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高速公路路堑高边坡施工安全风险指标体系研究

范文

翟玥

摘要：高速公路路堑高边坡项目具有数量多，工作步骤繁多，地质条件复杂的特点，项目施工安全风险影响因素众多。本文利用工作分解结构法的系统性构建高速公路路堑高边坡施工工作分解结构树，再利用因果图法识别高速公路路堑高边坡项目主要工作中的施工安全风险因素，经过主成分分析法筛选，形成施工安全风险指标体系，为高速公路路堑高边坡工程进行风险评价奠定基础。

Abstract： The freeway high cutting slope engineering features with large in quantities， many work steps， and complex geological conditions. There are many factors that affect the construction safety risk of the freeway high cutting slope engineering. In this paper， the work breakdown structure method is used to systematically construct the construction work breakdown structure tree of the freeway high cutting slope engineering， and then the cause and effect diagram method is used to identify the construction safety risk factors in the main work of the freeway high cutting slope engineering. After screening by the principal component analysis method， a construction safety risk index system is formed， which lays the foundation for the risk assessment of freeway high cutting slope engineering.

关键词：高速公路;施工安全风险;指标体系

Key words： freeway;construction safety risk;index system

中圖分类号：U416.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）22-0027-04

0? 引言

高速公路所处地段往往地形复杂，其中高速公路路堑高边坡工程施工内容丰富且易于变化，是高速公路工程施工的高风险环节之一[1]。对项目的施工安全风险进行评估能够起到降低施工安全风险、减少施工安全事故、保障工程建设安全的作用，因此项目的施工安全风险评估是项目施工过程中必不可少的一步。

高速公路路堑高边坡项目规模较大，工作步骤繁多，结构复杂，项目施工安全风险影响因素众多，自2014年交通运输部发布的《高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南》以来[2]，许多研究人员未加改进地选择直接采用了中的指标体系进行风险评估[3-5]。李莉萍提出应根据边坡工程特点等因素综合选取评估指标[6]。

工作分解结构法（简称WBS）是一种具有系统性和全面性的风险识别方法，是风险因素识别的常用方法之一[7]。该方法将工程项目按照施工步骤细分到各个基本工作单元，便于后续系统地识别高速公路路堑高边坡项目各个环节的风险，但难以独立使用。因果图法是通过分析风险因果关系识别风险的方法，高速公路路堑高边坡项目涉及的风险因素多种多类，能将工程项目中的风险因素与风险事件相联系，得到项目风险因素层级和基本风险因素。本文通过文献分析法分析工程项目的工序和风险源，将WBS法与因果图法相结合识别高速公路路堑高边坡主要工作的施工安全风险因素，最终经过主成分分析法（简称PCA）筛选，形成高速公路路堑高边坡项目施工安全风险指标体系。

1? 基于WBS和因果图法的施工风险初步识别

1.1 风险初步识别步骤

①通过文献分确定工程的风险对象和风险范围。高速公路边坡项目的风险对象是高边坡，风险范围包括从边坡开挖到坡面防护的高边坡施工全过程。

②采用WBS法对高速公路路堑高边坡项目按照工程施工步骤与工艺结构的关系分层且系统地进行工作逐一分解，直至项目分解为适合辨别风险类型的基本工作单元，建立高边坡施工工作分解结构树。

③依据WBS的工作分解结果，采用因果图法分析高速公路路堑高边坡项目主要施工步骤中可能存在的风险因素。从“工、料、机、法、环”着手，将风险因素直观且有层次地绘制成鱼骨形的因果图。风险因素的影响程度越大越靠近鱼头。

④根据因果图的分析结果，总结出对高速公路路堑高边坡项目具有不可忽视的影响的风险因素，对其层级关系进行分析归纳，以此构建高速公路边坡施工风险指标体系。

1.2 基于WBS的边坡施工工作分解

依据《公路路基施工技术规范JTGF10-2006》对公路边坡施工的技术要求，将高速公路路堑高边坡的施工过程分为边坡开挖、地表排水系统、抗滑挡墙、抗滑桩、预应力锚固工程、预应力锚索抗滑桩、土钉墙、注浆微型桩、排水隧洞、坡面植物防护、坡面骨架防护和坡面防护[8]。根据施工过程的具体施工工序与作业内容建立高边坡施工工作分解结构树如图1所示。

