基于STAMP模型的地鐵施工安全事故致因分析

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(1. 中國(guó)鐵路總公司， 北京　100844； 2.華中科技大學(xué)　土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北　武漢　430074)

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基于STAMP模型的地鐵施工安全事故致因分析

牛豐1，王昱2，周誠(chéng)2

(1. 中國(guó)鐵路總公司， 北京100844； 2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北武漢430074)

摘要：STAMP模型從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，把安全視為一個(gè)控制問題，認(rèn)為事故的發(fā)生是由于不充分的控制和安全相關(guān)約束的缺失所造成的，這一模型與地鐵系統(tǒng)工程有較高的契合度。本文在對(duì)STAMP模型的基本概念進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)地鐵建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際，構(gòu)建了基于STAMP模型的地鐵施工事故致因模型。同時(shí)引入杭州地鐵1號(hào)線湘湖站基坑坍塌事故進(jìn)行實(shí)證分析，從系統(tǒng)化的事故致因理論觀點(diǎn)出發(fā)，按照本模型的方法，分析事故的發(fā)生演化過程，概括事故災(zāi)害，識(shí)別約束手段和失效行為，最后對(duì)事故原因進(jìn)行分類匯總并與已有分析結(jié)論進(jìn)行比較。結(jié)果表明，STAMP模型與地鐵建設(shè)項(xiàng)目契合度高，事故致因分析較為全面，在地鐵施工事故致因分析方面具有較高的可行性和廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：STAMP模型；事故致因；控制約束；基坑坍塌；地鐵工程

近年來，我國(guó)地鐵工程建設(shè)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展階段[1]。然而，如火如荼的地鐵建設(shè)浪潮背后，各種地鐵事故卻頻繁發(fā)生，造成了巨大的損失。地鐵工程建設(shè)具有地理位置特殊、質(zhì)量和安全要求高、涉及工程專業(yè)多、工程量巨大、工程和周邊環(huán)境關(guān)系密切等特點(diǎn)，是一項(xiàng)不折不扣的系統(tǒng)工程[2]。越來越多的事例證明，當(dāng)前普遍運(yùn)用的事故鏈致因模型，并不能很好地契合地鐵項(xiàng)目這樣的復(fù)雜系統(tǒng)工程。

STAMP模型從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，把安全看作一個(gè)控制問題，認(rèn)為事故是由于不充分的控制和安全相關(guān)約束的缺失所造成的[3]。該系統(tǒng)模型克服了事故鏈等模型在描述事故原因時(shí)忽略系統(tǒng)組件間復(fù)雜交互的缺陷，順應(yīng)了社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)外研究方面，該模型創(chuàng)始人Leveson教授對(duì)美國(guó)“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)事故進(jìn)行了分析，開啟了廣大學(xué)者在航空航天領(lǐng)域?qū)υ撃Ｐ偷膽?yīng)用。近年來，研究人員也在公路隧道火災(zāi)預(yù)防，自來水廠污染事故調(diào)查等大型公共基礎(chǔ)項(xiàng)目的事故分析中找到了新的應(yīng)用方向。國(guó)內(nèi)研究方面，系統(tǒng)控制學(xué)領(lǐng)域?qū)TAMP模型的研究最早，特別是在鐵路系統(tǒng)應(yīng)用較多。以歐陽敏和洪流等為代表的學(xué)者采用STAMP模型分析了多起動(dòng)車相撞事故，得到了完全不同的分析結(jié)果。此外，國(guó)內(nèi)研究人員還在電子系統(tǒng)安全構(gòu)建方面運(yùn)用該模型取得了良好的研究成果。

地鐵建設(shè)工程是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)性的系統(tǒng)工程，STAMP模型正是基于系統(tǒng)控制論的事故模型，系統(tǒng)工程的事故理應(yīng)運(yùn)用基于系統(tǒng)控制理論的模型進(jìn)行分析，運(yùn)用STAMP模型對(duì)地鐵施工事故進(jìn)行分析，具有更高的契合度及合理性。國(guó)內(nèi)目前對(duì)STAMP模型在建筑行業(yè)的運(yùn)用鮮有研究，因此，運(yùn)用STAMP模型對(duì)地鐵建設(shè)項(xiàng)目事故進(jìn)行致因分析，具有較大的研究?jī)r(jià)值。

本文將在對(duì)STAMP模型進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于STAMP的地鐵施工安全模型，并結(jié)合杭州地鐵湘湖站基坑塌陷事故，進(jìn)行實(shí)例分析。這對(duì)于地鐵建設(shè)項(xiàng)目的安全管理具有一定的借鑒意義。

