基于改進(jìn)的可行系統(tǒng)模型的特殊環(huán)境下隧道修復(fù)施工過程的安全管理研究

■ 劉敦文 龔純 翦英驊 盧國興

1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院 長沙 410083

2.中交路橋南方工程有限公司 北京101121

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力地不斷發(fā)展，公路隧道等設(shè)施建設(shè)在數(shù)量和規(guī)模上呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢[1,2]。公路隧道等設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展為緩解日益增長的城市交通量，促進(jìn)城市的快速發(fā)展提供了可行的解決方案[3]。修建隧道實(shí)現(xiàn)了土地集約化利用、縮短了交通線路長度、節(jié)省了行車時(shí)間，促進(jìn)了地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但也帶來了一些問題。過去的10年，中國交通建設(shè)發(fā)展迅猛，項(xiàng)目施工工期和成本控制要求，以及不系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)控制，導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)的升高與工程質(zhì)量的下降[4]。而中國復(fù)雜地理環(huán)境導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害成為不少隧道修建及運(yùn)營中的難題，甚至造成工程損害、財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡等災(zāi)難性后果[5]。這些災(zāi)害都存在著一定的不確定性和突發(fā)性[6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年我國約有1/3 的運(yùn)營隧道存在著襯砌開裂脫落、滲漏水、突涌水等病害[7-9]。在過去的幾年里，隧道施工及運(yùn)營期間發(fā)生了很多事故，我國臺灣著名的岳山隧道在施工過程中遇到了復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，包括幾次褶皺和斷層，先后塌陷數(shù)次[10]。2020年，中國四川雅安市雨城區(qū)青鼻山隧道內(nèi)突發(fā)局部坍塌事故，洞頂內(nèi)襯約10平方米局部脫落，造成一人死亡。如何及時(shí)排查并修復(fù)在役隧道險(xiǎn)情，合理開展隧道修復(fù)過程的安全管理工作，保障隧道在修復(fù)與后續(xù)使用中的安全，成為在役隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營養(yǎng)護(hù)的新問題[2,8]。

近年來，部分隧道所面臨的環(huán)境更加復(fù)雜，如高應(yīng)力的富水壓裂帶、花崗巖和砂巖的蝕變帶、富水喀斯特地層等特殊的地質(zhì)條件對隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性存在影響[11,12]。特殊復(fù)雜的自然環(huán)境和施工環(huán)境給隧道結(jié)構(gòu)修復(fù)工作帶來了更大的難度和挑戰(zhàn)，在役隧道修復(fù)施工安全問題日益突出。部分隧道安全管理研究主要注重于技術(shù)管理以及安全管理內(nèi)容的闡述[13,14]，沒有結(jié)合特殊的環(huán)境情況形成完整的管理體系。

可行的系統(tǒng)模型（VSM）可以幫助解決系統(tǒng)復(fù)雜性問題，并幫助系統(tǒng)面對動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境。與隧道結(jié)構(gòu)修復(fù)工程管理類的系統(tǒng)復(fù)雜性問題可以采用管理控制論和可行的系統(tǒng)模型幫助解決，以優(yōu)化復(fù)雜環(huán)境下管理工作，該類理論在如廢物處理、司法系統(tǒng)等方面都取得了較好效果[15]。本文基于隧道修復(fù)工程中安全管理工作缺乏系統(tǒng)性規(guī)劃的現(xiàn)狀，以及施工環(huán)境的復(fù)雜多變，結(jié)合控制論的VSM 理論，以重慶市某隧道修復(fù)工程為例，針對工程特點(diǎn)和復(fù)雜環(huán)境條件提出了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，從而建立隧道病害修復(fù)施工動(dòng)態(tài)安全管理體系，為復(fù)雜環(huán)境下隧道施工的安全管理提供了指導(dǎo)。

