基于人因差錯的滿布式支架安全評估研究

陳 實， 黃顯周， 魏治國， 李俊德， 王鵬舉

(云南云嶺公路工程注冊安全工程師事務所有限公司， 昆明 650021)

近年來，隨著公路建設的快速發展，滿布式支架因其形式多樣、承載力要求低、成本較低等原因被廣泛應用[1]，但支架施工發生事故的頻率逐年增高，傳統安全評估忽視了人因的主導作用。故亟需針對貫穿于支架施工始終的人因差錯進行研究，使得支架施工安全評估向人因差錯控制轉變[2]。

目前，國內外對于支架安全人因差錯的研究多集中于仿真、實測數據綜合分析，Bruce等[3]針對混凝土構件施工進行了研究，利用事件樹法得出各人為因素對結構可靠度的影響規律及偏離程度；謝楠等[4]通過對比分析大量事故數據，對支架施工過程中產生的人因差錯進行了歸納分類；Fabian C Hadipriono等[5]分析了公路滿布式支架倒塌事故的成因，利用層次分析法評估人因差錯與事故發生概率的相關性；宋方方[6]結合近年來的模板支架倒塌事故數據，并采用事故樹法進行人因差錯識別。

綜上，本文以滿布式支架施工中的各類人因差錯為主要研究對象，通過仿真模擬及多元回歸等方法進行評估，以求基于人因差錯對滿布式支架施工全過程進行安全評估。

1 人因差錯識別及分析

1.1 人因差錯識別

通過搜集應急管理部近15年來的事故報表及相關文獻報道，統計到152組較為典型的滿布式支架事故，事故主因及其占比如表1所示[7]。

表1 事故數據分析

由表1可以看出，由人因差錯導致的安全事故占比較大(最高達到75%)、類型較多(共6個次類，14個小類)，且存在多因素共同作用的現象，故本文將人因差錯視為各類事故發生的主因進行研究。將其分為2類：目標差錯(由于施工人員識圖誤差、實際測量誤差、作業疏忽等原因而導致施工效果與最初設計要求產生偏離)、過程差錯(作業過程中出現作業手段、施工工藝等誤差而導致的過程不規范，從而使結果偏離期望值)。

1.2 人因差錯指標體系構建

依據上述分類并結合工程實際參數，在Midas模型標準參數的基礎上，按照模數或級數改變各類差錯值，分析搭設階段、澆筑階段滿布式支架的承載力及結構穩定性。

由于支架施工各階段的差異，設置2種工況：工況1依據梁體澆筑時的實際情況進行模擬，選擇支架自重和上部荷載；工況2依據支架搭設階段的實際情況進行模擬，選擇支架自重和風荷載。由于人因差錯難以定量的特點，利用Matlab建立數集隨機選擇沉降區域、脫空區域等以模擬人的作用；利用專家及管理人員賦分來計算安全監管參數，各類人因差錯的指標體系構建如表2所示。

1.3 人因差錯分析

對表2中給出每類指標的6組參數值進行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ相應的分級，其中各向長度差錯、桿件步距(加密區)差錯等2類變化程度最明顯的目標差錯分析結果如圖1、圖2所示。

通過分析仿真數據中的變化點、極限點，得出以下結論：

1) 人因差錯與其他客觀因素相比受環境影響較大，工況2(風荷載作用下)時人為造成的各向長度改變會使支架承載力驟降。

2) 支架桿件步距小于2.0 m時，可采取局部加密的措施以應對桿件間距類人因差錯。

3) 人因差錯造成的掃地桿高度大于0.7 m、立桿伸出長度大于0.2 m，會使結構處于不安全狀態。

斜撐間隔差錯、區域沉降差錯等2類變化程度最明顯的過程差錯的分析結果如圖3、圖4所示。

通過分析仿真數據中的變化點、極限點，得出以下結論：

1) 人因差錯出現在縱向剪刀撐設置時對結構的影響可忽略，故支架在縱向每10步設置剪刀撐更為經濟安全，而斜撐必須按照規范要求滿布。

2) 支架搭設時應提前檢查地基、設置墊板，以防止人為帶來的區域沉降差錯導致底部失穩。

3) 支架的極限荷載值隨著風荷載的增大呈線形增長，故嚴禁在風力等級較大時施工。

表2 人因差錯指標體系

圖1 屈曲荷載值隨各向長度變化情況

圖2 屈曲荷載值隨加密區步距變化情況

2 人因差錯評估方法及分級

利用前文仿真屈曲荷載值數據及變化曲線拐點、極限點，結合工程實際情況對各類差錯參數的影響程度、發生概率及產生后果進行綜合評估。

2.1 人因差錯影響程度評估

利用R語言程序中內置的kappa函數，針對搭設階段(工況2)時的11個自變量、澆筑階段(工況1)時的17個自變量進行共線性檢驗，結果如圖5所示。

結果顯示桿件間距(加密區)y1與桿件步距(加密區)z1相關性顯著，這是由于加密區布置時各向距離需同時變化，去除桿件間距(加密區)y1后結果顯示已不存在共線性，如圖6所示。

