李永樂(lè)，王東緒，劉樹(shù)紅，何向東

(1.西南交通大學(xué)，成都 610031;2.蘭新鐵路新疆公司，烏魯木齊 830000)

1 現(xiàn)有防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)概況

于2009年9月正式開(kāi)工建設(shè)的蘭新鐵路第二雙線東起蘭州西至烏魯木齊，途經(jīng)青海、甘肅、新疆等省，全線總里程1 775.779 km(其中新疆境內(nèi)709.923 km，約占總里程的40%)，工程投資總額達(dá)1 435億元，預(yù)計(jì)工期為5年。由于處于特殊的地理位置，蘭新鐵路第二雙線(新疆段)近60%的線路需穿越新疆著名的煙墩、百里、卅里和達(dá)坂城四大風(fēng)區(qū)，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度占總線長(zhǎng)度超過(guò)一半。表1給出了四大風(fēng)區(qū)風(fēng)環(huán)境觀測(cè)的主要統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中年大風(fēng)日以日平均風(fēng)力≥8級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)。由表1可知，若大風(fēng)天氣下不進(jìn)行施工作業(yè)，將大大影響施工進(jìn)度，故大風(fēng)區(qū)鐵路施工中，進(jìn)行有風(fēng)情況下的施工不可避免。

表1 四大風(fēng)區(qū)風(fēng)環(huán)境觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

鑒于在一定風(fēng)速下的施工在所難免，確定科學(xué)合理的施工防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)及措施對(duì)加快工期、保障人員及設(shè)備安全具有重要意義。但目前國(guó)內(nèi)關(guān)于有風(fēng)條件下施工的相關(guān)規(guī)定，存在較多的問(wèn)題，人員防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)及措施方面更是幾乎空白，主要問(wèn)題如下:

1)任何一項(xiàng)大型交通工程項(xiàng)目，其沿途地形多復(fù)雜，路基、橋涵及隧道工程相互交接，同一時(shí)刻不同地點(diǎn)或在同一地點(diǎn)的不同高度處的風(fēng)速，都可能有較大差異。無(wú)庸置疑，由于施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)環(huán)境的復(fù)雜、多樣性，此時(shí)還以“當(dāng)工作地點(diǎn)風(fēng)力達(dá)到5級(jí)時(shí)，不宜進(jìn)行起吊作業(yè);當(dāng)風(fēng)力達(dá)到6級(jí)及以上或遇有大雪、大風(fēng)、雷雨等惡劣天氣及夜間照明不足的情況，不得進(jìn)行起吊作業(yè)”［1］這樣的不考慮具體施工場(chǎng)址的籠統(tǒng)規(guī)定，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能反映施工場(chǎng)址處的具體情況。

2)施工管理中現(xiàn)行的防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)都是以具體風(fēng)級(jí)作為界定施工安全的標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，施工人員在風(fēng)中的安全性主要與其所承受的風(fēng)荷載有關(guān)，而風(fēng)荷載又與風(fēng)速的平方成正比。若在同一風(fēng)級(jí)下的最大風(fēng)速與最小風(fēng)速間的差值較大，如就6級(jí)大風(fēng)而言，最大風(fēng)速Umax=13.8 m/s，最小風(fēng)速 Umin=10.8 m/s，風(fēng)速比Umax/Umin=1.28，而風(fēng)荷載比則等于，為1.64。顯然，在6級(jí)大風(fēng)下，人員所可能受到的風(fēng)荷載，最大風(fēng)速時(shí)的要比最小風(fēng)速下增加64%。因此，此時(shí)用風(fēng)級(jí)作為人員防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，似乎不盡合理。

3)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范、規(guī)程及文獻(xiàn)，對(duì)施工人員防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)尚無(wú)一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的規(guī)定，甚至可以說(shuō)很多時(shí)候無(wú)法找到較為具體、可行、統(tǒng)一的施工人員防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)及措施。