1STAMP模型

STAMP模型(Systems-Theoretic Accident Modeling and Process)中文譯名為系統(tǒng)理論事故及過程模型。STAMP模型有別于傳統(tǒng)事故模型，將事故看作是一系列事件線性疊加的結(jié)果，將安全看作是一個(gè)控制問題，最基本概念不是事件，而是約束。事故的根源被認(rèn)為是系統(tǒng)在開發(fā)，設(shè)計(jì)和運(yùn)行中缺乏足夠的約束以及對(duì)約束的執(zhí)行。在此基礎(chǔ)上，一旦發(fā)生組件失效，外部干擾，以及系統(tǒng)內(nèi)部組件交互問題不能妥善解決等情況時(shí)，事故就會(huì)發(fā)生[4]。

控制結(jié)構(gòu)是 STAMP 模型描述系統(tǒng)并進(jìn)行事故原因分析的基礎(chǔ)，構(gòu)建控制結(jié)構(gòu)首先需要明晰控制層級(jí)、控制回路、過程模型等概念。

1.1控制層級(jí)

控制層級(jí)指控制結(jié)構(gòu)中不同層次的控制系統(tǒng)會(huì)有高層和低層的劃分。高層子系統(tǒng)為低層子系統(tǒng)的安全操作提供關(guān)于行為的安全約束，并接受來自低層的反饋信息；低層在高層為其制定的安全約束下運(yùn)行，反饋實(shí)施結(jié)果給高層，供其做出決策，修正模型內(nèi)部狀態(tài)，保持下層控制系統(tǒng)和被控制過程間的動(dòng)態(tài)平衡。因此控制層級(jí)實(shí)際上表明的是不同控制器(控制系統(tǒng))之間的關(guān)系，并通過隨之產(chǎn)生的反饋環(huán)來保障它們之間的聯(lián)系[5]。

1.2控制回路

控制回路是細(xì)化到控制層級(jí)自身的控制體系，每一個(gè)子系統(tǒng)的內(nèi)部是通過一個(gè)個(gè)控制回路實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制功能的，其中的每個(gè)環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)各種各樣的問題，比如控制器和指令器間的協(xié)調(diào)問題、矛盾的控制行為、溝通不暢問題、時(shí)間延遲問題等。這些問題都可能導(dǎo)致控制對(duì)象的失效，因此影響控制對(duì)象失效的原因可通過對(duì)控制回路中的各部分進(jìn)行檢查而得到。

1.3控制結(jié)構(gòu)

圖1　STAMP模型的典型控制結(jié)構(gòu)

STAMP模型最典型的控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過對(duì)以上核心要素進(jìn)行概括，可以說控制層級(jí)是從宏觀角度描述了不同控制系統(tǒng)間的關(guān)系，控制回路是細(xì)化到每一個(gè)層級(jí)上的控制系統(tǒng)的體系，完成了局部的控制過程。

2基于STAMP的地鐵施工事故致因模型

2.1地鐵施工安全控制結(jié)構(gòu)

構(gòu)建地鐵施工安全控制結(jié)構(gòu)是運(yùn)用STAMP模型進(jìn)行事故致因分析的基礎(chǔ)。根據(jù)STAMP模型對(duì)安全控制結(jié)構(gòu)的闡釋，結(jié)合我國(guó)地鐵建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際，地鐵建設(shè)項(xiàng)目的的安全控制結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2　地鐵建設(shè)項(xiàng)目安全控制結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2可以看出，國(guó)務(wù)院、住建部和安監(jiān)總局等部門通過立法和出臺(tái)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，整體上把控建設(shè)行業(yè)安全管理工作；地方政府和相關(guān)部門制訂相應(yīng)地方規(guī)章，并直接把控轄區(qū)內(nèi)各工程項(xiàng)目的開展；各工程項(xiàng)目采取項(xiàng)目部的組織形式，參建各方相互協(xié)調(diào)，互相約束，控制工程項(xiàng)目的實(shí)際進(jìn)展；一線勞務(wù)人員接受施工單位的指令和約束，實(shí)際進(jìn)行勞務(wù)作業(yè)，并反饋信息。本控制結(jié)構(gòu)的核心部分是項(xiàng)目管理部和勞務(wù)人員兩個(gè)控制層級(jí)。根據(jù)STAMP模型的致因分析方法，需要搭建更為具體的局部控制結(jié)構(gòu)，以便進(jìn)行進(jìn)一步分析。

