基于能量轉(zhuǎn)移模型的豐城電廠坍塌事故演化分析

張永成， 吳明慶,2， 胡靈芝， 鐘波濤， 楊 柳

(1. 淮陰工學(xué)院 a. 管理工程學(xué)院； b. 江蘇省智能工廠工程研究中心， 江蘇 淮安 223003； 2. 南京工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院， 江蘇 南京 211800； 3. 華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 4. 湖北省國土測繪院， 湖北 武漢 430034)

建筑業(yè)是危險性最高的行業(yè)之一，與其他行業(yè)相比，建筑業(yè)具有事故規(guī)模大、概率高、頻率大、危險源多樣等特點[1]。根據(jù)住建部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國近兩年發(fā)生1426起事故，主要事故類型有：基坑坍塌、升降電梯墜落、化學(xué)物爆炸等，建筑施工過程中發(fā)生的死亡傷亡的人數(shù)較多[2]。如：2018年“2·7”廣東佛山軌道交通工程重大透水坍塌事故，造成11人死亡，1人失蹤，8人受傷；2019年“4·25”日河北衡水建筑工地施工升降機轎廂墜落重大事故，造成11人死亡，2人受傷；此類頻發(fā)的工程事故給社會發(fā)展和人民生命安全帶來了巨大影響和威脅。

為開展此類事故控制，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了相關(guān)研究，主要針對重特大安全事故發(fā)生機理和防范控制研究，何芳東等[3]基于模板支撐體系防坍塌的理論機理開展事故規(guī)律研究并提出針對性措施。徐吉釗等[4]基于能量轉(zhuǎn)移理論并結(jié)合案例研究火災(zāi)致因因素發(fā)現(xiàn)致災(zāi)過程中均伴隨著能量的交換和傳遞。Zhou等[5]通過構(gòu)建事故能量釋放模型和網(wǎng)絡(luò)理論集成框架揭示杭州地鐵坍塌事故的全部復(fù)雜性。可以看出，基于能量理論剖析事故致因因素的文獻較少。事故致因分析是理解重大安全事故發(fā)生的主要方法[6]，江西豐城電廠平臺坍塌事故涉及多參與方多層次承包分包下多層管理特點[7]，事故致險因素復(fù)雜，多風(fēng)險因素耦合后導(dǎo)致事故發(fā)生[8,9]。

為此，本文運用能量轉(zhuǎn)移模型方法，以江西豐城電廠施工平臺坍塌特別重大事故為案例，剖析事故的致因因素及其導(dǎo)致事故發(fā)生的過程，從事故中危險能量轉(zhuǎn)移的視角來理解多線性事故發(fā)生復(fù)雜機理[10]。期望本研究為重大工程安全管理提供借鑒，防范重大工程事故發(fā)生。

1 豐城電廠平臺坍塌事故背景

江西豐城電廠三期擴建工程屬于江西省電力建設(shè)重點工程，總投資額為76.7億元。事發(fā)7#冷卻塔設(shè)計塔高165 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。筒壁施工采用懸掛式腳手架翻模工藝，塔內(nèi)布置1臺液壓頂升平橋。該塔于2016年4月11日開工建設(shè)，至事故發(fā)生時，已澆筑完成第52節(jié)筒壁混凝土，高度為76.7 m，工程總體情況如圖1所示。

圖1 7#冷卻塔工程總體情況

豐城電廠平臺坍塌事故以事故調(diào)查報告為主要信息來源，事故經(jīng)過包括施工情況和事故情況兩部分如圖2所示。2016年11月24日，早晨6時，7#冷卻塔施工混凝土班組、鋼筋班組先后完成該塔第52節(jié)混凝土澆筑和第53節(jié)鋼筋綁扎作業(yè)，離開作業(yè)面。隨后，木工組70人分布在筒壁四周施工平臺上，拆除第50節(jié)并安裝第53節(jié)模板。此外，與施工平臺連接的平橋上有3名作業(yè)人員，冷卻塔底部有19名工人正在作業(yè)。早晨7時33分，7#冷卻塔第50節(jié)筒壁混凝土從后期澆筑完成部位開始沿圓周向兩側(cè)傾塌墜落，施工平臺及平橋上的作業(yè)人員隨筒壁混凝土及模架體系一起墜落。期間，墜落物砸中平橋附著拉鎖，導(dǎo)致平橋晃動、倒塌，事故持續(xù)24 s。

