基于層次分析法的水下隧道運(yùn)輸管理體系安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

文/何清 徐童 陳亮 陳蕾

根據(jù)隧道運(yùn)輸管理體系安全評(píng)價(jià)的過(guò)程和特點(diǎn)，基于層次分析法建立了水下隧道運(yùn)營(yíng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)水下隧道運(yùn)營(yíng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行定量，計(jì)算獲得各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)權(quán)重和數(shù)值，進(jìn)而建立基于層次分析法的水下隧道運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。同時(shí)用MATLAB軟件編制的水下隧道運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程序，并通過(guò)該程序?qū)λ滤淼肋\(yùn)營(yíng)安全進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析。

0.引言

近年來(lái)，隧道安全評(píng)估一直是隧道安全管理方面的重要課題之一，特別針對(duì)水下軟巖大斷面隧道，由于復(fù)雜的地質(zhì)條件、惡劣環(huán)境條件等情況，可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，本文基于層次分析法，需要對(duì)這類(lèi)隧道運(yùn)輸管理體系安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。許振浩等人[1]考慮到不良地質(zhì)、地層巖性、地下水位、地形地質(zhì)、圍巖級(jí)別等方面因素并利用層次分析法進(jìn)行評(píng)估，但在交通、駕駛?cè)艘蛩夭⑽炊嘧稣f(shuō)明；孫榮貴[2]著重考慮檢控、消防、通風(fēng)、照明、供配電設(shè)備因素并利用層次分析法進(jìn)行評(píng)估，專(zhuān)一性較強(qiáng)；江時(shí)雨等人[3]除考慮地質(zhì)因素外，又另外對(duì)隧道上覆水壓、上覆含水體的富水性、隧道深埋以及隧道半徑等因素通過(guò)物元分析法、層次分析法、BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估；張頂立等人[4]利用層次分析法對(duì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)、安全風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)詳細(xì)評(píng)估；徐建聰?shù)热薣5]研究了與裂隙帶高度和數(shù)量有關(guān)的因素，并通過(guò)層次分析法進(jìn)行評(píng)估；以上主要側(cè)重隧道本身因素、環(huán)境因素，在設(shè)備因素、交通因素等方面未做出詳細(xì)的解釋。李峰[6]對(duì)翔安隧道強(qiáng)風(fēng)化層施工的風(fēng)險(xiǎn)管理，通過(guò)運(yùn)用層次分析法和模糊綜合評(píng)估法除對(duì)不良地質(zhì)的分析外，補(bǔ)充加入了設(shè)計(jì)、支護(hù)、管理、自然災(zāi)害等因素進(jìn)行模糊評(píng)估，劉長(zhǎng)祥[11]在山區(qū)軟弱砂巖地區(qū)大跨度隧道穩(wěn)定性研究中，綜合運(yùn)用模糊綜合評(píng)估法、模糊預(yù)警、有限元模擬強(qiáng)調(diào)對(duì)監(jiān)控量測(cè)以及圍巖穩(wěn)定性因素的分析評(píng)估。

綜上所述，均未對(duì)水下大斷面隧道運(yùn)營(yíng)評(píng)估進(jìn)行考慮，水下大斷面隧道要考慮的因素要包括多個(gè)方面，包括隧道本身因素、交通因素、設(shè)備因素、駕駛?cè)艘蛩?、環(huán)境因素、危害因素、管理因素、其他因素等，情況復(fù)雜。在本文中，擬通過(guò)使用層次分析法建立水下軟巖大斷面隧道運(yùn)營(yíng)安全評(píng)估模型，得出各等級(jí)指標(biāo)的權(quán)重值，結(jié)合實(shí)例通過(guò)對(duì)評(píng)估結(jié)果的分析，驗(yàn)證評(píng)估模型的可行性和合理性。本文詳細(xì)考慮到了隧道本身因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素，在交通因素、環(huán)境因素方面并未做出詳細(xì)說(shuō)明。

1.層次分析法

層次分析法[7]（TheAnalyticHierarchyProcess，簡(jiǎn)稱(chēng)“AHP方法”）發(fā)展于20世紀(jì)70年代。其方法可分為定性分析方法、半定量分析方法和定量分析方法；其基本思路是把復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題分解成各個(gè)組成因素，將這些因素按照支配關(guān)系分組形成有序遞階的層次結(jié)構(gòu)，并在同一層次的各因素之間簡(jiǎn)單進(jìn)行比較，得到各種因素的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，從而為最終方案的選擇提供依據(jù)。

