張 宏高級工程師 滕倉國 梁栓民 吳建強 王玉鎮(zhèn)

(1.中國鐵路蘭州局集團(tuán)建設(shè)部，甘肅 蘭州，730030；2.蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州，730030)

0 引言

近年來，有許多鐵路建設(shè)工程項目在既有鐵路附近一定范圍內(nèi)進(jìn)行與之平行、上跨、下穿、接入等施工，往往影響既有線路的正常運輸和使用，甚至造成行車安全事故。據(jù)統(tǒng)計分析，鄰近營業(yè)線施工事故占鐵路工程事故總數(shù)的近10%，是鐵路建設(shè)工程重大事故，屬于易發(fā)類事故[1]。2021年6月4日5時18分許，蘭新鐵路突發(fā)列車與鐵路施工人員相撞事故，導(dǎo)致9人遇難，再次向人們敲響鄰近營業(yè)線施工安全防護(hù)的警鐘。

以往對鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險的研究大多是從安全風(fēng)險影響因素分析入手，提出風(fēng)險防控措施，且用層次分析法等較為主觀的風(fēng)險評估方法，不能客觀反映鐵路鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險影響因素的主次情況，需要對鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險的評估進(jìn)行進(jìn)一步量化研究。如邱青云等[2]通過研究鐵路建設(shè)工程風(fēng)險特點，總結(jié)風(fēng)險辨識、分類和分析的理論方法；孫曉蘇[3]對既有線鐵路風(fēng)險進(jìn)行分類，并運用層次分析法對鄰近營業(yè)線施工的風(fēng)險進(jìn)行分析，提出要加強經(jīng)濟(jì)風(fēng)險和管理風(fēng)險的防控；魏圓圓等[4]運用模糊網(wǎng)絡(luò)分析法對高鐵安全等級進(jìn)行評估，并構(gòu)建適用于高速鐵路風(fēng)險評估的指標(biāo)體系；梁娜[5]分析鐵路營業(yè)線施工安全風(fēng)險特點，并提出應(yīng)從加強施工管理、強化安全意識、加大施工設(shè)備管控力度、樹立風(fēng)險防范意識和建立施工協(xié)調(diào)配合防控機制5方面進(jìn)行營業(yè)線施工風(fēng)險防控。動態(tài)權(quán)重—二維云模型可反映具體施工項目風(fēng)險的特性，對風(fēng)險進(jìn)行定量評估，直觀表達(dá)風(fēng)險評估結(jié)果。如陳建宏等[6]用動態(tài)權(quán)重法對邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，建立邊坡穩(wěn)定性評價模型；王景春等[7]將風(fēng)險后果與概率作為二維云的基礎(chǔ)變量，構(gòu)建箱涵下穿既有線的二維云施工風(fēng)險評價模型，輸出云圖表征評價結(jié)果；李海文等[8]運用動態(tài)權(quán)重—二維云模型對川藏鐵路橋梁施工風(fēng)險進(jìn)行評估。以上研究都為動態(tài)權(quán)重—二維云模型應(yīng)用于鐵路鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險評估提供理論基礎(chǔ)。

鑒于此，本文以鐵路鄰近營業(yè)線施工項目為研究對象，考慮其風(fēng)險的特殊性，總結(jié)風(fēng)險特點，從路基軌道受損、電力設(shè)備受損、人員進(jìn)入營業(yè)線、機械設(shè)備侵限及墜物遺留物侵限5個方面進(jìn)行全面的風(fēng)險識別，構(gòu)建包含5個一級指標(biāo)和21個二級指標(biāo)的鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系。采用動態(tài)權(quán)重—二維云模型進(jìn)行鐵路鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險定量評估，最后得出該項目風(fēng)險評估結(jié)果，并以中蘭客專石板溝特大橋上跨紅會鐵路施工項目為例，進(jìn)行實證研究。

