跨既有铁路线桥梁转体施工安全影响因素及事故致因机理

2020-07-13陈海南陈辉华户晓栋

铁道科学与工程学报 2020年6期

陈海南，陈辉华，户晓栋

陈海南1，陈辉华2，户晓栋2

(1. 湘潭九华投资控股集团，湖南湘潭 411100；2. 中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

为更好地开展跨既有铁路线桥梁转体施工安全管理，剖析该情境下施工安全影响因素及事故致因机理。基于文献资料、典型案例及专家访谈等方法识别提炼了材料与设备、环境、施工技术、施工管理和人员等 5 类 23 个关键影响因素；应用 FISM 方法构建关键影响因素的多层递阶结构，在此基础上剖析跨既有铁路线桥梁转体施工安全事故致因机理；针对XX 特大桥项目进行案例分析并提出安全防护措施。研究结果表明：本文识别的关键影响因素清单科学合理，构建的事故致因机理多层递阶结构模型行之有效；违规指挥、吊机倾斜、球铰变形和结构错位变形等安全事故致因链路关键节点是管控的重点，而规章制度的落实和合理的施工组织设计可避免上述因素处于不安全状态。

跨既有铁路线；桥梁转体施工；安全影响因素；FISM；事故致因机理

改革开放以来，我国铁路发展成绩斐然，路网规模快速扩大，运输能力大幅提升，运营速度和效率显著提高，已成为名副其实的铁路大国[1]。2008 年发布的《国家中长期铁路网规划》中提出，截至 2020年，我国铁路营运总里程将达到12万km，其中新建铁路客运专线(高速铁路)将达到1.6万公里。在此背景下，出现了大量新建线路与邻近既有线施工等情况，跨既有铁路线桥梁工程数量日益增多。与常规铁路桥梁施工相比，跨既有铁路线桥梁施工既要保证既有铁路线正常运营，又要保证新建铁路线施工安全和工期目标，施工安全影响因素更加复杂多样[2]。为此，更多的跨既有铁路线桥梁施工采用转体技术，最大程度降低对既有铁路线的干扰，减少施工中存在的安全隐患[3]。目前，国内外学者对跨既有铁路线桥梁转体施工安全管理的研究较少，对其影响因素的识别不够全面。因此，有必要系统探究跨既有铁路线桥梁转体施工安全影响因素，并深入剖析其安全事故致因机理，为跨既有铁路线桥梁转体安全施工提供有力支撑。本文基于文献资料、典型案例和专家访谈等方法系统识别跨既有铁路线桥梁转体施工安全影响因素，运用 FISM(fuzzy interpretative structural modeling，模糊解释结构模型)方法构建关键安全影响因素的多层递阶结构，并基于此分析该情境下转体施工安全影响因素的事故致因机理，最后选用 XX 项目开展案例分析。研究结论有利于施工安全管理人员有效管控跨既有铁路线桥梁转体施工安全事故关键节点，制定针对性措施，降低或避免安全事故的发生。

1 跨既有铁路线桥梁转体施工安全影响因素识别

1.1 基于文献资料的施工安全影响因素识别

通过梳理跨既有铁路线桥梁转体施工安全管理相关文献，初步识别了桥梁转体施工安全影响因素(如表 1 所示)。

表1 基于文献识别的跨既有铁路线桥梁转体施工安全影响因素

1.2 基于典型案例的施工安全影响因素识别

在文献资料分析的基础上，结合典型工程案例充实跨既有铁路线桥梁工程施工安全影响因素。研究人员精选4座采用转体施工技术的跨既有铁路线桥梁工程作为典型案例，采用 WBS-RBS 方法梳理典型案例施工安全影响因素[13](如表 2 所示)。

表2 基于案例识别的跨既有铁路线桥梁转体施工典型案例安全影响因素

1.3 基于专家访谈的施工安全影响因素识别

基于文献资料和典型案例提取的初步影响因素，通过邮件、电话、座谈等方式深入访谈 20 位专家进一步优化筛选跨既有铁路线桥梁转体施工安全影响因素。访谈对象均有 5 a以上施工经验，且与研究人员团队合作关系密切，最终提炼形成跨既有铁路线桥梁转体施工安全影响因素清单(如表 3 所示)。

表3 跨既有铁路线桥梁转体施工安全影响因素清单

2 跨既有铁路线桥梁转体施工安全事故致因机理分析

2.1 基于三角模糊数的安全关键影响因素的邻接矩阵构建

自 Zadeh[14]开创性提出“模糊集”以来，许多学者应用模糊方法开展了成功且经典的研究。例如，ZHANG等[15]使用模糊层次分析法(FAHP)评估了合资企业的风险环境，以支持项目利益相关者的理性决策。Abdelgawad等[16]使用模糊故障树定量评估建筑行业的风险事件。

三角模糊数通常由3个字母表示：，和。这3个参数分别代表最小可能值、中值和最大可能值(即≤≤)。参考LI[17]给出的语言算子和三角模糊数(如表 4 所示)，我们邀请了 20 位专家(与前述专家一致)对施工安全影响因素清单中两两因素之间的关系强度进行评判。

