高速公路建设工程安全预评价研究

高速公路建设工程安全预评价研究及工程应用马海涛1 杨润林2 任智刚1 张志增3（1中国安全生产科学研究院 2北京科技大学 3清华大学）摘 要：本文针对我国如火如荼的高速公路建设工程中日益突显的安全问题，在事故统计分析的基础上，结合某山区高速公路建设工程的实际情况，提出了高速公路工程安全评价工作的新思路。针对公路工程的特点，分别从总体方案、施工现场、路基工程、隧道工程、隧道火灾、桥梁工程、公路系统等7个方面的定性、定量评价进行分析，可以作为今后高速公路安全评价项目的参考案例，对促进高速公路建设工程安全水平的提升有积极的影响意义。关键词：高速公路、建设工程、安全预评价；Study and Application on Safety Pre-assessment of Freeway Construction ProjectMa Haitao1, Yang Runlin2, Ren Zhigang1, Zhang Zhizeng3（1.China Academy of Safety & Technology, 2.University of Science & Technology Beijing, 3.Tsinghua University）Abstract：The safety problems are more and more conspicuous in freeway construction which was prosperously developed in China. According to the practical situation of one freeway construction project, a new resolution is proposed by this paper, based on some accidents statistical data. Further more, qualitative and quantitative assessment is carried out from seven aspects, viz. general layout, construction site, roadbed, tunnel, fie in tunnel, bridge and road system. The real case introduced by this paper, can be the reference to some similar projects, and it must be significant to the improvement of safety level in later freeway construction.Keyword：freeway, construction project, safety pre-assessment;1.前言从1988年实现高速公路零的突破，到2005年底4.1万公里的通车里程，短短17年，我国就走了西方国家需要40年才走完的发展路程，实现了高速公路建设的历史性突破，为国民经济和区域经济的持续发展带来了巨大的效益1。根据高速公路网建设总体规划的8.5万公里，在未来的十年里，我国高速公路的建设项目将会愈来愈多，规模也越来越大2。然而在高速公路快速建设的同时，安全事故也频频发生。根据国家安全生产监督管理总局2001年1月至2006年5月统计上报的284起建设项目重、特大事故来看，公路建设工程重、特大事故94起，占建设工程事故总数的34%，死亡人数约占31%，一次死亡10人以上的特大安全事故占50%，死亡人数占同类型死亡总数的51%，损失非常惨重。高速公路建设工程的安全生产工作越来越受到政府和社会的普遍关注。2006年4月交通部发布了交通建设安全专项整治工作实施方案，要求全国交通系统在2006年5月至12月间，对在建的长大隧道和高架桥梁进行集中检查，遏制隧道、桥梁等危险工程施工安全事故的多发势头，实现交通建设安全生产事故死亡人数较2005年总体下降3%以上的目标。在当前国家高度重视公路建设安全的社会条件下，本文结合某山区高速公路的实际建设情况，进行了高速公路建设工程安全预评价的研究工作。2.