橋梁施工安全事故流變－突變規律

楊偉軍，王 鵬，2，楊永達

（1.長沙理工大學 土木與建筑學院，長沙410076；2.中鐵十一局集團，武漢430062）

近年橋梁安全事故頻發，支架坍塌后果最為嚴重，對人民的生命和財產安全造成巨大損害，橋梁施工安全問題再次引起廣泛關注。施工安全事故的種類較多，應結合施工生產特點從分析安全事故的特點著手，掌握事故發生規律，著重分析影響較大、傷害較大、損害較大、發生較頻繁的安全事故［1－2］。在施工生產中，有些事故類型出現較多，尤其是坍塌事故占的比例較大。表1統計了近幾年全國施工安全事故坍塌事故所占的比例。

表1 施工安全事故坍塌事故所占的比例

橋梁施工安全風險分析的根本目的是為了防止安全事故的發生。因此在進行風險分析前，應該對安全事故的致因及其發生過程有深刻的認識，從而能夠對導致安全事故發生的危險源、影響程度等進行全面的辨識和評價［3］。通過大量工程實踐積累，結合施工特點，利用科學的方法找到事故規律，深刻認識事故致因和過程。文章結合這一特點，從事故觸發過程方面來研究施工安全事故致因。

1 橋梁施工事故流變 突變基本規律

當前常用的全事故致因理論有軌跡交叉論和能量轉移論進行致因分析時［4－6］，前者缺少對環境系統的分析，且偏重于管理角度，而缺少控制方法。后者在分析具體事故時較為有效，但無法明確能量轉移路徑和具體能量值。要進行橋梁施工過程安全事故致因理論的研究，首先應該明確安全事故在施工過程中表現是突發的，但其根源是各種因素和條件的結合。從事故發生過程來看，表現出各種潛在風險因素量的積累，最終變成事故，即事故本身是實質上的流變和形式上的突變。

從目前關于流變 突變理論的研究可見，施工事故的發生同樣存在流變 突變特征。對事故過程進行該理論的分析不僅可以客觀的解釋事故發生原因，也可以作為對事故本質原因挖掘的基礎［7－10］。但和一般的流變 突變規律有所不同，橋梁施工安全事故的發生更容易顯現出突變性，而流變性不容易被察覺，這也是對其進行流變 突變研究的必要性所在。在安全事故中，人員傷亡或者結構坍塌是標志事故發生的主要特征，如果用安全度來表示事故發生過程中的人員或結構的狀態，那么按照流變 突變理論，在事故經過時間內，隨著時間增加安全度逐漸降低，而影響安全度隨時間變化的因素就是事故致因。

對于橋梁施工過程，不安全度為0的時候是不存在的，這也是流變 突變普通規律圖中所存在的缺陷，且安全事故的發生和一般系統的不同在于流變時間并不是很長。若施工過程中隱含了不安全因素，即為施工過程中的防護不足、自身抗力不足或自身外力過大，此時施工系統安全度會逐漸降低，根據流變 突變理論可以繪制其近似的規律圖如圖1所示。

圖1 橋梁施工安全事故流變規律曲線

圖1所示曲線中DS為安全度，橫軸為事故從風險因素作用到最終發生的時間t。當施工過程中的風險因子開始作用時后，施工系統安全度隨時間到t1時，從初始的DS0開始緩慢降低，降到DSA后開始快速下降，施工系統即將發生事故，當安全度DSC突破后，事故已經發生，到DSD時已降到最低狀態，事故過程完成。采用流變 突變規律曲線進行橋梁施工安全事故過程分析只能定性的進行事故發生過程描述，因此可對曲線規律進行一些數學模型上的研究從而找到更深層次的原因和規律。

2 橋梁施工安全事故流變 突變數學模型

當施工系統在事故發生過程中按照圖1曲線變化時，曲線斜率代表安全度下降量和時間的比值且小于0。令系統安全度DS∈（0，1），這里取開區間是因為實際中并不存在絕對安全和絕對不安全。與安全度反對應的是危險度DU，若系統總度為1，則有

引入系統衰減率來表示單位時間內安全度下降量與安全度的比值，因此可以假設安全度衰減率為η，η是系統安全度DS和時間t的函數。當t＝t0時，從圖1中可知施工安全度為DS0，是系統中最大的安全度，此時η＝0，對應的危險度為1－DS0。隨時間增長，安全度越來越小，則η越來越大，最終出現安全事故。借助衰減率，安全度和時間的關系可表示為

對于曲線斜率的變化受衰減率和安全度影響，DS（1－DS）可以理解為施工系統對安全度下降的阻滯作用，而η則代表了衰減趨勢。這種觀點和傳統的流變 突變理論中安全阻尼件、安全可逆件等元件作用原理是吻合的。結合曲線特征，按照流變 突變理論，將事故過程分為三個過程，假設在t1－t3之間的某時刻t處有dDS／dt＝－1。

