基于軌跡交叉理論的塔機群施工作業研究及應用

吳磊 楊磊 李飛

(中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

塔機是建筑施工常用的大型機械設備之一，隨著施工規模的擴大、場地局限、施工進度要求高等原因，塔機群施工作業得到了廣泛應用。受制于塔機自身構件的復雜性、立體作業空間大、不完善的管理體系，塔機事故時常發生，造成巨大的人員傷亡和財產損失。因此，研究建筑施工塔機群作業的安全管理具有重要意義。

目前，已有學者對塔機的安全問題開展了詳細研究。張瀟等[1]從事故時間特性、事故類型和事故等級、發生階段及事故致因4個方面對96起塔機事故進行了統計分析，并提出了預防對策；趙挺生等[2-5]根據塔吊自身的結構、施工環境及人員系統識別了56項安全風險因素，通過建立多種模型分析各因素之間的關系；周全吉等[6]通過研發一套塔吊安全監控預警系統，可實時對塔吊運行狀態參數進行監管和自動報警，有效地降低了塔機碰撞事故發生概率；黃鶯等[7]從系統動力學角度對塔機風險因素展開分析，得出作業人員因素對塔機安全水平的影響程度最大；周進[8]針對塔吊運行過程中的安全隱患，建立了基于模糊控制的塔吊運行防擺控制模型，對塔機變幅和回轉運動時所吊重物的擺角幅度進行了控制，同時研究了塔機可能發生碰撞的兩種情況，給出相對應的防碰撞算法。多數學者的研究成果基于理論模型的仿真模擬與計算，未能完全結合施工現場實際工況給出動態反饋分析。

因此，本文采用軌跡交叉理論并結合電力建設現場實際工況，對塔機安全進行系統分析，辨別主要風險因素，針對各項安全風險因素，確定其相互間聯系，并提出相對應的安全管理措施。

1 項目施工作業概況及軌跡交叉理論

1.1 項目施工作業概況及施工作業特點

連云港虹洋熱電聯產擴建項目(原場址)規劃建設9×800t/h高溫超高壓循環流化床鍋爐、5×35MW級背壓式汽輪發電機組、4×60MW級抽背式汽輪發電機組。分兩個階段實施建設，本階段需滿足盛虹煉化一體化項目的用汽需求，建設6×800t/h高溫超高壓循環流化床鍋爐、3×35MW級背壓式汽輪發電機組、3×60MW級抽背式汽輪發電機組。

本工程項目受地質環境、施工場地、施工進度、施工工藝等因素影響，安全風險呈現以下特點：一是自然環境復雜，項目選址位于連云港徐圩新區，臨近黃海，地下水系豐富，特殊的海相沉積層深厚淤泥質軟土增加了工程推進難度，常年5級以上風速的天氣較多，露天作業條件差；二是施工規模大、周期長達28個月、場地小、參建隊伍和人員多，高峰期可達3200余人；三是工程建設專業性強，涉及土建、安裝、調試、消缺等專業，導致多工種同時交叉作業，對管理人員具有較高的專業要求；四是動態風險點較多且變化快，例如建設前期深基坑數量較多，中后期建筑物普遍較高，導致高處作業多，吊裝物體積龐大，需要的大型起重機械設備較多，后期調試消缺過程中帶電作業現象較多，易發生觸電傷害；五是轉序施工及作業人員自身因素，導致人員流動性較大，增加了安全培訓的工作量；六是受疫情影響，疫情防控工作較為繁雜，物資、人員入場困難，施工成本增加。綜上，塔機群施工作業在“人、物、環、管”4個方面面臨著復雜多變的安全風險，當這些安全風險因素同時作用時，極大地增加了事故發生的概率和后果的嚴重程度。

1.2 軌跡交叉理論

軌跡交叉理論是一種研究傷亡事故致因的理論[9-10]。多個事故案例的分析表明：事故發生的直接原因是人的不安全行為與物的不安全狀態在時間或空間上產生交叉，導致能量意外釋放。

為了降低塔機群作業過程中的安全風險，有必要從時空上避免人的不安全行為和物的不安全狀態產生運動軌跡的交叉。根據《建筑施工塔式起重機安裝、使用、拆卸安全技術規程》(JGJ 196—2010)和安全檢查過程中常見隱患，將塔機群吊裝安全風險因素按照“人、機、環、管”分為作業相關人員風險、塔機自身結構風險、作業環境風險與管理風險四大類，共32項安全風險因素(表1)。

表1 塔群施工作業各項安全風險因素程度及其權重指數

2 安全風險因素權重確定及分析

2.1 風險因素的權重賦值

結合趙挺生等[11]對建筑工程塔吊安全影響因素分析、施工現場隱患排查情況及事故案例分析，對風險程度進行劃分：低風險[0，0.2]，一般風險[0.2，0.5]，較大風險[0.5，0.8]，重大風險[0.8，1]。邀請7名專家對各項風險因素進行賦值。每項值去除一個最高分和一個最低分，取其平均值為最終風險程度的結果。通過使用熵權法對各項安全風險因素指標權重進行確定，并計算各風險因素的權重，公式如下

