地鐵工程建設(shè)施工危險(xiǎn)辨識(shí)與施工坍塌事故應(yīng)急預(yù)案的探討

李德林，范曉蕾，張恕震

(1.青島市地鐵十三號(hào)線有限公司，山東 青島 266000；2.青島市地鐵六號(hào)線有限公司，山東 青島 266000； 3.青島市地鐵六號(hào)線有限公司，山東 青島 266000)

0 引 言

隨著城市化及經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的不斷加快、人口數(shù)量不斷增多，我國(guó)交通與出行壓力越來(lái)越大。地鐵建設(shè)能夠有效地緩解市內(nèi)“出行難”的問(wèn)題，然而，由于地鐵工程建設(shè)施工的技術(shù)較復(fù)雜，在建設(shè)施工中存在較多危險(xiǎn)因素，地鐵施工中存有一定安全性與穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)[1]?；诖?，本文提出了地鐵工程建設(shè)施工的危險(xiǎn)辨識(shí)與坍塌事故應(yīng)急預(yù)案研究。根據(jù)危險(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果，對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并制定相應(yīng)的施工坍塌事故應(yīng)急預(yù)案，以提高地鐵工程建設(shè)的穩(wěn)定性與可靠性。

1 地鐵工程建設(shè)施工危險(xiǎn)辨識(shí)

1.1 地鐵施工危險(xiǎn)源分類(lèi)

地鐵工程建設(shè)施工受到環(huán)境、人為以及自然因素的影響，存在較多的施工危險(xiǎn)源。為了更好地對(duì)施工危險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)，首先，對(duì)地鐵施工危險(xiǎn)源進(jìn)行分類(lèi)。本文結(jié)合能量釋放理論，將地鐵施工危險(xiǎn)源進(jìn)行了劃分，包括第一與第二類(lèi)危險(xiǎn)源兩個(gè)類(lèi)別[2]。其中，第一類(lèi)施工危險(xiǎn)源在施工中較為常見(jiàn)，指的是施工過(guò)程中受到機(jī)械能、熱能、化學(xué)能的影響，發(fā)生意外可能釋放對(duì)環(huán)境與人體不利的能量與物質(zhì)。第一類(lèi)危險(xiǎn)源在地鐵工程建設(shè)施工中的表現(xiàn)形式較多，見(jiàn)表1。

表1 地鐵施工第一類(lèi)危險(xiǎn)源表現(xiàn)形式

如表1所示，為本文闡述的地鐵施工第一類(lèi)危險(xiǎn)源的具體表現(xiàn)形式，不同類(lèi)別的危險(xiǎn)源，在發(fā)生意外時(shí)，釋放的有害能量存在一定的差異，造成的事故影響也不同。第二類(lèi)危險(xiǎn)源具有一定的限制性，通常指的是容易導(dǎo)致危險(xiǎn)物質(zhì)生成的危險(xiǎn)源，泛指具有破壞能量的各種危險(xiǎn)物質(zhì)及因素，以人為失誤、設(shè)備故障以及環(huán)境影響等[3]。人為失誤主要指施工人員的行為與預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)要求之間存在偏差，導(dǎo)致對(duì)危險(xiǎn)源的控制出現(xiàn)失控情況，進(jìn)而引發(fā)了施工安全事故[4]。設(shè)備故障是導(dǎo)致施工事故發(fā)生的物質(zhì)與物體條件，例如保險(xiǎn)裝置缺失、信號(hào)強(qiáng)度較低、人機(jī)關(guān)系存在缺陷等，都是設(shè)備的不安全狀態(tài)[5]。環(huán)境影響包括物理、化學(xué)與生物因素三個(gè)方面，具有一定的不可控性[6]。

經(jīng)過(guò)對(duì)地鐵工程建設(shè)施工危險(xiǎn)進(jìn)行分類(lèi)可知，危險(xiǎn)源之間具有一定的相互關(guān)聯(lián)性，分別影響著事故發(fā)生的前提、條件、嚴(yán)重程度，對(duì)事故發(fā)生的可能性大小具有決定性的意義[7]。

