考慮人為因素的盾構隧道風險分析和控制模型研究

鄭新定，王紅衛，周 健

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司，河南 洛陽 471009;2.上海建工集團工程研究總院，上海 201114;3.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092)

0 引言

隨著對地下空間的開發利用，地下工程安全建設顯得日益重要。孫鈞［1］認為風險管理雖然已是工程管理的一個重要組成部分，但中國大陸工程界在該領域還有大量亟待解決的具體問題需要進一步深化研究。錢七虎等［2］根據國際隧道工程保險集團對施工現場發生安全事故原因的調查結果，即18%的工程事故是由不可抗力造成的，而82%的工程事故與人為失誤密切相關，指出由于目前國內勘查設計失誤導致的風險責任界定不清，而這些風險往往到施工時才反映出來，顯然由施工方完全承擔這些風險顯得不夠合理。Thevendran V.等［3］則認為必須把人為因素納入建設項目的風險管理中，以查明人為風險對建設項目的影響。由此看來，分析風險事故背后的人為失誤進而采取有效的控制措施對于隧道工程的安全建設意義重大。

土木工程領域對人為因素的影響作用關注比較晚，近期也有一些研究成果，如:Steward［4－5］認為工程結構的計劃、設計、施工與使用過程中，人是薄弱環節，并以問卷的方式對人為差錯的發生與影響進行了系統調查，提出了鋼筋混凝土構件中人為差錯的模擬方法。Canto-Perello［6］提出人為因素是隧道設計的重要參數，并規劃設計了適合于工作人員的工作環境。文獻［7－9］提出了基于人為因素的風險分析和風險控制的方法，該方法主要通過建立和完善相應的S-Reason模型，找出不同層次和不同界面的風險薄弱點，通過對薄弱點采取控制措施，進而達到對風險事故的控制，作為初期研究，這些成果還有待完善?；谝陨涎芯砍晒同F狀，本文結合盾構隧道工程的特點，針對S-Reason模型在量化計算和風險控制方面的不足，提出了S-Reason分析及控制模型，以突出風險控制措施的經濟性、安全性和實用性。

1 S-Reason分析及控制模型的構建及特點

人為失誤分析是人為因素研究的主要內容之一，分析人為失誤的經典模型很多，但這些模型又各具一定的局限性［10］。S-Reason模型是唐群燕在分析了SHEL模型和Reason模型不足的基礎之上提出來的。唐群燕［7］認為SHEL模型突出了人的重要地位，橫向分析了人為差錯的發生點所在，但未把前期決策、管理、監督等因素包含在內，因此不能深層次分析人為失誤;而Reason模型可從深層次的角度分析人為因素各環節的漏洞，但對人為失誤的發生點定位不夠全面。基于以上2點將SHEL模型嵌入到Reason模型的防御層中就形成了S-Reason模型。類似的模型還有謝放提出的 Reason-SHEL Model［11］。

S-Reason模型兼備了SHEL模型和Reason模型的優點，但該模型只能查明人為失誤發生的不協調界面，不能反映控制人為失誤的難易程度，并且該模型不能提供經濟合理的人為失誤控制措施，也不能及時反饋控制措施的效果。以上2點說明S-Reason模型有待進一步的改進和完善。

1.1 S-Reason分析及控制模型的構建

首先，與S-Reason模型相似，S-Reason分析及控制模型將SHEL模型鑲嵌到Reason模型中的每一個防御層中，用于分析各環節的人為失誤及其所屬的不協調界面，如圖1所示。

圖1 S-Reason分析及控制模型Fig.1 S-Reason analysis and control model

其次，對各個不協調界面上的人為失誤賦予控制難度權值，用來反映相應人為失誤的控制難易程度，最終目的是通過對人為失誤的定量計算，找出風險的最優控制路徑。

最后，確定模型的反饋路徑。根據安全控制人為失誤的先決條件［12］，圖1中的不安全行為屬于顯性失誤，是隱性失誤作用的結果和導致事故發生的直接因素，是容易被發現的失誤，所以路徑Loop 2能及時反饋操作中的不安全行為，為安全控制提供了時機。相比之下，以Loop 2作為反饋路徑較為合理。

1.2 S-Reason分析及控制模型的特點

S-Reason分析及控制模型繼承了前身所具有的優點:既能橫向分析人為差錯發生的界面，又能縱向分析人為差錯的深層次原因，對不安全事件的人為失誤的分析較為全面。

該模型可根據人為失誤的控制難易程度，找出風險事故的最優控制路徑，該路徑可同時兼顧經濟性和安全性;Loop 2具有信息反饋靈敏的優點，能夠及時反饋防御層中對隱性人為失誤的控制效果，可為阻止事故的發生贏得時間。

