基于STAMP模型的地铁施工安全事故致因分析

牛　丰，　王　昱，　周　诚

(1. 中国铁路总公司， 北京　100844； 2.华中科技大学　土木工程与力学学院， 湖北　武汉　430074)



基于STAMP模型的地铁施工安全事故致因分析

牛丰1，王昱2，周诚2

(1. 中国铁路总公司， 北京100844； 2.华中科技大学土木工程与力学学院， 湖北武汉430074)

摘要：STAMP模型从系统论的角度出发，把安全视为一个控制问题，认为事故的发生是由于不充分的控制和安全相关约束的缺失所造成的，这一模型与地铁系统工程有较高的契合度。本文在对STAMP模型的基本概念进行介绍的基础上，结合我国地铁建设项目实际，构建了基于STAMP模型的地铁施工事故致因模型。同时引入杭州地铁1号线湘湖站基坑坍塌事故进行实证分析，从系统化的事故致因理论观点出发，按照本模型的方法，分析事故的发生演化过程，概括事故灾害，识别约束手段和失效行为，最后对事故原因进行分类汇总并与已有分析结论进行比较。结果表明，STAMP模型与地铁建设项目契合度高，事故致因分析较为全面，在地铁施工事故致因分析方面具有较高的可行性和广阔的应用前景。

关键词：STAMP模型；事故致因；控制约束；基坑坍塌；地铁工程

近年来，我国地铁工程建设进入了蓬勃发展阶段[1]。然而，如火如荼的地铁建设浪潮背后，各种地铁事故却频繁发生，造成了巨大的损失。地铁工程建设具有地理位置特殊、质量和安全要求高、涉及工程专业多、工程量巨大、工程和周边环境关系密切等特点，是一项不折不扣的系统工程[2]。越来越多的事例证明，当前普遍运用的事故链致因模型，并不能很好地契合地铁项目这样的复杂系统工程。

STAMP模型从系统论的角度出发，把安全看作一个控制问题，认为事故是由于不充分的控制和安全相关约束的缺失所造成的[3]。该系统模型克服了事故链等模型在描述事故原因时忽略系统组件间复杂交互的缺陷，顺应了社会技术系统发展的趋势。国外研究方面，该模型创始人Leveson教授对美国“挑战者号”航天飞机事故进行了分析，开启了广大学者在航空航天领域对该模型的应用。近年来，研究人员也在公路隧道火灾预防，自来水厂污染事故调查等大型公共基础项目的事故分析中找到了新的应用方向。国内研究方面，系统控制学领域对STAMP模型的研究最早，特别是在铁路系统应用较多。以欧阳敏和洪流等为代表的学者采用STAMP模型分析了多起动车相撞事故，得到了完全不同的分析结果。此外，国内研究人员还在电子系统安全构建方面运用该模型取得了良好的研究成果。

地铁建设工程是一项高风险性的系统工程，STAMP模型正是基于系统控制论的事故模型，系统工程的事故理应运用基于系统控制理论的模型进行分析，运用STAMP模型对地铁施工事故进行分析，具有更高的契合度及合理性。国内目前对STAMP模型在建筑行业的运用鲜有研究，因此，运用STAMP模型对地铁建设项目事故进行致因分析，具有较大的研究价值。

本文将在对STAMP模型进行简单介绍的基础上，构建基于STAMP的地铁施工安全模型，并结合杭州地铁湘湖站基坑塌陷事故，进行实例分析。这对于地铁建设项目的安全管理具有一定的借鉴意义。

1STAMP模型

STAMP模型(Systems-Theoretic Accident Modeling and Process)中文译名为系统理论事故及过程模型。STAMP模型有别于传统事故模型，将事故看作是一系列事件线性叠加的结果，将安全看作是一个控制问题，最基本概念不是事件，而是约束。事故的根源被认为是系统在开发，设计和运行中缺乏足够的约束以及对约束的执行。在此基础上，一旦发生组件失效，外部干扰，以及系统内部组件交互问题不能妥善解决等情况时，事故就会发生[4]。

