地鐵施工事故統(tǒng)計分析與研究*

黃 雄，胡祖祥

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著我國GDP高速增長和城市化日益加劇，國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)如火如荼，截止2020年12月31日，我國內(nèi)地累計有45座城市開通運營城市軌道，運營里程達7 978.19 km[1]。特別是“十三五”期間，提出“加快建設(shè)交通強國”政策方針，建設(shè)軌道交通工程進入快車道。我國城市地鐵建設(shè)已有50多年，城市地鐵施工建設(shè)具有其特殊性，地下空間環(huán)境復(fù)雜、施工工法繁鎖等因素，增加了地鐵施工發(fā)生事故的可能性。因此，統(tǒng)計分析2011—2020年全國31個省市自治區(qū)(不包括港澳臺)地鐵施工事故規(guī)律特征，降低新建地鐵線路施工事故發(fā)生頻率，可為“十四五”期間我國地鐵建設(shè)提供一定參考。

近年來，國家相關(guān)部門對地鐵施工建設(shè)單位安全生產(chǎn)工作高度重視，國內(nèi)外專家學(xué)者也對城市地鐵施工事故統(tǒng)計進行深入研究。周志鵬等[2]統(tǒng)計了1999—2008年期間國內(nèi)外的126個地鐵施工事故案例。于?，摰萚3]統(tǒng)計分析了2002—2018年國內(nèi)城市地鐵施工事故246起，但未研究分析地鐵施工事故致因。楊晨等[4]以深圳地鐵二期工程建設(shè)施工期發(fā)生的安全事故為研究對象，統(tǒng)計分析了地鐵施工事故43起，并針對研究對象的施工工法和安全薄弱環(huán)節(jié)提供安全管理經(jīng)驗。夏澤郁等[5]針對長三角地區(qū)地鐵施工區(qū)域主要特點，從技術(shù)、管理、政策3方面提出對策。王勇等[6]基于案例推理的方法構(gòu)建事故案例庫。Sousa[7]以不同事故類型和施工方式構(gòu)建全球隧道施工期間204個事故案例的數(shù)據(jù)庫，基于其數(shù)據(jù)庫因地制宜、合理安排應(yīng)急措施，避免同類事故發(fā)生。Nezarat[8]提出模糊層次分析法排序事故致因，研究因地質(zhì)環(huán)境不良發(fā)生隧道施工事故，并應(yīng)用于Golab隧道。

以上文獻主要從3個維度進行統(tǒng)計分析：1)基于時間序列，宏觀上對地鐵施工事故進行統(tǒng)計，并從不同維度分析地鐵施工事故的潛在規(guī)律性；2)基于具體的地鐵施工事故案例，有針對性地給出對策方案；3)基于地鐵施工事故采集數(shù)據(jù)構(gòu)建事故案例數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合特定的模型與分析方法進行理論研究。因此，本文基于以上3個維度對地鐵施工事故進行統(tǒng)計分析，目前作者以一般事故為最小事故，從事故發(fā)生的時間、事故類型、施工工法和事故致因4個角度進行分析，并基于灰色關(guān)聯(lián)分析法對采集的事故案例庫中的地鐵施工事故致因進行分析。本文事故數(shù)據(jù)主要來源于公開發(fā)表的政府官網(wǎng)的事故報道、國家住建部事故快報和國內(nèi)外文獻查閱等[9-10]，統(tǒng)計2011—2020年期間地鐵施工事故182起，其中不包括公路隧道、普高速鐵路隧道和地下工程引水隧道等施工事故。

1 地鐵施工事故統(tǒng)計分析

1.1 按事故發(fā)生的時間統(tǒng)計

基于年份與月份2個層次的時間跨度，從線到面上對全國31個省市自治區(qū)(不包括港澳臺，下同)城市地鐵施工事故案例進行統(tǒng)計分析，并總結(jié)其發(fā)生的規(guī)律特征。