2 盾構隧道的S-Reason分析及控制模型

2.1 盾構隧道模型的組成

結合盾構隧道的工程特點，介紹一下S-Reason分析及控制模型的組成。

2.1.1 盾構隧道的Reason模型

在盾構隧道工程中，Reason模型中4個防御層的含義如下:

1)組織層。組織層是由盾構隧道項目的決策管理人員組成的，包括建設方、勘察方、設計方、監理方和施工方的決策管理者。該層中的人為失誤主要是指由一方組織內或幾方組織間的規劃目標、決策方案、資源分配方案等制定不當、協調不足等因素。

2)監督管理層。監督管理層的主要任務是保證盾構隧道項目的既定方案和規劃目標的順利實現，包括建設單位人員、施工單位管理人員、設計單位人員、勘察單位管理人員和監理單位人員等。此層中容易出現的人為失誤包括管理方式不當、任務分配不合理、制度措施制定不完善、發現問題不及時解決、不能及時發現潛在風險和違法違規等方面的因素。

3)不安全行為前提條件層。不安全行為的發生都是有預先條件的，此層以一線人員的心理、生理、技能、知識為中心，包括了其他各方面的影響因素，如環境、機械設備、工作氛圍等方面的因素。

4)不安全行為層。該層的不安全行為指的是一線人員的具體失誤行為，其產生的主體是一線勘察人員和一線施工人員。盾構隧道工程的不安全行為很多，如勘探過程中判斷失誤、疏忽造成勘探孔深度不夠和儀器設備操作失誤等。

2.1.2 盾構隧道的SHEL模型

在盾構隧道工程中，SHEL模型中5個要素的含義如圖2所示。

圖2 盾構隧道工程中的SHEL模型Fig.2 SHEL model in shield tunnel projects

人與其他4個元素之間的關系即界面的含義如下:

1)人－人界面(L－L)指人與人之間的關系。如人與人之間的領導、管理、監督、交流、合作等關系。

2)人－硬件界面(L－H)指人與機械、設備、儀器之間的關系。從根本上講，硬件的設計應以人為核心，其開發、配備要以促進安全、提高效率、方便使用為目的，如盾構機的設計、操作等是否符合人的生理和心理特性等。

3)人－軟件界面(L－S)指人與其工作場所中的支持系統之間的關系。在盾構隧道工程中，兩者的關系主要表現在人對施工技術、規程、監理監測技術、施工知識和技能的掌握，而有關的安全管理制度要體現出以人為本的理念。

4)人－環境界面(L－E)指人與內部、外部環境之間的關系。盾構隧道工程中兩者的關系主要表現為企業文化、工作氛圍、社會政治經濟條件等對工程人員的影響;除了對以上環境條件的反作用外，工程人員還應具有足夠的技能和知識以應對復雜的水文地質條件。

2.2 盾構隧道模型的人為失誤

為分析風險因素的人為致因，將風險因素作為S-Reason分析及控制模型中的事故，找出造成事故的各個層次和界面的人為失誤，在3位高級工程師的指導下，最終的分析結果見表1。

為反映控制人為失誤的難易程度，對相應的人為失誤賦予控制難度權值，權值范圍為1～4，權值越大，則表示對其控制的難度越大。表1括號內的數字是3位高級工程師建議的控制難度權值。

2.3 盾構隧道模型的應用流程

為了介紹S-Reason分析及控制模型的應用，本節采用坐標軸方法進行分析，如圖3所示。平面繼承了SHEL模型;XOY平面表示隨時間的推移，繼承了Reason模型。

圖3 盾構隧道的S-Reason分析及控制模型Fig.3 S-Reason analysis and control model for shield tunnels

圖3中縱柵線Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ分別代表Reason模型的組織層、監督管理層、不安全行為前提條件層和不安全行為層;直線代表事故鏈，直線右端的箭頭代表事故鏈的發展方向;平行于OX軸的虛線代表不同界面的分界線，分別用于區分人(L)與人(L)、環境(E)、軟件(S)、硬件(H)的關系界面。如果界面上存在漏洞，則表明該界面上產生了人為失誤，如漏洞A5表示組織層上界面L－E處發生了人為失誤。直線a，n表示沒有穿過所有的防御層，直線m，b和c表示穿透所有防御層，形成了完整的事故鏈，意味著風險事故發生。

表1 盾構隧道工程中的人為失誤及其控制難度權值Table 1 Human errors and corresponding control difficulty weights in shield tunnel projects