1.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型。首先進(jìn)行基本風(fēng)險(xiǎn)的分類(lèi)，之后通過(guò)建立系統(tǒng)遞階的層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)因素判斷矩陣，計(jì)算各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素相對(duì)權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，如果通過(guò)一致性檢驗(yàn)則計(jì)算綜合權(quán)重，否則重新構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)因素判斷矩陣，直至通過(guò)各風(fēng)險(xiǎn)因素相對(duì)權(quán)重的一致性檢驗(yàn)。

1.2 構(gòu)建判斷矩陣

把一層內(nèi)的因素兩兩進(jìn)行比較，減少性質(zhì)不同因素比較的困難，從而提高精確度。假設(shè)同層有n個(gè)因素A1A2……An，使用數(shù)字1～9的比例標(biāo)度aij來(lái)表示ai和aj相對(duì)比較的重要性，從而得到一個(gè)n階的判斷矩陣。

1.3 計(jì)算特征向量w和最大特征值λmax

用求和法計(jì)算判斷矩陣的特征向量和最大特征值λmax：

即通過(guò)式（2）求解：

具體解法為：按式（3）的方式對(duì)判斷矩陣A每行諸元求和：

再按式（4）進(jìn)行歸一化處理，得權(quán)重系數(shù)：

接著按式（5）求

式中，（Aw）i表示Aw的第i個(gè)分量。

對(duì)于判斷矩陣通常還應(yīng)當(dāng)按式（6）進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

判斷矩陣一致性指標(biāo)CI(ConsistencyIndex)為：

接著查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，并通過(guò)式（7）計(jì)算得出CR（隨機(jī)一致性比例）。

當(dāng)CR<0.10時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是良好的，否則需調(diào)整判斷中的元素以滿(mǎn)足一致性。一致性指標(biāo)CI的值越大，表明判斷矩陣偏離完全一致性的程度越大，CI的值越小，表明判斷矩陣越接近于完全一致性。一般判斷矩陣的階數(shù)n越大，人為造成的偏離完全一致性指標(biāo)CI的值便越大；n越小，人為造成的偏離完全一致性指標(biāo)CI的值便越小。

計(jì)算各層元素對(duì)系統(tǒng)元素的綜合權(quán)重，并進(jìn)行排序。若準(zhǔn)則層A包含m個(gè)元素，A1，A2，…，Am其層次總排序權(quán)值分別是a1，a2，…，am方案層P包含n個(gè)元素p1，p2，…，pn，它們對(duì)Aj單排序一致性指標(biāo)為b1i，b2i，…，bni，P層次總排序值見(jiàn)表1。

表1 綜合權(quán)重計(jì)算Table1Comprehensiveweighting

2.工程應(yīng)用及分析

2.1 工程概況

某隧道是一個(gè)海底隧道，全長(zhǎng)約8.5公里，其中海底隧道長(zhǎng)約6公里，跨越海域?qū)捈s4.2公里。設(shè)計(jì)采用三孔隧道方案，主洞隧道建筑限界凈寬13.5米，凈高5米。服務(wù)隧道建筑限界凈寬6.5米，凈高6米。該隧道地質(zhì)復(fù)雜，建設(shè)中相繼遇到全強(qiáng)風(fēng)化地層，富水砂層，風(fēng)化深槽三道世界性難題。建設(shè)方改進(jìn)傳統(tǒng)施工作業(yè)方法，在主洞軟弱圍巖地帶連續(xù)6個(gè)月掘進(jìn)超過(guò)60米，最高值達(dá)73米，創(chuàng)造了同等地質(zhì)條件下世界特大斷面海底隧道施工進(jìn)度紀(jì)錄。目前較為流行的一種隧道施工方法是沉管法，但沉管法對(duì)水域環(huán)境會(huì)造成一定破壞。該隧道從保護(hù)當(dāng)?shù)睾Ｑ笊鷳B(tài)環(huán)境方面考慮，使用了鉆爆法暗挖施工。

2.2 層次分析法確定風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重

2.2 .1建立風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

根據(jù)水下大斷面隧道運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)，參考以往下大斷面隧道工程運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)分析的資料以及設(shè)計(jì)資料，綜合運(yùn)用工程地質(zhì)勘測(cè)等方法在該海底隧道的運(yùn)營(yíng)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)中，找出關(guān)鍵且可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果的8項(xiàng)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，建立該海底隧道運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)的多級(jí)階梯結(jié)構(gòu)。