綜上所述，一方面大風(fēng)地區(qū)進(jìn)行有風(fēng)情況下的施工不可避免，另一方面關(guān)于施工防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的已有規(guī)定存在諸多缺陷，且缺乏對(duì)施工人員防風(fēng)的相關(guān)規(guī)定。本文針對(duì)這種現(xiàn)狀，從舒適性和安全性?xún)蓚€(gè)方面分析了大風(fēng)對(duì)施工人員的影響，基于國(guó)內(nèi)外已有研究，結(jié)合鐵路施工特點(diǎn)，提出了人員防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)及防風(fēng)措施。研究成果對(duì)大風(fēng)區(qū)鐵路施工具有指導(dǎo)意義。

2 大風(fēng)對(duì)施工人員的影響

大風(fēng)對(duì)人員的影響主要包括舒適性和安全性?xún)蓚€(gè)方面。舒適性主要針對(duì)大風(fēng)對(duì)人員生理和心理可能產(chǎn)生的影響，而安全性則關(guān)注大風(fēng)對(duì)人員平衡狀態(tài)的影響，避免施工時(shí)發(fā)生生命安全問(wèn)題。

2.1 舒適性

當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，風(fēng)對(duì)人沒(méi)有影響或者影響很小。但是，隨著風(fēng)速的增大，大風(fēng)將使人心理及生理產(chǎn)生諸多的不適。

目前，施工人員防風(fēng)舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定，可參考高層建筑行人風(fēng)環(huán)境的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在同時(shí)考慮了平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)效應(yīng)之后，文獻(xiàn)［2］提出了行人舒適感與風(fēng)速間較為具體的關(guān)系，不同風(fēng)速下行人的舒適狀況見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)環(huán)境與行人舉止舒適性［2—3］

表中有效風(fēng)速Ue定義如下:

由此可見(jiàn)，隨著風(fēng)速的提高，人體心理及生理的舒適性均會(huì)逐漸降低，直至不能忍受。而人員舒適性的降低往往又會(huì)直接影響到施工效率。關(guān)于大風(fēng)對(duì)西北地區(qū)路基、橋梁施工勞動(dòng)效率的影響的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。對(duì)應(yīng)于6級(jí)大風(fēng)，表2中的舒適度為“不舒適”，此時(shí)的勞動(dòng)效率降低量為33.1%，顯然，舒適性與勞動(dòng)效率降低量緊密關(guān)聯(lián)，隨著風(fēng)級(jí)的逐漸提高，施工人員的勞動(dòng)效率顯著降低。

表3 各級(jí)風(fēng)速下勞動(dòng)效率的降低量［4］

2.2 安全性

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定限值以后，就不僅僅是使人產(chǎn)生不舒適感，而且還會(huì)影響到人的生命安全。例如處于高空作業(yè)的人員，在大風(fēng)中除了面臨不舒適的問(wèn)題之外，更有被大風(fēng)吹落的危險(xiǎn)。所以，人員防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)還有必要對(duì)安全性做出適當(dāng)?shù)脑u(píng)估。

在已有研究中，通常以不使人失去平衡的風(fēng)速作為安全風(fēng)速［5］。根據(jù) Durov［7］的定義，當(dāng)人的初始狀態(tài)改變時(shí)，便失去了平衡。此時(shí)，需通過(guò)調(diào)整步伐或移動(dòng)腳步以避免跌倒。表4中列出了不同學(xué)者提出的人員處于未摔倒?fàn)顟B(tài)的臨界風(fēng)速。應(yīng)當(dāng)指出的是，其中許多參數(shù)是根據(jù)被試驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)條件做出的某些主觀回應(yīng)而得出的，故在使用表中參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮到各試驗(yàn)的具體限制條件。

表4 各文獻(xiàn)人員安全風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)匯總

從表4中不難看出，人員在大風(fēng)中的安全臨界風(fēng)速集中在陣風(fēng)風(fēng)速為20～30 m/s(對(duì)表中平均風(fēng)速，可近似地取其1.5倍，轉(zhuǎn)化為陣風(fēng)風(fēng)速后再進(jìn)行比較)的范圍內(nèi)。參照表2的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)，在20～30 m/s的陣風(fēng)風(fēng)速范圍內(nèi)，人員均已感到“不能忍受”。以此作為安全臨界風(fēng)速是合理的。

