基于ISM 的地下式污水處理廠施工安全風險因素研究

王迪WANG Di

（深圳市固戍水質凈化有限公司，深圳 518000）

0 引言

2022 年11 月8 日，國家發展改革委印發《關于進一步完善政策環境加大力度支持民間投資發展的意見》，意見指出要“因地制宜推廣污水處理廠下沉”。2024 年1 月10 日，國家發展改革委等三部門印發《關于推進污水處理減污降碳協同增效的實施意見》，意見指出“土地資源緊缺的城市可建設全地下/半地下式污水處理廠”。在國家政策的大力推動下，地下式污水處理廠建設逐漸興起，其對于推動城市生態文明可持續發展具有重要意義。

我國污水處理廠通常是地上式，但是隨著城市建設高速發展，城市土地資源緊張，地上式污水處理廠難以滿足當前城市可持續發展的需求，而地下式污水處理廠憑借著土地集約化、生態友好性的特點逐步取代地上式污水處理廠，成為建設首選。雖然地下式污水處理廠相對于地上式污水處理廠具有獨特優勢，但是由于結構的差異，地下式污水處理廠的投資成本高、運營維護難、施工安全風險大等問題制約了其現階段的廣泛應用[1]。為此，本文首先識別了影響地下式污水處理廠施工安全風險因素，然后利用解釋結構模型（ISM）分析了其之間的影響關系，最后針對地下式污水處理廠施工安全風險控制給出落地的建議，為地下式污水處理廠施工安全風險管理提供科學依據。

1 工程概況

W 市地下式污水處理廠項目采用了PPP 模式中的“BOT+O&M”方式，是該市首座現代化地下式污水處理廠，設計日污水處理量50000m3/d，配套一級干管總長度13.86km，二級管網長度29.37km，三級管網長度54.68km。該項目以基坑工程為主，平均開挖深度10.9m、最深達15.8m，開挖土方總量達216000m3。由于施工場地內管線錯綜復雜，開挖深度較大，總體施工難度較大。

2 地下式污水處理廠施工安全風險因素識別

近年來，國內外大量的學者都對地下式污水處理廠施工安全風險識別和應對展開了研究。劉世德等結合地下式污水處理廠的結構特征，分析了地下式污水處理廠建設和運行過程中的關鍵施工安全風險問題，并提出針對性的建議[2]。王泉基于上海某地下式污水處理廠項目，分析了其施工階段的風險，并提出了其施工過程中的安全管理重點[3]。孫世昌認為地下式污水處理廠在施工過程中存在施工難度大、建設成本高、安全隱患大等問題，并給出了相應的解決辦法，為地下式污水處理廠建設提供技術支持[1]。胡愛軍以西北某工業園污水處理廠工程為例，研究出高水位地質條件下的施工方法和注意事項[4]。萬玉生分析了全地下式污水處理廠施工階段的問題和風險，并從埋置深度、防水設計、內力計算等方面給出了其結構優化設計方案[5]。Giwa 等認為傳統污水處理廠存在建設和運營成本高、健康安全風險嚴重和設計單調等問題，并提出要從地下布置結構、工藝技術方面著手解決[6]。Widiana 等研究了地下式污水處理廠施工過程中揮發性有機化合物暴露的風險[7]。

為了識別地下式污水處理廠施工安全風險因素，本文在廣泛收集、篩選國內外地下式污水處理廠施工安全風險相關文獻的基礎上，通過德爾菲法咨詢了相關領域多個專家的意見，最后分類匯總確定了4 類，總共15 個具有代表性的施工安全風險因素（表1）。

表1 地下式污水處理廠施工安全風險因素分類與解釋

3 地下式污水處理廠施工安全風險因素的ISM 模型

解釋結構模型（ISM）是一種將復雜的系統分解為若干子系統要素，利用人們的實踐經驗并借助計算機的幫助，理清不同要素間的相互關系，最終建立一個直觀的多級遞階結構模型[8]。該模型能夠清楚明晰地展示復雜系統的結構層次，因此本文采用解釋結構模型來分析地下式污水處理廠施工安全風險，深入探究其作用機理。

3.1 構建地下式污水處理廠施工安全風險因素鄰接矩陣A

利用上述匯總分析得到地下式污水處理廠施工安全風險因素構建系統的要素集合S，S 的表達式為S={S1，S2，S3，…，Sn}。通過查閱相關文獻和半結構性的專家訪談等方式來判斷不同地下式污水處理廠施工安全風險因素兩兩之間的關系aij，一般用0、1 表示，進而構建地下式污水處理廠施工安全風險因素鄰接矩陣A=（aij）n×n，具體如式（1）所示。

根據上述公式，建立如下地下式污水處理廠施工安全風險因素鄰接矩陣A（表2）。

表2 地下式污水處理廠施工安全風險因素鄰接矩陣A

3.2 構建地下式污水處理廠施工安全風險因素可達矩陣R

運用推移律和布爾代數運算規則（即0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=1，0×0=0，0×1=0，1×0=0，1×1=1）對地下式污水處理廠施工安全風險因素鄰接矩陣A 進行迭代運算，直至滿足式（2），即可得到地下式污水處理廠施工安全風險因素可達矩陣R。由于數據計算量較大，為了方便計算，通過Matlab R2018b 軟件進行編程運算，求得地下式污水處理廠施工安全風險因素可達矩陣R（表3）。

