改擴建工程施工安全等級

(續)

根據所得的SD值，可以評價高速公路改擴建工程中的施工安全狀態和等級。若該高速公路改擴建工程等級屬于Ⅰ類或Ⅱ類，說明該工程處于極強或者強安全狀態，此時不需要立即對該改擴建工程采取防治措施；若該改擴建工程屬于Ⅲ類安全等級，即屬于中等安全狀態，則必須研究和分析該工程的安全隱患，進而采取有效措施將安全隱患分散或者轉移；若該改擴建工程屬于Ⅳ或者Ⅴ類等級，表明該改擴建工程處于弱或極弱安全狀態，應當立即成立安全處理小組，全面排除該改擴建工程的安全隱患并針對性地采取有效措施。

3 實例分析

本文以GQ高速公路改擴建工程為例，通過分析該工程的特點，結合表1成果，建立該工程施工安全評價指標體系。采用專家半定量取值法定量描述GQ高速公路改擴建工程施工安全影響因素及因素間耦合作用于該工程施工安全的關系。將影響因素及其耦合作用對高速公路改擴建工程施工安全影響程度分為5個等級，應用無量綱數值0～4定量描述(表3)。

表3 半定量取值下的關系矩陣

根據關系矩陣的構建原則，確定表1中19個影響因子的關系矩陣。應用專家半定量取值法得到高施工安全影響因子以及各因子間的耦合作用對GQ高速公路改擴建工程施工安全影響程度的取值，組成GQ高速公路改擴建工程施工安全的多因素耦合作用關系矩陣p，即

根據式(1)、式(2)，可得到高速公路改擴建工程施工安全19個影響因子的權重，見表4。從中可以看出機械質量、機械維護、安全管理、交通組織、管理組織是影響GQ高速公路改擴建工程施工安全的主要影響因素。因此，GQ高速公路改擴建工程施工期間應該制定嚴格的機械管理規章制度規范機械管理；加強安全管理工作，包括采取有效的安全防護措施，定期進行安全培訓，加強交通組織安全管理；優化交通組織方案，弱化交通方面的影響，減少施工安全事故率；加強作業人員知識技能和安全知識培訓，提高作業人員本身素質和安全意識。從表4可以看出，整體上，方法因素是影響高速公路改擴建工程施工安全的主要影響因素，加強方法上的優化可減少高速公路改擴建工程施工中的安全問題。

表4 高速公路改擴建工程施工安全影響因素權重及排序

(續)

確定各影響因子的權重后，根據式(3)可得GQ高速公路改擴建工程施工安全系數SD=42.5%，這也與GQ高速公路改擴建工程出現的施工安全事故原因一致。按照表1中的高速公路改擴建工程施工安全等級劃分，可判斷GQ高速公路改擴建工程的施工安全等級屬于Ⅲ類等級，雖然GQ高速公路改擴建工程處于中等安全狀態，但是該工程還是有必要采取有效的防范措施，以避免該工程發生重大事故。

4 結語

(1)基于4 M1 E的角度構建了高速公路改擴建工程施工安全評價指標體系，探索了高速公路改擴建工程施工安全耦合機理，發現施工安全事故并非由簡單的單一因素(因子)所引起，而往往是由人、機、材、方法、環境間不同安全因素(因子)交互耦合作用導致的。

(2)相互作用矩陣不僅解決了高速公路改擴建工程施工安全系統中單一因素(因子)對整個系統的影響，而且還解決了不同施工安全因素(因子)間的耦合作用對整個系統的影響，應用相互作用矩陣的方法能有效解決高速公路改擴建工程施工安全復雜系統的評價問題。構建多因素相互作用關系矩陣時，需要合理地分析和正確地選擇高速公路改擴建工程施工安全評價因素(因子)，以確保高速公路改擴建工程施工安全評價系數的正確性。

(3)對GQ高速公路改擴建工程施工安全的評價結果表明，考慮人、機、材、法、環境間相互作用、相互影響，以安全耦合作用機理為基礎評價高速公路改擴建工程施工安全，更加符合工程的實際情況，更能真實地反映高速公路改擴建工程施工安全狀態，有利于防治措施的選擇。

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