3 施工人員防風(fēng)建議標(biāo)準(zhǔn)

3.1 風(fēng)速的定義

眾所周知，風(fēng)是空氣的流動(dòng)，因此必然有速度即為風(fēng)速。在風(fēng)速測(cè)算時(shí)還必須考慮時(shí)距，所謂時(shí)距是指風(fēng)速記錄時(shí)為確定最大平均風(fēng)速而規(guī)定的測(cè)定平均風(fēng)速的時(shí)間間隔。我國(guó)常用的風(fēng)速有時(shí)距3 s平均風(fēng)速、2 min平均風(fēng)速及10 min平均風(fēng)速。3 s平均風(fēng)速即為陣風(fēng)風(fēng)速，氣象部門(mén)天氣預(yù)報(bào)中風(fēng)級(jí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速是2 min平均風(fēng)速，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本風(fēng)速采用的是10 min平均風(fēng)速。

此外在邊界層內(nèi)風(fēng)速隨高度不同也是變化的，而地表粗糙度對(duì)其也有影響。在進(jìn)行不同高度處風(fēng)速換算時(shí)，我國(guó)規(guī)范［14］中采用公式:

式中，UZ1為高度Z1處的風(fēng)速(m/s);UZ2為高度Z2處的風(fēng)速(m/s);α為考慮地表粗糙度影響的無(wú)量綱冪指數(shù)，地面起伏越大，α越大。

值得注意的是，風(fēng)在結(jié)構(gòu)物處的繞流也會(huì)使風(fēng)速在結(jié)構(gòu)物的周邊產(chǎn)生一系列復(fù)雜的變化。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)并便于施工人員具體落實(shí)，下面提及的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)中均指人員所在平臺(tái)以上1.5 m高度處的陣風(fēng)風(fēng)速。

3.2 人員施工安全標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速

在制定施工人員防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，一方面，考慮到施工人員不同于普通人，他們一般均受到過(guò)防風(fēng)的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，并且有著完備的防風(fēng)設(shè)備，安全防風(fēng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)不必定得太低;另一方面，他們又要在風(fēng)中進(jìn)行體力勞動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)也不可定得太高。結(jié)合表4中各文獻(xiàn)給出的人員安全風(fēng)速集中在陣風(fēng)風(fēng)速為20～30 m/s的范圍，故擬定施工人員可施工的安全風(fēng)速為陣風(fēng)風(fēng)速19 m/s。即在任何時(shí)候、任何施工地點(diǎn)，一旦陣風(fēng)風(fēng)速大于該值，便須采取必要的防風(fēng)措施以降低施工地點(diǎn)的風(fēng)速或停止施工，以確保施工人員的安全。

假設(shè)在一般路基上和位于山谷峭壁間路塹上的工人，同時(shí)受到15 m/s的陣風(fēng)的作用，顯而易見(jiàn)，后者會(huì)更加危險(xiǎn)。因此在施工區(qū)內(nèi)，對(duì)不同工作環(huán)境下人員的防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)當(dāng)區(qū)別對(duì)待。根據(jù)人員防風(fēng)要求的嚴(yán)格性及重要性程度，暫將施工環(huán)境分為一般施工環(huán)境、較危險(xiǎn)施工環(huán)境與高危施工環(huán)境三類(lèi)。其中，一般施工環(huán)境指平原微丘區(qū)，距離地面2 m高度以下的施工環(huán)境;較危險(xiǎn)施工環(huán)境指平原微丘區(qū)離地面2～10 m施工高度范圍內(nèi)或2 m以下水上平臺(tái);高危施工環(huán)境指平原微丘區(qū)離地面10 m以上、2 m以上水上工作平臺(tái)或山谷峭壁等施工部位。

結(jié)合上述三類(lèi)施工環(huán)境，制定出的人員施工安全風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

表5 人員施工安全風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)

表6 人員防風(fēng)措施等級(jí)

3.3 人員防風(fēng)措施等級(jí)