控制结构是 STAMP 模型描述系统并进行事故原因分析的基础，构建控制结构首先需要明晰控制层级、控制回路、过程模型等概念。

1.1控制层级

控制层级指控制结构中不同层次的控制系统会有高层和低层的划分。高层子系统为低层子系统的安全操作提供关于行为的安全约束，并接受来自低层的反馈信息；低层在高层为其制定的安全约束下运行，反馈实施结果给高层，供其做出决策，修正模型内部状态，保持下层控制系统和被控制过程间的动态平衡。因此控制层级实际上表明的是不同控制器(控制系统)之间的关系，并通过随之产生的反馈环来保障它们之间的联系[5]。

1.2控制回路

控制回路是细化到控制层级自身的控制体系，每一个子系统的内部是通过一个个控制回路实现相应控制功能的，其中的每个环节都可能出现各种各样的问题，比如控制器和指令器间的协调问题、矛盾的控制行为、沟通不畅问题、时间延迟问题等。这些问题都可能导致控制对象的失效，因此影响控制对象失效的原因可通过对控制回路中的各部分进行检查而得到。

1.3控制结构

图1　STAMP模型的典型控制结构

STAMP模型最典型的控制结构如图1所示。通过对以上核心要素进行概括，可以说控制层级是从宏观角度描述了不同控制系统间的关系，控制回路是细化到每一个层级上的控制系统的体系，完成了局部的控制过程。

2基于STAMP的地铁施工事故致因模型

2.1地铁施工安全控制结构

构建地铁施工安全控制结构是运用STAMP模型进行事故致因分析的基础。根据STAMP模型对安全控制结构的阐释，结合我国地铁建设项目实际，地铁建设项目的的安全控制结构如图2所示：

图2　地铁建设项目安全控制结构图

根据图2可以看出，国务院、住建部和安监总局等部门通过立法和出台规范标准，整体上把控建设行业安全管理工作；地方政府和相关部门制订相应地方规章，并直接把控辖区内各工程项目的开展；各工程项目采取项目部的组织形式，参建各方相互协调，互相约束，控制工程项目的实际进展；一线劳务人员接受施工单位的指令和约束，实际进行劳务作业，并反馈信息。本控制结构的核心部分是项目管理部和劳务人员两个控制层级。根据STAMP模型的致因分析方法，需要搭建更为具体的局部控制结构，以便进行进一步分析。

施工方是施工现场项目管理工作的主体，业主方、监理方在施工现场主要起到监管的作用，是次要的管理主体。据此，可以将业主方、监理方、设计方归类到较高的控制层级，施工单位和劳务人员归类到较低的控制层级。如图3所示，较高的控制层级中，业主方通过描述需求，接受反馈等方式实现约束；设计方通过技术交底实现约束；监理方则通过现场监管实现对施工方的约束。较低的控制层级中(施工方局部控制层级)，施工方是该控制回路的控制器，向劳务人员(执行器)提出要求和指导，劳务人员具体在施工作业中执行时，可能会遇到外部各种因素的干扰。为保证作业质量，施工方会通过现场巡查等方式进行监测，并反馈监测结果。在此局部控制结构图中，存在箭线的任何一个环节都可能出现问题，导致失效行为发生。

图3　局部控制结构和控制回路

2.2灾害识别

据统计，基坑施工和坍塌事故是地铁建设施工最主要的危险源，容易造成施工人员的重大伤亡，并导致周边环境出现重大隐患。与一般建筑施工类似，火灾、机械事故、毒气、外物坠落也是地铁施工的主要伤害事故类型。因此这一步就是在理解地铁项目施工主要灾害类型的基础上，调查事故演化过程，对出现的灾害进行识别，判定整体性系统灾害，并对细部灾害进行归类划分。

2.3约束识别

地铁建设项目各个控制层级的参与主体是工程项目的各参建方，因此在识别系统的安全约束时，应该从各参建方的行为约束入手，划分责任和义务，明晰各方的职责和工作要求。

以设计单位为例，在地铁建设项目中，其安全约束如下：

(1)设立安全质量管理机构，落实安全质量责任制，对工程勘察、设计的安全质量实施管理；

(2)设计文件须符合相应设计深度要求，预留安全储备，必要时进行专项设计；

(3)设计文件应就工程安全质量的重点部位提出保障安全质量的设计处理措施，并针对工程周边环境提出相应监测要求和监测控制标准[6]。

2.4失效行为识别

在约束识别的基础上，下一步是根据披露的与事故有关的信息，识别每一个控制层级和涉及到的参与方在事故中体现的失效行为。根据控制结构图，我们将从上至下，依次分析每个控制层级出了什么问题，发生了哪些与其约束相悖的失效行为。