圖2 豐城電廠平臺坍塌事故發(fā)生過程

2 能量轉(zhuǎn)移模型和網(wǎng)絡(luò)理論方法

事故因果模型或理論被廣泛應(yīng)用于解釋事故過程和分析相應(yīng)的因果因素。典型的事故分析理論有：事故傾向性理論[11]、多米諾骨牌理論[12]、瑞士奶酪模型理論以及社會技術(shù)因果關(guān)系模型理論[13]。相關(guān)的事故致因模型理論為事故理解與控制提供了有效的理論基礎(chǔ)。其中，Gibson等[14,15]提出了能量轉(zhuǎn)移理論，認為安全事故是一種非正常的能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致事故傷害發(fā)生。能量轉(zhuǎn)移理論從物理學(xué)、工程學(xué)與管理學(xué)交叉的視角，討論工程中因能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的事故發(fā)生機理，從能量轉(zhuǎn)移角度分析事故，改變能量的傳遞方式或者方向就會導(dǎo)致事故的發(fā)生或阻斷(如：基坑坍塌，重力勢能釋放)，事故的發(fā)生往往都是能量控制不好的結(jié)果[16]。

與傳統(tǒng)的線性事故因果模型相比，能量轉(zhuǎn)移模型能有效地識別復(fù)雜施工環(huán)境下的安全隱患，分析事故發(fā)生的詳細過程，該模型將事故視為控制問題，有利于對事故因果分析和能量傳遞控制。運用能量轉(zhuǎn)移模型可以更好地解釋該平臺坍塌過程中安全隱患的影響。豐城電廠平臺坍塌事故是一次綜合性事故，多個不同類型的風(fēng)險事件之間存在著多重聯(lián)系[5]，構(gòu)成了事故過程中的事故網(wǎng)絡(luò)。雖然能量轉(zhuǎn)移模型易于把握事故的本質(zhì)并分析其因果關(guān)系，但仍然無法全面解釋風(fēng)險事件之間的關(guān)聯(lián)性。為了更好的理解事故的動態(tài)過程，網(wǎng)絡(luò)理論方法可用來建立子風(fēng)險事件之間的網(wǎng)絡(luò)[5]，通過計算其拓撲參數(shù)，如頂點的度、聚類系數(shù)等，能有效解釋能量轉(zhuǎn)移節(jié)點之間的關(guān)系。基于能量轉(zhuǎn)移模型和網(wǎng)絡(luò)分析框架如圖3，步驟如下：

步驟1：基于能量轉(zhuǎn)移模型開展能量識別、能量約束失效的原因分析、能量轉(zhuǎn)移分析，構(gòu)建因果模型和能量轉(zhuǎn)移變化模型；

圖3 基于能量轉(zhuǎn)移模型的豐城電廠平臺坍塌事故分析框架

步驟2：基于網(wǎng)絡(luò)理論方法建立完整風(fēng)險事件網(wǎng)絡(luò)，揭示事故的發(fā)生過程中風(fēng)險事件的動態(tài)影響關(guān)系及復(fù)雜性。

3 豐城電廠平臺坍塌事故形成及演化過程

3.1 施工平臺坍塌事故能量轉(zhuǎn)移分析

3.1.1 危險能量識別分析

首先，需要開展事故中危險能量的產(chǎn)生及來源分析與識別。能量可以是一件設(shè)備或一種具有休眠能量的材料情況，這種休眠能量具有受傷、死亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞的風(fēng)險，如機械的運動部分、爆炸性材料和行駛的車輛，不同類型事故中危險能量來源往往是不同的。以表1中江西豐城電廠生產(chǎn)過程中的7個分項風(fēng)險事件為基礎(chǔ)，對工程中危險能量來源及類型判別，見表2。可以看出，工程材料和工程負荷是主要的能量源，重力勢能和化學(xué)能是主要的危險能量。

3.1.2 能量約束失效原因分析

基于上述危險能量的分析與識別，可從直接事故因素、形成階段因素和根源影響因素三個方面分析能量約束失效的原因，并建立豐城電廠平臺坍塌事故因果演化模型如圖4所示。

直接事故因素層次中的因素是直接的，主要為人、材料、機械和環(huán)境。根據(jù)事故調(diào)查報告，人為因素涉及臨時工人的技術(shù)經(jīng)驗有限、缺乏對工人培訓(xùn)、疲勞施工、降低施工費用、盲目壓縮工期、對安全風(fēng)險存在僥幸心理等。材料因素包括支板安裝不正確、焊接接頭薄弱、拉鎖間連接不牢固、支護結(jié)構(gòu)不完善等。環(huán)境因素包括氣溫驟降、雨水天氣較多等。