(1)

(2)

式中，X為風險程度數值；S為風險程度數值歸一化處理后的結果；k為修正系數，令k=0.01；P為權重。

2.2 風險因素分析

根據權重的極差對各項風險因素的重要性重新劃分：[0.001，0.021]為較為重要，[0.021，0.042]為重要；[0.042，0.063]為非常重要。由表1可知：非常重要的風險因素占比31.25%，重要的風險因素占比34.38%，較為重要的風險因素占比34.38%。

從風險類型來看：塔機司機、起重指揮人員、司索工的業務能力均為重要及以上風險因素，他們的操作工序直接決定了吊物是否捆綁牢固、是否避開構筑物、在空中是否平衡等，他們的安全意識是塔機安全的最后一道防線；塔機作為起重機械，其力學性能的穩定性對自身安全性能有著決定性的作用，表中與力學性能相關的結構風險因素均為重要或非常重要；6級以上大風、雷雨等惡劣天氣會影響塔吊自身和吊物的穩定性，限制司機的視野，易發生物體打擊和機械傷害等事故；各項管理風險因素的重要性均為重要及以上，因為管理人員的專業能力、履職情況可以對上述三種風險因素產生一定的約束性。

3 塔機群施工作業安全控制措施

3.1 管理隊伍專業化

項目自開工以來，組建了一支以高學歷為主且能夠精通安全專業、擅長安全技術、吃透政策法規、善于協調配合、敢于嚴格監督的管理隊伍。在安全監管方面，設置了安全督查大隊作為第三方安全監管，督查大隊有檢查、考核獎勵權力，對于不能有效完成整改閉環的有約談相關單位負責人的權力；建立了專管成線、群管成網、橫向到邊、縱向到底的安全網格化管理體系(根據施工總平面布置圖從空間上將施工現場劃分成8個區域39個網格，按照“標段、工區、工點”分層級明確建設單位、建立總包和承(分)商安全保證體系與安全監督體系)，壓實各級安全責任；針對現場機械設備，聘請一名機械管理的專家，專職負責機械設備考察引進、進/退場、安裝/拆卸、使用、維保的全過程安全管理與監督。

3.2 過程管控精細化

一是按照法律嚴格審查了塔機等機械設備、相關作業人員的資質；二是保證機械設備費用的提取和使用，塔機安裝前組織人員進行安全技術交底，明確了交底的類型、工種、交底人、交底時間和注意事項；三是建立了安全驗收機制，明確塔機的驗收標準、驗收部門、驗收方式和驗收內容；四是針對塔吊重量達到起重機械額定負荷的90%及以上的嚴格執行工作票的許可，實施過程中作業區域設置了隔離警戒，安排專人監護；五是督促承(分)包商單位相關負責人在現場履職，對塔機作業進行現場監督，嚴格落實了雙重預防機制，加強風險動態識別與跟蹤管控，定期開展機械設備的專項檢查與日常隱患排查；六是嚴格執行了節假日、夜間等特殊時段的領導帶班制度，關鍵崗位24小時應急值守，確保遇到突發事件第一時間報告、第一時間響應、第一時間處置，努力將險情損失和影響降至最低；七是在起重設備投入使用快速增長階段(2021年6月)與快速下降階段(2022年2月)提升管控等級，通過開展起重傷害應急演練，加強宣傳教育，強化人員安全意識。2021年1月—2022年4月全場起重設備數量使用情況如圖1所示。

圖1 2021年1月—2022年4月全場起重設備數量使用情況

3.3 信息監管數字化

針對塔機群施工作業易發生碰撞這一安全風險，智慧工地增加了塔吊防碰撞模塊，通過數據傳輸至PC端與微信小程序，可實時查看塔吊運行時的相關數據(風速、起重荷載、高度、幅度、回轉、力矩等)；通過在起重臂與平衡臂上設置傳感器，設置防碰撞等安全參數，當兩個塔吊的距離小于安全距離時，塔吊會及時發出報警指令，并可及時向平臺發出報警時間及塔吊位置。

從表3可以看出，一段弱磁給礦細度-0.074 mm粒級含量從改造前30%左右提高到75.6%，提高45.6%；二段弱磁選給礦細度-0.045 mm粒級含量從改造前65%提高到72.09%，提高7.09%。

4 結語

本文基于軌跡交叉理論，分析了連云港虹洋熱電聯產擴建項目(原場址)的施工特點、塔機群施工作業的主要安全風險因素，對風險因素進行辨識和評價，其中安全管理能夠直接或間接影響安全工作環境，針對安全管理從施工前、施工過程中及施工結束后提出了管理隊伍建設、過程安全管理與信息化管理等安全控制措施。