1 動態(tài)權(quán)重—二維云模型基本理論

1.1 動態(tài)權(quán)重模型

動態(tài)權(quán)重模型[9]是在傳統(tǒng)賦權(quán)方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮施工過程中的變化對風(fēng)險因素的影響來確定指標(biāo)權(quán)重的賦權(quán)方法。相比于傳統(tǒng)賦權(quán)方法，動態(tài)權(quán)重模型可反映鐵路鄰近營業(yè)線施工過程中可能存在的風(fēng)險因素對安全風(fēng)險影響大小的動態(tài)變化。本文采用動態(tài)權(quán)重模型，可更加客觀、準(zhǔn)確地確定鐵路鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險各影響因素的權(quán)重值。對本文研究對象而言，動態(tài)變化主要包括2個方面：一是多變的自然氣候條件，不同自然條件的風(fēng)險因素對鐵路鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險影響程度的不同；二是不同的施工技術(shù)和施工方案對項目安全風(fēng)險的作用存在差別。在工程建設(shè)過程中，根據(jù)施工現(xiàn)場的情況變化，評估指標(biāo)的權(quán)重也發(fā)生變化。

動態(tài)權(quán)重可分為3部分：一是普適標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重，表征鐵路鄰近營業(yè)線施工的風(fēng)險歷史信息；二是工程標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重，反映某一具體工程項目風(fēng)險因素的特殊性；三是權(quán)重乘子，反映鐵路鄰近營業(yè)線施工過程中評估指標(biāo)的動態(tài)變化。動態(tài)權(quán)重賦權(quán)法可分以下3步實施：

(1)確定普適標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重。查閱鐵路鄰近營業(yè)線歷史施工安全事故記錄，統(tǒng)計事故原因，計算各種危險因素造成事故的百分比，并進(jìn)行歸一化，得到指標(biāo)的通用標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重。

(2)確定工程標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重。由于鐵路鄰近營業(yè)線施工項目所處環(huán)境和施工條件存在差異，因而施工所采用的方法和技術(shù)也有所不同。工程標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重可反映不同鄰近營業(yè)線施工項目的特殊性，其計算可通過式(1)進(jìn)行。

(1)

式中：

w(0)i—第i個指標(biāo)的工程標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重；

wi—第i個指標(biāo)的普適標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重；

s(0)i—專家給出的第i個指標(biāo)的初次評分值；

k—指標(biāo)個數(shù)的取值，有n個指標(biāo)，k=1，2，…，n。

(3)確定動態(tài)權(quán)重。鐵路鄰近營業(yè)線施工風(fēng)險管理是一個動態(tài)過程，安全風(fēng)險因素對項目風(fēng)險的影響會隨現(xiàn)場條件的變化而變化，該風(fēng)險影響指標(biāo)的權(quán)重也隨之變化。指標(biāo)權(quán)重更新的方法為乘權(quán)重法，其計算方法如下：

φ(j)i=1+|s(j)i-s(0)i|

(2)

式中：

φ(j)i—第i個指標(biāo)第j次更新的權(quán)重乘子；

s(j)i—第i個指標(biāo)第j次更新的評分值，j是動態(tài)權(quán)重更新次數(shù)。

則第j次更新后的動態(tài)權(quán)重為：

(3)

式中：

w(j)i—第i項指標(biāo)第j次更新后的動態(tài)權(quán)重；

w(0)—工程標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重。

1.2 二維云模型

云模型可實現(xiàn)定性概念與定量值之間的不確定轉(zhuǎn)換，由2個影響因素共同作用的定性問題可以用二維云模型進(jìn)行綜合評價研究。設(shè)X為一個定量論域，用精確數(shù)值表示C是X上的定性概念，若定量值x∈X，且x是定性概念C的一次隨機實現(xiàn)，x對C的確定度(x)∈[0，1]，是趨勢穩(wěn)定的隨機數(shù)。將x在論域X上的分布叫做云，x稱為云滴。

二維云模型通常是用期望Ex、熵En和超熵He3個數(shù)值來表征其數(shù)字特征。其中期望反映的是定性概念的數(shù)值；熵值反映的是定性概念所接受的數(shù)值范圍，即對于期望的概率和模糊度，熵越大，定性概念所接受的范圍越大；超熵是熵的熵，表示熵的不確定性，反映云滴的穩(wěn)定性程度，云滴越厚表明隸屬度的離散程度越大[10]。