施工方是施工現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目管理工作的主體，業(yè)主方、監(jiān)理方在施工現(xiàn)場(chǎng)主要起到監(jiān)管的作用，是次要的管理主體。據(jù)此，可以將業(yè)主方、監(jiān)理方、設(shè)計(jì)方歸類到較高的控制層級(jí)，施工單位和勞務(wù)人員歸類到較低的控制層級(jí)。如圖3所示，較高的控制層級(jí)中，業(yè)主方通過描述需求，接受反饋等方式實(shí)現(xiàn)約束；設(shè)計(jì)方通過技術(shù)交底實(shí)現(xiàn)約束；監(jiān)理方則通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管實(shí)現(xiàn)對(duì)施工方的約束。較低的控制層級(jí)中(施工方局部控制層級(jí))，施工方是該控制回路的控制器，向勞務(wù)人員(執(zhí)行器)提出要求和指導(dǎo)，勞務(wù)人員具體在施工作業(yè)中執(zhí)行時(shí)，可能會(huì)遇到外部各種因素的干擾。為保證作業(yè)質(zhì)量，施工方會(huì)通過現(xiàn)場(chǎng)巡查等方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并反饋監(jiān)測(cè)結(jié)果。在此局部控制結(jié)構(gòu)圖中，存在箭線的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)問題，導(dǎo)致失效行為發(fā)生。

圖3　局部控制結(jié)構(gòu)和控制回路

2.2災(zāi)害識(shí)別

據(jù)統(tǒng)計(jì)，基坑施工和坍塌事故是地鐵建設(shè)施工最主要的危險(xiǎn)源，容易造成施工人員的重大傷亡，并導(dǎo)致周邊環(huán)境出現(xiàn)重大隱患。與一般建筑施工類似，火災(zāi)、機(jī)械事故、毒氣、外物墜落也是地鐵施工的主要傷害事故類型。因此這一步就是在理解地鐵項(xiàng)目施工主要災(zāi)害類型的基礎(chǔ)上，調(diào)查事故演化過程，對(duì)出現(xiàn)的災(zāi)害進(jìn)行識(shí)別，判定整體性系統(tǒng)災(zāi)害，并對(duì)細(xì)部災(zāi)害進(jìn)行歸類劃分。

2.3約束識(shí)別

地鐵建設(shè)項(xiàng)目各個(gè)控制層級(jí)的參與主體是工程項(xiàng)目的各參建方，因此在識(shí)別系統(tǒng)的安全約束時(shí)，應(yīng)該從各參建方的行為約束入手，劃分責(zé)任和義務(wù)，明晰各方的職責(zé)和工作要求。

以設(shè)計(jì)單位為例，在地鐵建設(shè)項(xiàng)目中，其安全約束如下：

(1)設(shè)立安全質(zhì)量管理機(jī)構(gòu)，落實(shí)安全質(zhì)量責(zé)任制，對(duì)工程勘察、設(shè)計(jì)的安全質(zhì)量實(shí)施管理；

(2)設(shè)計(jì)文件須符合相應(yīng)設(shè)計(jì)深度要求，預(yù)留安全儲(chǔ)備，必要時(shí)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)；

(3)設(shè)計(jì)文件應(yīng)就工程安全質(zhì)量的重點(diǎn)部位提出保障安全質(zhì)量的設(shè)計(jì)處理措施，并針對(duì)工程周邊環(huán)境提出相應(yīng)監(jiān)測(cè)要求和監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)[6]。

2.4失效行為識(shí)別

在約束識(shí)別的基礎(chǔ)上，下一步是根據(jù)披露的與事故有關(guān)的信息，識(shí)別每一個(gè)控制層級(jí)和涉及到的參與方在事故中體現(xiàn)的失效行為。根據(jù)控制結(jié)構(gòu)圖，我們將從上至下，依次分析每個(gè)控制層級(jí)出了什么問題，發(fā)生了哪些與其約束相悖的失效行為。

2.5分析總結(jié)

對(duì)于每一項(xiàng)約束，分析其為什么被違反，是由于約束未被識(shí)別和實(shí)施還是約束執(zhí)行不充分。除此之外，人為因素也應(yīng)該被充分認(rèn)識(shí)，包括決策者獲取信息的能力、未能獲取的所需信息、決策者做出決定所處的環(huán)境(壓力和決策過程)、決策者的價(jià)值觀，心智缺陷對(duì)做決定的影響等等。

