魯惠敏， 杜 婷， 王本武

(華中科技大學土木工程與力學學院， 武漢 430074)

混凝土泵送施工技術真正起源于20 世紀 30 年代[1]，商品混凝土經罐車運輸至泵送施工現場，通過泵送將混凝土沿泵送管道輸送到指定澆筑高度和澆筑地點，泵送技術大幅提高了混凝土澆筑速度和施工效率[2]。目前中國混凝土泵送技術被廣泛應用，但泵送施工堵管時有發(fā)生，堵管會不同程度地影響施工進度，嚴重時甚至引發(fā)爆管事故。近年來有學者通過泵送模擬和施工現場試驗對混凝土的可泵性評價[3-5]、堵管影響因素[6-10]等進行了研究。而混凝土高處泵送涉及原材料、泵送管道、泵送高度等眾多因素，即引起堵管的原因是多方面的[11]。因此，為了預防堵管風險的發(fā)生，基于事故因果連鎖理論、人-機-料-法-環(huán)理論和集對理論[12]，全面分析堵管致因，對混凝土泵送施工堵管風險評價指標和評價進行研究[13]。

1 泵送堵管風險評價指標及權重

1.1 混凝土泵送堵管風險評價指標體系

根據事故因果連鎖理論，在混凝土泵送施工過程中，引發(fā)堵管風險的原因主要為兩個方面：一方面混凝土泵送施工過程中存在“人的缺點”，即管理層的管理缺失和操作人員的操作失誤等導致“人的不安全行為”；另一方面存在“物的不安全狀態(tài)”，主要包括泵送機械設備、泵送管道等發(fā)生故障；而基于人-機-料-法-環(huán)-理論，對混凝土泵送施工而言，堵管風險因素主要為：泵送操作人員因素，泵送機械設備因素，環(huán)境因素和施工管理因素。因此，基于事故因果連鎖理論、人-機-料-法-環(huán)-理論將混凝土泵送施工堵管的風險影響因素進行歸納和總結，構建如表1所示的混凝土泵送施工堵管風險評價指標，其指標主要由操作人員、混凝土材料、機械設備及實施方案、泵送管道、施工管理和環(huán)境六大風險因素組成。

1.2 泵送堵管風險評價指標權重

研究采用層次分析法[14]確定混凝土泵送堵管風險評價指標權重，邀請43位專家對評價指標的重要性進行打分，專家來自于攪拌站、施工單位工作人員以及相關研究學者，其中攪拌站總工、攪拌站技術人員共14位，施工單位技術人員18位，相關行業(yè)的研究學者11位。應用1～7標度法對表1中同一準則下指標的相對重要性進行賦值，這些賦值即為判斷矩陣的元素，用MATLAB軟件中編碼程序對專家判斷矩陣進行一致性檢驗和權重確定，只有一致性檢驗通過的判斷矩陣才用來確定各指標權重，運算結果表明專家打分具有較高的一致性。根據專家打分和MATLAB軟件中編碼程序運算得到的權重取平均值后得到的各指標權重如表1所示。

混凝土泵送施工堵管風險評價指標權重向量如下所示。

施工堵管風險評價指標一級指標權重為：W=(0.095 7,0.276 5,0.142 2,0.294 6,0.104 1,0.086 9)。

操作人員因素C1中各二級指標權重：W1=(0.079 5,0.206 7,0.370 6,0.190 8,0.152 4)。

混凝土材料因素C2中各二級指標權重：W2=(0.297 6,0.130 7,0.212 6,0.138 5,0.099 8,0.120 8)。

機械設備及實施方案因素C3中各二級指標權重W3=(0.384 8,0.186 7,0.164 2,0.264 3)。

泵送管道因素C4中各二級指標權重：W4=(0.336 5,0.315 9,0.180 5,0.167 1)。

施工管理因素C5中各二級指標權重：W5=(0.262 1,0.318 5,0.419 4)。

環(huán)境因素C6中各二級指標權重：W6=(0.519 0,0.299 9,0.181 1)。

表1 混凝土泵送施工堵管風險評價指標權重表Table 1 Weight table of risk assessment index of blockage in concrete pumping construction

