公路隧道施工安全评价指标体系的研究

1、公路隧道施工安全评价指标体系的研究随着我国国道和高速公路网的迅速建设，公路隧道越来越显示出穿山 越岭的优越性，随之而来的公路隧道施工项目增多，其安全问题也逐 渐显露出来。公路隧道施工不同于其他生产形式，兼顾建设工程施工 和矿山生产，具有其自身独特的安全生产特点。 在现有的施工条件下， 没有系统的安全生产保证体系，因此，急切需要建立和健全隧道施工 安全评价体系，通过安全评价，可以让施工人员更系统的、全面的了 解隧道施工过程危险、危害因素，促使施工企业领导做好施工安全措 施管理决策，真正做到贯彻落实 “安全第一、预防为主 ”的安全生产方针。1 公路隧道施工安全现状1.1 隧道施工过程中事故频发隧道

2、施工过程中，由于地质条件的多样性和复杂性，其施工事故发生 率比其他岩土工程高且严重，给隧道工程施工人员身心带来严重的危 害。隧道工程开挖过程的事故发生率一般占隧道总事故率的 50，隧 道装岩运输过程中事故一般占隧道总事故率的25 （包括运输设备引起的事故 ），其他事故占隧道总事故率的 25。1.2 伤亡事故类别 公路隧道施工中引起伤亡事故的因素很多，其类别主要有：坍塌、冒顶片帮、物体打击、放炮、车辆伤害、起重伤害、瓦斯爆炸、火药爆炸、触电、火灾、灼烫、淹溺、中毒和窒息、其他伤害等。由于地质类型和性质不同，公路隧道施工技术条件千变万化，无统一固定的施工模式，而且随着施工环境和施工机械等客观条件的

3、变化，在隧道施 工过程中还会不断出现新的情况。2 公路隧道施工安全的特殊性在隧道施工过程中，施工情况复杂，各种危险、有害因素相互交织， 工伤事故屡见不鲜，是一个复杂多变的人机环境系统，通常是作 业中的人员、设备和设施处于诸多不安全因素的威胁之下，具有一般 系统的特点，也具有自己的特殊性。2.1 隧洞围岩稳定性的不确定性在凿岩、爆破后，对围岩的支护和衬砌是否及时是直接影响到围岩稳 定性的一个方面。另外我国现行的公路隧道围岩按其坑道围岩稳定性 分为 6 类，由于围岩类别的不同，往往采用不同的施工方法和在遇到 特殊地质 （如膨胀性围岩、黄土、流沙、断层破碎带、岩溶、岩爆等） 的情况下，围岩的稳定性很

4、难保证，在强大的地压作用下，可能导致 冒顶、片帮、底鼓和支护、衬砌变形，甚至塌方。2.2 施工机械化程度较低机械化施工是现代生产所追求的目标，我国隧道建设起步较晚，机械 化水平和程度还相对较低，还存在大量的手工操作的作业。机械的可 靠性高于人的可靠性，人受主观因素的影响较大，而机械会遵循设计 模式进行规范化的工作， 是实现施工操作规范化、 质量标准化的保证 目前，隧道施工的机械化、自动化程度还不能达到要求，甚至有些机 械管理还不够完善，可能造成重大的工伤事故。在现有的机械程度条 件下，加之物质条件的不安全性和管理的缺陷，都是隧道施工事故多 发的潜在因素。2.3 施工环境条件恶劣随着隧道隧洞施工

5、的不断纵向深入，作业场所在时间和空间上经常发 生变化，隧洞的环境条件也随之不断改变和恶化。主要表现在，工作 空间狭小 （施工设备和机械不但占用空间，而且各种施工活动还要在这 样的空间内进行交叉作业 ），工作照明造成的视觉环境差，灰尘和噪声 污染严重，有些隧道还存在着温度高和湿度大的危害，不但易发生事 故，而且易导致职业病。 另外隧道内存在一些多发性事故 （如物体打击、 坠落伤害、车辆伤害等 ）也给职工带来一些精神上的压抑感。而且隧道 施工环境是一个恶劣多变的动态系统。因此，隧道施工中环境条件恶 劣以及多变的固有属性是引起隧道施工事故多发的潜在危险因素。2.4 职工素质低在隧道施工这个人 机环境