1 工程實(shí)例分析

1.1 工程簡介

重慶市某高速公路某隧道于2013年11月15日正式通車運(yùn)營。在運(yùn)營過程中，由于腐蝕性地下水環(huán)境、巖層破碎帶等各種原因，隧道內(nèi)出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的混凝土腐蝕、滲漏水及襯砌開裂等病害。該工程在2015和2017年一共進(jìn)行了2 次加固修復(fù)，兩次加固處理都沒能明顯有效地減緩隧道內(nèi)混凝土的腐蝕和開裂，根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)的安全性能評估結(jié)果，需對病害部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)更換與修復(fù)處理。

結(jié)合工程環(huán)境、工程需求與工程特點(diǎn)3方面因素，該隧道維修項(xiàng)目存在以下幾點(diǎn)問題：

(1)隧道地處地質(zhì)條件復(fù)雜，腐蝕嚴(yán)重，自然環(huán)境惡劣，施工過程極易發(fā)生坍塌事故。

(2)隧道已經(jīng)投入運(yùn)營使用，封閉隧道進(jìn)行修復(fù)，要求施工工期極短。

(3)施工場地局限，工序交叉面多，機(jī)械作業(yè)人員密集，施工組織難度大。

(4)部分隧道結(jié)構(gòu)拆除工作需減少對近鄰結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，另外拆除所產(chǎn)生粉塵對作業(yè)環(huán)境能見度及作業(yè)人員健康都有不利影響。

1.2 特殊環(huán)境參數(shù)

復(fù)雜自然環(huán)境與施工環(huán)境會(huì)給隧道修復(fù)工程施工帶來很多不可控的危險(xiǎn)因素。一方面，重慶市某高速公路某隧道工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，隧道橫穿山脈，西臨長江，地處地形地段以丘陵為主，具構(gòu)造剝蝕—侵蝕地形地貌特征，隧道所在區(qū)域內(nèi)地下水因受巖性、構(gòu)造及地形條件的控制，各含水層自成補(bǔ)給、徑流、排泄系統(tǒng)，相互間水力聯(lián)系弱，無統(tǒng)一的地下水位面，富水性主要受節(jié)理裂隙及碳酸鹽巖類的巖溶發(fā)育程度的控制，地下水的富集與分布極不均勻，自然環(huán)境比較嚴(yán)峻。另一方面，該隧道已經(jīng)投入使用7年，隧道內(nèi)部初次支護(hù)、二次襯砌以及防水施工因腐蝕等原因出現(xiàn)大量的開裂、滲漏水燈病害，施工環(huán)境也存在較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對該隧道修復(fù)施工的特殊環(huán)境進(jìn)行施工安全管理，要特別加強(qiáng)環(huán)境因素的控制。本文針對隧道該隧道存在的問題及其特殊的環(huán)境特點(diǎn)提出來修復(fù)施工中的環(huán)境因素及如圖1所示。

圖1 修復(fù)施工中的環(huán)境參數(shù)

根據(jù)具體施工項(xiàng)目情況，系統(tǒng)地列舉出需要監(jiān)測的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)，通過各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整各個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)施工安全管理過程圍繞特殊環(huán)境呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理，逐步調(diào)整，螺旋式上升。

2 基于VSM的隧道施工安全管理模型構(gòu)建

2.1 VSM模型簡述

本文將介紹管理控制論的VSM，Beer在其著作中提出的VSM，規(guī)定了系統(tǒng)中需要5 個(gè)功能來確保其“生存能力”[16]。VSM 理論從屬于管理科學(xué)，這是一種使用控制論研究組織運(yùn)作的方法，主要研究組織如何在高度多樣性和復(fù)雜性的環(huán)境中保持穩(wěn)定的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)能夠識別環(huán)境中的內(nèi)部干擾和變化并做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)[17-18]，其簡化模型如圖2所示。

圖2 VSM簡化模型

VSM結(jié)構(gòu)的5個(gè)功能如表1所示。

表1 VSM結(jié)構(gòu)的功能

VSM 的一個(gè)功能是遞歸，它規(guī)定每個(gè)可行的系統(tǒng)都嵌入在其他更全面的系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)相互嵌套，每個(gè)小型系統(tǒng)從屬于大型系統(tǒng)，而這個(gè)大型系統(tǒng)從屬于更大的系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)都可以獨(dú)立運(yùn)行，從而使整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分變得清晰明了，并且每個(gè)系統(tǒng)彼此交互，從而提高了管理效率。