2.5分析总结

对于每一项约束，分析其为什么被违反，是由于约束未被识别和实施还是约束执行不充分。除此之外，人为因素也应该被充分认识，包括决策者获取信息的能力、未能获取的所需信息、决策者做出决定所处的环境(压力和决策过程)、决策者的价值观，心智缺陷对做决定的影响等等。

3杭州地铁湘湖站事故实证分析

3.1事故概况

2008年11月15日15时20分，位于浙江省杭州市萧山区的杭州地铁1号线湘湖站施工工地发生基坑坍塌事故。基坑外土体突然崩塌，形成了一个长约75 m、宽约50 m的塌陷区域，进而基坑土体失稳，围护结构和支撑体系垮塌，正在基坑中作业的工人大部分被埋。工地东侧的河水因地势变高，夹杂淤泥向施工塌陷地点溃泻，导致施工塌陷区域逐渐被泥水淹没。本次事故共造成21人死亡、30人受伤，是我国建设地铁有史以来最严重的一次事故[7]。下面将根据上文构建的模型，从系统控制论的角度，对本次事故进行致因分析。

3.2事故致因分析

3.2.1灾害识别

本事故中表现出的系统灾害是车站基坑坍塌，主要表现形式有以下几点：

(1)正在施工的2号基坑发生长约75 m、宽约50 m的区域塌陷，河水倒灌；

(2)基坑两侧的围护结构地连墙受压向坑内挤入；

(3)部分钢支撑轴力过大，严重偏心，支撑体系失稳并垮塌，数十名工人被困。

据此可以将系统总体控制约束归纳为：有效开展安全施工和安全管理工作，确保基坑施工安全有序进行。

3.2.2约束和失效行为的识别

下一步，需要针对每一个控制层级所涉及到的参与方(控制器)，分析其控制约束，并识别出其在事故中的失效行为。

以建设单位为例，其对于下级控制层级的约束主要包括设立安全质量管理机构，落实安全质量责任制，配备足量安全质量管理人员，同时严格执行建设项目的相关规定，科学合理制订项目方案，遵守项目开展流程。具体而言，建设单位在确定线路规划方案时尽可能予以避让不良施工环境；不得迫使参建单位在以低于成本的价格竞标或任意压缩合同约定工期等。

而在本次事故中，建设单位产生了诸多违反上述约束的失效行为。在项目招标过程中，以“最低价中标法”选择中标人；随后在征地拆迁受阻，融资不到位，开工日期延后一年的情况下，未选择顺延项目工期，给施工方造成了巨大的工期和成本压力；此外还采用分段施工的方式，不合理地划分出了38个施工段，并在前期选址过程中，不合理地选择了临河建站的方案，种种举动为事故埋下了隐患[8]。

3.3事故原因总结和对比

STAMP模型从系统控制学的角度分析事故因素，主要从环境背景、组织管理、技术方法、参建人员、交互反馈等方面进行分析。据此，我们从以上几个方面，将STAMP模型的分析结论进行分类汇总，如表1所示。

关于本次事故技术层面最为权威的分析结论是浙江省安监局牵头成立的事故调查组所发布的《杭州地铁湘湖站“11.15”基坑坍塌事故技术分析报告》，以此为代表的大量研究结论将此次事故原因归结在施工技术和现场管理层面。基于STAMP模型的此次事故分析结论与此相比，有很多异同点，表2从直接原因、间接原因、根本原因三方面，结合表1将已有结论和STAMP模型分析结论进行了对比。

基于STAMP模型的分析结论和已有的分析结论相比，有以下几个特点：

(1)对事故原因的认定和划分有差异

两组结论都将施工工序错误，支撑体系缺陷，安全费用投入不足，管理工作混乱等原因视为分析结论的重要组成部分。

已有结论倾向于将事故直接原因视为施工技术层面的失误，将根本原因归结为施工方管理工作的问题。STAMP模型指出项目所处的不良建设背景直接导致了线路规划不合理，工期紧张，不合理招投标，安全费用投入不足等隐患，而这是本次事故的根本原因。此次事故是不科学决策和“大干快上”建设背景的牺牲品。