以上施工步骤中，边坡开挖、地下排水系统、抗滑挡墙、抗滑桩和预应力锚固工程的施工出现施工安全事故的概率较大，事故危险程度较高，因此下文以这5个施工步骤为主，分析高速公路路堑高边坡施工的风险因素。

1.3 基于因果图法的边坡施工风险因素识别

公路高边坡施工风险的分类方式不止一种，本文通过查阅大量与高速公路边坡施工安全风险相关的文献和规范，从“工、料、机、法、环”五点着手，有层次地识别各个施工步骤的风险因素并绘制因果图。

1.3.1 边坡开挖风险

边坡的规模和地质条件在很大程度上决定了边坡开挖的施工难度和危险程度。不恰当的开挖方法、不正确的施工工序、雨季施工、自然灾害都会增加边坡失稳事故发生的可能性。多雨的施工气候和排水不及时也容易造成坡面病害。此外，地表建筑物等施工环境越复杂，边坡开挖事故造成的危害程度越大。

1.3.2 地下排水系统风险

地下排水系统施工，主要容易发生洞内塌方、突水涌泥、爆破等事故，特别是在地下水隧洞施工中。地层岩性软弱、地下水未排除、开挖进度过快和支护方式不当都会导致塌方。开挖过快将导致洞内空气不足，工人中毒窒息。施工周围水体环境决定了隧洞发生涌泥突水的概率。

1.3.3 抗滑挡墙风险

抗滑挡墙施工主要造成塌方等风险，包括地下水变化在内的地质条件变化和开挖分段方式是其主要影响因素，其次抗滑挡墙施工还存在脚手架的设计强度不足等因素导致的脚手架垮塌风险。（图 4）

1.3.4 抗滑桩风险

抗滑桩的施工事故主要存在于人工挖孔的抗滑桩施工过程中。对地下水、地层岩性软弱等情况的缺乏应对措施，可能导致护壁支护强度不够引起塌方或涌泥突水。没有跳桩间隔开挖、大爆破震动、桩外侧开挖卸荷、桩长桩型设计失误容易引起边坡失稳。有害气体或通风不顺可能导致人员中毒窒息。

1.3.5 预应力锚固安全风险

边坡高度、坡度和钻孔深度对预应力锚固难度有加大影响，边坡开挖的施工难度和危险程度，锚固结构不合理、工序衔接不及时和地质条件变化应对不及时都会导致预应力锚固过程中出现滑坡、坍塌、崩塌等边坡失稳事故。由于预应力锚固需要搭设脚手架，大雨、雾、雪、冰冻天气施工容易导致脚手架上的施工人员打滑，增加高处坠落的概率。此外，脚手架或模板支架设计计算或验算不准确也会造成施工脚手架坍塌等事故发生。

通过归纳总结因果图整理得到6个一级风险指标，分别为施工规模、地质条件变化、施工方案、施工环境、诱发因素和资料完整性，其中施工规模分为边坡高度和坡形坡率，地质条件变化分为地下水变化、地层变化和坡体结构变化，施工方案分为专项工程施工方案、工序衔接、钻孔方法、脚手架和开挖方法，施工环境可为周边环境、气候条件、风力条件、有毒有害气体和通风照明，诱发因素分为施工季节和自然灾害影响，资料完整性可分为地质资料符合性和设计文件准确性。

2? 基于PCA的边坡施工风险因素筛选

2.1 调查问卷设计与收集

为避免过多相关变量增加风险评价的复杂性，本文提取二级指标大于3个的施工方案因素和施工环境因素进行主成分分析，简化风险指标体系。

制作高速公路边坡施工安全風险因素调查问卷，将指标的影响程度分为1～5分，对应影响程度从弱到强。调查参与者限定为参与过高速公路项目施工的专业技术人员或专家。发放调查问卷150份，回收129份，去除掉人员不合要求、选项漏选、全选相同选项的问卷，余下有效问卷112份。有效回收率为74%。问卷信度分析的Cronbach's Alpha值为0.896，大于0.8，调查问卷信度较高。信度统计量表1所示。

