基于集对理论的混凝土泵送施工堵管风险评价

鲁惠敏， 杜 婷， 王本武

(华中科技大学土木工程与力学学院， 武汉 430074)

混凝土泵送施工技术真正起源于20 世纪 30 年代[1]，商品混凝土经罐车运输至泵送施工现场，通过泵送将混凝土沿泵送管道输送到指定浇筑高度和浇筑地点，泵送技术大幅提高了混凝土浇筑速度和施工效率[2]。目前中国混凝土泵送技术被广泛应用，但泵送施工堵管时有发生，堵管会不同程度地影响施工进度，严重时甚至引发爆管事故。近年来有学者通过泵送模拟和施工现场试验对混凝土的可泵性评价[3-5]、堵管影响因素[6-10]等进行了研究。而混凝土高处泵送涉及原材料、泵送管道、泵送高度等众多因素，即引起堵管的原因是多方面的[11]。因此，为了预防堵管风险的发生，基于事故因果连锁理论、人-机-料-法-环理论和集对理论[12]，全面分析堵管致因，对混凝土泵送施工堵管风险评价指标和评价进行研究[13]。

1 泵送堵管风险评价指标及权重

1.1 混凝土泵送堵管风险评价指标体系

根据事故因果连锁理论，在混凝土泵送施工过程中，引发堵管风险的原因主要为两个方面：一方面混凝土泵送施工过程中存在“人的缺点”，即管理层的管理缺失和操作人员的操作失误等导致“人的不安全行为”；另一方面存在“物的不安全状态”，主要包括泵送机械设备、泵送管道等发生故障；而基于人-机-料-法-环-理论，对混凝土泵送施工而言，堵管风险因素主要为：泵送操作人员因素，泵送机械设备因素，环境因素和施工管理因素。因此，基于事故因果连锁理论、人-机-料-法-环-理论将混凝土泵送施工堵管的风险影响因素进行归纳和总结，构建如表1所示的混凝土泵送施工堵管风险评价指标，其指标主要由操作人员、混凝土材料、机械设备及实施方案、泵送管道、施工管理和环境六大风险因素组成。

1.2 泵送堵管风险评价指标权重

研究采用层次分析法[14]确定混凝土泵送堵管风险评价指标权重，邀请43位专家对评价指标的重要性进行打分，专家来自于搅拌站、施工单位工作人员以及相关研究学者，其中搅拌站总工、搅拌站技术人员共14位，施工单位技术人员18位，相关行业的研究学者11位。应用1～7标度法对表1中同一准则下指标的相对重要性进行赋值，这些赋值即为判断矩阵的元素，用MATLAB软件中编码程序对专家判断矩阵进行一致性检验和权重确定，只有一致性检验通过的判断矩阵才用来确定各指标权重，运算结果表明专家打分具有较高的一致性。根据专家打分和MATLAB软件中编码程序运算得到的权重取平均值后得到的各指标权重如表1所示。

混凝土泵送施工堵管风险评价指标权重向量如下所示。

施工堵管风险评价指标一级指标权重为：W=(0.095 7,0.276 5,0.142 2,0.294 6,0.104 1,0.086 9)。

操作人员因素C1中各二级指标权重：W1=(0.079 5,0.206 7,0.370 6,0.190 8,0.152 4)。

混凝土材料因素C2中各二级指标权重：W2=(0.297 6,0.130 7,0.212 6,0.138 5,0.099 8,0.120 8)。

机械设备及实施方案因素C3中各二级指标权重W3=(0.384 8,0.186 7,0.164 2,0.264 3)。

泵送管道因素C4中各二级指标权重：W4=(0.336 5,0.315 9,0.180 5,0.167 1)。

施工管理因素C5中各二级指标权重：W5=(0.262 1,0.318 5,0.419 4)。

环境因素C6中各二级指标权重：W6=(0.519 0,0.299 9,0.181 1)。

表1 混凝土泵送施工堵管风险评价指标权重表Table 1 Weight table of risk assessment index of blockage in concrete pumping construction

2 结合集对分析的模糊综合评价模型

2.1 确定风险评价标准集

采用风险矩阵法[15]作为泵送堵管的风险评价标准。在堵管风险矩阵中有两个重要的概念，堵管风险发生的概率和堵管风险影响程度。其定义为。

堵管风险发生概率：混凝土泵送施工堵管风险事件发生的可能性大小。

堵管风险影响程度：混凝土泵送施工堵管风险事件的发生对于堵管风险的影响程度。堵管风险影响程度是个抽象概念，难以量化，一般采用半量化方式来处理风险影响程度值。

根据混凝土泵送堵管风险事件发生概率、泵送堵管风险事件的发生对于泵送堵管风险影响程度这两个变量，将堵管风险量定义为

R=f(L,S)=LS

(1)