圖3 屈曲荷載值隨斜撐間隔變化情況

圖4 屈曲荷載值隨區域沉降量變化情況

圖5 原始共線性檢驗

將數據分為訓練集、驗證集及測試集，采用LASSO回歸模型進行分析并交叉驗證，結果如圖7、圖8所示。

最終通過回歸分析得到支架2個階段的承載力評估模型如下：

圖6 優化后的共線性檢驗

圖7 LASSO回歸模型分析

圖8 測試集數據交叉驗證

P1=1.731X-5.291H/Y+1.648x-6.018z-4.728z1-3.353z2+5.037m-1.751n-11.078a+1.404c-2.758α1-10.060α2-10.178α3+3.887 8α4

P2=0.216X-7.777H/Y-4.088x-5.319z-5.299z1-2.997z2-2.126b-9.011a-0.465c

通過將屈曲荷載值與規范中的可靠度指標β兩兩對應進行分級，結果如表3所示。

表3 影響程度分級

2.2 人因差錯發生概率評估

利用肯特指數法—層次分析法進行層次劃分，邀請橋梁施工專家進行賦分，對各因素構建兩兩判斷矩陣確定權重，計算得到出概率分值P后根據表4確定事故概率等級。

表4 事故概率分級

2.3 人因差錯產生后果評估

根據人因差錯后果表現形式的不同，將其分為經濟損失(包括直接經濟損失及間接經濟損失)和非經濟損失(包括生命損失、環境損失及社會損失)2大類，并建立人因差錯后果估計總體模型：

C=Cz+Cj+Cm+Ch+Cs

式中：C為總后果；Cz、Cj為直接、間接經濟損失；Cm為生命損失；Ch為環境損失；Cs為社會損失。為避免難以量化的后果計算帶來誤差，本文利用當量轉換法進行分級，如表5所示[8]。

表5 事故后果分級

2.4 基于人因差錯的評估分級

結合上述3個方面的評估方法，并取滿布式支架安全影響程度評估等級與概率評估等級二者中大者，采用風險矩陣法確定滿布式支架全過程安全評估等級，如表6所示。

表6 施工安全分級

3 工程實例驗證

3.1 工程概況

依托宜賓至昭通高速公路云南段一期項目，針對彝良(海子)至昭通A1段北閘互通F匝道橋第4聯現澆箱梁開展安全評估[9]。該專項工程采用承插型盤扣滿布式支架，各參數調查結果如表7所示。

表7 實際參數調查

3.2 安全評估

利用前文所述評估模型計算可得，該支架專項工程的安全評估等級為Ⅲ級(高度風險)。邀請專家利用傳統打分法(不以人因作主導，以整體安全為導向)得出該工程的安全等級為Ⅱ級(中度風險)，說明本文建立的人因差錯概率評估模型與實際工程較為符合，且更加符合施工安全要求[10]。

3.3 結果驗證

將有限元分析所得的屈曲荷載值，與前文所得的承載力評估模型計算值進行對比，發現承載力模型評估值誤差均在10%以內，且結果更符合實際，二者結果對比如表8所示。

表8 影響程度評估對比

4 結論

本文利用有限元軟件模擬、數據分析等手段并結合工程實踐，對滿布式支架人因差錯的影響程度、發生概率、產生后果及安全評估等問題展開了研究，并得出以下認識：

1) 結合事故數據分析，發現支架施工中的人因差錯是導致事故發生的主導因素，利用仿真軟件得出了各類人因差錯的產生機理及作用規律，最終構建出基于人因差錯的支架施工安全評估指標體系。

2) 研究得出人因差錯的影響程度評估模型、發生概率評估模型、產生后果評估模型多維評價方法并進行分級，應用于云南省高速公路項目后發現影響程度評估誤差在10%以內、發生概率評估等級更加貼近實際，說明模型具有可行性及實用性。

3) 未來對于支架施工安全的研究需要開發相關的系統，通過電腦終端、移動設備和互聯網，與智能感應設備、信號傳輸設備結合從而開發智能物聯網系統。