基于FTA-AHP 法對隧道混合氣體爆炸事故中的風險因素分析

鄒海濱，茍倩倩

（四川省鐵路集團有限責任公司，四川成都 610000）

隧道施工是鐵路和公路施工中的一個重要環節，然而，在施工的過程中經常會出現比較嚴重的事故，造成人員傷亡及經濟上損失，施工進度及質量也無法得到保障。這主要是由于施工過程中工作人員缺乏專業性，安全意識不強，沒有采取有效的防護措施及安全管理制度的不完善等因素造成。

數學分析方法在安全事故分析中應用頗為廣泛，給預防和控制事故危害提供了新思路，然而導致隧道中混合氣體爆炸的因素較為復雜，如果使用單一的數學方法分析時仍存缺陷。例如：單獨使用事故樹分析方法（FTA）時，當各基本事件發生的概率難以統計時，將無法計算各基本事件對頂上事件影響程度[1]；在單獨使用層次分析方法（AHP）時，通常采用專家打分法構造判斷矩陣，打分結果和專家對系統的理解程度相關，存在相應的主觀性[2]。

為此，本文將FTA 法和AHP 法綜合起來，采用FTA-AHP分析方法對隧道混合氣體爆炸安全事故進行分析，彌補了單獨使用FTA 法或AHP 法時的不足。本文將基于FTA 及AHP 對某隧道爆炸事故案例進行分析，找出造成此次事故的主要原因，并提出相應的措施，可為類似項目提供參考分析[3-4]。

1 FTA-AHP 分析方法

FTA-AHP 分析法是以FTA 法為分析基礎，應用邏輯演繹法確定出影響頂上事件發生的基本事件，繪制出對應的事故樹后，計算最小徑集或最小割集。將對應的事故樹中基本事件和層次分析法中指標層使用結構重要度，對應比較構造判斷矩陣，根據權值計算各基本事件對頂上事件的影響程度，再根據權重的大小排序。計算各基本事件對頂上事件影響的重要程度，通過分析的結果制定對應預防措施，從而達到預防和控制事故的目的[5]。

2 工程應用

2.1 工程實例

某隧道DK13+073—DK13+061段二次襯砌混凝土澆筑作業過程中，由于入場材料把關不嚴，將有A1、Al2O3、Al4C3、AⅠN 的爐渣（電解鋁的廢渣）當作粉煤灰（燃煤發電廠排出的固體廢棄物）添入混凝土攪拌，發現異常情況處理不當，繼續作業時，爐渣中的鋁化物在水泥水化熱作用及堿性環境下，與混凝土中的其他化學物質反應產生氫、甲烷、氨等易燃易爆氣體。這些能夠釋放出易燃易爆氣體的混凝土被持續澆筑到封閉且無通風的二次襯砌模內。隨著澆筑量不斷增加，在受限空間內易燃易爆氣體體積分數不斷升高。當體積分數聚積到爆炸極限范圍（氫4%～75%，甲烷5%～15%，氨16%～25%）后，遇靜電、電路火花等發生爆炸。爆炸事故造成2 名施工人員死亡，1 人重傷，并造成隧道停電和著火燃燒，直接經濟損失272 萬元。

2.2 爆破飛石事故樹的建立

結合本工程的特點，將隧道混合氣體爆炸傷人事故作為頂上事件，采用邏輯演繹分析方法對引起混合氣體爆炸發生的原因進行分析，逐步找出導致頂上事件發生的所有基本事件，根據分析結果繪制出相應的事故樹，如圖1 所示。各基本事件具體含義如表1所示。

圖1 爆破飛石事故樹

表1 基本事件表

本事故樹的結構函數為：T=M1+M2=M3+M4+M5M6=X1+X2+X3+X4+X5+X6+（X7+X8）（X9+X10+X11+M7）=X1+X2+X3+X4+X5+X6+（X7+X8）（X9+X10+X11+X12+X13+X14）=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7X9+X7X10+X7X11+X7X12+X7X13+X7X13+X8X9+X8X10+X8X11+X8X12+X8X13+X8X14。