表4 语言算子和三角模糊数

然后，利用模糊数据求得施工安全影响因素的模糊直接关系矩阵[18]，具体步骤如下所示：

1) 三角模糊数标准化

3) 计算标准化值的总和

6) 确定关键风险因素的模糊直接关系矩阵

7) 使用截距系数求得邻接矩阵

通过使用适当的截距系数，将模糊直接关系矩阵转换为邻接矩阵。

本文所构建的邻接矩阵如图 1 所示。

2.2 施工安全关键影响因素的递阶结构分析

以施工安全影响因素的邻接矩阵为基础，利用 Matlab R2016a 计算可达矩阵′，整理得到可达性集合((s))(如表5所示)。按照由上至下的原则依次抽取没有可达性集合的关键影响因素并逐层进行分析，调整后绘制跨既有铁路线桥梁转体施工安全关键影响因素的多层递阶结构事故致因机理模型(如图 2 所示)。可以看出，事故致因机理模型共包含7个层次，L1层为转体坍塌和高处坠落事故，L2层为顶层直接影响因素，L3，L4和L5 为中层间接影响因素，L6和L7为底层根源影响因素。

表5 跨既有铁路线桥梁转体施工安全影响因素邻接矩阵

图2 跨既有铁路线桥梁转体施工安全事故致因机理

底层根源影响因素是导致跨既有铁路线桥梁转体施工安全事故发生的根本原因，包括 L7 层既有线股道数量、梁底至接触网承力索距离、承台施工与轨道中心距离、规章制度落实程度和 L6 层既有线入侵 5 个影响因素。这些影响因素属于环境和管理方面，除既有线股道数量是客观不可改变的因素之外，合理组织施工防止既有线入侵和高效的制度执行是解决安全事故发生的根本途径。

中层间接影响因素是导致跨既有铁路线桥梁转体施工安全事故发生的间接原因，作用关系复杂且具有传递作用，包含了材料与设备、施工环境、施工技术、施工管理和人员因素中的众多影响因素。L5 层的施工天窗开设、人员安全意识、组织完善程度受到底层根源影响因素的作用，会导致 L4 层违规指挥的发生，进而影响 L3 层人员作业水平、现场安全措施配备，最终影响 L2 层因素。违规指挥也可直接影响了 L2 层因素中吊机倾斜、球铰变形、结构错位变形的发生。因此，提升施工现场安全管理水平，避免违规指挥是减少安全事故发生的重要途径。不良地质、机械设备故障、桥梁长度与跨度等 L3 层影响因素交叉作用于L2 层的因素，L3 层的因素是造成L2 层因素发生的真正原因。

顶层直接影响因素是导致跨既有铁路线桥梁转体施工安全事故发生的最直接原因，包括吊机倾斜、球铰变形和结构错位变形。顶层直接安全影响因素是底层和中间层安全影响因素不断积累的结果，安全管理人员可通过提前发现和排除底层和中间层安全影响因素进而有效控制安全事故的发生。

综上可知，安全事故是安全影响因素逐层演化而产生的，过程中有比较明显的安全事故致因链路。安全管理人员应注重安全影响因素的安全事故致因链路，控制致因链路上的关键节点(前置因素与后置因素较多的安全影响因素，比如违规指挥)，制定针对性措施，从而减少甚至规避施工安全事故的发生。

3 案例分析

3.1 工程概况

XX特大桥全长1 768.386 m，最大跨度128 m，转体重量为8 300 t。27号至30号墩采用(72+128+72) m 连续梁，跨越6股道。原初步设计计划采取跨铁路悬灌连续梁施工，考虑到跨既有铁路线施工，且梁底距离接触网距离较近，对既有铁路线运营的影响较大。经专家论证将悬浇改为转体施工，即先采取悬灌浇筑的方法对T构进行现浇施工，待浇筑完成后，利用承台中预埋的转体结构将 T 构旋转至设计轴线位置。

3.2 转体施工安全影响因素识别

基于上文识别的跨既有铁路线桥梁转体施工关键安全影响因素清单，结合施工区间的实际情况和专家分析，最终汇总得到 XX 特大桥转体施工安全关键影响因素清单(如表 6 所示)。

表6 X特大桥转体施工关键安全影响因素清单

3.3 安全防护措施及应用结果

该项目安全管理人员依据前文安全事故致因机理，分析了施工安全关键影响因素的事故致因过程，采取了多种安全防护措施(如表 7 所示)。

通过制定针对性的安全防护和管理措施，XX 特大桥转体施工过程中未发生安全事故，按目标顺利完成。

表7 XX特大桥转体施工采取的主要安全防护措施

4 结论

1) 基于文献资料、案例分析和专家访谈识别、提炼了跨既有铁路线桥梁转体施工安全影响因素，共包括材料与设备、环境、施工技术、施工管理、人员等 5 类 23 个关键影响因素。

2) 运用FISM 方法构建了跨既有铁路线桥梁转体施工安全影响因素作用关系及其多层递阶结构，并基于此剖析了转体施工安全事故致因机理。

3) 选择 XX 特大桥项目对本文识别的施工安全关键影响因素和事故致因模型进行实证分析，通过采取针对性的安全措施，达到较好的施工安全管理效果。

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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