式(1)中：R为混凝土泵送施工堵管风险量的大小；L为混凝土泵送施工堵管风险事件发生的可能性大小；S为混凝土泵送施工堵管风险事件的发生对于堵管风险的影响程度。

混凝土泵送施工堵管风险发生的可能性和影响后果如表2所示，堵管风险的等级划分及接受准则、处理措施等如表3所示。

表2 混凝土泵送施工堵管风险发生的可能性和影响后果Table 2 Possibility and influence consequence of blockagerisk happened in concrete pumping construction

2.2 确定隶属度函数

(1)混凝土泵送施工堵管风险评级等级为V={极低，低，中等，高，极高}。针对混凝土泵送施工堵管风险，根据表3混凝土泵送施工堵管风险等级评定标准表中的标准采用专家赋分法，设混凝土泵送施工堵管风险指标评分值为xij，此处研究的是指标越小越优型，利用距离来分别构造对应的5个堵管风险等级的隶属度函数i1(x)、i2(x)、i3(x)、i4(x)、i5(x)。具体隶属度函数表达式如下：

表3 混凝土泵送施工堵管风险等级、接受准则和处理措施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)构造隶属度矩阵。根据隶属度函数构造隶属度矩阵：操作人员因素C1中二级指标的风险等级隶属度矩阵A1，混凝土材料因素C2中二级指标的风险等级隶属度矩阵A2，机械设备及实施方案因素C3中二级指标的风险等级隶属度矩阵A3，泵送管道因素C4中二级指标的风险等级隶属度矩阵A4，施工管理因素C5中二级指标的风险等级隶属度矩阵A5，环境因素C6中二级指标的风险等级隶属度矩阵A6，具体如下所示。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

2.3 结合集对分析的模糊关系合成

集对分析是中国学者赵克勤1989年提出的主要针对不同领域存在的不确定性问题进行分析的一种理论[12]。而混凝土泵送施工堵管的影响因素和堵管结果均存在一定的不确定性，因此可以将混凝土泵送施工堵管风险等级标准集与堵管风险评价指标集作为集对进行分析，然后根据集对分析中的同异反模型，设N是集合的属性总数，两个集合之间的相同属性的数量用S表示，差异属性的数量用F表示，对立属性的数量用P表示，N=S+F+P，现将混凝土泵送堵管风险评价等级分为五级，则集对分析的五元联系度表达式为

U=a+b1i+b2i+b3i+cj

(13)

式(13)中:a为同一度系数;b1、b2、b3为差异度系数，c为对立度系数，则结合集对分析五元联系数的模糊关系合成具体分析过程如下。

将集对分析的联系度表达式U=a+b1i+b2i+b3i+cj拆分成两部分，即模糊关系合成M和系数分量E，其中模糊关系合成M即权向量W和隶属度矩阵A的模糊合成，以此简化、优化模糊综合评价过程。具体综合评价的计算过程分成以下几个步骤。

(1)同一度表示堵管风险极低，差异度表示堵管风险为低、中、高，对立度表示堵管风险极高，混凝土泵送堵管风险模糊综合评价中模糊关系M为泵送堵管指标权重向量W和各堵管风险等级隶属度矩阵A的科学合成[选择合适的合成算子，目前较为通用的为M(·,⊕)]。

M=W×A

(14)

(2)将集对分析的联系度理论与混凝土泵送施工堵管风险模糊综合评价中的隶属度矩阵相结合，联系数的元数与混凝土泵送堵管风险模糊综合评价等级相同，本文评价等级为5个，则构造五元联系数：U=a+b1i+b2i+b3i+cj，因此系数分量E的元素为[-1,1]的5个均分数，i1=0.5、i2=0、i3=-0.5，系数分量E为

(15)

(3)泵送堵管评价等级为五个，则五元联系数的表达式可以记作模糊关系合成M和系数分量E的乘积，即

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

(16)