2.2 .2評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的確定

基于上述的指標(biāo)體系，通過(guò)各準(zhǔn)則層因素兩兩比較，對(duì)其相對(duì)重要性做出判斷，構(gòu)造判斷矩陣。

一級(jí)因素層包括隧道本身因素a交通因素b設(shè)備因素c駕駛?cè)艘蛩豥環(huán)境因素e危害因素f管理因素g其他因素h其判斷矩陣見(jiàn)式（8）。

根據(jù)層次分析法計(jì)算步驟，計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重向量為：

類(lèi)似的，二級(jí)因素層評(píng)估指標(biāo)判斷矩陣A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8對(duì)應(yīng)各自的權(quán)重分別為:

三級(jí)因素層評(píng)估指標(biāo)判斷矩陣A9，A10，A11，A12，A13對(duì)應(yīng)各自的三級(jí)因素層評(píng)估指標(biāo)權(quán)重分別為:

對(duì)于上述判斷矩陣，運(yùn)用一致性檢驗(yàn)，算得CR都小于0.1，所以不需要修改判斷矩陣的參數(shù)。

2.2 .3底層因數(shù)合成權(quán)重系數(shù)

令ci，cj，ck分別為一層準(zhǔn)則層權(quán)重，二層準(zhǔn)則層權(quán)重，三層準(zhǔn)則層權(quán)重，底層因數(shù)的合成權(quán)重c的計(jì)算見(jiàn)式（9）：

這樣就可以得知底層各因數(shù)對(duì)整體系統(tǒng)目標(biāo)的合成權(quán)重。對(duì)底層因數(shù)根據(jù)待評(píng)估軟弱圍巖水下隧道的實(shí)際情況進(jìn)行打分，并和該底層因數(shù)的合成權(quán)重系數(shù)相乘，最后將每項(xiàng)求和，計(jì)算得大斷面水下隧道安全風(fēng)險(xiǎn)值R，其中R＜4為安全，4＜R＜8為一般安全，R＞8為危險(xiǎn)。

3.水下大斷面隧道運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

為簡(jiǎn)化矩陣運(yùn)算，使操作方便，用MATLAB軟件編制了水下大斷面隧道運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序。

首先對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，直至滿(mǎn)足條件。待判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)后，若要對(duì)某個(gè)水下大斷面隧道運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，可以根據(jù)其實(shí)際情況對(duì)準(zhǔn)則層元素進(jìn)行賦值，然后得出最后的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值。

以下就應(yīng)用水下大斷面隧道運(yùn)營(yíng)安全評(píng)估模型對(duì)該隧道進(jìn)行分析。根據(jù)評(píng)估模型的需要，對(duì)該隧道的實(shí)際情況進(jìn)行了調(diào)研和統(tǒng)計(jì)，采取專(zhuān)家打分的方法，評(píng)分值見(jiàn)表2。

利用所建立的評(píng)估模型對(duì)該海底隧道進(jìn)行初步分析研究評(píng)估，該隧道的安全運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)值R約為3.45，為較安全。結(jié)合上述的隧道運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，主要在隧道本身因素，駕駛?cè)艘蛩?，危害因素等方面需要進(jìn)一步整治，以達(dá)到運(yùn)輸管理體系安全的目標(biāo)，更大程度上保障交通運(yùn)營(yíng)的安全。

表2 該海底隧道運(yùn)營(yíng)安全影響參數(shù)評(píng)分值Table2 Asubmarinetunnelsafetyparametersaffectingthe scorevalues

4.結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用層次分析法對(duì)水下大斷面隧道運(yùn)輸管理體系安全風(fēng)險(xiǎn)的影響因素進(jìn)行研究，獲得了典型風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)數(shù)值和典型風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)權(quán)重大小，建立了水下大斷面隧道運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。并且用MATLAB軟件編制了水下大斷面隧道運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序，簡(jiǎn)化了大量矩陣運(yùn)算的過(guò)程，使操作更加簡(jiǎn)便，基于已建立的水下大斷面隧道運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，選擇典型的水下大斷面隧道，實(shí)現(xiàn)了基于層次分析評(píng)估方法在水下大斷面隧道上的初步應(yīng)用。