1.1.1 按年份的在建里程統(tǒng)計

根據(jù)數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計并按事故發(fā)生年份的時間跨度層次，對2011—2020年城市軌道交通在建里程進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖1所示。

圖1 按年份的在建里程與事故次數(shù)統(tǒng)計Fig.1 Statistics on mileage under construction and number of accidents by year

由圖1可知：1)2011—2020年我國地鐵施工事故次數(shù)每年超過10起，2012年和2014年為轉(zhuǎn)折點。2012年鄭州市和長春市地鐵建設(shè)規(guī)劃獲國務(wù)院批準(zhǔn)，但較2011年事故發(fā)生率增長58%[11]，2012年出現(xiàn)回落趨勢，其主要原因是這2個城市都位于經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，地鐵施工建設(shè)經(jīng)驗不足，事故的發(fā)生產(chǎn)生一定的警示作用。2014年正值“十三五”規(guī)劃基期之年，軌道交通建設(shè)進一步發(fā)展，北京地鐵新增運營里程62 km，初步建成軌道交通骨干線網(wǎng)[12]，其主要原因是軌道交通路權(quán)獨立、速度快和舒適等優(yōu)點讓各大城市加快了軌道交通建設(shè)進程，但各城市地鐵施工能力參差不齊，地質(zhì)不良區(qū)域施工缺乏經(jīng)驗。因此，地鐵施工單位應(yīng)按照計劃穩(wěn)步推進作業(yè)計劃，嚴禁負荷超限；各個城市地鐵施工建設(shè)部門應(yīng)秉承同下一盤棋的格局，共享施工建設(shè)經(jīng)驗。

2)2013年發(fā)生事故次數(shù)為近十年最低點，并且當(dāng)年發(fā)布了《城市軌道交通工程安全控制技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50839—2013)[13]和《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)[14]等城市軌道交通工程建設(shè)安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。這反映出我國地鐵施工建設(shè)規(guī)章制度不斷完善，科學(xué)技術(shù)進一步提高，地鐵施工更加安全和高效。因此，①完善城市軌道交通工程建設(shè)安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，以立法的形式規(guī)范行業(yè)，是保持運營里程增長的同時降低發(fā)生事故次數(shù)的有效手段；②相關(guān)部門應(yīng)以科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動力，加大地鐵施工部門安全管理監(jiān)察力度，穩(wěn)步推進城市地鐵施工建設(shè)；③交通運輸部門應(yīng)吸納“十三五”地鐵施工建設(shè)經(jīng)驗，合理布局“十四五”，科學(xué)技術(shù)與建設(shè)經(jīng)驗并驅(qū)將事故發(fā)生率降至最小化；④政府相關(guān)部門進一步完善檢查制度，加強監(jiān)管力度，地鐵施工單位科學(xué)建立報告機制，如日報、周報和月報等。完善的報告機制和檢查制度，能夠及時應(yīng)對，防止施工事故進一步惡化，并為國內(nèi)地鐵施工提供寶貴的經(jīng)驗。

3)2014—2020年在建里程較前年呈增長態(tài)勢且事故起數(shù)平穩(wěn)回落，其主要原因是我國“新基建”[15]高質(zhì)量發(fā)展，科技進步與有效的安全管理將其發(fā)生概率降低。因此，相關(guān)部門應(yīng)以科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動力，加大地鐵施工部門安全管理監(jiān)察力度，穩(wěn)步推進城市地鐵施工建設(shè)。

1.1.2 按月份的事故統(tǒng)計分析

根據(jù)數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計并按事故發(fā)生月份的時間跨度層次，以1—12月份為軸線對我國城市地鐵施工事故頻率進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示。