2 結合集對分析的模糊綜合評價模型

2.1 確定風險評價標準集

采用風險矩陣法[15]作為泵送堵管的風險評價標準。在堵管風險矩陣中有兩個重要的概念，堵管風險發(fā)生的概率和堵管風險影響程度。其定義為。

堵管風險發(fā)生概率：混凝土泵送施工堵管風險事件發(fā)生的可能性大小。

堵管風險影響程度：混凝土泵送施工堵管風險事件的發(fā)生對于堵管風險的影響程度。堵管風險影響程度是個抽象概念，難以量化，一般采用半量化方式來處理風險影響程度值。

根據混凝土泵送堵管風險事件發(fā)生概率、泵送堵管風險事件的發(fā)生對于泵送堵管風險影響程度這兩個變量，將堵管風險量定義為

R=f(L,S)=LS

(1)

式(1)中：R為混凝土泵送施工堵管風險量的大??；L為混凝土泵送施工堵管風險事件發(fā)生的可能性大小；S為混凝土泵送施工堵管風險事件的發(fā)生對于堵管風險的影響程度。

混凝土泵送施工堵管風險發(fā)生的可能性和影響后果如表2所示，堵管風險的等級劃分及接受準則、處理措施等如表3所示。

表2 混凝土泵送施工堵管風險發(fā)生的可能性和影響后果Table 2 Possibility and influence consequence of blockagerisk happened in concrete pumping construction

2.2 確定隸屬度函數

(1)混凝土泵送施工堵管風險評級等級為V={極低，低，中等，高，極高}。針對混凝土泵送施工堵管風險，根據表3混凝土泵送施工堵管風險等級評定標準表中的標準采用專家賦分法，設混凝土泵送施工堵管風險指標評分值為xij，此處研究的是指標越小越優(yōu)型，利用距離來分別構造對應的5個堵管風險等級的隸屬度函數i1(x)、i2(x)、i3(x)、i4(x)、i5(x)。具體隸屬度函數表達式如下：

表3 混凝土泵送施工堵管風險等級、接受準則和處理措施Table 3 Risk level, acceptance criteria and treatmentmeasures for blockage in concrete pumping construction

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

由表2、表3可知，xij∈[1,25]，S1=5，S2=10，S3=15，S4=20，S5=25)。

(2)構造隸屬度矩陣。根據隸屬度函數構造隸屬度矩陣：操作人員因素C1中二級指標的風險等級隸屬度矩陣A1，混凝土材料因素C2中二級指標的風險等級隸屬度矩陣A2，機械設備及實施方案因素C3中二級指標的風險等級隸屬度矩陣A3，泵送管道因素C4中二級指標的風險等級隸屬度矩陣A4，施工管理因素C5中二級指標的風險等級隸屬度矩陣A5，環(huán)境因素C6中二級指標的風險等級隸屬度矩陣A6，具體如下所示。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

2.3 結合集對分析的模糊關系合成

集對分析是中國學者趙克勤1989年提出的主要針對不同領域存在的不確定性問題進行分析的一種理論[12]。而混凝土泵送施工堵管的影響因素和堵管結果均存在一定的不確定性，因此可以將混凝土泵送施工堵管風險等級標準集與堵管風險評價指標集作為集對進行分析，然后根據集對分析中的同異反模型，設N是集合的屬性總數，兩個集合之間的相同屬性的數量用S表示，差異屬性的數量用F表示，對立屬性的數量用P表示，N=S+F+P，現將混凝土泵送堵管風險評價等級分為五級，則集對分析的五元聯系度表達式為

U=a+b1i+b2i+b3i+cj

(13)