由集对分析理论可知，U为五元综合联系数，a、c为确定性分量，b1、b2、b3为不确定分量。a为同一度分量，代表混凝土泵送施工堵管风险极低；b1为差异度偏同分量，代表混凝土泵送施工堵管风险低；b2为差异度居中分量，代表混凝土泵送施工堵管风险为中等；b3为差异度偏异分量，代表混凝土泵送施工堵管风险高；c为对立度分量，代表混凝土泵送施工堵管风险极高。

(4)根据混凝土泵送施工堵管风险的五个等级将五元联系数U的取值范围五等分，集对分析理论中提到联系数U的取值范围为[-1,1]，五等分后为[-1,-0.6)、 [-0.6,-0.2)、[-0.2,0.2)、[0.2,0.6)、[0.6,1]，相应的堵管风险等级为极高、高、中、低、极低，具体如表4所示。

表4 基于集对分析的泵送施工堵管风险评价最终等级标准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 项目概况

某住宅小区项目位于武汉市光谷广场附近，其中的10、11、13号楼均为地上58层，高169.60 m的剪力墙结构超高层建筑。以其中10栋楼为泵送施工研究对象，泵送混凝土的主要强度等级为C40、C50和C60。

3.2 工程施工条件及周围环境

3.2.1 气候条件

武汉市属于亚热带季风性(湿润)气候，一般每年6月份会进入梅雨季节，常年雨量充沛。历史可查的最高温为41.3 ℃，近年来夏季高温可达到40 ℃，冬季低温最低在零下10 ℃左右。该项目冬季施工期间最低气温为零下3 ℃，最高气温12 ℃，平均气温在3 ℃左右；夏季施工期间最高气温37 ℃，而最低温度为21 ℃，平均气温在32 ℃左右，夏季高温、冬季低温等对于混凝土泵送施工堵管风险影响较大，使得泵送堵管风险管理工作存在较大难度。

3.2.2 场地及周边交通运输条件

该项目地处关山大道与珞喻路交汇处，北起珞喻路、南接武汉中环线(三环线)，其中关山大道宽70 m、长5 km，珞喻路长6.9 km，宽60 m，两条主干道皆为双向八车道。该项目门前干道与隧道相连，环线和高架相通，且地铁延长线、有轨电车等均可到达项目所在地；目前已有近二十多条公交线路运营中；项目周边的商业配套、医疗配套一应俱全，往西500 m左右有医院、1 000 m有商场，往南600 m有学校，步行街，1 000 m左右有酒店，处于繁华区位，交通人流车流量极大，而混凝土罐车运行主要经过主干道，交通车流量极多，运输距离、路况及罐车的运输时间等都会影响到罐车里面混凝土材料的相关性质，容易造成坍落度经时损失或混凝土分层离析堵管。

3.3 混凝土泵送施工堵管风险评价

(1)采用专家打分法对该项目泵送堵管的风险评价指标进行评分，共得到10位相关专家的混凝土泵送施工堵管风险等级的赋值，根据上文建立的混凝土泵送施工堵管风险评价标准，取10位专家的打分均值为综合评分，具体如表5所示。

再根据式(7)～式(12)等对专家综合评分得出的指标隶属矩阵如下所示：

表5 施工现场堵管风险评价专家赋分表Table 5 Expert score table for risk assessment of blockage in concrete pumping construction site

(2)结合集对分析的模糊关系合成。前文层次分析法确定了混凝土泵送施工堵管风险评价指标权重，然后通过合成算子M(·,⊕)将指标权重与不同风险等级的隶属度矩阵合成，具体结果如下所示。

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)。

从合成算子M中可以看出，整体来看，混凝土材料因素和泵送管道因素诱发堵管的风险较其他因素大，其具体的表达式可以记作系数分量E和5个评价等级的隶属度矩阵M的乘积，再结合表4进行风险等级确定，具体分析如下。

U1=M1E=0.628 3表明由施工人员相关评价指标引发堵管的风险极低，堵管风险等级为Ⅰ级，风险可忽略，则混凝土可以正常泵送，但需要定期进行泵送现场安全检查和泵送状态相关风险评价指标的检查。

U2=M2E=0.181 1和U4=M4E=0.142 5分别表明由混凝土材料和泵送管道相关评价指标引发堵管的风险为中等，堵管风险等级为Ⅲ级，风险为不期望，泵送前要进行泵送现场管理和泵送状态相关风险因素巡查，泵送过程中对主要风险源和风险因素进行重点监控，若发现堵管隐患马上暂停泵送，直至排除隐患。

