基于STAMP 的地鐵施工安全控制結(jié)構(gòu)研究

緱變彩 李婧琳 王 帆

(1.武漢科技大學城市學院，湖北 武漢 430083;2.華中科技大學，湖北武漢 430074)

0 引言

近年來，我國地鐵建設(shè)規(guī)模達到高峰，然而地鐵施工中安全事故時有發(fā)生，這主要是由于一方面，地鐵下穿城市腹地，地質(zhì)條件等不確定性因素多，技術(shù)設(shè)備復(fù)雜，建設(shè)周期長，成本高，使得地鐵建設(shè)極易發(fā)生重大安全事故，另一方面，作為勞動密集型行業(yè)，組織管理等因素對于施工安全有著關(guān)鍵的影響［1］，因此需要一種安全模型，系統(tǒng)的分析在組織、管理、技術(shù)等因素共同作用下事故發(fā)生的機理。

事故致因理論經(jīng)過幾十年的研究有了長足的發(fā)展，然而傳統(tǒng)的事故模型在分析地鐵施工安全風險方面存在一定的不足，本文基于STAMP提出地鐵施工過程的安全控制模型，為系統(tǒng)的分析地鐵施工中存在的安全風險提供方法手段。

1 系統(tǒng)理論事故模型STAMP

STAMP［2］將事故看作是控制不足導(dǎo)致的結(jié)果而不是某一失效事件造成的后果，是系統(tǒng)元素相互作用而產(chǎn)生的一種涌現(xiàn)現(xiàn)象，安全是通過系統(tǒng)的安全控制結(jié)構(gòu)實施的一系列安全約束所實現(xiàn)的系統(tǒng)屬性，所以安全問題實際上是一個控制問題。

地鐵施工是一個由一系列基本控制過程組成的復(fù)雜過程，地鐵施工安全應(yīng)嘗試從控制論的角度對整個系統(tǒng)進行建模分析，而這個控制結(jié)構(gòu)的基本組成是約束、反饋回路和控制層級。按照Leveson的觀點，系統(tǒng)是一個不斷適應(yīng)周圍變化來實現(xiàn)自身目標的動態(tài)過程，系統(tǒng)安全的控制實際是一個不斷施加約束來維持或確保這個動態(tài)過程安全的進行。據(jù)此，Leveson將事故原因分為三類(見表1):

1)安全約束不足;

2)控制行為的執(zhí)行不足;

3)反饋不足或缺失。

表1 導(dǎo)致危險發(fā)生的控制缺陷分類

圖1 基于STAMP的安全分析步驟

如圖1所示，基于STAMP的安全分析通常包含以下四個基本步驟:

1)通過初步危險分析，了解系統(tǒng)中可能導(dǎo)致事故發(fā)生的潛在危險，并將其轉(zhuǎn)化為對安全的需求和約束;

2)在識別安全需求和約束的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)安全控制結(jié)構(gòu)，描述出系統(tǒng)中執(zhí)行安全約束的元素及控制和反饋路徑;

3)通過檢查系統(tǒng)中的控制和反饋路徑，識別可能導(dǎo)致事故的潛在控制缺陷;

4)對系統(tǒng)進行安全評估，分析安全約束的異常控制是如何發(fā)生的(運用表1)，并提出改進意見。

2 基于STAMP的地鐵施工安全分析

2.1 識別系統(tǒng)安全約束

基于STAMP的安全分析應(yīng)首先明確分析目標，通常城市地鐵建設(shè)下穿城市腹地，容易給周邊環(huán)境造成破壞，以武漢地鐵二號線為例，全線大部分屬于軟土淺埋隧道，埋深大多在10 m～20 m，最淺處如虎泉—名都區(qū)間局部地區(qū)不足4 m，因此由于隧道開挖造成的周邊環(huán)境破壞風險要高于由地應(yīng)力帶來的對隧道結(jié)構(gòu)本身的破壞風險。業(yè)主方在管理中也加入了第三方監(jiān)測，加強對周邊環(huán)境如建筑物、管線和路面的安全監(jiān)測，同時邀請了咨詢方對安全風險進行預(yù)警分析，在必要時還邀請專家針對特定問題進行會診。所以本文主要以地鐵施工帶來的周邊環(huán)境(如周邊建筑物、管線等)破壞為系統(tǒng)危險進行分析。

地鐵施工引起的周邊環(huán)境破壞需要以下相應(yīng)的安全約束:1)按照設(shè)計規(guī)定的要求進行施工;2)對周邊環(huán)境進行監(jiān)測，分析監(jiān)測結(jié)果，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施。由此可以得出各建設(shè)主體(控制器)的安全需求及約束，如表2所示。

表2 各建設(shè)主體的安全需求及約束

2.2 確定安全控制結(jié)構(gòu)