2.2 模型構(gòu)建

由于本案例隧道的特殊環(huán)境因素，不可控的施工因

素較多，因此本文應(yīng)用控制論的理論及相關(guān)的理論模型VSM 應(yīng)用于此隧道病害修復(fù)施工安全管理中，并依據(jù)具體的施工情況加以改進(jìn)，增強(qiáng)環(huán)境因素的信息流途徑，從而使受環(huán)境因素的影響作用更加可控，通過系統(tǒng)的人員組織以及施工質(zhì)量和施工安全的監(jiān)測監(jiān)控，及時(shí)掌握施工現(xiàn)場的各種環(huán)境因素情況，并及時(shí)反饋，持續(xù)改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)此研究隧道病害修復(fù)施工過程安全，并可以為復(fù)雜環(huán)境施工及病害修復(fù)工程施工安全管理提供經(jīng)驗(yàn)與指導(dǎo)。

我們可以把隧道施工安全管理簡單地劃分為5個(gè)部分，分別是：安全分析、安全協(xié)調(diào)、安全控制、安全決策以及安全政策?；诟倪M(jìn)的VSM，其優(yōu)化模型如圖3所示。

圖3 基于VSM的隧道施工安全管理優(yōu)化模型

2.2.1 S1(安全分析)

S1系統(tǒng)作為整個(gè)安全管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，多用以描述安全管理工作中的用以達(dá)成安全管理目標(biāo)的基礎(chǔ)性實(shí)施環(huán)節(jié)。對于實(shí)際的隧道結(jié)構(gòu)修復(fù)工程而言，S1系統(tǒng)主要指面向施工及配套環(huán)節(jié)中相應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析識別以及安全措施的制定與實(shí)施。具體到本案例中的隧道修復(fù)工程而言，從安全總體目標(biāo)的兩大訴求來看，安全管理中的基本任務(wù)可以分解為面向結(jié)構(gòu)長期安全的病害診斷、病害處置措施及長期結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝以及面向修復(fù)工程過程安全的施工現(xiàn)場安全管理（工程事故預(yù)防如墜落、機(jī)械傷害、交通事故）、工程環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測及災(zāi)害預(yù)防（隧道坍塌、涌水）以及施工現(xiàn)場勞動(dòng)保護(hù)（噪音、粉塵）。

2.2.2 S2(安全協(xié)調(diào))

實(shí)施施工安全管理要加強(qiáng)企業(yè)自我監(jiān)管，以確保施工安全管理更有效的進(jìn)行。S2 系統(tǒng)作為S1 系統(tǒng)的上級系統(tǒng)，其主要功能在于對S1系統(tǒng)的措施執(zhí)行情況進(jìn)行評定以確定是否達(dá)到目的要求。反映到實(shí)際工程中，多是通過檢測部門（如常規(guī)現(xiàn)場工程實(shí)驗(yàn)室和第三方檢測機(jī)構(gòu)）依據(jù)行業(yè)技術(shù)規(guī)范中強(qiáng)制或推薦的檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)對施工現(xiàn)場的各項(xiàng)要素進(jìn)行自檢和抽檢，通過檢測數(shù)據(jù)對S1 措施實(shí)施過程的有效性給出評定。在本案例隧道修復(fù)工程進(jìn)行的過程中，系統(tǒng)主要體現(xiàn)的工作包括現(xiàn)場工程結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)檢測；工程設(shè)備與器械的狀態(tài)檢查；供電、通風(fēng)、排水等輔助系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測。并將檢測數(shù)據(jù)反饋到環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)施工過程中環(huán)境參數(shù)的動(dòng)態(tài)管理。S2與S1相互協(xié)調(diào)關(guān)系如圖4所示，每一道工序都通過檢驗(yàn)才能進(jìn)行下一項(xiàng)施工，確保施工過程的整體安全。