U3=M3E=0.522 5，U5=M5E=0.253 1和U6=M6E=0.327 7分别表明机械设备及施工方案、施工管理和环境因素引发堵管风险低，堵管风险等级为Ⅱ级，可接受，混凝土正常泵送，但要注重泵送前和泵送过程中堵管风险评价指标的巡查。

该工程实例的U=ME=0.280 55表明该项目混凝土泵送施工堵管风险低，堵管风险等级为Ⅱ级，堵管风险可接受，混凝土正常泵送，但要注重泵送前和泵送过程中堵管风险评价指标的巡查。需要重点监控混凝土材料因素和泵送管道因素。冬夏季还应监控环境温度的变化，冬季泵送施工现场的混凝土坍落度较大，夏季因温度较高或长途运输等使得坍落度经时损失较为明显；此外，泵送施工现场的管道布置设计也应根据现场实际施工条件因地制宜，合理布置管道支撑点，防止混凝土泵送过程中管道剧烈振动导致管道密封松动泄漏堵管等。

3.4 泵送堵管风险防范措施

在混凝土泵送过程中，要注重现场安全巡查，查找堵管风险隐患，并针对引发堵管的风险因素制定相应的应对措施。

3.4.1 操作人员风险因素控制措施

泵送施工是一个专业技术要求很高的施工工种之一，泵送施工操作人员只有在专业技能掌握熟练的情况下方能根据实际施工情况合理选择泵送速度和泵压，控制好停机时间。因此施工单位应对泵送操作人员上岗前进行专业培训，包括操作专业技能、泵速和泵压的选择、停机时间的控制，泵送施工操作人员必须通过技术培训持证上岗。

3.4.2 混凝土材料

混凝土材料因素是影响混凝土泵送施工的最主要的因素。实验测得该项目冬季施工现场坍落度达到了250 mm左右，属于大流性混凝土，坍落度过大会造成混凝土拌合物离析从而引发堵管；而搅拌站出站坍落度为(180±30) mm，坍落度变化较大。为了保证混凝土的可泵性，应严格控制混凝土配合比以及外加剂(减水剂、抗冻剂)等的掺量，合理规划运输时间距离和路线。

3.4.3 机械设备及实施方案

混凝土罐车、混凝土输送泵、输送管及配件(包括异型管：锥管、弯管，换向阀、逆止阀)等，按要求进行机械设备的选配，且要定期进行维护保养。混凝土泵送实施方案需按照要求编制，且操作人员按施工方案进行泵送施工。

3.4.4 泵送管道

泵送管道对堵管影响较大，其中泵管的布设、安装固定、清洗、润滑须严格按照相关标准规范和实施方案实施，且施工人员需时常注意泵管的工作状态，一旦发现堵管则马上逐段查找确定堵管区段，对堵管段立即拆卸，清洗干净后重新安装固定。

3.4.5 施工管理

施工现场调度指挥人员，应及时与混凝土搅拌站和现场施工技术和管理人员进行沟通、协调，防止出现混凝土断供、泵送中断的现象。此外，在泵送施工过程以及泵送停止时，定期检査相应水平弯管和竖直弯管的工作状态，通过检查结果确定是否更换管道还是继续施工；泵送施工管理人员对现场泵送操作人员加强管理，严格按照相关标准进行泵送施工；组织泵送施工人员群策群力，结合泵送施工方案，制定行之有效的泵送堵管风险预防及处理对策。

3.4.6 环境

项目所在地夏季高温时为避免堵管可采取以下措施：物理降温-泵送前用冷水清洗管道，选取阴凉处布设管道，严格控制浇筑间歇时间，尽可能选择夜间浇筑混凝土；低温天气为避免堵管可采取的措施有：物理保温-罐车上安装防冻套、雨雪天气管道用干草布条等围盖。由于项目地处繁华街道，可根据当天实际情况(路况、天气状况等)选择车流较小的路线运送商品混凝土。

4 结论

(1)基于事故因果连锁理论、人-机-环-管理理论对混凝土泵送施工的影响因素进行总结分析的基础上，建立了混凝土泵送施工堵管风险评价指标。

(2)运用层次分析法确定了混凝土泵送堵管的风险评价指标的权重，结合集对分析和模糊综合评价法建立了混凝土泵送堵管的风险评价模型。

(3)结合某高层建筑混凝土泵送施工实例，根据堵管风险评价模型，对高层泵送施工现场的泵送堵管风险状况进行定量分析，确定堵管风险等级，并针对性给出风险防范措施。