基于PHA法海域環(huán)境橋梁施工安全對策研究

喬長慶 李 軍 崔 江 李圣榮

(1.中鐵十五局集團(tuán)第二工程有限公司 上海 201714；2.中鐵十五局集團(tuán)有限公司安全監(jiān)察部 上海 200070)

1 引言

跨海橋梁施工過程中，海域環(huán)境的特殊性決定在有限的作業(yè)平臺上人員進(jìn)行空間受限作業(yè)，特殊的環(huán)境也決定了海洋施工安全事故發(fā)生后應(yīng)急救援困難、安全風(fēng)險高的特點[1]。同時，海洋環(huán)境惡劣，施工平臺受洋流、浪潮、暴風(fēng)雨等物理、化學(xué)和氣象的影響較為劇烈，對操作人員和機械設(shè)備的影響也較大。因此，海洋橋梁施工也具有環(huán)境的特殊性和能量突發(fā)性的特征[2]。近些年來，隨著國家對海洋的綜合開發(fā)利用，跨海橋梁修建越來越多。目前對于海洋環(huán)境的安全生產(chǎn)技術(shù)和管理研究較多集中在海洋施工管控、施工過程設(shè)計、棧橋施工安全控制措施等方面，較少涉及具體海域環(huán)境中施工機械設(shè)備和人員在特殊環(huán)境下安全性的研究。本文主要從海洋的特殊環(huán)境出發(fā)，針對海上橋梁施工系統(tǒng)中人、環(huán)境、設(shè)備、作業(yè)平臺對施工設(shè)計的影響，按照預(yù)先危險性分析法進(jìn)行分析，得出針對性的事故、事故原因和危害，為海上橋梁施工設(shè)計提供針對性建議。

2 濱?；ネㄊ┕きh(huán)境特征

杭甬復(fù)線濱海互通采用變形苜蓿葉形(單環(huán)式)互通型式，建成后將成為亞洲第一大海上互通立交工程，占海域面積約408 707 m2。本工程主要為主線高架橋和8條上中下三層匝道橋，與甬舟高速金塘大橋相連接，規(guī)模巨大，見圖1。設(shè)計擬定首先施工海上棧橋、作業(yè)平臺，利用平臺進(jìn)行基礎(chǔ)及下部構(gòu)造施工。整孔箱梁和鋼箱梁在場外加工制作，采用架橋機從線路起點架設(shè)主線。匝道鋼箱梁依托棧橋、卸貨碼頭、提梁站運輸至施工現(xiàn)場。一部分采用履帶吊棧橋上吊裝架梁，另一部分采用架橋機架梁[3]。

圖1 濱海樞紐工程平面

本工程位于杭州灣甬江出水口海域，地層交錯變化頻繁，灣內(nèi)床面呈“冬沖夏淤”季節(jié)性沖淤積變化特性。本區(qū)的潮汐性質(zhì)屬于非正規(guī)半日淺海潮型，屬強潮流區(qū)。天氣復(fù)雜多變，災(zāi)害性天氣類型多，強風(fēng)、暴雨發(fā)生頻繁。

3 系統(tǒng)安全理論和危險性分析

系統(tǒng)安全理論是在傳統(tǒng)安全理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，系統(tǒng)安全理論把人、機和環(huán)境作為一個系統(tǒng)，研究人、機、環(huán)境之間的相互作用、反饋和調(diào)整，從中發(fā)現(xiàn)事故的致因，揭示出預(yù)防事故的途徑，見圖2。本項目施工需要在海域環(huán)境中進(jìn)行大規(guī)模的施工平臺建設(shè)和大型吊裝機械作業(yè)，事故隱患和危險性分析采用預(yù)先危險性分析法更為適合。