預防風險事故發生的措施就是要阻止事故鏈的形成，但阻止事故鏈的形成路線并非唯一。在圖3中阻止事故鏈m，b和c形成的路徑較多，如B4－C7，B4－D2，C8－D2－D5等;從圖3中可以看出，只要控制B4和C7就能預防所有事故的發生，但這并不意味著B4－C7就是預防事故的最優控制路徑，如果B4和C7的漏洞難以控制或成本太高，則可選擇其他路徑(如B4－D2，C8－D2－D5等)來預防事故的發生，所以針對風險事故，應結合具體條件，按照安全經濟的原則選擇最優的路徑進行控制。

總結以上分析，盾構隧道工程中S-Reason分析及控制模型的步驟如下:

1)根據主要的人為失誤設計出專家調查表，格式如表1所示，調查造成具體風險的主要事故鏈。2)對主要事故鏈進行排序，并以人為失誤變量為名稱，以事故鏈序號數為元素建立集合。3)根據人為失誤的控制難度權值，查找風險事故的最優控制路徑。為截斷造成同一事故的所有事故鏈，同時還要保證控制措施的經濟性，所以在滿足子集的并集是所有事故鏈序號數組成的集合的條件下，求解子集權值和最小的集合，該集合中的子集構成了風險事故的最優控制路徑。4)對最優控制路徑中的人為失誤采取相應的控制措施，并通過反饋路徑Loop 2及時反饋控制措施的效果和不足。

流程圖如圖4所示。

圖4 風險分析及控制流程圖Fig.4 Flowchart of risk analysis and control

3 工程應用及結果分析

3.1 工程應用

以盾構隧道工程中管片密封材料損傷破壞的風險為例，應用盾構隧道的S-Reason分析及控制模型進行風險分析和風險控制。

1)利用專家調查表對21名一線工程師進行調查，統計調查結果并將造成管片密封材料損傷破壞的事故鏈如圖5所示，圖中變量符號的意義與表1一一對應。

圖5 管片密封材料損傷破壞的事故鏈Fig.5 Accident chains of damage and failure of segment sealing material

2)根據圖5的調查結果，建立各環節人為失誤變量的集合，如圖6所示。

圖6 管片密封材料損傷破壞的變量集合Fig.6 Variable sets of damage and failure of segment sealing material

3)在滿足子集的并集是所有事故鏈序號數組成的集合的條件下，根據所有路徑的權值和，選出最小權值和作為管片密封材料損傷破壞的最優控制路徑，計算結果為:C1—B4—D3—A9—C7—D9—C4—C6;最小權和等于16。

4)根據人為失誤產生的界面，對最優控制路徑中的人為失誤采取控制措施，如表2所示，同時要及時反饋控制措施的效果。

3.2 結果比較

為了突出S-Reason分析及控制模型的功能特點，將該模型的控制措施與常規風險控制方法的措施進行對比，結果如表2所示。

從表2可以看出，S-Reason分析及控制模型重視組織和個人因素的影響，在兼顧工程經濟性和安全性的前提下，找出了管片密封材料損傷破壞的最優控制路徑為 C1—B4—D3—A9—C7—D9—C4—C6;而常規風險控制方法忽視了組織因素的影響，很少或不能分析出導致管片密封材料損傷破壞的事故鏈。

S-Reason分析及控制模型提供的控制措施涉及到4個層面，使得工程參與單位作為整體應對施工風險，有利于提高工作效率和風險控制效果;而常規風險控制方法的控制措施主要是對管片密封材料檢驗工序的強化，容易增加一線人員對正常施工工序的工作強度。

4 結論與建議

針對S-Reason模型的不足，本文提出的S-Reason分析及控制模型的改進之處在于:對各個層次和界面上的人為失誤賦予控制難度權值，用于反映相應人為失誤的控制難易程度，進而用于確定風險事故的最優控制路徑;阻止最優控制路徑中的人為失誤以防止風險事故鏈的形成，并利用Loop 2作為控制效果的反饋路徑。

表2 S-Reason分析及控制模型與常規風險控制方法的分析比較Table 2 Comparison and contrast between S-Reason analysis and control model and conventional risk control method

結合盾構隧道工程的特點，闡明了S-Reason分析及控制模型的組成和應用步驟;通過工程應用及結果對比可知，S-Reason分析及控制模型體現出了組織和個人因素的影響，兼顧了工程的經濟性和安全性。

通過對盾構隧道施工期風險管理中人為失誤的影響進行初步探討，有助于提升不同層次人員的風險意識，也有助于改善工程人員的風險管理理念，但人為失誤具有模糊性且其控制難度權值不易量化，所以人為失誤的分析和量化在工程實踐中有待進一步的細化研究和總結。

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