圖4 S2與S1的相互協(xié)調(diào)關(guān)系

2.2.3 S3(安全控制)

VSM 體系中，定義S3系統(tǒng)為S1與S2系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對S1 與S2 系統(tǒng)有效性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證進(jìn)而對管理對象的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析的系統(tǒng)。結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)源識別及對應(yīng)安全措施的評定分析結(jié)果，建立理論模型計(jì)算相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的概率，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場安全措施的控制。

安全被視為一種潛在的投入，很難得到正面的回報(bào)，但作為一項(xiàng)隧道修復(fù)工程施工項(xiàng)目，不可能一味注重安全投入，而不考慮施工效率等實(shí)際的收益。本案例中的隧道是一項(xiàng)病害修復(fù)工程，不可能無限期地修理下去，隧道需要在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速且安全的修復(fù)施工，以便再次投入運(yùn)營。因此S3系統(tǒng)，是需要在安全監(jiān)管部門以及工程技術(shù)部門的相互配合下，實(shí)現(xiàn)工期效率、施工安全以及施工質(zhì)量的最優(yōu)化，并指導(dǎo)施工過程。

2.2.4 S4(安全決策)

通過系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的環(huán)境參數(shù)以及S1、S2、S3 系統(tǒng)反饋的相關(guān)信息，以安全總目標(biāo)內(nèi)容為依據(jù)，通過評估相應(yīng)的安全計(jì)劃的執(zhí)行情況及執(zhí)行效果，對采取的安全措施進(jìn)行審查與調(diào)整，即項(xiàng)目的安全決策體系。作為VSM大系統(tǒng)中的決策系統(tǒng)，S4系統(tǒng)反映了項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)管理過程，根據(jù)項(xiàng)目安全計(jì)劃的執(zhí)行現(xiàn)狀以及安全目標(biāo)和相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，兼顧人力資源、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)等項(xiàng)目其他需求，從而有效制定安全管理工作的開展及改善方向。對本實(shí)例中的隧道修復(fù)工程來說，項(xiàng)目進(jìn)行過程中，伴隨作業(yè)面施工組織，維修區(qū)域交通管理與疏導(dǎo)，環(huán)境保護(hù)及維修廢棄物排放等相應(yīng)工作的變動(dòng)，原有的安全計(jì)劃內(nèi)容隨之相應(yīng)變化，如在項(xiàng)目建設(shè)過程中，針對隧道結(jié)構(gòu)修復(fù)情況，現(xiàn)場修復(fù)作業(yè)面數(shù)量的變化導(dǎo)致安全管理工作需要對管理資源進(jìn)行合理的調(diào)配，既保證多作業(yè)面下安全管理資源的覆蓋，又能避免少作業(yè)面下安全管理資源的閑置。2.2.5 S5(安全政策)

S5系統(tǒng)依據(jù)項(xiàng)目的總體安全需求，由項(xiàng)目經(jīng)理制定安全總目標(biāo)以及系統(tǒng)劃分。S5作為核心的原則性系統(tǒng)，具備穩(wěn)定性，即項(xiàng)目經(jīng)理在項(xiàng)目開始時(shí)制定的安全總方針與安全總目標(biāo)，并不隨特定環(huán)境的變動(dòng)而改變。S5系統(tǒng)的這一穩(wěn)定性決定了其能夠指導(dǎo)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)整，每一個(gè)子系統(tǒng)的共同目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)安全總目標(biāo)，因此S5系統(tǒng)接受包括環(huán)境參數(shù)在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的反饋，并不斷改進(jìn)，然后指導(dǎo)和調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)施工安全管理的反饋-整改-優(yōu)化-反饋的良性循環(huán)。