1.2 分解分析法辨識(shí)地鐵工程危險(xiǎn)源

經(jīng)過(guò)上述對(duì)地鐵工程建設(shè)施工危險(xiǎn)源的分類(lèi)，獲取了兩類(lèi)危險(xiǎn)源的表現(xiàn)形式及相互之間的關(guān)系，接下來(lái)，對(duì)地鐵工程的危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)。傳統(tǒng)的地鐵工程危險(xiǎn)源辨識(shí)多數(shù)采用直觀經(jīng)驗(yàn)法，在辨識(shí)過(guò)程中具有一定的限制性，容易出現(xiàn)遺漏，因此，本文在傳統(tǒng)辨識(shí)方法的基礎(chǔ)上，采用分解分析法，更加全面、系統(tǒng)地辨識(shí)地鐵工程建設(shè)施工危險(xiǎn)源。分解分析法在辨識(shí)過(guò)程中，根據(jù)危險(xiǎn)源的類(lèi)別，按照一定的層次順序進(jìn)行分解，對(duì)每個(gè)層次的危險(xiǎn)源屬性進(jìn)行合理分析，轉(zhuǎn)換為 RBS 危險(xiǎn)源分解結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效的系統(tǒng)辨識(shí)[8]。分解分析法辨識(shí)危險(xiǎn)源的具體流程，如圖1所示。

圖1 分解分析法辨識(shí)危險(xiǎn)源流程

如圖1所示，首先，將地鐵工程建設(shè)施工危險(xiǎn)分解為工程危險(xiǎn)與施工工作危險(xiǎn)，按照施工過(guò)程、施工空間位置的變化，將劃分的作業(yè)包逐級(jí)分解，直至識(shí)別到風(fēng)險(xiǎn)單元。構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分解結(jié)構(gòu)，基于層次劃分理論，判定風(fēng)險(xiǎn)單元所在結(jié)構(gòu)的層次，生成一種具有共性的屬性分類(lèi)。采用模糊分類(lèi)法處理屬性分類(lèi)，生成分解分析危險(xiǎn)源辨識(shí)矩陣。將風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分解結(jié)構(gòu)中最下層單元作為矩陣的列，中間單元作為矩陣的行，根據(jù)矩陣中的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)元素，逐一辨識(shí)地鐵工程建設(shè)施工中各個(gè)工作單元的危險(xiǎn)源變化情況。

2 地鐵施工坍塌事故應(yīng)急預(yù)案設(shè)計(jì)

基于上述地鐵工程建設(shè)施工中各項(xiàng)危險(xiǎn)源辨識(shí)結(jié)束后，接下來(lái)，本文針對(duì)存在的危險(xiǎn)源以及坍塌事故進(jìn)行應(yīng)急預(yù)案設(shè)計(jì)，降低地鐵施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 建立施工坍塌事故監(jiān)測(cè)指標(biāo)

地鐵施工坍塌事故應(yīng)急預(yù)案的效果與坍塌事故監(jiān)測(cè)指標(biāo)建立得是否合理具有重大關(guān)系。本文在建立施工坍塌事故監(jiān)測(cè)指標(biāo)中，采用層層分解細(xì)化的方式，將施工規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)，構(gòu)建坍塌危害矩陣。在坍塌危害矩陣中，橫坐標(biāo)表示事故的嚴(yán)重性類(lèi)別，縱坐標(biāo)表示事故發(fā)生的概率，通過(guò)橫、縱坐標(biāo)的具體數(shù)值，確定坍塌事故的危害程度，將事故危害程度進(jìn)行排序處理。為了提高坍塌事故監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，在建立監(jiān)測(cè)指標(biāo)時(shí)，需要綜合考慮自然災(zāi)害事故以及突發(fā)事件，融合第一、第二類(lèi)危險(xiǎn)源的辨識(shí)結(jié)果，分析坍塌事故的可控度范圍，共同建立坍塌事故監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

結(jié)合事故優(yōu)先數(shù)法，將坍塌事故危害程度根據(jù)相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分，設(shè)置坍塌事故的嚴(yán)重程度為S、事故的發(fā)生概率為O、事故應(yīng)急處理難度為D，將三者的打分結(jié)果相乘，獲取最終的施工坍塌事故監(jiān)測(cè)指標(biāo)，公式為：

RPN=S×O×D

(1)

地鐵施工坍塌事故監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)后續(xù)計(jì)算坍塌事故的可控度具有重要意義，為地鐵工程建設(shè)施工的安全監(jiān)測(cè)提供了一定的基礎(chǔ)。

2.2 計(jì)算監(jiān)測(cè)指標(biāo)警度與可控度

基于上述地鐵施工坍塌事故監(jiān)測(cè)指標(biāo)建立結(jié)束后，對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)警度與可控度進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。首先，對(duì)坍塌事故監(jiān)測(cè)指標(biāo)閾值進(jìn)行等級(jí)劃分，包括坍塌無(wú)警、坍塌輕警、坍塌中警與坍塌重警等四個(gè)等級(jí)。結(jié)合海因里希事故法則，計(jì)算監(jiān)測(cè)指標(biāo)的可控度。建立地鐵建設(shè)施工坍塌監(jiān)測(cè)指標(biāo)警度矩陣：

