基于FAHP的設(shè)計(jì)階段隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

邱成虎

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅蘭州730030）

1 概述

近年來西部貧困落后地區(qū)交通基礎(chǔ)建設(shè)取得長(zhǎng)足發(fā)展，然而隧道工程建設(shè)全周期面臨不確定性，也存在著眾多的風(fēng)險(xiǎn)。國家“以人為本”、平安交通理念逐步深入民心，為減少不確定性因素的影響，降低工程經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和環(huán)境破壞，開展隧道工程設(shè)計(jì)階段的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估尤為重要[1]。

目前，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估手段逐漸豐富，文獻(xiàn)[2]利用專家調(diào)查法和層次分析法評(píng)估公路長(zhǎng)隧道設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)；文獻(xiàn)[3]采用分段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、檢查表法和專家調(diào)查法評(píng)估特長(zhǎng)隧道設(shè)計(jì)階段的安全風(fēng)險(xiǎn)；文獻(xiàn)[4]基于改進(jìn)KMeans 聚類模型的公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析及其應(yīng)用；文獻(xiàn)[5]論證了貝葉斯理論在公路隧道施工安全重大風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可行性和適用性；文獻(xiàn)[6]建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判評(píng)估高速公路隧道運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)；文獻(xiàn)[7]構(gòu)建隧道分區(qū)段和總體運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，提出隧道分區(qū)段運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

本文識(shí)別某隧道工程風(fēng)險(xiǎn)源，利用層次分析法計(jì)算隧道全周期風(fēng)險(xiǎn)的影響因素權(quán)重，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，將不精確的表達(dá)數(shù)字化處理，獲得隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并提出風(fēng)險(xiǎn)控制措施降低風(fēng)險(xiǎn)。

2 FAHP基本原理

2.1 層次分析法

層次分析法是一種定性分析與定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。其評(píng)價(jià)流程[8]如下。

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。確定評(píng)價(jià)目標(biāo)，分析系統(tǒng)各因素間的關(guān)系，將風(fēng)險(xiǎn)因素按性質(zhì)和隸屬關(guān)系分層次排列。

（2）構(gòu)造判斷矩陣。根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合1～9標(biāo)度，運(yùn)用專家調(diào)查法兩兩比較構(gòu)造出判斷矩陣。

（3）由判斷矩陣計(jì)算被比較元素對(duì)于該準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重，最大特征值λmax與特征向量W 之間的關(guān)系為AW=λmaxW。

（4）一致性檢驗(yàn)。通過C.R.=C.I./R.I.計(jì)算一致性比例C.R.，當(dāng)C.R.＜0.1時(shí)，認(rèn)為具有滿意的一致性。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將不易定量的因素定量化、綜合評(píng)價(jià)的方法[9]，其評(píng)價(jià)方法如下。

（1）建立評(píng)價(jià)因素集U={u1,u2,…,un}。

（2）建立評(píng)價(jià)集V={v1,v2,…,vn}。

（3）確定隸屬度，建立評(píng)價(jià)矩陣R。

（4）建立因素權(quán)重集A={a1,a2,…,an}。

（5）綜合考慮所有因素的影響，建立綜合評(píng)判矩陣B=A·R={b1,b2,…,bn}。

（6）評(píng)判結(jié)果。由模糊綜合評(píng)判指標(biāo)bj對(duì)評(píng)判指標(biāo)做出綜合評(píng)判結(jié)論。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某隧道是高速公路特長(zhǎng)隧道（4068m），最大埋深357m。地處隴東、隴西黃土高原溫冷氣候帶，構(gòu)造剝蝕石質(zhì)低中山區(qū)，山勢(shì)呈西北高東南低，地勢(shì)起伏大。隧道穿越第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，上更新統(tǒng)洪積黃土、碎石、新近系砂質(zhì)泥巖、砂礫巖、古近系礫巖、加里東期變質(zhì)輝綠巖、下古生界黑云母石英片巖。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，以正交形式穿越潘河莊斷層，上盤為輝綠巖，下盤為黑云母石英片巖，斷裂特征不明顯。地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s。洞身范圍內(nèi)地表水不發(fā)育，存在第四系孔隙水及基巖裂隙水，單線最大涌水量約為4612m3/d。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別

結(jié)合隧道地勘資料、水文地質(zhì)資料及設(shè)計(jì)資料，采用專家調(diào)查法分析和辨識(shí)隧道全壽命周期的安全風(fēng)險(xiǎn)，將隧道生命周期風(fēng)險(xiǎn)歸納總結(jié)為勘察設(shè)計(jì)、工程施工、項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)、工程建設(shè)管理四個(gè)方面。建立隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

選擇經(jīng)驗(yàn)豐富的隧道建設(shè)管理者、設(shè)計(jì)專家、地勘專家、施工專家、科研工作者組成評(píng)判小組，構(gòu)造出判斷矩陣，計(jì)算各層中影響因素的權(quán)重，如表1所示。

在基準(zhǔn)層上，工程施工和工程勘察設(shè)計(jì)是主要的風(fēng)險(xiǎn)影響因素。

在第一指標(biāo)層上，工程勘察設(shè)計(jì)、突涌水、巖爆、運(yùn)營(yíng)管理、項(xiàng)目合同、建設(shè)資金、建設(shè)工期、工程質(zhì)量是影響隧道的主要風(fēng)險(xiǎn)。

在第二指標(biāo)層上，對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)的主要影響因素有圍巖分級(jí)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工措施、施工過程管理、輔助施工措施、支護(hù)類型、通風(fēng)措施、施工質(zhì)量、防災(zāi)救援管理、維修養(yǎng)護(hù)措施、環(huán)境污染。

3.4 評(píng)語集

對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)量化處理，假設(shè)評(píng)價(jià)集為V={5,4,3,2,1}，5為很可能，4為可能，3為偶然，2為不可能，1為很不可能。