在本隧道維修工程中，安全總體目標(biāo)主要有兩項(xiàng)：1.維修施工過程中的相應(yīng)人員及設(shè)備安全；2.維修結(jié)構(gòu)在后續(xù)使用中的長期性能安全。為實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)目標(biāo)，相應(yīng)的項(xiàng)目中的管理任務(wù)劃分為針對工程現(xiàn)場修復(fù)工作的現(xiàn)場安全管理任務(wù)及針對修復(fù)工程質(zhì)量檢測、評估及控制的工程質(zhì)量管理任務(wù)。項(xiàng)目總體安全目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，取決于上述兩項(xiàng)安全管理任務(wù)的完成情況。

3 結(jié)論

針對隧道施工過程中復(fù)雜的環(huán)境變化以及安全管理相對缺乏的現(xiàn)實(shí)問題，我們提出一種基于改進(jìn)可行的系統(tǒng)模型的特殊環(huán)境下隧道施工修復(fù)過程安全管理體系，得出結(jié)論如下：

（1）本文所研究的隧道病害修復(fù)工程所處自然環(huán)境和施工環(huán)境都比較嚴(yán)峻，存在很多不確定性因素，因此本文考慮到環(huán)境變化的風(fēng)險(xiǎn)因素，改進(jìn)了原有的VSM模型，建立了環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，讓環(huán)境參數(shù)信息貫穿整個(gè)施工安全管理體系中，形成了圍繞環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的安全管理優(yōu)化模式。在此系統(tǒng)的每一個(gè)子系統(tǒng)中，都可以反饋更新到最新的環(huán)境變化參數(shù)，以測量和監(jiān)視過程安全性和工程質(zhì)量績效。相較于傳統(tǒng)的安全管理模式，更加注重施工過程的安全風(fēng)險(xiǎn)，通過施工過程中各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)反饋來持續(xù)改進(jìn)施工安全管理過程，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

（2）基于改進(jìn)VSM 的隧道施工修復(fù)過程安全管理體系包括5 個(gè)子系統(tǒng)：安全分析、安全協(xié)調(diào)、施工與安全計(jì)劃、安全監(jiān)測以及安全政策。通過正確識別、監(jiān)測、分析自然環(huán)境與工程環(huán)境中的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)，并以此為依據(jù)形成正確的決策與管理工作，尋求施工安全、施工效率以及施工質(zhì)量的最優(yōu)解。

（3）在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)環(huán)境接口，從而及時(shí)獲取相關(guān)信息。傳統(tǒng)VSM 模型中，一般在S1 系統(tǒng)和S4 系統(tǒng)層面與外界環(huán)境聯(lián)系，而復(fù)雜環(huán)境下的隧道修復(fù)施工工作，由于其環(huán)境復(fù)雜性與多變性，突發(fā)情況較多，環(huán)境變動(dòng)而引起的風(fēng)險(xiǎn)變化或緊急事件，由于系統(tǒng)間信息傳遞帶來的遲滯性，可能導(dǎo)致系統(tǒng)中相應(yīng)環(huán)節(jié)的無法及時(shí)響應(yīng)。為提高系統(tǒng)的管理效率與管理速度，增強(qiáng)應(yīng)急能力，在設(shè)計(jì)本文的安全管理體系時(shí)，我們?yōu)槠渌? 個(gè)子系統(tǒng)系統(tǒng)也增設(shè)了環(huán)境信息接口，確保關(guān)鍵環(huán)境信息的第一時(shí)間傳遞。

（4）整個(gè)安全管理系統(tǒng)體現(xiàn)了合理的人員分工，安全監(jiān)管分級運(yùn)行，從項(xiàng)目經(jīng)理到安全監(jiān)管部門等每個(gè)部門在系統(tǒng)中分工明確，并且相互聯(lián)系，促進(jìn)了安全管理信息的有效傳遞，并可以極大地減少安全工作消極滯后的現(xiàn)象，使系統(tǒng)時(shí)刻都處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行模式，出現(xiàn)問題及時(shí)解決，并持續(xù)改進(jìn)。

（5）為進(jìn)一步提高本文所建立的安全管理體系的實(shí)用性，還需要結(jié)合即將開始施工的隧道左洞施工的實(shí)際應(yīng)用問題，進(jìn)一步對本文的安全管理體系進(jìn)行完善。