2 鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系

與鐵路工程建設(shè)其他施工項目相比，鄰近營業(yè)線施工具有其特殊性。鄰近營業(yè)線工點施工可能會導(dǎo)致營業(yè)線路基軌道受損、電力設(shè)備受損的情況，同時也存在人員進(jìn)入營業(yè)線、機械設(shè)備侵限和墜物遺留物侵限的風(fēng)險?；谏鲜銮闆r，結(jié)合《鐵路營業(yè)線施工安全管理辦法》(鐵運【2012】280號)、《鐵路建設(shè)項目安全生產(chǎn)管理辦法》、《鐵路建設(shè)項目質(zhì)量安全紅線管理規(guī)定》(鐵總建設(shè)【2017】310號)、《風(fēng)險管理 原則與實施指南》(GB/T 24353-2009)等法律法規(guī)、行業(yè)規(guī)范以及相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]，對鐵路鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險因素進(jìn)行整體、全面、分層分析，最終確定21項風(fēng)險因素，構(gòu)建鐵路鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系，如圖1。

3 鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險評估模型

3.1 綜合風(fēng)險云

鐵路鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險等級是由風(fēng)險事件發(fā)生概率和造成后果損失程度共同決定的，因此，將風(fēng)險事件發(fā)生概率和造成后果損失程度作為評估模型的2個基礎(chǔ)變量。邀請鐵路建設(shè)行業(yè)專家以10分為滿分給各評估指標(biāo)風(fēng)險發(fā)生概率和后果損失程度進(jìn)行打分，分值精確到0.1。專家對二級指標(biāo)的風(fēng)險發(fā)生概率和后果損失程度打分，計算其數(shù)字特征，再將數(shù)字特征輸入正向云發(fā)生器，設(shè)置發(fā)生次數(shù)為2 000，形成2 000個云滴，構(gòu)成該評價指標(biāo)的風(fēng)險概率云和風(fēng)險后果云，進(jìn)一步形成二維綜合評價云，再利用MATLAB逆向云發(fā)生器生成一級風(fēng)險概率云和風(fēng)險后果云的數(shù)字特征。其計算過程如式(4)、(5)。

(4)

=(Ex′，En′，He′)

(5)

式中：

xm—第m個專家打分值；

S2—樣本方差；

q—專家數(shù)；

ωf—第f個評價指標(biāo)的權(quán)重。

先求得二級指標(biāo)評價云數(shù)字特征矩陣，再將其與之對應(yīng)的權(quán)重向量進(jìn)行合成運算，便可得到一級評價指標(biāo)的數(shù)字特征，最終可得最終綜合評價云數(shù)字特征[10]。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險云

(6)

式中：

z—一個常數(shù)，由變量本身模糊度確定，本文取值0.05。

表1 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險云特征值Tab.1 Eigenvalues of the standard risk cloud

3.3 計算貼近度

為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免二維云圖可能產(chǎn)生的視覺誤差對評估結(jié)果的影響，可以通過計算綜合風(fēng)險云與標(biāo)準(zhǔn)云的貼近程度，來確定風(fēng)險評估等級。貼近度越大，說明該風(fēng)險項評估結(jié)果越貼近所對應(yīng)的風(fēng)險等級。貼近度R的計算公式如下：

(7)

式中：

Ey—評價云風(fēng)險后果期望；

4 應(yīng)用實例

4.1 研究對象及評級指標(biāo)選取

本文選取新建中衛(wèi)至蘭州鐵路石板溝特大橋上跨紅會鐵路施工項目為安全風(fēng)險評估應(yīng)用實例。新建中衛(wèi)至蘭州鐵路(甘肅段)3標(biāo)段石板溝特大橋位于甘肅省白銀市靖遠(yuǎn)縣內(nèi)，起訖里程為DK143+081.525～DK144+395.755，全長1 314.23m，上部結(jié)構(gòu)為32.6m預(yù)制簡支梁，梁高2.6m，梁寬12.2m，梁體自重714t，軌面以上凈空高度41m。在DK143+916.25處跨越紅會線(既有線里程K60+320)，跨度31.5m，與紅會鐵路呈95°夾角。紅會線線路等級為客貨共線，正線數(shù)目為單線，運營時速為70km/h；此處紅會線為路基，路基高3.5m，上寬4.4m，下寬13.15m。鄰近營業(yè)線施工內(nèi)容主要包括25#-27#墩箱梁架設(shè)及其遮板、欄桿、防護(hù)網(wǎng)安裝。石板溝特大橋上部結(jié)構(gòu)施工與紅會線平面關(guān)系，如圖2。