表1 施工中階段性風(fēng)險事件分析

表2 施工中危險能量來源與類型判別

圖4 豐城電廠平臺坍塌事故因果演化過程

形成階段因素作為中間層因素，與管理相關(guān)并對直接事故情況產(chǎn)生影響。根據(jù)事故調(diào)查報告，這里的形成因素包括被發(fā)現(xiàn)的危險或險情被忽視、逃生路徑不完善、安全措施不完善、安全培訓(xùn)無效、分包方式過于隨便、進出庫登記制度不完善、應(yīng)急預(yù)案不足、工作時間過長等。

根源影響因素是事故最根源層面的因素，對形成階段因素有著直接影響。根據(jù)事故調(diào)查報告，該事故在這里產(chǎn)生的影響包括：多層承包、政府監(jiān)管失靈、建設(shè)單位提出“大干100天”的策劃。

3.1.3 能量轉(zhuǎn)移變化過程分析

危險能量轉(zhuǎn)移變化是導(dǎo)致事故發(fā)生的根本原因，約束危險能量轉(zhuǎn)移傳遞是遏制事故發(fā)生的最有效途徑。因此，筆者從風(fēng)險事件、初始能量、能量約束失效、能量變化、能量轉(zhuǎn)移過程這些角度橫向分析能量轉(zhuǎn)移變化詳細過程如圖5所示。豐城電廠平臺坍塌事故包含7個風(fēng)險事件，其詳細能量分析過程如下：因氣溫驟降，自然界的熱能轉(zhuǎn)換為筒外壁化學(xué)能；由于筒外壁和模板本身存在重力勢能，導(dǎo)致能量儲存迅速增加；事故發(fā)生后，轉(zhuǎn)化為混凝土的動能；在此動能的基礎(chǔ)上加上腳手架的重力勢能，導(dǎo)致動能繼續(xù)大幅度增加；由于墜落物體的增加(混凝土、模架體系、平臺、作業(yè)人員)，導(dǎo)致重力勢能增加，最后都轉(zhuǎn)移為墜落物體的動能，事故發(fā)生。

3.2 施工平臺坍塌事故風(fēng)險事件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

豐城電廠平臺坍塌事故并不是孤立發(fā)生的，它是7種不同類型風(fēng)險事件的綜合，包括氣溫驟降D1、筒外壁施工D2、混凝土強度不足D3、木工組拆模D4、混凝土和模架墜落D5、墜落物沖擊連接拉鎖D6、平橋整體坍塌D7。其中，一個風(fēng)險事件既可能是前事件的結(jié)果， 也可能是后事件的原因，這與能量轉(zhuǎn)移變化的方向一致。例如，混凝土強度不足是由于氣溫驟降造成的，同時也會引起混凝土和模架體系墜落；混凝土和模架墜落是由違規(guī)拆模造成的，同時也會引起墜落物沖擊連接拉鎖和平橋整體坍塌，因此它們之間構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。從能量的角度看，混凝土化學(xué)能由自然界熱能轉(zhuǎn)移而來，同時將混凝土化學(xué)能轉(zhuǎn)換為混凝土、模板和腳手架的動能，它們之間的多重關(guān)系構(gòu)成了事故鏈。基于Pajek軟件繪制的江西豐城電廠事故網(wǎng)絡(luò)圖，如圖6所示，其中，頂點表示風(fēng)險事件，邊表示從一個風(fēng)險事件到另一個風(fēng)險事件的關(guān)系，該圖形網(wǎng)絡(luò)有7個頂點和14條邊。該網(wǎng)絡(luò)不僅表達了各個風(fēng)險事件之間多重影響關(guān)系[17]，也反映了能量轉(zhuǎn)移變化的方向過程。

圖5 豐城電廠平臺坍塌事故能量轉(zhuǎn)移變化過程

圖6 豐城電廠平臺坍塌事故風(fēng)險事件網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)江西豐城電廠坍塌事故調(diào)查報告和圖6坍塌事故風(fēng)險事件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的混凝土強度不足是被關(guān)聯(lián)次數(shù)最多的風(fēng)險事件，因此它也是整個事故網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點和關(guān)鍵要素。由于氣溫驟降，導(dǎo)致混凝土沒有在正常時間內(nèi)滿足規(guī)范強度，施工人員違規(guī)拆模加劇了事故的發(fā)酵，導(dǎo)致混凝土模架體系墜落，緊接著墜落物沖擊連接拉鎖，最終導(dǎo)致平橋整體坍塌，在這個網(wǎng)絡(luò)中形成了幾個閉環(huán)。通過計算探索網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比視覺檢查更簡潔和精確[18]。運用拓撲參數(shù)計算分析事故的擴散情況，充分反映事故網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性如表3所示。

