基于STAMP 的地铁施工安全控制结构研究

2013-11-09缑变彩李婧琳

山西建筑 2013年34期

缑变彩李婧琳王帆

(1.武汉科技大学城市学院，湖北武汉 430083;2.华中科技大学，湖北武汉 430074)

0 引言

近年来，我国地铁建设规模达到高峰，然而地铁施工中安全事故时有发生，这主要是由于一方面，地铁下穿城市腹地，地质条件等不确定性因素多，技术设备复杂，建设周期长，成本高，使得地铁建设极易发生重大安全事故，另一方面，作为劳动密集型行业，组织管理等因素对于施工安全有着关键的影响［1］，因此需要一种安全模型，系统的分析在组织、管理、技术等因素共同作用下事故发生的机理。

事故致因理论经过几十年的研究有了长足的发展，然而传统的事故模型在分析地铁施工安全风险方面存在一定的不足，本文基于STAMP提出地铁施工过程的安全控制模型，为系统的分析地铁施工中存在的安全风险提供方法手段。

1 系统理论事故模型STAMP

STAMP［2］将事故看作是控制不足导致的结果而不是某一失效事件造成的后果，是系统元素相互作用而产生的一种涌现现象，安全是通过系统的安全控制结构实施的一系列安全约束所实现的系统属性，所以安全问题实际上是一个控制问题。

地铁施工是一个由一系列基本控制过程组成的复杂过程，地铁施工安全应尝试从控制论的角度对整个系统进行建模分析，而这个控制结构的基本组成是约束、反馈回路和控制层级。按照Leveson的观点，系统是一个不断适应周围变化来实现自身目标的动态过程，系统安全的控制实际是一个不断施加约束来维持或确保这个动态过程安全的进行。据此，Leveson将事故原因分为三类(见表1):

1)安全约束不足;

2)控制行为的执行不足;

3)反馈不足或缺失。

表1 导致危险发生的控制缺陷分类

图1 基于STAMP的安全分析步骤

如图1所示，基于STAMP的安全分析通常包含以下四个基本步骤:

1)通过初步危险分析，了解系统中可能导致事故发生的潜在危险，并将其转化为对安全的需求和约束;

2)在识别安全需求和约束的基础上，确定系统安全控制结构，描述出系统中执行安全约束的元素及控制和反馈路径;

3)通过检查系统中的控制和反馈路径，识别可能导致事故的潜在控制缺陷;

4)对系统进行安全评估，分析安全约束的异常控制是如何发生的(运用表1)，并提出改进意见。

2 基于STAMP的地铁施工安全分析

2.1 识别系统安全约束

基于STAMP的安全分析应首先明确分析目标，通常城市地铁建设下穿城市腹地，容易给周边环境造成破坏，以武汉地铁二号线为例，全线大部分属于软土浅埋隧道，埋深大多在10 m～20 m，最浅处如虎泉—名都区间局部地区不足4 m，因此由于隧道开挖造成的周边环境破坏风险要高于由地应力带来的对隧道结构本身的破坏风险。业主方在管理中也加入了第三方监测，加强对周边环境如建筑物、管线和路面的安全监测，同时邀请了咨询方对安全风险进行预警分析，在必要时还邀请专家针对特定问题进行会诊。所以本文主要以地铁施工带来的周边环境(如周边建筑物、管线等)破坏为系统危险进行分析。

地铁施工引起的周边环境破坏需要以下相应的安全约束:1)按照设计规定的要求进行施工;2)对周边环境进行监测，分析监测结果，并采取相应的预防措施。由此可以得出各建设主体(控制器)的安全需求及约束，如表2所示。

表2 各建设主体的安全需求及约束

2.2 确定安全控制结构

在识别了系统危险及相应的安全约束后，下一步需要确定地铁施工的安全控制结构，如图2所示。如前文所述，地铁施工是一个典型的复杂社会技术系统，各建设主体(控制器)之间的控制流、信息流构成了系统的组织管理层面(社会系统)，即建设主体之间的组织、管理、协调、沟通;而由施工方具体实施操作的过程构成了系统的技术层面(技术系统)，即施工过程是在输入施工参数(如掘进速度)、几何参数(如埋深)和地质参数(如土质)下对周边环境输出一定的影响，周边环境在这种影响及相关环境因素(如建筑物基础埋深、管线直径)的作用下输出一定的反应，表现为沉降、倾斜等，而对沉降、倾斜的监测又构成了制定下一步施工参数和采取预防措施的依据。

2.3 识别潜在控制缺陷

在确定系统的安全控制结构后，就可以分析系统中存在的潜在控制缺陷，如依据规范［3］要求对于浅埋暗挖隧道地表沉降监测频率为监测点距开挖面两倍洞径范围以内1次/d～2次/d，2倍～5倍洞径范围以内1次/d～2次/d，然而施工通常是连续进行的，对于某些事故易发地区，如下穿既有建(构)筑物，有可能造成由于数据延迟导致未及时采取措施而引发事故(控制缺陷分类3.3，见表1)，因此规范［3］还规定“对于穿越重要建(构)筑物的地铁工程……应对所穿越工程进行穿越施工期间24小时不间断监测;在穿越一般建(构)筑物时应按要求进行较高频率的监测”以避免此类控制缺陷。

图2 地铁施工安全控制结构

2.4 评估系统安全状态

在识别系统潜在控制缺陷后，可以针对缺陷来进行系统改良，也可以对已经发生的事故进行原因分析。例如杭州地铁一号线萧山湘湖段“11.15”事故，其主要原因包括基坑超挖，钢支撑体系存在薄弱环节以及监测、监理工作严重失职等［4］。即施工方给出错误的控制行为，施工参数过大(控制缺陷分类1.2);钢支撑设计不明确、施工不规范(控制缺陷分类3.4，1.2);监测、监理未执行必要控制行为(控制缺陷分类1.2)。从图2可以看出，可以加强业主对设计、监理和施工方的控制行为，从而预防今后类似事故发生。