則代入式（2）可以得到

根據反LOG函數曲線特征和已知式（2）和（3）可得到DS隨時間變化函數為：

根據式（1）的設定，以及t0時刻為起始時間，設為0，式（4）可以簡化為：

圖1中T為事故全過程時間，當事故到達事故結束時間T時，施工系統安全度降到最低DSD。則事故時間T為：

對于橋梁施工而言，安全事故發生時間一般是比較短暫的，因此對式（6）事故時間T的理解應該是將事故時間分為N個無量綱的細小步距，t為不同細小單元時間對總時間的比值，若將時間以t／T進行表示，則可以得到橋梁施工安全事故流變 突變模型為：

其中，N為常數。

3 基于流變 突變數學模型的事故致因分析

3.1 事故致因與流變突變曲線的關系

根據式（7）和圖1所顯示的規律，對其中的影響因素結合橋梁安全事故進行分析，試圖找到事故的規律性和控制途徑。

施工系統的起始安全度和進入施工系統的人、設備以及外力等均有很大關系。人的安全度、環境的安全度、設備的安全度以及外來負作用力的影響等可以構成一個起始安全度，假設廣義的各種因素起始安全度由不同的影響因子組成：人的因素物或設備因素環境的因素那么起始的系統安全度由不同的人、物、環境和負作用力因素決定，且隨著時間變化，各種因子變化會造成安全度的變化。對于事故致因的分析，可以從幾個方面進行，但目前由于事故數據的缺乏，很難找到各因素之間定量的權重關系、具體因子值。文章借鑒因果連鎖理論對人和物的不安全狀態的研究，研究發現事故原因中人的不安全行為占88%，物的不安全狀態占10%，其他占2%。故假設人因的權重為0.88，物因的權重為0.1，環境因的權重為0.02%，則初始安全度表示為：DS0＝0.88 DSH＋0.1 DSM＋0.02 DSE。假設不同因素的起始安全度相同，依次變化為0.8、0.7、0.5，衰減系數為－0.5，時間步距劃分為20份時，通過數學軟件MATLAB處理得到不同起始安全度下的流變 突變曲線，如圖2所示。

圖2 不同起始安全度下的流變 突變曲線

從圖2中可以看出，起始安全度對流變和突變速度沒有影響，但對于流變突變拐點時間有影響，當施工系統中的人物環境起始狀態安全度較高時，發生事故的時間會后移。從事故本質上講，當外界作用力一定時人物環境自身的狀態是影響事故的主要原因。

在DS0＝0.8時，假設衰減系數分別為－0.2、－0.4、－0.6、－0.8，觀察流變 突變曲線變化，如圖3所示。

圖3 不同衰減率的流變 突變曲線

從圖3衰減率對流變 突變的影響看，當衰減率值增大時，流變速度增大，事故安全度隨時間的加速度變大，流變突變拐點時間提前；當衰減率較低時，在預計的事故發生時間內可能不會出現事故，這是施工過程中期望的情況。

衰減率除了與影響初始安全度的這些因素有關，這些因素對安全度和流變曲線的貢獻是提高曲線起始點，增大拐點時間。但對衰減率的作用恰好相反，因此可以假設衰減率與起始安全度成反比，從圖3衰減率對流變影響和事故經驗可知，還應有一個影響衰減率的因素，即外界負作用力影響因子當該作用力越大，衰減率越大，因此衰減率可以表示為這種外界負作用力既可以表現為具體的外力，也可以是人物環境的不利變化。

3.2 流變突變模型的假設性驗證分析

通過幾組假設的施工系統利用上面的分析說明事故致因，施工系統A：人員心理素質、技能等方面均具有較高水平，設備穩定可靠，環境適合作業，該施工過程中，人物環境對事故可能性的影響權重為0.5：0.2：0.3。施工過程中的負外力主要來自于自然環境的變化。

施工系統B：人無環境因素較A稍低，施工過程的影響權重和A相同，施工過程中負外力主要來自原自然環境變化，但較A更容易受到環境影響。

施工系統C：人物環境水平和A相當，但該施工過程中人物環境對事故可能性影響權重為0.5：0.4：0.1，施工中的負外力主要來自于設備所承擔的荷載重量。

施工系統D：任務環境水平較A稍低，施工過程影響權重和C相同，施工中主要負外力來自于設備所承擔荷載重量，但受荷載重量影響較C弱。

其主要影響因子如表3所示。

表3 事故流變突變分析假設參數表

利用軟件進行流變 突變函數的繪制，得到圖4結果：

圖4 不同假設因子的安全度衰減曲線

若假設負外力影響只對有影響的因素產生作用，那么衰減系數可以取為負外力因子和其影響因素安全度的比值，此時安全度衰減曲線如圖5所示。

圖5 負作用力對影響因素作用的衰減曲線

從圖4可以看出，這種流變 突變曲線非常吻合實際施工情況，即一旦事故進入發生過程，沒有過多的流變階段。施工系統C雖然起始狀態較A安全，但由于負外力影響大，因此較A提前進行突變期，先發生事故。從表3的起始安全度來看，施工系統A和C，B和D雖然各因素起始安全狀態相當，但由于在施工過程中所占權重不同，最終的系統狀態起始安全度也有所不同。對于A組和D組，當外力影響因子相同時，由于起始狀態不同，導致衰減系數不同。