圖2 石板溝特大橋上部結(jié)構(gòu)施工與紅會線平面關(guān)系圖Fig.2 The plan relationship between the superstructure construction of the Shibangou Bridge and the Honghui Railway

依據(jù)圖1，從路基軌道受損、電力設(shè)備受損、人員進(jìn)入營業(yè)線、機械設(shè)備侵限及墜物遺留物侵限5個方面選取21個指標(biāo)，對該項目進(jìn)行施工安全風(fēng)險評估。邀請10名參與該項目專家對各評估指標(biāo)進(jìn)行打分，將10名專家分為5組，按照該項目施工實際情況為風(fēng)險指標(biāo)發(fā)生的概率大小以及以后可能造成的后果嚴(yán)重程度進(jìn)行初次評分，分別記為A1、A2，見表2。

在中蘭客專石板溝特大橋上跨紅會鐵路施工過程中，常遇風(fēng)沙天氣，施工現(xiàn)場能見度低。營業(yè)線東側(cè)為黃土質(zhì)山坡，且在坡頂設(shè)有施工便道，供混凝土罐車及其他建設(shè)材料運輸車輛通行，該山坡存在滑移坍塌的風(fēng)險。營業(yè)線西側(cè)是一條縣道，車流量較大，交通管制難度較大。施工現(xiàn)場有數(shù)個村莊，常有村民前來圍觀施工現(xiàn)場，現(xiàn)場配備專職安全員防止人員進(jìn)入營業(yè)線。經(jīng)專家討論決定，對風(fēng)險指標(biāo)機械設(shè)備刮碰到電力設(shè)備B23、作業(yè)現(xiàn)場盯控不到位B31、營業(yè)線列車靠近時人員撤離不及時B33、未布置防護(hù)網(wǎng)和防飛石排架B52、鄰近營業(yè)線物料堆放不符合規(guī)定B54所對應(yīng)的發(fā)生概率和損失程度動態(tài)評分相應(yīng)增加。增加的分值用a1、a2表示，見表2。

表2 初次評估及動態(tài)風(fēng)險評分表Tab.2 Initial assessment and dynamic risk score sheet

4.2 計算動態(tài)權(quán)重

將表2中初次評估及動態(tài)風(fēng)險評分結(jié)果取平均值后，通過式(1)計算各二級指標(biāo)的工程標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重，再用式(2)計算各指標(biāo)的權(quán)重乘子，最后通過式(3)計算出各二級風(fēng)險指標(biāo)的動態(tài)權(quán)重，見表3。得到二級指標(biāo)權(quán)重后可進(jìn)一步計算一級指標(biāo)權(quán)重，見表4。

表3 動態(tài)權(quán)重表Tab.3 Dynamic weight table

表4 風(fēng)險云數(shù)字特征Tab.4 Digital characteristics of the risk cloud

4.3 繪制綜合風(fēng)險云

以表2中數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，通過式(4)計算各二級評估指標(biāo)概率云和后果云的數(shù)字特征，再以表3數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，通過式(5)將對應(yīng)的概率云和后果云的數(shù)字特征和權(quán)重進(jìn)行合乘運算，即可得到綜合風(fēng)險云的數(shù)字特征，見表4。

得到各級指標(biāo)風(fēng)險云數(shù)字特征后，將綜合風(fēng)險概率云和后果云數(shù)字特征輸入到Matlab正向云發(fā)生器，可得到綜合風(fēng)險云圖，如圖3。再將5個一級指標(biāo)風(fēng)險云數(shù)字特征輸入Matlab正向云發(fā)生器，得到一級指標(biāo)風(fēng)險云圖，如圖4。