圖2 按月份地鐵施工事故統(tǒng)計Fig.2 Subway construction accident statistics by month

由圖2可知：1)地鐵施工事故次數(shù)呈現(xiàn)“鋸齒”型波動趨勢：2—3、4—5、6—8、10—11月呈增長；1—2、3—4、5—6、8—10月呈遞減；2—3月增長幅度最大；8月份達到全年事故次數(shù)的峰值，2月份降低到最低點。由此可見，在全年12個月中地鐵施工事故發(fā)生呈周期性震蕩變化規(guī)律，地鐵施工單位應(yīng)高度警惕事故高發(fā)月份區(qū)間，有的放矢采取合理安全管理措施。

2)8月份天氣炎熱，白長晝短且施工作業(yè)時間增長，人的不安全因素增多，也是造成8月份發(fā)生事故次數(shù)最多的重要原因。王勇[16]指出施工人員在下午16∶00左右因氣溫高處于疲憊期，安全意識降低，行為與大腦指令不能完全一致，容易造成誤操作。因此，施工單位應(yīng)加強降溫防暑工作，避免工人負荷超限。2月份正值春節(jié)，大部分務(wù)工人員返鄉(xiāng)過年，施工單位停工放假，因此事故發(fā)生次數(shù)較少。

3)2—3月事故次數(shù)激增，其主要原因是3月份務(wù)工人員已返崗，但未及時調(diào)整工作狀態(tài)安全意識降低，4—5月份事故次數(shù)居高不下，季節(jié)性降雨導(dǎo)致施工作業(yè)環(huán)境潮濕、氣溫和能見度低容易造成人的不安全因素，并且降雨量大會誘發(fā)坍塌或高處墜落等事故發(fā)生。梁娜[17]統(tǒng)計了我國鐵路近5年全路施工事故并指出其鮮明的季節(jié)性特征。因此，①施工單位安全管理人員應(yīng)加大員工崗前安全培訓(xùn)力度，特別是在節(jié)假日返崗前；②施工單位應(yīng)參考施工區(qū)域近年的天氣資料，重視臺風(fēng)、強降雨和梅雨季節(jié)的排水工作；③作業(yè)人員應(yīng)根據(jù)其規(guī)律特征，安全生產(chǎn)，時刻保持安全警惕性。

1.2 按事故類型分類統(tǒng)計

基于《企業(yè)職工傷亡事故分類》(GB 6441—1986)[18]，對地鐵施工事故按事故類型分類統(tǒng)計，如圖3所示。

圖3 事故類型和傷亡人數(shù)Fig.3 Accident types and numbers of casualties

由圖3可知：坍塌、物體打擊和高處墜落占據(jù)地鐵施工事故次數(shù)和傷亡人數(shù)前3位，說明地鐵施工事故主要類型為其三者。坍塌事故發(fā)生次數(shù)和傷亡人數(shù)最多，孫景來等提出隧道坍塌事故類型劃分為巖失穩(wěn)坍塌和支護強度不足導(dǎo)致坍塌[19]。因此在地鐵施工期重點控制引起坍塌事故的風(fēng)險源，如地下管線滲漏、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜和地下開挖支護等。物體打擊和高處墜落事故傷亡率高，其一旦發(fā)生會擴大事故等級，社會影響大。因此，地鐵施工期要定期檢查工作面設(shè)備設(shè)施安全狀態(tài)，加強施工人員安全意識并配備安保設(shè)備作業(yè)，保持高度安全警惕性。

1.3 按施工工法統(tǒng)計分析

根據(jù)數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計出因蓋挖法、明挖法、暗挖法、礦山法、盾構(gòu)法和高架等施工工法導(dǎo)致地鐵施工事故發(fā)生占比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 施工工法和地鐵施工事故占比Fig.4 Construction methods and metro construction accident ratio