圖2 濱?；ネㄊ┕ぐ踩蛩丶捌潢P(guān)系

預(yù)先危險性分析法(Preliminary Hazard Analysis，PHA)主要用于新系統(tǒng)設(shè)計、已有系統(tǒng)改造之前的方案設(shè)計、選址階段，在人們還沒有掌握該系統(tǒng)詳細(xì)資料的時候，用來分析、辨識可能出現(xiàn)或已經(jīng)存在的危險因素，并盡可能在付諸實施之前找出預(yù)防、改正、補救措施，消除或控制危險因素[4－6]。進(jìn)行預(yù)先危險性分析時，一般利用安全檢查表、經(jīng)驗和技術(shù)先查明危險因素存在方位，然后識別使危險因素演變?yōu)槭鹿实挠|發(fā)因素和必要條件，對可能出現(xiàn)的事故后果進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的措施[7－8]。

4 海域環(huán)境橋梁施工的影響因素分析

參照類似項目安全系統(tǒng)，明確本項目功能構(gòu)造、機械設(shè)備、臨時結(jié)構(gòu)和擬定施工方案，結(jié)合施工經(jīng)驗，聯(lián)合設(shè)計人員、外部專家等進(jìn)行安全審查，分析海域環(huán)境對施工的影響因素。

4.1 對施工作業(yè)者的影響因素分析

根據(jù)調(diào)查，在傷亡事故中，人的失誤是導(dǎo)致安全事故發(fā)生的主要原因。而失誤主要取決于人的大腦意識水平，和陸地施工相比，恐慌狀態(tài)是海洋施工中影響比較明顯的失誤[9]。在海洋施工中，操作人員必須面對海上高空作業(yè)，風(fēng)速較大、受力點振顫、作業(yè)空間狹小等帶來的恐懼，進(jìn)而體力快速損耗，作業(yè)緊迫，容易造成失誤。

相比陸上施工，海上施工要求操作人員一般有較好的身體素質(zhì)、業(yè)務(wù)能力和心理狀態(tài)，見圖3。一般來說海上操作者要具有良好的身體狀態(tài)應(yīng)對惡劣的海洋作業(yè)環(huán)境；必須具有熟練的業(yè)務(wù)水平，具備快速工作的能力和較好的施工反應(yīng)能力；在作業(yè)過程中具有較好的心理狀態(tài)，如果出現(xiàn)心理不適應(yīng)或者心理、情緒的不良狀態(tài)，必須要克服或者拒絕作業(yè)。

圖3 海洋環(huán)境對操作者的要求

4.2 海洋地質(zhì)情況對海洋作業(yè)平臺的影響分析

一般來說，海洋施工棧橋、作業(yè)平臺等基礎(chǔ)采用鋼管樁設(shè)計，平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)經(jīng)過專門的設(shè)計和驗收，其中必須對鋼管樁的承載力和穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而發(fā)生坍塌事故，因此海洋地質(zhì)勘測的詳細(xì)程度對施工棧橋、平臺的設(shè)計具有重要的意義。在設(shè)計驗算過程中，可依據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算出鋼管樁的最大承載力，進(jìn)而計算出鋼管樁的強度、入土深度，確保滿足設(shè)計規(guī)范要求。依照《公路橋涵地基及基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和地質(zhì)勘查資料驗算鋼管樁基礎(chǔ)承載力，計算公式:

式中:Ra為單樁軸向受壓承載力特征值(kN)；u為樁身周長(m)；n為土的層數(shù)；li為承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度(m)；qik為對應(yīng)的各土層與樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；qrk為樁端土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；Ap為樁端截面面積(m2)。

在施工設(shè)計時，可根據(jù)不同地質(zhì)勘查孔位對應(yīng)的樁長及樁入土深度計算，編制成表施工備用。在樁基的錘擊過程中，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況，依照規(guī)范要求選擇高程控制、貫入度控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 海洋洋流對施工作業(yè)平臺的影響分析