式(13)中:a為同一度系數;b1、b2、b3為差異度系數，c為對立度系數，則結合集對分析五元聯系數的模糊關系合成具體分析過程如下。

將集對分析的聯系度表達式U=a+b1i+b2i+b3i+cj拆分成兩部分，即模糊關系合成M和系數分量E，其中模糊關系合成M即權向量W和隸屬度矩陣A的模糊合成，以此簡化、優(yōu)化模糊綜合評價過程。具體綜合評價的計算過程分成以下幾個步驟。

(1)同一度表示堵管風險極低，差異度表示堵管風險為低、中、高，對立度表示堵管風險極高，混凝土泵送堵管風險模糊綜合評價中模糊關系M為泵送堵管指標權重向量W和各堵管風險等級隸屬度矩陣A的科學合成[選擇合適的合成算子，目前較為通用的為M(·,⊕)]。

M=W×A

(14)

(2)將集對分析的聯系度理論與混凝土泵送施工堵管風險模糊綜合評價中的隸屬度矩陣相結合，聯系數的元數與混凝土泵送堵管風險模糊綜合評價等級相同，本文評價等級為5個，則構造五元聯系數：U=a+b1i+b2i+b3i+cj，因此系數分量E的元素為[-1,1]的5個均分數，i1=0.5、i2=0、i3=-0.5，系數分量E為

(15)

(3)泵送堵管評價等級為五個，則五元聯系數的表達式可以記作模糊關系合成M和系數分量E的乘積，即

U=a+b1i+b2i+b3i+cj=ME=

(16)

由集對分析理論可知，U為五元綜合聯系數，a、c為確定性分量，b1、b2、b3為不確定分量。a為同一度分量，代表混凝土泵送施工堵管風險極低；b1為差異度偏同分量，代表混凝土泵送施工堵管風險低；b2為差異度居中分量，代表混凝土泵送施工堵管風險為中等；b3為差異度偏異分量，代表混凝土泵送施工堵管風險高；c為對立度分量，代表混凝土泵送施工堵管風險極高。

(4)根據混凝土泵送施工堵管風險的五個等級將五元聯系數U的取值范圍五等分，集對分析理論中提到聯系數U的取值范圍為[-1,1]，五等分后為[-1,-0.6)、 [-0.6,-0.2)、[-0.2,0.2)、[0.2,0.6)、[0.6,1]，相應的堵管風險等級為極高、高、中、低、極低，具體如表4所示。

表4 基于集對分析的泵送施工堵管風險評價最終等級標準Table 4 Final grade criteria for risk assessment of pipe blockage in pumping construction based on set pair analysis

3 案例分析

3.1 項目概況

某住宅小區(qū)項目位于武漢市光谷廣場附近，其中的10、11、13號樓均為地上58層，高169.60 m的剪力墻結構超高層建筑。以其中10棟樓為泵送施工研究對象，泵送混凝土的主要強度等級為C40、C50和C60。

3.2 工程施工條件及周圍環(huán)境

3.2.1 氣候條件

武漢市屬于亞熱帶季風性(濕潤)氣候，一般每年6月份會進入梅雨季節(jié)，常年雨量充沛。歷史可查的最高溫為41.3 ℃，近年來夏季高溫可達到40 ℃，冬季低溫最低在零下10 ℃左右。該項目冬季施工期間最低氣溫為零下3 ℃，最高氣溫12 ℃，平均氣溫在3 ℃左右；夏季施工期間最高氣溫37 ℃，而最低溫度為21 ℃，平均氣溫在32 ℃左右，夏季高溫、冬季低溫等對于混凝土泵送施工堵管風險影響較大，使得泵送堵管風險管理工作存在較大難度。