(2)

式中：Ii為坍塌警度；Ci1為第i級(jí)坍塌警度下第1個(gè)坍塌監(jiān)測(cè)指標(biāo)；Vi1為Ci1對(duì)應(yīng)的特征值域。根據(jù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)警度矩陣，獲取警度與監(jiān)測(cè)指標(biāo)之間的變化關(guān)系，當(dāng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)在區(qū)間中無(wú)公共端點(diǎn)時(shí)，計(jì)算坍塌監(jiān)測(cè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)，公式為：

(3)

式中：X0為坍塌風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)典域；lx為X0的長(zhǎng)度；x為坍塌監(jiān)測(cè)有限實(shí)區(qū)中的節(jié)點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算地鐵工程建設(shè)施工坍塌監(jiān)測(cè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)，確定監(jiān)測(cè)指標(biāo)警度權(quán)重λij，結(jié)合專(zhuān)家評(píng)分法，計(jì)算坍塌監(jiān)測(cè)指標(biāo)的可控度，公式為：

K(Ii)=∑μijλij

(4)

式中：μij為地鐵工程建設(shè)施工中坍塌監(jiān)測(cè)指標(biāo)的節(jié)余域權(quán)重；i、j分別為監(jiān)測(cè)指標(biāo)警度層級(jí)與節(jié)點(diǎn)層級(jí)。通過(guò)坍塌監(jiān)測(cè)指標(biāo)可控度計(jì)算結(jié)果，判斷坍塌事故發(fā)生警情。

當(dāng)K(Ii)≥0時(shí)，表示此事坍塌事故警情處于完全可控狀態(tài)；當(dāng)-1≤K(Ii)≤0時(shí)，表示K(Ii)處于坍塌事故發(fā)生可拓域之間，此事坍塌事故警情處于可控狀態(tài)，K(Ii)越趨近于0，坍塌事故警情越容易控制，相反，K(Ii)越趨近于1，則表明坍塌事故警情越加不容易控制；當(dāng)-1≥K(Ii)時(shí)，表示此時(shí)地鐵施工中坍塌事故警情已經(jīng)達(dá)到不可控狀態(tài)。

根據(jù)坍塌事故警情的可控度計(jì)算結(jié)果，本文結(jié)合坍塌事故等級(jí)比例，將警情的可控性進(jìn)行了具體劃分：K(Ii)?(0，-0.7]表示坍塌事故可以高度控制；K(Ii)?(-0.7，-0.9]表示坍塌事故可以進(jìn)行中度控制；K(Ii)?(-0.9，-1)表示坍塌事故的可以控制的程度較低。通過(guò)計(jì)算坍塌監(jiān)測(cè)指標(biāo)的警度與可控度，能夠獲取地鐵工程建設(shè)施工坍塌事故警情的具體情況，為制定應(yīng)急預(yù)案措施提供保障。

2.3 制定應(yīng)急預(yù)案措施

在地鐵工程建設(shè)施工中，受到各項(xiàng)施工因素與環(huán)境因素的影響，包括各類(lèi)危險(xiǎn)源，其中坍塌事故為最重大的危險(xiǎn)源，一旦出現(xiàn)坍塌事故，會(huì)極大程度地對(duì)周邊環(huán)境與施工人員造成安全隱患。結(jié)合上述計(jì)算得到的施工坍塌監(jiān)測(cè)指標(biāo)可控度與警度結(jié)果，獲取到了施工坍塌事故警情的具體情況。接下來(lái)，本文采用一定的方式，對(duì)地鐵施工坍塌事故中的危險(xiǎn)源進(jìn)行了分析，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 地鐵工程施工坍塌事故危險(xiǎn)源結(jié)構(gòu)

如圖2所示，坍塌事故主要受到開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程的影響，包括地面塌陷、管線斷裂、土體塌陷、建筑物倒塌、支撐失穩(wěn)等表現(xiàn)形式。本文針對(duì)以上危險(xiǎn)源表現(xiàn)形式，研究了相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案措施。首先，應(yīng)當(dāng)設(shè)置坍塌事故應(yīng)急指揮的相關(guān)機(jī)構(gòu)，具體劃分坍塌救援小組應(yīng)急指揮結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 坍塌救援小組應(yīng)急指揮結(jié)構(gòu)

如圖3所示，當(dāng)土體塌方較少時(shí)，救援小組根據(jù)具體的指揮結(jié)構(gòu)，進(jìn)行地質(zhì)勘察與檢測(cè)，找出建筑物下沉位置，啟動(dòng)應(yīng)急決策，防止土體出現(xiàn)二次坍塌。