(2)STAMP模型结论视角更广

纵向角度，STAMP模型的分析结论基于控制结构的控制层级，反向逆推，涉及到了包括建设单位、地方政府等在内的已有结论鲜有提及相关方。这些高层次控制层级的不当决策给低层次控制层级施加了错误的约束，是事故的根本原因。

表1　事故原因分类汇总

表2　已有分析结论和STAMP模型分析结论对比

横向角度，和已有结论相比，STAMP模型除了考虑技术方法，组织管理等层面的问题，还着重强调了环境背景，交互反馈等层面的因素。可以看到，该结论将事故的项目背景和决策环境视为更为重要的因素。

(3)两组结论各有侧重和优劣势

已有结论着重考虑施工技术层面和现场管理层面的因素，对于设计参数，施工工序等环节的问题分析更为细致，强调现场管理的重要性。

STAMP模型的分析重点在于参建方间的约束反馈、交互沟通、背景因素等，强调系统化更为广泛的视角，施工技术层面的分析并不是其重点所在。

4结论

(1)基于系统论的STAMP模型与地铁建设项目的契合度高，通过构建的地铁施工安全控制结构，能够有效识别参建方的约束和失效行为，模拟各方之间的控制和交互过程，得出较为全面的分析结论。

(2)与已有结论相比，基于STAMP模型的分析方法能够融入决策背景，各方交互障碍等深层次因素，综合考虑各控制层级所表现的失效行为，致因分析较为全面。

(3)STAMP模型在进行建设项目有关的事故致因分析、灾害预防、预警系统构建等方面有良好的运用价值；进一步识别各方之间的控制和交互过程，研究信息流产生，传递和反馈是下一步的研究重点。

参考文献

[1]解东升，钱七虎，戎晓力. 地铁工程建设安全风险管理研究[J]. 土木工程与管理学报，2012，29(1)：61-67.

[2]缑变彩，李婧琳，王帆. 基于STAMP的地铁施工安全控制结构研究[J]. 山西建筑，2013，39(34)：120-123.

[3]Leveson N. A New Approach to Hazard Analysis for Complex[EB/OL]. [2015-6-12]. http://sunnyday.mit.edu/book2.

[4]Leveson N. A new accident model for engineering safer systems[J]. Safety Science，2004，42(4): 237-270.

[5]Salmon P M, Cornelissen M, Trotter M J. Systems-based accident analysis methods: a comparison of accimap, HFACS, and STAMP[J]. Safety Science，2012，50(4)： 1158-1170.

[6]建质[2010]5号，城市轨道交通工程安全质量管理暂行办法[S].

[7]张旷成，李继民. 杭州地铁湘湖站“08.11.15”基坑坍塌事故分析[J]. 岩土工程学报，2010，32(s1)： 338-342.

[8]闫官锋. 由杭州地铁事故引起的思考[J]. 建筑安全，2009，(2)： 42-45.

[9]浙江省安全生产监督管理局，浙江省监察厅. 杭州地铁湘湖站“11.15”基坑坍塌事故技术分析报告 [R] .杭州：浙江省安监局，浙江省监察厅， 2010.

[10]周志鹏，李启明，邓小鹏，等. 基于事故机理和管理因素的地铁坍塌事故分析——以杭州地铁坍塌事故为实证[J]. 中国安全科学学报， 2009，19(9)： 139-145.

《土木工程与管理学报》改双月刊通知

经申请批准，依据湖北省新闻出版广电局文件(鄂新广审[2015]11号)，《土木工程与管理学报》于2016年1月开始正式由季刊改为双月刊，办刊宗旨及收稿范围不变，期刊出版时间为单月月末，特此通知。

土木工程与管理学报编辑部

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

中图分类号：U455.1； X928

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2016)01-0073-06

基金项目：国家自然科学基金 (51408245)

作者简介：牛丰(1978-)，男，安徽阜阳人，高级工程师，研究方向为土木工程施工与安全管理(Email:hustbim@163.com)

收稿日期：2015-08-17修回日期： 2015-10-04