由圖4可知，地鐵施工事故發(fā)生頻率前3位依次是明挖法、盾構(gòu)法和暗挖法，三者總和占85%以上，施工安全問題亟待解決。明挖法和盾構(gòu)法為地鐵施工較為常用的施工工法，由于每種施工工法都存在局限性和風(fēng)險，在施工過程中也潛在增加事故發(fā)生的概率。線路區(qū)間施工通常采用盾構(gòu)法，其造成施工事故類型主要包括坍塌、機械事故和中毒等，特別是會間接引發(fā)區(qū)間坍塌事故，傷亡人數(shù)多，經(jīng)濟損失大。姚燕明等[20]對寧波軌道交通4號線盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道工法研究指出，盾構(gòu)法會造成地層擾動大，控制環(huán)境變形困難且易出現(xiàn)長期沉降變形。因此，①施工建設(shè)單位應(yīng)因地制宜選擇合理施工工法，特別對盾構(gòu)法施工區(qū)域加強安全管理；②地鐵施工單位基于CBR機制[21]構(gòu)建地鐵施工事故案例庫，依據(jù)不同事故施工工法在地鐵施工事故案例庫中檢索與其吻合度最高的案例，因地制宜，吸收施工經(jīng)驗，避免同類事故發(fā)生；③地鐵施工單位做好定期安全培訓(xùn)工作和績效考核，加強安全監(jiān)管力度，構(gòu)建現(xiàn)場施工人員安全檔案管理網(wǎng)。

2 地鐵施工事故致因分析

依據(jù)《生產(chǎn)過程危險和有害因素分類與代碼》(GB/T 13861—2022)標(biāo)準(zhǔn)[22]并通過收集地鐵施工事故調(diào)查報告及專家認定，歸納總結(jié)出我國發(fā)生地鐵施工事故致因可從“人、物、環(huán)、管”4個維度分析。為了解決地鐵事故致因因素對其危害性的關(guān)聯(lián)程度，有目的采取有效預(yù)防措施，降低地鐵施工事故發(fā)生率，構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)分析模型，尋求系統(tǒng)內(nèi)部事故致因因素間的關(guān)系，找出影響地鐵施工事故的主要原因，進一步分析各事故致因因素間關(guān)聯(lián)程度。

2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析模型

1)選取造成地鐵施工事故的若干致因因子，則第i年份樣本的特征向量和待預(yù)測樣本的特征向量分別如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：yim為第i年份樣本的第m個致因因子的特征值；y0m為待預(yù)測樣本的第m個致因因子的特征值。

2)對第i年份的第k個致因因子的特征值與待預(yù)測樣本的第k個致因因子特征值分別進行無量綱化求差序列以及兩極最大差和最小差，如式(3)所示：

(3)

式中：Tik為第i個樣本的第k個致因因子對應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；ρ為分辨系數(shù)；y0k為待預(yù)測樣本的第k個致因因子的特征值；yik為第i年份樣本的第k個致因因子的特征值。

3)用相關(guān)系數(shù)法確定第k個致因因子的權(quán)重，和各個致因因子的權(quán)重構(gòu)成特征向量分別如式(4)～(5)：

(4)

(5)

式中：Pk為第k個致因因子的灰色關(guān)聯(lián)相關(guān)系數(shù)絕對值；ωk為第k個致因因子的權(quán)重；W為各個致因因子的權(quán)重構(gòu)成特征向量。

4)構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣如式(6)所示，將式(5)與式(6)進行加權(quán)，獲得加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)決策矩陣如式(7)所示。

(6)

(7)

式中：Tnm為第n個樣本的第m個致因因子對應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；T為灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣；ωk為第k個致因因子的權(quán)重；T′為加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)決策矩陣。

5)計算第i年份樣本灰色關(guān)聯(lián)度，如式(8)所示：

(8)

式中：Di為第i年份樣本的灰色關(guān)聯(lián)度；ωk為第k個致因因子的權(quán)重；Tik為第i個樣本的第k個致因因子對應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

