基于FAHP的設計階段隧道風險評價

邱成虎

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅蘭州730030）

1 概述

近年來西部貧困落后地區交通基礎建設取得長足發展，然而隧道工程建設全周期面臨不確定性，也存在著眾多的風險。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，降低工程經濟損失、人員傷亡和環境破壞，開展隧道工程設計階段的安全風險評估尤為重要[1]。

目前，風險評估手段逐漸豐富，文獻[2]利用專家調查法和層次分析法評估公路長隧道設計安全風險；文獻[3]采用分段風險評估、檢查表法和專家調查法評估特長隧道設計階段的安全風險；文獻[4]基于改進KMeans 聚類模型的公路隧道施工風險分析及其應用；文獻[5]論證了貝葉斯理論在公路隧道施工安全重大風險源風險評估的可行性和適用性；文獻[6]建立遞階層次結構模型，運用模糊綜合評判評估高速公路隧道運營安全風險；文獻[7]構建隧道分區段和總體運營安全風險評估指標體系，提出隧道分區段運營安全風險評估標準。

本文識別某隧道工程風險源，利用層次分析法計算隧道全周期風險的影響因素權重，運用模糊綜合評價方法，將不精確的表達數字化處理，獲得隧道風險等級，并提出風險控制措施降低風險。

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合的系統分析方法。其評價流程[8]如下。

（1）建立層次結構模型。確定評價目標，分析系統各因素間的關系，將風險因素按性質和隸屬關系分層次排列。

（2）構造判斷矩陣。根據層次結構模型，結合1～9標度，運用專家調查法兩兩比較構造出判斷矩陣。

（3）由判斷矩陣計算被比較元素對于該準則的相對權重，最大特征值λmax與特征向量W 之間的關系為AW=λmaxW。

（4）一致性檢驗。通過C.R.=C.I./R.I.計算一致性比例C.R.，當C.R.＜0.1時，認為具有滿意的一致性。

2.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是應用模糊關系合成的原理，將不易定量的因素定量化、綜合評價的方法[9]，其評價方法如下。

（1）建立評價因素集U={u1,u2,…,un}。

（2）建立評價集V={v1,v2,…,vn}。

（3）確定隸屬度，建立評價矩陣R。

（4）建立因素權重集A={a1,a2,…,an}。

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

（6）評判結果。由模糊綜合評判指標bj對評判指標做出綜合評判結論。

3 工程實例

3.1 工程概況

某隧道是高速公路特長隧道（4068m），最大埋深357m。地處隴東、隴西黃土高原溫冷氣候帶，構造剝蝕石質低中山區，山勢呈西北高東南低，地勢起伏大。隧道穿越第四系上更新統風積黃土，上更新統洪積黃土、碎石、新近系砂質泥巖、砂礫巖、古近系礫巖、加里東期變質輝綠巖、下古生界黑云母石英片巖。區域地質構造較為復雜，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。地震動峰值加速度為0.20g，地震動反應譜特征周期為0.45s。洞身范圍內地表水不發育，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 風險源識別

結合隧道地勘資料、水文地質資料及設計資料，采用專家調查法分析和辨識隧道全壽命周期的安全風險，將隧道生命周期風險歸納總結為勘察設計、工程施工、項目運營、工程建設管理四個方面。建立隧道風險評價指標體系，如圖1所示。

圖1 隧道風險評價指標體系

3.3 評價指標權重

選擇經驗豐富的隧道建設管理者、設計專家、地勘專家、施工專家、科研工作者組成評判小組，構造出判斷矩陣，計算各層中影響因素的權重，如表1所示。

在基準層上，工程施工和工程勘察設計是主要的風險影響因素。

在第一指標層上，工程勘察設計、突涌水、巖爆、運營管理、項目合同、建設資金、建設工期、工程質量是影響隧道的主要風險。

在第二指標層上，對隧道風險的主要影響因素有圍巖分級、結構設計、施工措施、施工過程管理、輔助施工措施、支護類型、通風措施、施工質量、防災救援管理、維修養護措施、環境污染。

3.4 評語集

對隧道風險等級量化處理，假設評價集為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 評價指標隸屬度矩陣

通過專家評審、調查打分和統計的方法建立模糊子集，得到單因素的隸屬向量ri={ri1,ri2,…,rim}，構建隸屬度矩陣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 權重計算結果表

續表1 權重計算結果表

3.6 模糊綜合評判

（1）由一級模糊綜合評判的隸屬度矩陣及其相應的指標權重計算Uij的模糊綜合評判集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）建立二級模糊綜合評判的隸屬度矩陣Ri=(Bi1T,Bi2T,…,BinT)T，由二級模糊評判的隸屬度矩陣及相應的指標權重計算Ui的模糊綜合評判集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）建立三級模糊綜合評判的隸屬度矩陣R=(B1T,B2T,B3T,B4T)T。由三級模糊綜合評判的隸屬度矩陣及相應的指標權重計算U的模糊綜合評判集B=W×R。

B=(0 0.5327 0.4673 0 0)。

（4）采用最大隸屬度對評語集計算該隧道風險發生的概率為P=0.05327，該隧道發生風險的概率等級為4級，可能發生風險。

4 控制措施建議

對主要影響因素采取有效的管理措施，因地制宜，監管影響隧道風險的次要方面。

（1）精心勘察，精心設計。獲取詳細的地質勘察資料，合理設計支護參數，完善隧道的防排水設計、防凍保溫設計、交通安全設計和機電工程設計等，加強特殊隧道設計。

（2）鑄造品質、保護環境。合理選擇隧道洞門，降低洞口開挖高度，合理利用隧道棄渣，加強棄渣場的規劃和選址、攔擋設計和防排水設計，強化棄渣場復耕和綠化。

（3）以人為本，安全至上。合理選擇施工方法，嚴格控制開挖進尺和爆破震動，加強超前支護，及時封閉成環。采取有效的通風、照明、防塵、降噪和通訊措施，改善施工作業環境。規范施工過程、質量和安全管理，完善施工組織，提升工程施工水平。

（4）未雨綢繆，防患未然。加強隧道監控量測和超前地質預報，動態設計、信息化施工，制定應急處理預案及緊急救援方案。

（5）科學管理，合理調度。制定詳細的管理和養護方案，定期檢查維修。通過交通法規強化交通管制，有效利用教育手段規范車輛安全行駛，完善交通監控系統，合理利用交通信息積極引導、疏解交通。積極開展消防演習，提高救援效能。

（6）精心策劃，科學管理。倡導綠色交通，保護自然環境，建設期完善項目合同制度和合同管理，籌劃項目資金運轉，合理安排項目進展，嚴把工程質量。

5 結論

本文通過全面系統的調研與分析，建立隧道生命周期風險的評價指標體系，確定影響因素的權重，運用模糊數學的方法對指標體系中的單因素和整體進行評價，分析了隧道風險各指標層的主要影響因素。判定該隧道發生風險的概率等級為“4 級、可能發生”，提出隧道風險控制的主要措施建議。建議項目建設各階段根據風險管理的動態性細化評價指標體系，完善風險評估和管理。