3.2.2 場地及周邊交通運輸條件

該項目地處關山大道與珞喻路交匯處，北起珞喻路、南接武漢中環(huán)線(三環(huán)線)，其中關山大道寬70 m、長5 km，珞喻路長6.9 km，寬60 m，兩條主干道皆為雙向八車道。該項目門前干道與隧道相連，環(huán)線和高架相通，且地鐵延長線、有軌電車等均可到達項目所在地；目前已有近二十多條公交線路運營中；項目周邊的商業(yè)配套、醫(yī)療配套一應俱全，往西500 m左右有醫(yī)院、1 000 m有商場，往南600 m有學校，步行街，1 000 m左右有酒店，處于繁華區(qū)位，交通人流車流量極大，而混凝土罐車運行主要經過主干道，交通車流量極多，運輸距離、路況及罐車的運輸時間等都會影響到罐車里面混凝土材料的相關性質，容易造成坍落度經時損失或混凝土分層離析堵管。

3.3 混凝土泵送施工堵管風險評價

(1)采用專家打分法對該項目泵送堵管的風險評價指標進行評分，共得到10位相關專家的混凝土泵送施工堵管風險等級的賦值，根據上文建立的混凝土泵送施工堵管風險評價標準，取10位專家的打分均值為綜合評分，具體如表5所示。

再根據式(7)～式(12)等對專家綜合評分得出的指標隸屬矩陣如下所示：

表5 施工現場堵管風險評價專家賦分表Table 5 Expert score table for risk assessment of blockage in concrete pumping construction site

(2)結合集對分析的模糊關系合成。前文層次分析法確定了混凝土泵送施工堵管風險評價指標權重，然后通過合成算子M(·,⊕)將指標權重與不同風險等級的隸屬度矩陣合成，具體結果如下所示。

M1=W1×A1=(0.239 9,0.760 1,0,0,0)；

M2=W2×A2=(0.024 3,0.365 0,0.559 6,

0.051 1,0)；

M3=W3×A3=(0.186 7,0.671 6,0.141 7,0,0)；

M4=W4×A4=(0,0.408 3,0.468 2,0.123 5,0)；

M5=W5×A5=(0,0.506 1,0.493 9,0,0)；

M6=W6×A6=(0.005 5,0.644 2,0.350 3,0,0)；

0.050 5,0)。

從合成算子M中可以看出，整體來看，混凝土材料因素和泵送管道因素誘發(fā)堵管的風險較其他因素大，其具體的表達式可以記作系數分量E和5個評價等級的隸屬度矩陣M的乘積，再結合表4進行風險等級確定，具體分析如下。

U1=M1E=0.628 3表明由施工人員相關評價指標引發(fā)堵管的風險極低，堵管風險等級為Ⅰ級，風險可忽略，則混凝土可以正常泵送，但需要定期進行泵送現場安全檢查和泵送狀態(tài)相關風險評價指標的檢查。

U2=M2E=0.181 1和U4=M4E=0.142 5分別表明由混凝土材料和泵送管道相關評價指標引發(fā)堵管的風險為中等，堵管風險等級為Ⅲ級，風險為不期望，泵送前要進行泵送現場管理和泵送狀態(tài)相關風險因素巡查，泵送過程中對主要風險源和風險因素進行重點監(jiān)控，若發(fā)現堵管隱患馬上暫停泵送，直至排除隱患。

U3=M3E=0.522 5，U5=M5E=0.253 1和U6=M6E=0.327 7分別表明機械設備及施工方案、施工管理和環(huán)境因素引發(fā)堵管風險低，堵管風險等級為Ⅱ級，可接受，混凝土正常泵送，但要注重泵送前和泵送過程中堵管風險評價指標的巡查。

該工程實例的U=ME=0.280 55表明該項目混凝土泵送施工堵管風險低，堵管風險等級為Ⅱ級，堵管風險可接受，混凝土正常泵送，但要注重泵送前和泵送過程中堵管風險評價指標的巡查。需要重點監(jiān)控混凝土材料因素和泵送管道因素。冬夏季還應監(jiān)控環(huán)境溫度的變化，冬季泵送施工現場的混凝土坍落度較大，夏季因溫度較高或長途運輸等使得坍落度經時損失較為明顯；此外，泵送施工現場的管道布置設計也應根據現場實際施工條件因地制宜，合理布置管道支撐點，防止混凝土泵送過程中管道劇烈振動導致管道密封松動泄漏堵管等。