表3 風(fēng)險事件網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標計算

頂點的度、聚類系數(shù)和介數(shù)中心性是反映網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的三個關(guān)鍵指標[19]。根據(jù)計算得到，該事故網(wǎng)絡(luò)的平均程度為5，其中輸出度最大的是混凝土強度不足，這表明混凝土強度不足是該事故網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點，同時也說明重力勢能和化學(xué)能是危險性較大的能量。該事故聚集系數(shù)為0.538，表明該網(wǎng)絡(luò)具有小世界特征，一個小世界的網(wǎng)絡(luò)通常比一個普通網(wǎng)絡(luò)的傳播速度快得多，這一特點給控制風(fēng)險事件的傳播帶來了挑戰(zhàn)。該事故網(wǎng)絡(luò)中混凝土強度不足的介數(shù)中心性最大，為0.211，說明從所有風(fēng)險事件到其他風(fēng)險事件的最短路徑中，通過混凝土強度不足的最短路徑最多，有效控制施工規(guī)范作業(yè)程度，可有效降低事故網(wǎng)絡(luò)中次事故擴散的效率。

3.3 案例事故發(fā)生分析與討論

基于能量轉(zhuǎn)移模型有效地從能量約束失效及控制的微觀視角分析事故發(fā)生機理過程。分析表明，豐城電廠平臺坍塌事故是系列能量約束失效導(dǎo)致危險能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的一場特大工程事故。通過分析梳理出了7個風(fēng)險事件的能量來源、儲存和轉(zhuǎn)移等，分析出重力勢能、化學(xué)能是事故發(fā)生中的主要危險能量，約束失效后導(dǎo)致重力勢能、化學(xué)能向動能能量類型的轉(zhuǎn)移且動能能量約束失效是坍塌事故發(fā)生的直接方面。其次，能量約束失效的主要因素包括直接因素、形成因素和根源因素三個方面；如果施工中各單位按照國家規(guī)范要求安全施工，嚴格遵守施工順序，且施工管理有效，事故發(fā)生或許可以避免。

為進一步簡單有效地控制重特大安全生產(chǎn)事故的發(fā)生，本研究從宏觀的角度去理解該施工平臺坍塌事故中風(fēng)險事件之間的多重影響關(guān)系，針對上述的7種風(fēng)險事件進行了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析。分析表明：混凝土強度不足是該事故網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點和核心因素，只有有效的切斷其他風(fēng)險事件與該風(fēng)險事件之間的聯(lián)系，才能控制事故的發(fā)生。通過計算相應(yīng)的拓撲參數(shù)，如輸入度、輸出度、所有度、聚類系數(shù)、介數(shù)中心性等，可準確識別關(guān)鍵風(fēng)險事件，從而提前對該風(fēng)險事件加強管控，提出有效的防控措施，以降低事故網(wǎng)絡(luò)的連通性，進而有效降低事故傳播的效率，遏制該類工程事故發(fā)生的概率與嚴重程度。

4 結(jié) 語

本研究以豐城電廠施工平臺坍塌事故為案例，從能量轉(zhuǎn)移模型視角，開展事故中危險能量與風(fēng)險事件發(fā)生過程分析。研究發(fā)現(xiàn)：多層致險因素導(dǎo)致了風(fēng)險事件發(fā)生，且呈現(xiàn)復(fù)雜連接關(guān)系；進而又傳導(dǎo)至物理實體，發(fā)生危險能量轉(zhuǎn)移同時能量約束體系失效，是該復(fù)雜事故發(fā)生并演化的過程機理。其中，事故中風(fēng)險事件之間的多重影響關(guān)系，構(gòu)建風(fēng)險事件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析，進一步對風(fēng)險事件所產(chǎn)生的危險能量轉(zhuǎn)移分析，反映出危險能量是重特大安全生產(chǎn)事故把控的關(guān)鍵節(jié)點。期望本案例分析能為工程事故發(fā)生過程理解提供有益借鑒與參考，為重特大事故防范及安全管理提供有效管理思路。

本研究主要從技術(shù)層面因素進行分析，管理層面因素尚未展開詳細討論，后續(xù)可以深入探究管理因素所導(dǎo)致的事故發(fā)生耦合作用關(guān)系。