在識別了系統(tǒng)危險及相應(yīng)的安全約束后，下一步需要確定地鐵施工的安全控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示。如前文所述，地鐵施工是一個典型的復(fù)雜社會技術(shù)系統(tǒng)，各建設(shè)主體(控制器)之間的控制流、信息流構(gòu)成了系統(tǒng)的組織管理層面(社會系統(tǒng))，即建設(shè)主體之間的組織、管理、協(xié)調(diào)、溝通;而由施工方具體實施操作的過程構(gòu)成了系統(tǒng)的技術(shù)層面(技術(shù)系統(tǒng))，即施工過程是在輸入施工參數(shù)(如掘進速度)、幾何參數(shù)(如埋深)和地質(zhì)參數(shù)(如土質(zhì))下對周邊環(huán)境輸出一定的影響，周邊環(huán)境在這種影響及相關(guān)環(huán)境因素(如建筑物基礎(chǔ)埋深、管線直徑)的作用下輸出一定的反應(yīng)，表現(xiàn)為沉降、傾斜等，而對沉降、傾斜的監(jiān)測又構(gòu)成了制定下一步施工參數(shù)和采取預(yù)防措施的依據(jù)。

2.3 識別潛在控制缺陷

在確定系統(tǒng)的安全控制結(jié)構(gòu)后，就可以分析系統(tǒng)中存在的潛在控制缺陷，如依據(jù)規(guī)范［3］要求對于淺埋暗挖隧道地表沉降監(jiān)測頻率為監(jiān)測點距開挖面兩倍洞徑范圍以內(nèi)1次/d～2次/d，2倍～5倍洞徑范圍以內(nèi)1次/d～2次/d，然而施工通常是連續(xù)進行的，對于某些事故易發(fā)地區(qū)，如下穿既有建(構(gòu))筑物，有可能造成由于數(shù)據(jù)延遲導(dǎo)致未及時采取措施而引發(fā)事故(控制缺陷分類3.3，見表1)，因此規(guī)范［3］還規(guī)定“對于穿越重要建(構(gòu))筑物的地鐵工程……應(yīng)對所穿越工程進行穿越施工期間24小時不間斷監(jiān)測;在穿越一般建(構(gòu))筑物時應(yīng)按要求進行較高頻率的監(jiān)測”以避免此類控制缺陷。

圖2 地鐵施工安全控制結(jié)構(gòu)

2.4 評估系統(tǒng)安全狀態(tài)

在識別系統(tǒng)潛在控制缺陷后，可以針對缺陷來進行系統(tǒng)改良，也可以對已經(jīng)發(fā)生的事故進行原因分析。例如杭州地鐵一號線蕭山湘湖段“11.15”事故，其主要原因包括基坑超挖，鋼支撐體系存在薄弱環(huán)節(jié)以及監(jiān)測、監(jiān)理工作嚴重失職等［4］。即施工方給出錯誤的控制行為，施工參數(shù)過大(控制缺陷分類1.2);鋼支撐設(shè)計不明確、施工不規(guī)范(控制缺陷分類3.4，1.2);監(jiān)測、監(jiān)理未執(zhí)行必要控制行為(控制缺陷分類1.2)。從圖2可以看出，可以加強業(yè)主對設(shè)計、監(jiān)理和施工方的控制行為，從而預(yù)防今后類似事故發(fā)生。

3 結(jié)語

通過開展安全風險分析及預(yù)警是實現(xiàn)安全建設(shè)地鐵的必要條件，然而應(yīng)用現(xiàn)有的分析方法面臨著諸多挑戰(zhàn)，無法滿足地鐵施工這樣復(fù)雜系統(tǒng)的安全分析需求。將事故看作是系統(tǒng)元素相互作用而產(chǎn)生的一種涌現(xiàn)現(xiàn)象，把安全問題轉(zhuǎn)化為控制問題是有效解決這一問題的方法之一。

本文基于STAMP從系統(tǒng)論、控制論的角度對地鐵施工過程中的安全問題進行了分析，在明確系統(tǒng)安全需求和約束的基礎(chǔ)上構(gòu)建了地鐵施工安全控制結(jié)構(gòu)，識別了各建設(shè)主體之間的控制流、信息流以及對地鐵施工過程的控制和反饋，基于該結(jié)構(gòu)可以分析地鐵施工中存在的控制缺陷，從而為改進地鐵施工安全狀況提供了依據(jù)。

［1］錢七虎，戎曉力.中國地下工程安全風險管理的現(xiàn)狀、問題及相關(guān)建議［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(4):649-655.

［2］Leveson N.A new accident model for engineering safer systems［J］.Safety Science，2004，42(4):237-270.

［3］DB 11/490-2007，地鐵工程監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］解東升，錢七虎，戎曉力.地鐵工程建設(shè)安全風險管理研究［J］.土木工程與管理學報，2012，29(1):61-67.