公路工程安全评价研究的新命题目前，公路安全评价工作在国际上被称为道路安全审计（Highway Safety Audit），根据交通部推行的公路项目安全性评价指南JTG/T B05-2004的规定，高速公路安全评价主要内容是针对公路建设可行性方案或设计方案的路面、公路线形组合、视距、交叉路口、交通设施等方面进行交通安全的评价3。但是，在我国当前高速公路建设大规模开展、安全生产形式严峻的现状下，高速公路建设过程中的群死群伤事故屡见不鲜，为预防建设事故的发生，必须把施工过程的评价纳入到公路工程的安全评价中来。尤其是山区恶劣地质条件的高速公路项目，存在特长隧道、大跨桥梁、高陡边坡的建设危险因素，必须加以辨识、评价，采取安全对策措施，降低工程风险，消除灾害。高速公路建设工程与其它建设工程项目相比4，有其自身的特点：一、流动性、临时性强。高速公路工程的施工现场随着施工的进行不断改变，工地内的建筑物、设备和设施、机具、材料、人员等都不断变化，施工现场布设范围很大；二、差异性大。由于高速公路线型的要求，根据不同路段的地理位置、环境气候和道路需求，需要不同的填挖方、桥涵和隧道，因此造成施工方法、施工期限、平面布置和作业条件迥然不同；三、交叉作业多、特种机械多。高速公路工程土石方量一般都很大，专业化强、铲运车辆多，各工种交叉施工，现场情况复杂；四、管理困难。高速公路工程多按照线路分标段施工，野外施工多，人员很难集中管理和培训；五、不可预知性大。高速公路建设工程，尤其是山岭高速公路，地质情况的复杂性和不可预知性决定了高速公路建设工程的风险大于一般建设工程项目。因此，公路建设工程是建筑工程中风险性较高的子行业之一。根据本文对国内上百起高速公路工程重、特大事故原因的统计结果显示（图1），在高速公路建设过程中的主要事故，是隧道内发生的事故、坍塌事故（不含隧道内塌方事故）和车辆伤害事故。其中隧道内发生的事故又以冒顶、突水和瓦斯爆炸事故为主要类型（图2），而坍塌事故主要以路基和桥梁施工事故为主（图3）。 图1高速公路工程重、特大事故原因分类 图2隧道工程事故原因分类 图3公路工程坍塌事故分类3 高速公路建设工程安全预评价思路根据安全评价通则和安全预评价导则的规定，结合试点工程实际危险、有害因素的分析结果，可以将高速公路建设工程安全预评价分为7个单元进行评价，采用的方法和主体思路见图4。案例统计相关法规行业标准文献检索现场调查危险有害因素和重大危险源辨识施工现场高陡边坡隧道工程大跨桥梁FLAC2D计算Midas计算FLAC3D公路系统综合评价预先危险性分析对策措施总结论前期准备危险辨识单元划分对策措施结论定性、定量评价总体情况安全检查表平面布置环境安全安全管理勘查资料施工防火作业环境文明施工安全管理安全设施A特长隧道B深埋隧道隧道系统A旱桥B河桥桥梁系统隧道火灾施工中火灾长隧道火灾短隧道火灾交通安全辅助设施给排水安全设施FDS图4 高速公路工程安全预评价工作思路4 高速公路建设项目分项安全预评价4.1 建设项目总体评价依据国家现行的有关安全生产的法律、法规及相关的安全技术、工业卫生标准等，以安全检查表等方法论证高速公路建设的一般性要求，包括：线路选择及平面布置、主体技术方案、自然条件、社会环境、勘查设计、安全管理等方面是否符合法律、法规和行业技术标准的要求。评价依据有：安全生产法、公路法、公路建设监督管理办法、公路工程技术标准、工程建设标准强制性条文（公路工程部分）、建设工程安全生产管理条例、建设工程勘察设计管理条例、公路工程地质勘察规范、公路建设项目环境影响评价规范、公路环境保护设计规范等。4.2 施工现场安全评价结合项目实际情况，对施工现场的防火安全、作业环境、文明施工、现场管理和安全设施等内容进行预评价，明确施工现场安全工作的重点，为政府、业主和监理单位提供安全管理依据。评价依据有：公路工程技术标准、建筑施工安全技术统一规范、公路工程施工安全技术规程、公路隧道施工技术规范、高温作业分级、施工现场临时用电安全技术规范、公路路基施工技术规范、施工现场安全生产保证体系等。4.3 路基工程安全评价路基工程中边坡滑塌是造成群死群伤事故的主要类型。因此，本文结合实际工程的需要，选择两个典型的40米高路堑边坡断面，采用数值模拟的方法，对其稳定性进行研究，计算模型如图5。开挖面原坡面图5 边坡稳定性数值计算模型计算分析了大方量爆破施工和强降雨条件下边坡的稳定性。