由于施工人員的防風(fēng)措施是否齊全、完備，對(duì)其安全性也有重大影響，因此有必要將人員的防風(fēng)措施等級(jí)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)。在綜合考慮了風(fēng)速的影響、各施工環(huán)境特點(diǎn)及人員防風(fēng)措施的完備程度后，制定的與上述三類(lèi)施工環(huán)境相對(duì)應(yīng)的三個(gè)等級(jí)的防風(fēng)措施見(jiàn)表6。

3.4 主要施工工序人員安全風(fēng)速參考標(biāo)準(zhǔn)

綜合考慮了風(fēng)速的影響、各施工環(huán)境特點(diǎn)及人員防風(fēng)措施的完備程度，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，建議主要施工工序人員的安全風(fēng)速如表7所示。需說(shuō)明的是，表7中的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地類(lèi)型、工作性質(zhì)、施工經(jīng)驗(yàn)、防風(fēng)裝備等因地制宜地進(jìn)行調(diào)整。

表7 主要施工工序人員安全風(fēng)速

4 結(jié)論

1)大風(fēng)區(qū)鐵路施工過(guò)程制定人員防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)是必要的，制定人員防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)同時(shí)考慮人員的舒適性和安全性?xún)蓚€(gè)方面。

2)施工人員防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采用平臺(tái)以上1.5 m高度處的陣風(fēng)風(fēng)速。

3)一般鐵路施工環(huán)境條件下，人員施工安全風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)可取為19 m/s，并應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件的不同及施工工序的差異而有所調(diào)整。

4)不同環(huán)境條件及風(fēng)速下施工時(shí)，人員應(yīng)采用相應(yīng)等級(jí)的防風(fēng)措施。

值得說(shuō)明的是，本文建議的人員安全風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)及防風(fēng)措施僅適用于常規(guī)情況，施工單位應(yīng)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地類(lèi)型、工作性質(zhì)、施工經(jīng)驗(yàn)、防風(fēng)裝備等因地制宜地進(jìn)行調(diào)整。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10401.1—2003(J260—2003)鐵路工程施工安全技術(shù)規(guī)程(下冊(cè))［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2003.

［2］埃米爾·?？?，羅伯特·H·斯坎倫.風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用——風(fēng)工程導(dǎo)論［M］.劉尚培，項(xiàng)海帆等，譯.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1992.

［3］趙萬(wàn)英，馬金花.風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞模擬研究及其舒適性判斷［J］.制冷與空調(diào)，2005(4):20-23.

［4］張學(xué)西.西北地區(qū)大風(fēng)區(qū)風(fēng)沙地區(qū)施工增加費(fèi)研究［J］.山西建筑，2010，36(17):228-229.

［5］JORDAN S C，JOHNSON T，STERLING M，et al.Evaluating and modeling the response of an individual to a sudden change in wind speed［J］.Building and Environment，2008，43(9):1521-1534.

［6］MELBOURNE W H.Criteria for environmental wind conditions［J］.Journal of Industrial Aerodynamics，1978，3(2-3):241-249.

［7］DUROV A C.Questions relating to the aerodynamics of highspeed trains［J］.Zheleznodorozhni Transport，1967(49):34-36.

［8］PETERS J W H.Air movements and human postural stability［R］.Utrecht:Arbo Management Groep，1999.

［9］HUNT J C R，Poulton E C，Mumford J C.The effects of wind on people:new criteria based on wind tunnel experiments［J］.Building and Environment，1976，11(1):15-28.

［10］SOLIGO M J，IRWIN PA，WILLIAMSCJ，etal.A comprehensive assessment of pedestrian comfort including thermal effects［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1998(77-78):753-766.

［11］PENWARDEN A D， GRIGG P F， RAYMENT R.Measurements of wind drag on people standing in a wind tunnel［J］.Building and Environment，1978，13(2):75-84.

［12］BOTTEMA M.Wind climate and urban geometry［R］.Report no.92.63k，Technical University of Eindhoven，1992.

［13］LAWSON T V.Wind effects on buildings［M］.London:Applied Science Publishers Ltd，1980.

［14］中華人民共和國(guó)交通部.JTG/T D60-01—2004 公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［15］張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)壓與風(fēng)振計(jì)算［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1985.