3杭州地鐵湘湖站事故實(shí)證分析

3.1事故概況

2008年11月15日15時(shí)20分，位于浙江省杭州市蕭山區(qū)的杭州地鐵1號(hào)線湘湖站施工工地發(fā)生基坑坍塌事故。基坑外土體突然崩塌，形成了一個(gè)長(zhǎng)約75 m、寬約50 m的塌陷區(qū)域，進(jìn)而基坑土體失穩(wěn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐體系垮塌，正在基坑中作業(yè)的工人大部分被埋。工地東側(cè)的河水因地勢(shì)變高，夾雜淤泥向施工塌陷地點(diǎn)潰瀉，導(dǎo)致施工塌陷區(qū)域逐漸被泥水淹沒。本次事故共造成21人死亡、30人受傷，是我國(guó)建設(shè)地鐵有史以來最嚴(yán)重的一次事故[7]。下面將根據(jù)上文構(gòu)建的模型，從系統(tǒng)控制論的角度，對(duì)本次事故進(jìn)行致因分析。

3.2事故致因分析

3.2.1災(zāi)害識(shí)別

本事故中表現(xiàn)出的系統(tǒng)災(zāi)害是車站基坑坍塌，主要表現(xiàn)形式有以下幾點(diǎn)：

(1)正在施工的2號(hào)基坑發(fā)生長(zhǎng)約75 m、寬約50 m的區(qū)域塌陷，河水倒灌；

(2)基坑兩側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻受壓向坑內(nèi)擠入；

(3)部分鋼支撐軸力過大，嚴(yán)重偏心，支撐體系失穩(wěn)并垮塌，數(shù)十名工人被困。

據(jù)此可以將系統(tǒng)總體控制約束歸納為：有效開展安全施工和安全管理工作，確保基坑施工安全有序進(jìn)行。

3.2.2約束和失效行為的識(shí)別

下一步，需要針對(duì)每一個(gè)控制層級(jí)所涉及到的參與方(控制器)，分析其控制約束，并識(shí)別出其在事故中的失效行為。

以建設(shè)單位為例，其對(duì)于下級(jí)控制層級(jí)的約束主要包括設(shè)立安全質(zhì)量管理機(jī)構(gòu)，落實(shí)安全質(zhì)量責(zé)任制，配備足量安全質(zhì)量管理人員，同時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行建設(shè)項(xiàng)目的相關(guān)規(guī)定，科學(xué)合理制訂項(xiàng)目方案，遵守項(xiàng)目開展流程。具體而言，建設(shè)單位在確定線路規(guī)劃方案時(shí)盡可能予以避讓不良施工環(huán)境；不得迫使參建單位在以低于成本的價(jià)格競(jìng)標(biāo)或任意壓縮合同約定工期等。

而在本次事故中，建設(shè)單位產(chǎn)生了諸多違反上述約束的失效行為。在項(xiàng)目招標(biāo)過程中，以“最低價(jià)中標(biāo)法”選擇中標(biāo)人；隨后在征地拆遷受阻，融資不到位，開工日期延后一年的情況下，未選擇順延項(xiàng)目工期，給施工方造成了巨大的工期和成本壓力；此外還采用分段施工的方式，不合理地劃分出了38個(gè)施工段，并在前期選址過程中，不合理地選擇了臨河建站的方案，種種舉動(dòng)為事故埋下了隱患[8]。

3.3事故原因總結(jié)和對(duì)比

STAMP模型從系統(tǒng)控制學(xué)的角度分析事故因素，主要從環(huán)境背景、組織管理、技術(shù)方法、參建人員、交互反饋等方面進(jìn)行分析。據(jù)此，我們從以上幾個(gè)方面，將STAMP模型的分析結(jié)論進(jìn)行分類匯總，如表1所示。

關(guān)于本次事故技術(shù)層面最為權(quán)威的分析結(jié)論是浙江省安監(jiān)局牽頭成立的事故調(diào)查組所發(fā)布的《杭州地鐵湘湖站“11.15”基坑坍塌事故技術(shù)分析報(bào)告》，以此為代表的大量研究結(jié)論將此次事故原因歸結(jié)在施工技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)管理層面?；赟TAMP模型的此次事故分析結(jié)論與此相比，有很多異同點(diǎn)，表2從直接原因、間接原因、根本原因三方面，結(jié)合表1將已有結(jié)論和STAMP模型分析結(jié)論進(jìn)行了對(duì)比。

基于STAMP模型的分析結(jié)論和已有的分析結(jié)論相比，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)對(duì)事故原因的認(rèn)定和劃分有差異

兩組結(jié)論都將施工工序錯(cuò)誤，支撐體系缺陷，安全費(fèi)用投入不足，管理工作混亂等原因視為分析結(jié)論的重要組成部分。

已有結(jié)論傾向于將事故直接原因視為施工技術(shù)層面的失誤，將根本原因歸結(jié)為施工方管理工作的問題。STAMP模型指出項(xiàng)目所處的不良建設(shè)背景直接導(dǎo)致了線路規(guī)劃不合理，工期緊張，不合理招投標(biāo)，安全費(fèi)用投入不足等隱患，而這是本次事故的根本原因。此次事故是不科學(xué)決策和“大干快上”建設(shè)背景的犧牲品。