2.3 事故樹結構重要度分析

結構重要度分析用Ii表示，基本事件結構重要度反映的是頂上事件的影響程度[6]。

從結構重要度可以看出，人的不安全行為和管理因素重要程度最大，作業人員發現異情未及時匯報，未正確辨識危險源繼續涉險作業是造成事故發生的重要原因。

2.4 爆破飛石事故的層次分析模型構建

由于爆炸事故不可控性，采用層次分析法進行權重選取，分析各基本事件對頂上事件的影響程度，將此次隧道爆炸事故作為層次分析模型的目標層，人的不安全行為、管理缺陷、物的不安全因素及環境因素作為準則層，各基本事件作為指標層，構建層次分析模型如圖2 所示。

圖2 事故層次分析模型

2.5 判斷矩陣的構造及權重計算

基于結構重要度和權重的一致性[7]，使用基本事件的結構重要度來構造判斷矩陣。目標層（A）下含有4個準則層（B），每個準則層的結構重要度由各基本事件的結構重要度的和來表示，則準則層通過對準則層的結構重要度進行兩兩比較，構造目標層與準則層之間判斷矩陣。準則層下含有13 個指標層因素，將各事件的結構重要度進行兩兩比較，構造出準則層（B）與指標層（C）之間判斷矩陣。在確定判斷矩陣中各因素數值的大小一般選用1～9 標度法[8]。目標層與準則層的構造矩陣如表2 所示。

表2 使用事故樹構造的準則層判斷矩陣

同理可以構造準則層與指標層的判斷矩陣B1-P、B2-P、B3-P 并計算相應的最大特征值和特征向量、一致性指標、隨機一致性指標、一致性比率等。具體數值如表3 所示。

2.6 判斷矩陣的一致性檢驗

根據構造的判斷矩陣，計算相應的最大特征值和特征向量、一致性指標CI值及隨機一致性比率CR，計算公式如公式（1）（2）所示，結果如表3 所示，RI賦值如表4 所示。

表4 RI 賦值

式（1）（2）中：CI為一致性指標；λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為矩陣階數；CR為隨機一致性比率；RI為隨機一致性指標。

當CR＜0.1 時，認為構造的判斷矩陣的一致性是可以接受的；CR＞0.1 時，認為判斷矩陣不符合一致性要求，需要構造的判斷矩陣進行調整直到滿足一致性要求為止。從表3 可以看出，所有判斷矩陣的CR值均小于0.1，所構造的判斷矩陣符合一致性要求。

表3 判斷矩陣的最大特征值及一致性檢驗結果表

將準則層和指標層中各因素權重計算結果綜合計算出各因素對目標層的合成權重。經計算得出合成權重W分別為0.595、0.227、0.129、0.082、0.236、0.682、0.28、0.65、0.16、0.19、0.19、0.30、0.05、0.12。

根據合成權重W值，可以看出造成此次隧道混合氣體爆炸事故的基本事件權重大小排序為W6＞W8＞W1＞W12＞W7＞W5＞W2＞W11=W16=W10＞W9＞W3＞W13＞W4＞W14。即在14 個基本事件中，通風設備不全、通風不良、受限空間、氫氣聚集和發現異常情況未及時匯報險情是造成此次爆炸事故的重要原因。與單純的事故樹分析對比，基于FTA-AHP 分析更加符合實際情況。

3 結論

FTA-AHP 分析得出的權重與FTA 分析得出的結構重要度大小不完全一致。FTA 分析結果表明，事件X1—X8的結構重要度最大，事件X9—X10的結構重要度次之，事件X11—X14的結構重要度最小。

FTA-AHP 分析結果表明，事件X6、X8、X1、X14、X7的權重占比大，在制定預防措施時必須首先考慮。使用FTA-AHP 分析方法是以FTA 方法為基礎，經過FTA 分析各基本事件對頂上事件的影響，應用AHP 方法的權值計算彌補了單獨使用FTA 方法時存在的不足，使分析結果更加科學、合理，為類似工程事故分析提供參考。

結合隧道施工存在的風險因素以及上述分析，在施工中應建立完善的隧道工程施工安全體系。首先，隧道施工風險管理技術需從實施風險管理技術責任入手，逐步形成風險辨識和管控的工作機制；其次，加強培訓，施工單位要杜絕工作懈怠、僥幸麻痹的負面思想，對施工人員嚴格篩選，強化對施工人員的技能、安全培訓；再次，加強施工現場隱患排查、材料質量安全檢測，嚴格落實隱患排查治理制度，確保施工材料正規合格；最后，加強現場技術管理，施工前做好地質勘察，盡可能把工程建設中的信息化管理技術納入在風險管控范圍內，最大程度地防止此類安全事故的發生。