3.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度矩陣

通過專家評(píng)審、調(diào)查打分和統(tǒng)計(jì)的方法建立模糊子集，得到單因素的隸屬向量ri={ri1,ri2,…,rim}，構(gòu)建隸屬度矩陣Rij，鑒于文章篇幅，給出隸屬度矩陣R11、R12，其余不再一一列出。

表1 權(quán)重計(jì)算結(jié)果表

續(xù)表1 權(quán)重計(jì)算結(jié)果表

3.6 模糊綜合評(píng)判

（1）由一級(jí)模糊綜合評(píng)判的隸屬度矩陣及其相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算Uij的模糊綜合評(píng)判集Bij=Wij×Rij。

B11=(0 0.6579 0.3421 0 0),B12=(0 0.4854 0.5146 0 0)

B21=(0 0.6055 0.3945 0 0),B22=(0 0.5991 0.4009 0 0)

B23=(0 0.6548 0.3452 0 0),B24=(0 0.5668 0.4332 0 0)

B25=(0 0.6345 0.3655 0 0),B26=(0 0.6499 0.3501 0 0)

B27=(0 0.4893 0.5107 0 0),B28=(0 0.6018 0.3982 0 0)

B29=(0 0.5801 0.4199 0 0),B31=(0 0.5502 0.4498 0 0)

B32=(0 0.6478 0.3522 0 0),B33=(0 0.5055 0.4945 0 0)

B34=(0 0.5 0.5 0 0),B35=(0 0.4489 0.5511 0 0)

B36=(0 0.469 0.531 0 0),B41=(0 0.3000 0.7 0 0)

B42=(0 0.3 0.7 0 0),B43=(0 0.18 0.82 0 0)

B44=(0 0.6287 0.3713 0 0),B45=(0 0.6244 0.3756 0 0)

（2）建立二級(jí)模糊綜合評(píng)判的隸屬度矩陣Ri=(Bi1T,Bi2T,…,BinT)T，由二級(jí)模糊評(píng)判的隸屬度矩陣及相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算Ui的模糊綜合評(píng)判集Bi=Wi×Ri。

B1=(0 0.5716 0.4284 0 0),B2=(0 0.5887 0.4113 0 0)

B3=(0 0.4995 0.5005 0 0),B4=(0 0.3824 0.6176 0 0)

（3）建立三級(jí)模糊綜合評(píng)判的隸屬度矩陣R=(B1T,B2T,B3T,B4T)T。由三級(jí)模糊綜合評(píng)判的隸屬度矩陣及相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算U的模糊綜合評(píng)判集B=W×R。

B=(0 0.5327 0.4673 0 0)。

（4）采用最大隸屬度對(duì)評(píng)語集計(jì)算該隧道風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率為P=0.05327，該隧道發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率等級(jí)為4級(jí)，可能發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

4 控制措施建議

對(duì)主要影響因素采取有效的管理措施，因地制宜，監(jiān)管影響隧道風(fēng)險(xiǎn)的次要方面。

（1）精心勘察，精心設(shè)計(jì)。獲取詳細(xì)的地質(zhì)勘察資料，合理設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，完善隧道的防排水設(shè)計(jì)、防凍保溫設(shè)計(jì)、交通安全設(shè)計(jì)和機(jī)電工程設(shè)計(jì)等，加強(qiáng)特殊隧道設(shè)計(jì)。

（2）鑄造品質(zhì)、保護(hù)環(huán)境。合理選擇隧道洞門，降低洞口開挖高度，合理利用隧道棄渣，加強(qiáng)棄渣場(chǎng)的規(guī)劃和選址、攔擋設(shè)計(jì)和防排水設(shè)計(jì)，強(qiáng)化棄渣場(chǎng)復(fù)耕和綠化。

（3）以人為本，安全至上。合理選擇施工方法，嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺和爆破震動(dòng)，加強(qiáng)超前支護(hù)，及時(shí)封閉成環(huán)。采取有效的通風(fēng)、照明、防塵、降噪和通訊措施，改善施工作業(yè)環(huán)境。規(guī)范施工過程、質(zhì)量和安全管理，完善施工組織，提升工程施工水平。

（4）未雨綢繆，防患未然。加強(qiáng)隧道監(jiān)控量測(cè)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工，制定應(yīng)急處理預(yù)案及緊急救援方案。

（5）科學(xué)管理，合理調(diào)度。制定詳細(xì)的管理和養(yǎng)護(hù)方案，定期檢查維修。通過交通法規(guī)強(qiáng)化交通管制，有效利用教育手段規(guī)范車輛安全行駛，完善交通監(jiān)控系統(tǒng)，合理利用交通信息積極引導(dǎo)、疏解交通。積極開展消防演習(xí)，提高救援效能。

（6）精心策劃，科學(xué)管理。倡導(dǎo)綠色交通，保護(hù)自然環(huán)境，建設(shè)期完善項(xiàng)目合同制度和合同管理，籌劃項(xiàng)目資金運(yùn)轉(zhuǎn)，合理安排項(xiàng)目進(jìn)展，嚴(yán)把工程質(zhì)量。

5 結(jié)論

本文通過全面系統(tǒng)的調(diào)研與分析，建立隧道生命周期風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定影響因素的權(quán)重，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)指標(biāo)體系中的單因素和整體進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析了隧道風(fēng)險(xiǎn)各指標(biāo)層的主要影響因素。判定該隧道發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率等級(jí)為“4 級(jí)、可能發(fā)生”，提出隧道風(fēng)險(xiǎn)控制的主要措施建議。建議項(xiàng)目建設(shè)各階段根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)管理的動(dòng)態(tài)性細(xì)化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，完善風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理。