(2)STAMP模型結(jié)論視角更廣

縱向角度，STAMP模型的分析結(jié)論基于控制結(jié)構(gòu)的控制層級(jí)，反向逆推，涉及到了包括建設(shè)單位、地方政府等在內(nèi)的已有結(jié)論鮮有提及相關(guān)方。這些高層次控制層級(jí)的不當(dāng)決策給低層次控制層級(jí)施加了錯(cuò)誤的約束，是事故的根本原因。

表1　事故原因分類匯總

表2　已有分析結(jié)論和STAMP模型分析結(jié)論對(duì)比

橫向角度，和已有結(jié)論相比，STAMP模型除了考慮技術(shù)方法，組織管理等層面的問題，還著重強(qiáng)調(diào)了環(huán)境背景，交互反饋等層面的因素。可以看到，該結(jié)論將事故的項(xiàng)目背景和決策環(huán)境視為更為重要的因素。

(3)兩組結(jié)論各有側(cè)重和優(yōu)劣勢(shì)

已有結(jié)論著重考慮施工技術(shù)層面和現(xiàn)場(chǎng)管理層面的因素，對(duì)于設(shè)計(jì)參數(shù)，施工工序等環(huán)節(jié)的問題分析更為細(xì)致，強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)管理的重要性。

STAMP模型的分析重點(diǎn)在于參建方間的約束反饋、交互溝通、背景因素等，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)化更為廣泛的視角，施工技術(shù)層面的分析并不是其重點(diǎn)所在。

4結(jié)論

(1)基于系統(tǒng)論的STAMP模型與地鐵建設(shè)項(xiàng)目的契合度高，通過構(gòu)建的地鐵施工安全控制結(jié)構(gòu)，能夠有效識(shí)別參建方的約束和失效行為，模擬各方之間的控制和交互過程，得出較為全面的分析結(jié)論。

(2)與已有結(jié)論相比，基于STAMP模型的分析方法能夠融入決策背景，各方交互障礙等深層次因素，綜合考慮各控制層級(jí)所表現(xiàn)的失效行為，致因分析較為全面。

(3)STAMP模型在進(jìn)行建設(shè)項(xiàng)目有關(guān)的事故致因分析、災(zāi)害預(yù)防、預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建等方面有良好的運(yùn)用價(jià)值；進(jìn)一步識(shí)別各方之間的控制和交互過程，研究信息流產(chǎn)生，傳遞和反饋是下一步的研究重點(diǎn)。

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《土木工程與管理學(xué)報(bào)》改雙月刊通知

經(jīng)申請(qǐng)批準(zhǔn)，依據(jù)湖北省新聞出版廣電局文件(鄂新廣審[2015]11號(hào))，《土木工程與管理學(xué)報(bào)》于2016年1月開始正式由季刊改為雙月刊，辦刊宗旨及收稿范圍不變，期刊出版時(shí)間為單月月末，特此通知。

土木工程與管理學(xué)報(bào)編輯部

2016年1月20日

Analysis of Safety Accidents Caused by Subway Construction Based on STAMP Model

NIUFeng1,WANGYu2,ZHOUCheng2

(1. China Railway Corporation，Beijing 100844， China； 2. School of Civil Engineering and Mechanics，

Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China)

Abstract:Based on system theory, STAMP model treats security as a control problem, which means the accident was caused due to inadequate control and safety related constraints, so the model was fit for metro construction. In this paper, STAMP model would be briefly introduced. On this basis, combining the reality of subway construction project in our country, the model of the subway construction accident causationwould be built. Meanwhile, the Hangzhou metro line 1 Xianghu station foundation pit collapse accident would be taken as a case, the evolution of the accident，hazard, constraints and failure behavior would be identified from the systematic accident cause theory point of view.By comparing the comprehensive results with existing analysis conclusion, the feasibility and broad application prospects of this method in subway construction accident analysis was verified.

Key words：STAMP model; accident causation; control constraints; foundation pit collapse; metro construction

中圖分類號(hào)：U455.1； X928

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-0985(2016)01-0073-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金 (51408245)

作者簡(jiǎn)介：牛豐(1978-)，男，安徽阜陽人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橥聊竟こ淌┕づc安全管理(Email:hustbim@163.com)

收稿日期：2015-08-17修回日期： 2015-10-04