6、系统中， 人是主要的， 又是脆弱的。 由于 隧道中作业环境差， 工作空间狭小 劳动强度大， 工资水平又不太高， 这样就难以吸收和稳定具有文化和素质较高的工人安心在隧道施工企 业长期工作。 从事隧道施工的人员大多是分包企业招收的农民轮换工、 合同工和临时工， 这些职工总体文化及素质水平较低， 一旦发生事故， 往往惊慌失措，避灾能力薄弱，在很多情况下难以自救，甚至有可能 造成二次事故。这样的施工队伍较难形成较好的安全文化氛围，给隧 道施工安全工作带来了重大的安全隐患，成为隧道施工事故多发的一 个重要因素。3 公路隧道施工安全评价公路隧道施工是属于建设工程施工系统的一个子系统，但从公路隧道 施工的工

7、艺来看，它又有其自己的特殊性，并且在施工方式和施工机械和设备方面有所不同，这就给建立公路隧道施工安全评价体系提供 了空间，使其对公路隧道施工安全评价更具有针对性和科学性。公路 隧道施工过程通常由凿岩爆破、 支护、衬砌、出碴与洞内运输、 通风、 供水、供电、供气 （压缩气 ）、排水，有的隧道还有竖井 （斜井）提升等几 个大子系统组成，各个子系统表面上看相对独立，其实他们具有相互 联系，直接影响和制约着隧道施工过程的安全状况和生产效益。3.1 公路隧道施工安全评价指标体系的建立评价指标体系的选择和确定是评价研究内容的基础和关键，直接影响 到评价的精度和结果。根据中华人民共和国安全法 、公路隧道施

8、工技术规范、公路工程施工安全技术规程及爆破安全规程等 法律、法规、规范和对隧道施工的安全状况调查、分析的基础上，从 系统的角度把公路隧道施工分为安全管理、环境条件、爆破作业及爆 破器材、出碴与洞内运输、施工通风、个人防护、施工用电、施工设 备及设施等公路隧道施工安全生产条件必须的基本条件、指标。评价指标体系不但要遵循科学性、可行性和可比性原则，还要具有动 态性原则。公路隧道施工安全评价是一个动态过程， 在施工不同阶段， 不同的情况下， 影响施工安全的因素 （评价指标体系中的指标 ）会随之变 化。因此，在建立评价指标体系时要注意该体系的开放性、动态性。3.2 基于神经网络的公路隧道施工安全评价公

9、路隧道施工安全评价体系是个自我完善的自成体系，有自成一体的 安全评价通则和安全评价方法， 但又不能脱离建设工程施工的大环境， 应和建设工程施工企业建立的有关体系相融合。公路隧道施工安全评 价体系是对公路隧道施工中的安全管理、环境条件、爆破作业与爆破 器材、出碴与洞内运输、施工通风、个人防护、施工用电和施工设备 及设施的综合评价，公路隧道施工安全评价指标体系如图 1。影响公路隧道施工安全系统的因素众多， 关系十分复杂， 数据干扰大， 是一个复杂的非线性系统。因素的测度难以确定，所有这些公路隧道 施工安全评价的特性正是人工神经网络研究对象所具有的特点。 并且， 公路隧道施工安全评价过程实际上是在确