本文認(rèn)為，還應(yīng)當(dāng)在地鐵工程施工中，安裝應(yīng)急電子報(bào)警裝置，當(dāng)工程施工結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、存在坍塌安全隱患時(shí)，應(yīng)急報(bào)警裝置會(huì)對(duì)安全隱患進(jìn)行權(quán)重分析，并根據(jù)坍塌隱患權(quán)重的等級(jí)，發(fā)出相應(yīng)的警告，有效地預(yù)防坍塌事故的發(fā)生，提高地鐵工程建設(shè)施工安全。

3 對(duì)比分析

為了驗(yàn)證本文提出的地鐵施工危險(xiǎn)辨識(shí)與應(yīng)急預(yù)案的有效性，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)分析。本次實(shí)驗(yàn)以某地鐵施工項(xiàng)目為研究對(duì)象，該項(xiàng)目位于X街與Y街的交叉口，車(chē)站的結(jié)構(gòu)為島式車(chē)站，整體包括兩層：站廳層與站臺(tái)層，地鐵車(chē)站的寬度為15.24 m，長(zhǎng)度為237.08 m，車(chē)站包含4個(gè)出入口、1個(gè)通道，整體建筑面積約為12 430.5 m2，主體建筑面積為8 264.5 m2。地鐵工程總體建設(shè)施工環(huán)境良好，施工人員均具有施工資質(zhì)。根據(jù)相關(guān)的工程勘察報(bào)告可知，該工程建設(shè)施工中混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中使用的鋼筋均符合相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，均無(wú)腐蝕性。首先，利用本文設(shè)計(jì)的地鐵施工危險(xiǎn)源辨識(shí)方法，對(duì)第一類(lèi)危險(xiǎn)源的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解處理，構(gòu)建危險(xiǎn)源分解分析矩陣，在此基礎(chǔ)上，獲取第二類(lèi)危險(xiǎn)源，并對(duì)危險(xiǎn)源的嚴(yán)重程度與表現(xiàn)形式進(jìn)行判斷?；谖ｋU(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果，獲取地鐵施工坍塌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算，得出坍塌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，綜合考慮坍塌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)中致險(xiǎn)因子發(fā)生的概率，確定坍塌風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。根據(jù)危險(xiǎn)源辨識(shí)結(jié)果與坍塌風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，獲取危險(xiǎn)元素所在施工位置，通過(guò)劃分坐標(biāo)系的方式，在存在風(fēng)險(xiǎn)位置安裝應(yīng)急電子報(bào)警裝置，當(dāng)危險(xiǎn)源發(fā)出安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警時(shí)，裝置會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警。本次實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，設(shè)置本文提出的地鐵施工危險(xiǎn)辨識(shí)與應(yīng)急預(yù)案為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)的施工危險(xiǎn)辨識(shí)與應(yīng)急預(yù)案為對(duì)照組，對(duì)比兩種地鐵施工危險(xiǎn)辨識(shí)與應(yīng)急預(yù)案的成功率，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 地鐵施工危險(xiǎn)辨識(shí)與應(yīng)急預(yù)案成功率對(duì)比

根據(jù)表2可知，本文提出的地鐵工程建設(shè)施工危險(xiǎn)辨識(shí)，辨識(shí)測(cè)量的距離與實(shí)際距離誤差較小，最小辨識(shí)誤差為0.02，傳統(tǒng)的辨識(shí)結(jié)果誤差最小為0.52，兩者存在較大的差距，且坍塌事故應(yīng)急預(yù)案的成功率中，本文提出的應(yīng)急預(yù)案成功率均在98%以上，較傳統(tǒng)方法相比更加具有優(yōu)勢(shì)，能夠有效地對(duì)坍塌事故做出預(yù)警，降低坍塌事故發(fā)生的概率。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著城市人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，交通與出行壓力逐漸增大，地鐵工程建設(shè)能夠有效地減小出行壓力。在地鐵工程施工過(guò)程中，危險(xiǎn)源與安全風(fēng)險(xiǎn)隱患較多?；诖?，本文從地鐵施工中潛在的危險(xiǎn)源出發(fā)，提出了危險(xiǎn)源辨識(shí)，根據(jù)辨識(shí)結(jié)果，制定了應(yīng)急預(yù)案。本文的研究改善了傳統(tǒng)工程施工危險(xiǎn)辨識(shí)方面存在的不足，能夠在一定程度上降低地鐵施工坍塌事故發(fā)生的概率，提高地鐵工程建設(shè)的安全。