4.3.1 海水對鋼管樁的腐蝕影響

CEACAM5是人類組織和腫瘤細(xì)胞分化及增殖的重要調(diào)節(jié)分子，可作為結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移早期復(fù)發(fā)的預(yù)測標(biāo)志[13]，并在2型糖尿病血清中顯著高表達(dá)[14]。本研究顯示CEACAM5在結(jié)直腸癌樣本中高表達(dá)，但在不同血糖狀態(tài)腫瘤樣本中的表達(dá)無差異，其mRNA表達(dá)與結(jié)直腸癌血管累及、原發(fā)灶浸潤深度、TNM分期均呈顯著正相關(guān)，CEACAM5與結(jié)直腸癌病程進(jìn)展密切相關(guān)。

海洋中海水含有大量的氯離子和弱堿等離子，是良好的電解質(zhì)，對海洋作業(yè)平臺具有較強的腐蝕性，如果使用時間較長，會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的銹蝕或腐蝕，甚至降低其受力性能而發(fā)生坍塌事故，危及施工的安全。

海洋環(huán)境按照其腐蝕情況根據(jù)相關(guān)試驗，得出寧波杭州灣區(qū)內(nèi)鋼管柱腐蝕速度和時間的關(guān)系[10]，見圖4。在海洋腐蝕環(huán)境中，鋼管樁被腐蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重。其中浪濺區(qū)、潮差區(qū)和大氣區(qū)的鋼管樁由于周邊含氧量大、濕潤潮濕、沖刷頻繁，腐蝕反應(yīng)較快，腐蝕程度較為嚴(yán)重。水下區(qū)和泥下區(qū)腐蝕則較為緩慢，腐蝕程度輕，受影響較小。

圖4 海洋環(huán)境鋼管樁腐蝕分區(qū)

根據(jù)要求，海上施工臨時承重結(jié)構(gòu)的鋼構(gòu)件使用超過12個月的應(yīng)采取必要的臨時防腐措施，可根據(jù)鋼管樁所處的不同海洋環(huán)境采用不同的防腐蝕方法。常用的防腐蝕方式有涂層、玻璃鋼、鋼管樁護(hù)套保護(hù)和陰極保護(hù)等。根據(jù)本工程海洋環(huán)境的特征，施工中臨時性鋼管樁的保護(hù)可主要針對浪濺區(qū)和潮差區(qū)進(jìn)行腐蝕防護(hù)，建議采用涂層法。

4.3.2 波浪及臺風(fēng)耦合作用的影響

施工平臺在最大海水位以上，樁的自由長度較長，剛度較差，當(dāng)平臺受到較大風(fēng)力、水流沖擊力時，平臺容易失穩(wěn)，造成作業(yè)平臺坍塌事故。

在平臺設(shè)計時，需充分考慮到風(fēng)荷載、波浪荷載和浪涌的作用，這些荷載的大小主要取決于接觸面積、風(fēng)速以及密度等主要因素。其荷載的取值可以按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》《港口工程荷載規(guī)范》進(jìn)行計算和取值。

利用通用有限元分析軟件ANSYS建立分析模型，見圖5，對施工棧橋作業(yè)平臺在臺風(fēng)和波浪力等荷載作用下進(jìn)行分析，確保結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受惡劣的風(fēng)浪、暴雨等作用。

圖5 波浪及風(fēng)力耦合作用下仿真模型

4.3.3 海洋漂浮物的影響

從漂浮物的撞擊過程看，撞擊事故屬于風(fēng)險事件，存在較多的不確定性因素。船舶在失控狀態(tài)下，船舶撞擊力和行駛速度成正比，也就是船只的動能越大，撞擊的危害越大[11]。因此在海上施工時，應(yīng)提前發(fā)布海上施工通報，并應(yīng)按當(dāng)?shù)睾Ｊ虏块T的規(guī)定，在施工作業(yè)區(qū)域的角點和海上船舶往來方向沿線設(shè)置水上警戒、航行標(biāo)志及危險信號燈標(biāo)，必要時在靠近航道的施工區(qū)域設(shè)立警戒船。在?？看a頭的設(shè)計中，設(shè)置防撞消能設(shè)施，吸收船體撞擊動能，增強施工平臺的抗撞擊能力。