结果发现，该地区高度在40米以上的边坡采用大方量爆破施工后处于临界稳定状态，遇强降雨会发生滑坡；采用光面、预裂爆破技术开挖后，边坡处于稳定状态，但在强降雨条件下发生滑坡的可能性仍较大，需要采取相应的加固、支挡和排水措施。4.4 隧道工程安全评价为了准确评价隧道工程中冒顶、突水两项最主要的地质灾害，本文对建设方案进行了数值模拟仿真施工，评价隧道建设过程中的风险。选取了长度超过5公里、埋深超过200米的两座特长隧道，采用了固流耦合的方法进行了仿真施工的三维模拟计算，计算模型如图6。图6 隧道施工仿真数值计算模型通过对隧道围岩应力、应变、位移、塑性破坏区，支护结构的应力、位移，竖井工程应力、位移、塑性破坏区，以及隧道整体的渗流情况分析，并对特定监测点的位移、应力、运动速度等进行了全程追踪，分析了隧道建设过程中可能遇到的不安全因素，明确了可能发生塌方、突水的施工段，论证了铜锣山隧道建设的可行性，同时得出了大量对于现场实际施工组织和设计具有参考性和指导性的计算图表，为公路隧道建设工程的安全性提供了有力保障。同时，根据安全预评价导则的规定，采用了安全检查表法，对隧道建成后各系统的运行安全性进行评价。主要依据有：公路隧道设计规范、公路隧道通风照明设计规范、公路隧道交通工程设计规范、工程建设标准强制性条文（公路工程部分）等。4.5 隧道火灾安全评价为了准确评价隧道工程中瓦斯、火灾的危害，采用了数值模拟的方法，对隧道内通风系统的安全性进行评价。分别对正在施工中的单向出口隧道、建成后的5公里以上特长隧道和利用自然通风的300米以内短程隧道的火灾情况进行了模拟，计算模型如图7。图7 隧道火灾数值模型通过对隧道各种可能的火灾情况下不同传热状况（辐射、对流、导热等）的通道热效应和作用区域分析、火灾条件下烟气的动态扩散和传递特征分析、不同位置的温度、CO浓度、能见度情况分析，获得烟气在隧道内的分布规律，评价烟气对人员的影响，提出防范安全事故的措施建议，为隧道火灾逃生及救援提供依据。同时，通过对施工过程中隧道通风系统的风向、风速模拟，可以评价隧道瓦斯浓度和稀释速率，给出避免发生瓦斯爆炸的控制标准。4.6 桥梁工程安全评价桥梁结构的安全性评价，包括桥梁工作状态下的结构位移响应、应力变化、动力特性、基础沉降等。对于多跨简支结构，根据简支梁的力学特性，重点在于桥体上部结构承载力、变形、材料时效的评估。因此，针对桥梁各主要构件的承载能力、构件应力、构件刚度、结构性损伤等方面，选取了在全线最具典型性的空心板梁桥和T型梁桥，采用空间有限元模型，结合新规范进行验算，评价桥梁的安全性。评价思路见图8，计算模型见图9。图8 桥梁结构安全性评价程序图9 桥梁（T型梁）结构数值计算模型通过对20m后张法预应力混凝土简支空心板和30m后张法预应力混凝土简支T形梁在承载能力极限状态下的抗弯、抗剪、抗裂、抗震验算，得出了桥梁结构稳定性的评价结论。同时，采用了安全检查表法，对桥梁建成后各系统的运行安全性进行评价。主要依据有：公路桥涵设计通用规范、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范等。4.7 公路系统安全评价本部分的评价内容即公路项目安全性评价指南JTG/T B05-2004中规定的内容，首先采用层次分析法对高速公路交通事故成因和路线线形技术指标权重进行分析5。根据分析结果，采用检查表法、计算分析等方法，对路线线形、交通辅助设施、给排水系统、安全设施、标志标线、监控系统进行评价。主要依据：道路交通安全法、高速公路交通管理办法、公路项目安全性评价指南、公路工程技术标准、公路路线设计规范、道路交通标志和标线、高速公路交通安全设施设计及施工技术规范等。5 安全对策措施将评价中发现的或通过计算预测的安全隐患进行汇总，提出控制、治理的技术措施，给出建设工程施工安全管理的体系框架和应急救援预案框架，并对需要改进和重视的安全工作加以强调合提出意见、建议。6 结束语本文根据安全评价工作的要求和实际工程的需要，在事故统计分析的基础上，对高速公路建设工程的安全评价工作提出新的思路，从7个主要方面进行分析论证，将重点放在建设施工中重大灾害的评价和预防上，同时兼顾原有道路安全评价的内容， 建立了高速公路建设工程安全预评价的工作流程和思路，选取了相应的评价方法。通过