從圖4可以看出，新建中衛(wèi)至蘭州鐵路石板溝特大橋上跨紅會鐵路施工項目綜合風(fēng)險云靠近高度風(fēng)險(Ⅳ級)標(biāo)準(zhǔn)云，因此可初步認(rèn)定該項目風(fēng)險等級為Ⅳ級。一級評估指標(biāo)路基軌道受損B1和電力設(shè)備受損B2的風(fēng)險云靠近高度風(fēng)險(Ⅳ級)標(biāo)準(zhǔn)云，說明此2項指標(biāo)風(fēng)險等級為Ⅳ級。一級指標(biāo)人員進(jìn)入營業(yè)線B3和墜物遺留物侵限B5的風(fēng)險云靠近極高風(fēng)險(Ⅴ級)標(biāo)準(zhǔn)云，說明此2項指標(biāo)風(fēng)險等級為Ⅴ級。一級指標(biāo)機械設(shè)備侵限B4的風(fēng)險云幾乎與低度風(fēng)險(Ⅱ級)標(biāo)準(zhǔn)云重合，說明該評估指標(biāo)風(fēng)險等級為Ⅱ級。

圖3 綜合風(fēng)險云圖Fig.3 Comprehensive risk cloud diagram

圖4 一級指標(biāo)風(fēng)險云圖Fig.4 The risk cloud diagram of the level 1 indicator

4.4 計算貼近度

為進(jìn)一步量化風(fēng)險評估結(jié)果，避免風(fēng)險云圖視覺誤差造成的評估結(jié)果不準(zhǔn)，通過計算綜合風(fēng)險云與標(biāo)準(zhǔn)云貼近度來確定該項目的風(fēng)險評估等級。將表4中綜合風(fēng)險云和標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)字特征代入式(7)，計算得到綜合風(fēng)險云與各標(biāo)準(zhǔn)云的貼近度。分別用D1-D5表示綜合風(fēng)險云與各標(biāo)準(zhǔn)云的貼近度，計算結(jié)果如下：

D1=0.105；D2=0.149；D3=0.256；D4=0.927；D5=0.571

由貼近度的計算結(jié)果可以看出，D4>D5>D3>D2>D1，即該項目安全風(fēng)險評價云靠近Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)云，其安全風(fēng)險等級為高度風(fēng)險，該評價結(jié)果與項目實際相符。貼近度計算是從量化角度對評價結(jié)果進(jìn)一步驗證，保證云模型評價結(jié)果的準(zhǔn)確性，計算結(jié)果與云模型評價結(jié)果一致，說明該方法科學(xué)可行。

5 結(jié)論

(1)本文提出動態(tài)權(quán)重—二維云風(fēng)險評估模型對鐵路鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險進(jìn)行評估，并以新建中衛(wèi)至蘭州鐵路石板溝特大橋上跨紅會鐵路施工項目為例進(jìn)行實證研究，得出的結(jié)論與該項目的實際風(fēng)險等級一致，驗證評估方法的可行性和評估模型的科學(xué)性。

(2)在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)法律法規(guī)及行業(yè)規(guī)范，總結(jié)鐵路鄰近營業(yè)線施工項目的風(fēng)險特點，篩選21個典型風(fēng)險因素構(gòu)建鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系。通過專家訪談采用動態(tài)權(quán)重模型確定指標(biāo)權(quán)重，兼顧施工過程中固有風(fēng)險和變動的風(fēng)險，突出該施工項目的安全風(fēng)險特性，同時也克服傳統(tǒng)風(fēng)險評估方法的主觀性。運用二維云模型輸出的云圖直觀反映評估風(fēng)險等級。

(3)對新建中衛(wèi)至蘭州鐵路石板溝特大橋上跨紅會鐵路進(jìn)行施工安全風(fēng)險水平綜合評估，得到其綜合評估結(jié)果為高度風(fēng)險(Ⅳ級)，說明該項目安全風(fēng)險等級較高。各一級指標(biāo)評估結(jié)果表明，該項目人員進(jìn)入營業(yè)線B3和墜物遺留物侵限B5的安全風(fēng)險最大，應(yīng)從這2方面做好安全風(fēng)險管理工作，提高項目風(fēng)險管理水平。

(4)后續(xù)研究可在本文研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善鐵路鄰近營業(yè)線施工安全風(fēng)險的影響因素，優(yōu)化評估指標(biāo)體系，全面提高評估模型的精度。