2.2 边坡施工风险因素主成分分析

2.2.1 PCA基本原理

PCA法是在尽量不丢失原有信息的原则下，对高位指标空间进行降维，以少数独立的综合指标代表全体指标的方法，达到简化数据的目的。PCA法的基本原理如下。

假设■是由p个标准化指标组成的p维随机向量，设，p个变量的线性变换如公式（1）所示。

第一主成分Y1表示最能有效地综合表示p个变量信息的一个线性组合，一般采用Y1的方差反映信息量，要求Var（Y1）在aiTai=1的限制条件下尽可能大。当Y1表达的系统信息不充分时，则选出与Y1相独立的第二主成分Y2，以此类推直至选出主成分能代表系统绝大部分信息为止。推理可得，若满足公式（3）、公式（4）和公式（5），则定义Yi为X的第i个主成分。

由主成分的定义可知，确定主成分Yi的过程实质上是一个条件极值求解问题，其内核在于求解X的协方差矩阵的特征值？姿i和特征向量ai。

2.2.2 PCA基本步骤

PCA基本步骤如下：

①指标数据标准化。定义原始变量，收集整理问卷调查结果得到原始数据xij，样本标准差sj和样本均值计算公式如下。

②指标相关性判定。依据PCA法基本原理求得相关系数矩阵，采用KMO测度检验和Bartlett 的球形度检验方法判定原始变量是否适合进行主成分分析。只有当KMO检验系数>0.7，且Bartlett 的球形度检验的显著性概率P值<0.01时，问卷有结构效度，即原始变量适合进行主成分分析[10]。

③确定主成分。在确定原始变量适合进行主成分分析后，依据PCA法基本原理得到相关系数矩阵的特征值及正规化特征向量，提取特征值>1的主成分，确定主成分个数和各个主成分的表达式。同时计算主成分方差贡献率和累计贡献率，以此检验选取的主成分反映的信息量在总体系统中的占比。

2.3 风险因素PCA过程

运用SPSS软件分别对施工方法因素和施工环境因素进行主成分分析，计算得到施工方案因素和施工环境因素的KMO值分别为0.740和0.786，均大于0.7，Bartlett球形度检验P值均为0.000，小于0.01，适合进行主成分分析。

以特征值>1为主成分选取依据，施工方法因素和施工环境因素均选出一个主成分，累积方差贡献率分别为58.836%和57.508%。

3? 边坡施工风险指标体系的构建

基于上述研究，本文构建边坡施工风险指标体系如图7所示。

4? 结论

高速公路作为联通城乡的重要交通基础设施，其建设在对乡村建设和经济发展至关重要。高速公路路堑高边坡工程的风险较高。对高速公路路堑高边坡施工安全风险进行评价能够很好地协助项目管理者控制风险，避免项目出现不必要的损失。本文从施工工作结构和风险因果关系出发，基于WBS法、因果图法构造出一套科学、合理、客观的高速公路路堑高边坡施工安全风险评价指标体系，并采用PCA法进行简化，为此类工程进行风险评价奠定了坚实的基础，同时为类似工程的指标体系的构建提供参考。

参考文献：

[1]林俊勇，汪益敏，王兆阳.高速公路路堑高边坡施工安全风险控制研究[J].中国安全生产科学技术，2017，13（03）：186-192.

[2]交通运输部安全与质量监督管理司.高速公路路堑高边坡工程施工安全风险评估指南[M].北京：人民交通出版社，2015.

[3]叶咸，陈华斌，吴铸，李果.山区高速公路路堑高边坡工程施工安全总体风险评估技术探讨[J].公路，2018，63（03）：42-47.

[4]涂圣文，鄭克梅，张尧，王冰，邓梦雪.基于改进CRITIC法与云模型相结合的高速公路路堑高边坡工程施工安全总体风险评估模型研究[J].安全与环境工程，2019，26（03）：127-132.

[5]轩宁，赖应良.某高速公路路堑高边坡施工安全总体风险评估的应用[J].价值工程，2018，37（11）：49-52.

[6]李莉萍.基于指标体系法的高边坡施工安全总体风险评估应用分析[J].福建交通科技，2019（04）：1-3.

[7]刘金星.改进的WBS方法在工程项目管理中的应用[J].建筑经济，2011（06）：18-21.

[8]JTG F10—2006，公路路基施工技术规范[S].

[9]王健，王新中，杨文霞，彭保.主成分分析在人脸识别中的应用[J].科技视界，2015（28）：34，44.

[10]严良，李淑雯，蒋梦婷，熊英楠.基于PCA的DE-SVM资源型企业财务风险识别模式研究[J].会计之友，2019（07）：58-65.

作者简介：翟玥（1996-），女，湖北武汉人，硕士研究生在读。

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