2.2 基于GRA地鐵施工事故致因統(tǒng)計

GRA是通過分析系統(tǒng)因素，挖掘數(shù)據(jù)間潛在關(guān)系，并分析出其影響關(guān)聯(lián)度，進一步完善數(shù)理統(tǒng)計分析方法，對樣本量的多少和樣本有無規(guī)律都同樣適用。地鐵施工事故屬于部分信息已知、部分信息未知的灰色系統(tǒng)。因此，采用GRA對地鐵施工事故致因分析，定量分析其對地鐵施工事故危險性。事故形成必須同時具備承載體、致險因子和孕育環(huán)境3個條件[23]，結(jié)合數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計2011—2020年地鐵施工事故致因矩陣、有關(guān)專家和現(xiàn)場技術(shù)人員評分認定，總結(jié)地鐵施工事故，歸納總結(jié)其致因因素包括以下4個方面：1)人的因素：違章作業(yè)(y1)，負荷超限(y2)，安全意識匱乏(y3)，違章指揮(y4)；2)物的因素：設(shè)備設(shè)施缺陷(y5)，運動物傷害(y6)；3)環(huán)境因素：地質(zhì)環(huán)境不良(y7)，地下管線(y8)，周邊環(huán)境條件(y9)，氣候條件(y10)；4)管理因素：安全監(jiān)管未貫徹落實(y11)，應(yīng)急防范能力不足(y12)，安全培訓(xùn)制度不完善(y13)，其他管理缺陷(y14)。

2.3 計算步驟

1)結(jié)合事故統(tǒng)計有效事故報告等資料，參考數(shù)據(jù)列為有效事故總起數(shù)，比較數(shù)據(jù)列為事故有關(guān)因子，由式(1)～(2)確定參考與比較數(shù)據(jù)特征向量分別為有效事故總次數(shù)(y0)和致因因素(y1,y2,…,y14)，如表1所示；2)將比較數(shù)據(jù)特征向量元素?zé)o量綱化，使參考和比較數(shù)據(jù)有可比性；3)由式(3)計算差序列兩級最大與最小差；4)由式(4)～(5)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)果如表2所示；5)由式(6)～(8)計算關(guān)聯(lián)度結(jié)果如圖5所示。

表1 地鐵施工事故致因矩陣Table 1 Cause matrix of subway construction accidents

表2 致因因素關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients of causal factors

圖5 致因因子關(guān)聯(lián)度Fig.5 Relational degree of causal factors

由圖5可知，違章作業(yè)、設(shè)備設(shè)施缺陷、地質(zhì)環(huán)境不良和安全監(jiān)管未貫徹落實分別為“人、物、環(huán)、管”4個維度的關(guān)鍵致因因子。因此，1)施工建設(shè)過程中應(yīng)加強對一線施工人員的管理力度，不斷完善領(lǐng)導(dǎo)班子和一線施工人員的管理機制；2)施工單位在地鐵施工前期應(yīng)高質(zhì)量完成地質(zhì)勘察工作，為施工人員提供精準(zhǔn)詳細的地質(zhì)勘察報告并保質(zhì)保量做好基坑支撐和圍巖措施，加強安全監(jiān)管力度降低因人的不安全行為造成事故發(fā)生的概率；3)加強地鐵施工建設(shè)工程的安全監(jiān)管，積極貫徹落實《建設(shè)工程安全生產(chǎn)管理條例》。

3 結(jié)論

1)我國城市地鐵施工事故季節(jié)性特征突出，3，8，11月份呈多發(fā)態(tài)勢；事故類型以坍塌為主，且事故造成影響最大；違章作業(yè)、設(shè)備設(shè)施缺陷、地質(zhì)環(huán)境不良和安全監(jiān)管未貫徹落實分別為“人、物、環(huán)、管”4個維度的關(guān)鍵致因因子。

2)科學(xué)技術(shù)進步和規(guī)章制度完善，以立法的形式規(guī)范行業(yè)，是保證我國城市軌道交通在建里程高速增長和降低施工事故頻率的有效手段。

3)各個城市地鐵施工建設(shè)部門應(yīng)秉承同下一盤棋的格局，共享施工建設(shè)經(jīng)驗，構(gòu)建地鐵施工事故案例庫，因地制宜建設(shè)軌道交通。