從圖5中可以看出，若負外力只對其影響因素發生作用時，施工系統C將比系統D更早發生事故，這種方法對于施工系統中某一因素受外力作用較敏感時較為適用。

從以上4組驗證性假設可以看出，施工系統的安全事故發生是由組成系統的不同因素的狀態和外界對這些因素的影響共同作用而成的，當系統在自身組成因素和外界負作用力作用下，會出現事故趨勢，進而加速出現事故，直到事故結束。按照流變 突變理論觀點，事故的發生是不可避免的，因此對于施工安全事故應盡可能的延緩事故時間，從流變 突變模型和曲線規律來看，主要是要保證進入施工系統的人機物環境的良好狀態，提供一個較高的起始安全度。對于外力作用影響，則盡可能減少其對系統因素的影響。

4 常見橋梁安全事故的流變 突變實證研究

從事故致因模型和流變 突變曲線分析得到了事故致因的本質條件的進入施工系統的不同因素的安全度的衰減。由于在一般事故中較難獲取各種因素隨事故時間的變化情況，而且不同的施工系統的權重、負作用力均不同。橋梁施工過程中，支架坍塌是常見的安全事故，筆者通過對支架結構的施工期變形的監測數據和某次支架坍塌事故來驗證流變 突變模型。

4.1 數據處理及系統安全度計算

統計了某施工現場支架垮塌前所測得變形數據，采用轉換和估算的方法進行支架坍塌事故的流變 突變模型的研究，表4為一支架群施工項目的幾個墩梁支架撓度測量變化值，其中測量時次為從立模綁扎鋼筋到混凝土澆筑時中間的測量，測量間隔時間為4h，在2d時間內共進行9次測量。

對于支架施工和支架坍塌事故，系統的不安全度同樣來源于人機環境以及負外力影響，但由于缺乏對人和環境的數據，因此這里支架變形量作為在負外力和人機環境下的總影響結果。實測支架群為30m跨支架，實際計算跨度為27m，可以得到其理論最大變形量為67.5mm。為保證2倍安全系數，這里取允許最大撓度為35mm。隨著支架撓度增大，理論上安全事故可能性增大，因此令系統總安全度為實測變形量，fmin為允許安全撓度，利用這種方法進行確定后可以得到幾個支架體系的安全度隨測量時間的變化如表4所示。

4.2 支架坍塌事故流變 突變規律擬合

多個系統分析時，如果不容易確定總時間T和步距劃分，可以按照式（5）進行分析，用數學模型MATLAB對表4中的數據進行擬合可以得到各支架的流變 突變模型如表5所示。

表4 以變形量為度量的支架系統安全度

表5 擬合的支架安全度衰減規律

各支架安全度衰減規律圖6所示。

從圖6可以看出，各支架安全度遵循流變 突變特征，且支架B的事故時間最短。

4.3 坍塌事故分析

在該支架群施工中，支架A、C、D、E順利完成了施工任務，并及時拆除。而支架B在底腹板澆筑完后出現了垮塌，如圖7所示。

圖6 支架安全度衰減規律

圖7 支架B垮塌現場圖

從流變突變規律看，最終系統都將進入崩潰，但對于出事支架是其事故時間較支架服役時間短，因此發生事故，而其他結構的事故時間點上臨時結構已退出使用，進入下一個施工系統中。從安全度衰減規律分析這次事故，施工系統的起始安全度太低，按照前述的人機環境原因分析為：由于施工人員支架設計理解錯誤，將30對雙排雙層貝雷片設計施工成為30片，因此對于施工結構系統本身已經是一個具有極大風險度的系統，在澆筑過程中沒有及時發現支架的異常變化，當底板和腹板澆筑完成后支架安全度在重量和施工荷載的負作用影響下安全度下降迅速，最終出現事故。

5 結 論

1）根據橋梁施工安全事故流變 突變理論，繪制橋梁施工安全事故流變規律曲線；并通過理論推導建立了橋梁施工安全事故流變 突變數學模型。

2）基于橋梁施工安全事故流變 突變數學模型，采用數學軟件MATLAB得到了不同起始安全度和不同衰減率下橋梁施工安全事故流變 突變曲線。結果顯示：起始安全度對流變和突變速度沒有影響，對于流變突變拐點時間有影響；當衰減率值增大時，流變速度增大，事故安全度隨時間的加速度變大，流變突變拐點時間提前。

3）對該數學模型進行假設性驗證分析，發現保證進入施工系統的人機物環境的良好狀態，提供一個較高的起始安全度，盡可能減少其對系統因素的影響可以延緩事故發生時間減少事故發生概率。

4）通過對支架結構的施工期變形的監測數據和某次支架坍塌事故實例驗證流變 突變數學模型是合理的。

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