4.4 海洋氣象條件的影響分析

海洋的特殊氣象條件諸如臺風(fēng)、強氣流、大霧等具有高強度、突發(fā)性和難預(yù)見性，對施工機具作業(yè)造成作業(yè)效率低下，甚至導(dǎo)致傾覆、撞擊傷害等事故[9]。

本海域環(huán)境中，強風(fēng)等具有較強的不穩(wěn)定因素，更加危險。強風(fēng)可以使施工機具產(chǎn)生晃動、振顫、變形和傾覆。突發(fā)強氣流在海洋環(huán)境具有很強的隨機性和突然性，成旋渦狀產(chǎn)生，讓人猝不及防，對施工設(shè)備設(shè)計提出了較大的挑戰(zhàn)。本海域海霧也較為嚴(yán)重，主要集中在春夏季，3～6月霧較多，同時和季風(fēng)方向有關(guān)。海霧使得能見度變低，作業(yè)視野狹窄，可能造成打擊傷害、交通事故等安全風(fēng)險。

對此，施工作業(yè)活動可采取分級預(yù)警管理。吊箱下放、拆除作業(yè)、架橋機過孔和履帶吊架梁時風(fēng)力應(yīng)≤5級，風(fēng)力達(dá)到6級以上時必須停止作業(yè)，7級風(fēng)和暴雨天氣所有人撤離海上平臺。其中風(fēng)力5級的高空作業(yè)、起重吊裝必須采取可靠的安全措施。出現(xiàn)大霧時不得進(jìn)行吊裝作業(yè)，空間受限作業(yè)必須增設(shè)監(jiān)護(hù)人員，隨時溝通聯(lián)絡(luò)。

5 預(yù)先危險性分析成果

通過對海域環(huán)境施工的影響分析，匯總得到預(yù)先危險性分析成果，見表1。預(yù)先危險性分析應(yīng)全面，盡可能包含可能出現(xiàn)的所有危險。限于篇幅，表1未列出其他事故傷害及觸電、機械傷害、物體打擊、中毒窒息、管線損壞等因素。

6 海域環(huán)境橋梁施工安全策略

通過對濱?；ネò踩到y(tǒng)進(jìn)行預(yù)先危險性分析，在施工設(shè)計、施工組織實施中建議采用以下安全策略:

(1)根據(jù)海域環(huán)境的特殊性，針對施工臨時結(jié)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行仿真計算，確保工程系統(tǒng)設(shè)計可靠；加強施工方案的針對性，聯(lián)合內(nèi)外部專家進(jìn)行評審，嚴(yán)格落實保障措施，精心組織施工。

(2)施工前加強人員的安全技術(shù)交底、海上施工安全教育培訓(xùn)，提高所有參建人員的安全意識和安全防護(hù)能力。

(3)提前建立比較完備的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，增強施工人員對環(huán)境的感知能力[12]。通過海洋數(shù)據(jù)采集器采集氣溫、氣壓、潮位、水溫、波浪、海流、風(fēng)速等海洋要素信息，然后在控制電路中設(shè)定控制閾值，自動預(yù)警。一旦預(yù)警，應(yīng)立即啟動應(yīng)急預(yù)案。

(4)實時對臨時結(jié)構(gòu)監(jiān)控測量。結(jié)構(gòu)的微小變化人很難感知，通過對結(jié)構(gòu)的監(jiān)控測量數(shù)據(jù)的分析，判斷結(jié)構(gòu)的受力性能，快速反應(yīng)；加大對地質(zhì)條件的勘查，按照地質(zhì)條件施工。

(5)施工中針對人員撤離后的情況，停放的架橋機自身要具有較強的穩(wěn)定性，可與墩身連接為一體；履帶吊應(yīng)收回大臂，定區(qū)?？糠€(wěn)定；及時切斷電源，做警戒響應(yīng)。