表3 地下式污水處理廠施工安全風險因素可達矩陣R

3.3 地下式污水處理廠施工安全風險因素的多層級劃分

為了更清晰地了解系統中各因素之間層級影響關系，在上述地下式污水處理廠施工安全風險因素可達矩陣R的基礎上進一步理清各因素之間的層級結構，進行地下式污水處理廠施工安全風險因素的多層級劃分，其中最上層表示的是系統的直接因素，其下面每層表示的是上一層的原因，最下層表示的是系統的根本因素。其具體步驟為：首先根據可達矩陣R 找到各個因素對應的可達集R（Si）、前因集A（Si）和交集T（Si），其中R（Si）為可達矩陣R 中的第Si行中所有矩陣元素為1 的列對應的要素集合而成，A（Si）是由可達矩陣R 中的第Si列中所有矩陣元素為1 的行對應的要素集合而成，T（Si）=R（Si）∩A（Si）。然后找到T（Si）=R（Si）所對應的因素，將其作為多級遞階層次結構的第一層，并將其從可達矩陣R 中劃掉所對應的行和列，依次重復該步驟，直至找到多級遞階層次結構所有層級和每個層級所對應的全部因素，形成完整的多級遞階層次結構。

為了提高該步驟的可操作性，這一步驟同樣使用Matlab R2018b 軟件編程來完成。最后運算的結果為L1={1，5，6，8，15}，L2={14}，L3={7}，L4={2，11，13}，L5={3，10，12}，L6={4，9}。最后根據地下式污水處理廠施工安全風險因素多層級劃分的結果以及地下式污水處理廠施工安全風險因素可達矩陣R，建立地下式污水處理廠施工安全風險因素ISM 模型（圖1）。

圖1 地下式污水處理廠施工安全風險因素ISM 模型

3.4 結果分析

通過圖1 可以發現，地下式污水處理廠項目的15 個施工安全風險因素被劃分為6 個層級，不同層級之間的風險因素相互影響相互關聯，形成了一條邏輯緊密的因素鏈，共同組成了一個多級遞階層次結構模型。

①模型底層的施工安全風險因素有2 個，分別是S4管理人員風險識別能力不足和S9安全教育培訓不到位。模型底層的施工安全風險因素屬于根本影響因素，它們會直接或間接地影響上層施工安全風險因素，是地下式污水處理廠施工時應該關注的關鍵施工安全風險因素。因此項目施工單位應該加強對施工人員和管理人員的安全教育培訓，培養相關人員安全意識，提高管理人員識別風險的能力，從源頭上化解地下式污水處理廠施工時的安全風險。

②模型頂層的施工安全風險因素也有5 個，分別是S1施工人員操作失誤、S5模板支撐體系穩定性差、S6腳手架搭拆頻繁、S1機械設備故障和S15有毒有害氣體泄漏。模型頂層的施工安全風險因素屬于直接影響因素，是地下式污水處理廠施工安全風險的直接來源，應作為相關單位進行施工安全風險管控的終極目的，通常需要對模型底層和過渡層的施工安全風險因素加以約束來進行控制。如若要降低地下式污水處理廠施工安全風險，可以通過提高模板支撐體系穩定性，減少腳手架搭拆頻率，做好機械設備前期檢查工作，并時刻監測是否有有毒有害氣體泄漏的情況來化解風險，除此之外還可以通過提前勘察地下管線管網埋置情況，減少實際施工過程中的失誤來降低風險發生的概率。除此之外還應該注意該模型頂層的4 個施工安全風險因素不但受到下面各層施工安全風險因素的影響，它們之間也有密切的循環關系，任何一個施工安全風險因素細微的變動都會導致另外三個施工安全風險因素的較大波動，因此還可以通過控制這四個風險因素使其相互制約，降低風險。

③模型的過渡層（2-5 層）的施工安全風險因素總共有8 個，分別是S2、S3、S7、S10、S11、S12、S13、S14。模型過渡層的施工安全風險因素一般為間接影響因素，即在模型中起到承上啟下的作用，將底層的施工安全風險因素傳遞給頂層的施工安全風險因素。其中施工人員文化素質水平不高會導致施工人員技術能力不足，因此施工單位在招募施工人員時應盡量選擇有一定文化水平的施工人員；安全措施費投入不足會導致風險應急預案不完善，因此施工企業應加大安全措施費投入力度，確保安全防護設施齊全，同時完善風險應急預案，提高抗風險能力；天氣狀況惡劣一定程度上會影響水文地質條件，導致地基塌方等問題，因此在遇到惡劣天氣時應避免施工，減少惡劣天氣帶來的影響。除此之外，構件質量不達標會導致返工，地下管線管道也會重新埋置，使得后期施工現場需重新開洞，增加安全風險，因此施工單位應嚴格確保構件的質量達標，杜絕潛在風險發生。

4 結論

本文通過建立地下式污水處理廠施工安全風險因素的ISM 模型，分析了地下式污水處理廠項目15 個施工安全風險因素間的層次結構關系。研究結果發現：管理人員風險識別能力不足和安全教育培訓不到位這兩個風險因素處于ISM 模型的底層，是影響地下式污水處理廠施工安全風險的根本因素；施工人員操作失誤、模板支撐體系穩定性差、腳手架搭拆頻繁、機械設備故障和有毒有害氣體泄漏這五個風險因素處于ISM 模型的頂層，是影響地下式污水處理廠施工安全風險的直接因素；除此之外，模板支撐體系穩定性差、腳手架搭拆頻繁、機械設備故障和有毒有害氣體泄漏這4 個風險因素之間形成了一個兩兩相互影響的循環關系，施工企業在進行地下式污水處理廠施工安全風險控制時也應特別注意。