3.4 泵送堵管風險防范措施

在混凝土泵送過程中，要注重現場安全巡查，查找堵管風險隱患，并針對引發(fā)堵管的風險因素制定相應的應對措施。

3.4.1 操作人員風險因素控制措施

泵送施工是一個專業(yè)技術要求很高的施工工種之一，泵送施工操作人員只有在專業(yè)技能掌握熟練的情況下方能根據實際施工情況合理選擇泵送速度和泵壓，控制好停機時間。因此施工單位應對泵送操作人員上崗前進行專業(yè)培訓，包括操作專業(yè)技能、泵速和泵壓的選擇、停機時間的控制，泵送施工操作人員必須通過技術培訓持證上崗。

3.4.2 混凝土材料

混凝土材料因素是影響混凝土泵送施工的最主要的因素。實驗測得該項目冬季施工現場坍落度達到了250 mm左右，屬于大流性混凝土，坍落度過大會造成混凝土拌合物離析從而引發(fā)堵管；而攪拌站出站坍落度為(180±30) mm，坍落度變化較大。為了保證混凝土的可泵性，應嚴格控制混凝土配合比以及外加劑(減水劑、抗凍劑)等的摻量，合理規(guī)劃運輸時間距離和路線。

3.4.3 機械設備及實施方案

混凝土罐車、混凝土輸送泵、輸送管及配件(包括異型管：錐管、彎管，換向閥、逆止閥)等，按要求進行機械設備的選配，且要定期進行維護保養(yǎng)?；炷帘盟蛯嵤┓桨感璋凑找缶幹?，且操作人員按施工方案進行泵送施工。

3.4.4 泵送管道

泵送管道對堵管影響較大，其中泵管的布設、安裝固定、清洗、潤滑須嚴格按照相關標準規(guī)范和實施方案實施，且施工人員需時常注意泵管的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現堵管則馬上逐段查找確定堵管區(qū)段，對堵管段立即拆卸，清洗干凈后重新安裝固定。

3.4.5 施工管理

施工現場調度指揮人員，應及時與混凝土攪拌站和現場施工技術和管理人員進行溝通、協(xié)調，防止出現混凝土斷供、泵送中斷的現象。此外，在泵送施工過程以及泵送停止時，定期檢査相應水平彎管和豎直彎管的工作狀態(tài)，通過檢查結果確定是否更換管道還是繼續(xù)施工；泵送施工管理人員對現場泵送操作人員加強管理，嚴格按照相關標準進行泵送施工；組織泵送施工人員群策群力，結合泵送施工方案，制定行之有效的泵送堵管風險預防及處理對策。

3.4.6 環(huán)境

項目所在地夏季高溫時為避免堵管可采取以下措施：物理降溫-泵送前用冷水清洗管道，選取陰涼處布設管道，嚴格控制澆筑間歇時間，盡可能選擇夜間澆筑混凝土；低溫天氣為避免堵管可采取的措施有：物理保溫-罐車上安裝防凍套、雨雪天氣管道用干草布條等圍蓋。由于項目地處繁華街道，可根據當天實際情況(路況、天氣狀況等)選擇車流較小的路線運送商品混凝土。

4 結論

(1)基于事故因果連鎖理論、人-機-環(huán)-管理理論對混凝土泵送施工的影響因素進行總結分析的基礎上，建立了混凝土泵送施工堵管風險評價指標。

(2)運用層次分析法確定了混凝土泵送堵管的風險評價指標的權重，結合集對分析和模糊綜合評價法建立了混凝土泵送堵管的風險評價模型。

(3)結合某高層建筑混凝土泵送施工實例，根據堵管風險評價模型，對高層泵送施工現場的泵送堵管風險狀況進行定量分析，確定堵管風險等級，并針對性給出風險防范措施。