10、定了公路隧道施工安全评价 标准后，将待评价的样本与标准进行比较。3.2.1BP神经网络结构(1) 多层神经网络。多层神经网络不仅有输入点Xj、输出节点Oi,而且有1层或多层隐节点yi,典型BP神经网络模型见图2(2) 传递函数一般为(0, 1) S型函数(3) 误差函数。对第P个样本误差计算公式为式中tpi，Opi，分别为期望输出和网络的计算输出。3.2.2BP神经网络的公路隧道施工安全评价模型通过对BP神经网络模型和公路隧道施工安全评价指标体系的广泛分析，建立了基于优化BP神经网络模型的公路隧道施工安全评价模型，如图3 所示。3.2.3 公路隧道施工安全评价3.2.3.1公路隧道施工安全等级

11、划分神经网络原始数据的训练结果期望目标值与评价结果的输出格式如表 1 所示。表 1 安全评价输出结果等级的划分对照见表在公路隧道施工安全评价指标体系确定的指标中，存在定性指标和定 量指标两种不同的指标状态，在利用人工神经网络进行安全评价求解 过程中，对定性指标和定量指标行归一化处理。并依据其传递函数的 特性要求对网络训练所需的原始样本数据进行初始化处理，转化为分 布于0，1区间范围的数据。3.2.3.3指标体系网络训练样本数据的准备在建立完善、合理的公路隧道施工安全评价指标体系和神经网络评价 模型的基础上，根据对某公路局在建公路隧道提供的隧道施工安全原始数据分析和整理根据确定的样本数据量化区间

12、，对评价前数据进 行分析和整理，收集现场有关安全评价指标其它相关的参数，并利用 Delphi 编制了公路隧道施工安全评价数据自动生成程序，并由此得到 的各个分级单元指标的 20 个实例样本。3.2.3.4网络训练过程根据各单元评价指标数据， 利用 Matlab 工具箱编写神经网络训练程序， 网络第2层、3层和4层的转移函数分别采用“ tan sig ” “ tan sigW“ purelie其设置的训练参数最大循环次数、显示中间结果的频率、网 络训练动量、学习速率、训练目标误差如表 2 所示。单元网络训练各 层神经元参数情况略。表 2 网络模型训练的参数见表3.2.4 公路隧道施工安全评价结果

13、分析选用专家评判法，得到指标体系准则集的权重：U=0.20，0.05，0.10，0.20，0.15，0.15，0.05，0.05，0.10利用上述各待评单元的评价结果，结合u,得到各个待评公路隧道施工 安全评价体系的安全状况， 其实际各公路隧道施工的安全状况为 4、3、 3、2、2，与其实际情况相比较，具有较强的一致性，体现了运用神经 网络进行安全评价结果的可靠性。该方法运用于公路隧道施工安全评 价，能够结合各个公路隧道施工的实际情况，进行科学的安全评价， 充分辨识公路隧道施工中存在的安全隐患， 力争把其消灭在萌芽之中； 也可以在施工中，分不同阶段对其进行评价，得到公路隧道施工的不 同时期的安

14、全状况。4 公路隧道施工安全评价的作用事故发生不外乎两种因素导致：人的不安全行为和物的不安全状态。 隧道施工过程中的事故多以地质灾害和常见惯性事故为主，以往对隧 道建设的危险源、 有害因素虽有初步的认识， 但没有一个系统的了解， 未来隧道施工安全评价理论方面需要重点解决的问题是隧道施工过程 中人-机-环境系统的安全型分析、 隧道施工安全评价方法的选择及创新 和不断完善安全评价体系， 通过评价，可以使认识更系统化、 完整化、 科学化，做到及早地对事故发生的可能性和危险、 有害因素进行辨识， 切断危险源，把事故消灭在萌芽之中。同时，通过公路隧道施工安全 评价，针对隧道施工存在的安全隐患，采取必要的安全技术措施和安 全管理手段，并对施工员工进行安全教育，提高他们的安全意识，制 止和控制劳动者的不安全行为。5 结论公路隧道施工安全评价体系的建立， 通过系统的研究隧道施工安全 先进行危险及有害因素的普查、辨识，进而进行整个公路隧道施工过 程的