基于AHP與CIM的海底隧道施工風險評估與控制

李 繼 超

(山東農(nóng)業(yè)大學經(jīng)濟管理學院，山東 泰安 271017)

1 概述

近年來，海底隧道施工事故頻發(fā)，日本青函海底隧道施工中先后發(fā)生4次涌水[1]，英法海底隧道發(fā)生火災(zāi)事故[2],我國的港珠澳大橋項目截止到2017年9月造成9起人員傷亡事故。這些安全事故的發(fā)生引起了國內(nèi)外學者的高度重視，利用專家調(diào)查法、層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)、模糊數(shù)學法、蒙特卡羅(Monte Carlo,MC)模擬等方法，進行了大量的研究并且取得了不錯的成果。但是，方法相對單一，受主觀因素影響較大。本文在前人研究基礎(chǔ)上，建立了海底隧道施工風險的AHP-CIM評估模型(層次分析法與控制區(qū)間和記憶評估模型)，并提出相應(yīng)的控制措施。AHP具有系統(tǒng)、簡潔實用性，對事物進行定性分析，但主觀因素存在不易令人信服，CIM側(cè)重處理定量問題，對事物評價比較科學，但不適用于處理定性指標問題，將AHP-CIM相結(jié)合既可以克服CIM在獨自運用時不能很好處理定性指標的問題，又能彌補AHP模型受主觀因素影響的缺陷，實現(xiàn)定性定量相結(jié)合。

2 AHP-CIM風險評估模型

本文首先利用層次分析法(AHP)[3]對海底隧道施工技術(shù)風險進行識別，根據(jù)識別出的風險因素進行專家打分，然后計算準則層各因素權(quán)重并檢驗一致性。具體有：

1)建立海底隧道施工風險層次結(jié)構(gòu)模型；

2)構(gòu)造比較判斷矩陣；

3)計算層次單排序與總排序并進行一致性檢驗[4，5]。在此基礎(chǔ)上，利用模糊評價確定指標層風險因素概率，建立控制區(qū)間和記憶評估模型(CIM)[6]，由指標層向目標層依次進行疊加計算總的施工風險等級。在海底隧道施工風險中，各級風險因素的出現(xiàn)具有隨機性，將其同級風險因素簡化為并聯(lián)關(guān)系，因此適用于CIM模型的并聯(lián)響應(yīng)模型。其組合影響概率公式如下所示:

P(Xa=xa)=

式中：Xa——表風險因素；

xa——被劃分的區(qū)間。

3 AHP和CIM模型在海底隧道工程中的應(yīng)用

渤海海峽跨海隧道(即煙大海底隧道)北起大連旅順，南至煙臺蓬萊，全長123 km。該隧道將采用“2+1”深埋式“全隧道”方案(即單洞單線隧道+服務(wù)隧道+單洞單線隧道)，服務(wù)隧道位置略低于兩側(cè)車道。主隧道和服務(wù)隧道采用敞開式TBM+鉆爆法進行施工，復(fù)合式襯砌。劃分為蓬萊端隧道口—北長山島豎井、北長山島豎井—北城隍島豎井、北城隍島豎井—旅順端隧道口三段。與此同時，采用深埋法解決防水的問題。

3.1 構(gòu)建海底隧道施工風險評估指標體系

通過查找和總結(jié)先前隧道施工風險分析的資料和信息數(shù)據(jù)[5,7,8],根據(jù)AHP的基本原理，建立了海底隧道施工風險的綜合評估指標體系，該體系共分為三層，即目標層、準則層、指標層，見圖1。

3.2 運用AHP確定風險因素的權(quán)重

結(jié)合渤海海峽跨海隧道工程實際情況，將圖1作為渤海海峽跨海隧道施工風險綜合評價體系的風險因素層次圖，按照1～9標度法，請海底隧道專家對各風險因素進行兩兩比較，并給出相應(yīng)的標度值，運用AHP確定準則層B的權(quán)重，計算結(jié)果如表1所示。

表1 準則層B風險因素矩陣表

經(jīng)檢驗判斷準則層B風險因素CI<0.1，隨機一致性比率CR<0.1，即為通過一致性檢驗。對于B層次以下各C層的子風險因素，認定其權(quán)重是一致的。

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3.3 運用CIM模型對海底隧道施工風險進行評價

本文結(jié)合模糊評價確定最后一層風險因素的概率分布，因此CIM模型在海底隧道施工風險評價中有：

1)建立因素集(采用圖1)。

2)建立評價集。它是指評價者對風險因素可能做出的各種評價結(jié)果組成的一種集合，評價結(jié)果采用五級方式[9]，分別是風險大、風險比較大、風險適中、風險比較小、風險小，評價集用V表示，即V={風險大，風險比較大，風險適中，風險比較小，風險小}。

3)確定指標層C風險因素概率分布。通過對海底隧道施工相關(guān)專家的調(diào)查(12人)，請專家對最后一層風險因素i給出評價j,然后計算最后一層每個風險因素的概率分布Pij[10]，公式如下：

其中，Nj為把風險因素i歸為同一風險檔次j的專家人數(shù);N為專家的總數(shù)。

4)根據(jù)指標層C運用CIM的并聯(lián)響應(yīng)模型，計算準則層B和海底隧道施工總風險的概率分布，見表2，表3。

表2 準則層B風險因素概率分布表

表3 海底隧道施工風險總的概率分布

由表3可知，該海底隧道施工總風險等級比較大，其概率為 37.3%。

通過AHP-CIM結(jié)合對渤海海峽跨海隧道工程的施工風險評價，得出結(jié)論：自然因素、管理因素風險等級為適中的可能性大；工程地質(zhì)因素、勘察設(shè)計因素、施工技術(shù)因素風險等級比較大，尤其是施工技術(shù)風險因素，其次是工程地質(zhì)風險因素；工程施工總的風險等級比較大。

4 海底隧道施工風險控制

由于渤海海峽跨海隧道施工技術(shù)因素、工程地質(zhì)因素風險比較大，對此提出以下措施進行風險控制：在施工前應(yīng)準確探測工程地質(zhì)條件,制定全面并且可靠的施工、消防措施以及緊急情況下的逃生訓練等；加強地下水處理和防排水工作，制定“以排為主”，“截”“堵”“排”相結(jié)合的綜合措施[11]，并建立動態(tài)的突涌水監(jiān)測系統(tǒng)；根據(jù)不同地質(zhì)分段制訂地質(zhì)超前預(yù)報和現(xiàn)場監(jiān)控量測計劃，采用綜合的地質(zhì)超前預(yù)報方案[12]，提高預(yù)報精度；控制超欠挖程度，組織專業(yè)技能人才提高鉆孔技術(shù)水平，加強施工管理；加強支護措施，把握好支護時機。

5 結(jié)語

本文建立了AHP-CIM模型，并利用該模型對渤海海峽跨海隧道項目的風險進行了研究，識別出5種風險因素和16個子風險，得出隧道施工總風險等級比較大，針對施工技術(shù)、工程地質(zhì)風險提出了控制措施。該模型建立過程較為合理完整，有一定的可信性，可為今后的類似風險評估項目提供參考。

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