文/何清 徐童 陳亮 陳蕾

根據(jù)隧道運輸管理體系安全評價的過程和特點，基于層次分析法建立了水下隧道運營安全評價指標體系，并對水下隧道運營安全評價指標體系中的風險因素進行定量，計算獲得各類風險參數(shù)權(quán)重和數(shù)值，進而建立基于層次分析法的水下隧道運營安全風險評估模型。同時用MATLAB軟件編制的水下隧道運營安全風險評價程序，并通過該程序?qū)λ滤淼肋\營安全進行了風險分析。

0.引言

近年來，隧道安全評估一直是隧道安全管理方面的重要課題之一，特別針對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)濟損失和人員傷亡。因此，本文基于層次分析法，需要對這類隧道運輸管理體系安全進行風險評估。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)、圍巖級別等方面因素并利用層次分析法進行評估，但在交通、駕駛?cè)艘蛩夭⑽炊嘧稣f明；孫榮貴[2]著重考慮檢控、消防、通風、照明、供配電設(shè)備因素并利用層次分析法進行評估，專一性較強；江時雨等人[3]除考慮地質(zhì)因素外，又另外對隧道上覆水壓、上覆含水體的富水性、隧道深埋以及隧道半徑等因素通過物元分析法、層次分析法、BP網(wǎng)絡(luò)進行評估；張頂立等人[4]利用層次分析法對技術(shù)風險、經(jīng)濟風險、安全風險、環(huán)境影響風險詳細評估；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，并通過層次分析法進行評估；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的解釋。李峰[6]對翔安隧道強風化層施工的風險管理，通過運用層次分析法和模糊綜合評估法除對不良地質(zhì)的分析外，補充加入了設(shè)計、支護、管理、自然災(zāi)害等因素進行模糊評估，劉長祥[11]在山區(qū)軟弱砂巖地區(qū)大跨度隧道穩(wěn)定性研究中，綜合運用模糊綜合評估法、模糊預(yù)警、有限元模擬強調(diào)對監(jiān)控量測以及圍巖穩(wěn)定性因素的分析評估。

綜上所述，均未對水下大斷面隧道運營評估進行考慮，水下大斷面隧道要考慮的因素要包括多個方面，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，擬通過使用層次分析法建立水下軟巖大斷面隧道運營安全評估模型，得出各等級指標的權(quán)重值，結(jié)合實例通過對評估結(jié)果的分析，驗證評估模型的可行性和合理性。本文詳細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說明。

1.層次分析法

層次分析法[7]（TheAnalyticHierarchyProcess，簡稱“AHP方法”）發(fā)展于20世紀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)雜的風險問題分解成各個組成因素，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單進行比較，得到各種因素的風險指數(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。首先進行基本風險的分類，之后通過建立系統(tǒng)遞階的層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造風險因素判斷矩陣，計算各個風險因素相對權(quán)重，并進行一致性檢驗，如果通過一致性檢驗則計算綜合權(quán)重，否則重新構(gòu)造風險因素判斷矩陣，直至通過各風險因素相對權(quán)重的一致性檢驗。

1.2 構(gòu)建判斷矩陣

把一層內(nèi)的因素兩兩進行比較，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個因素A1A2……An，使用數(shù)字1～9的比例標度aij來表示ai和aj相對比較的重要性，從而得到一個n階的判斷矩陣。

1.3 計算特征向量w和最大特征值λmax

用求和法計算判斷矩陣的特征向量和最大特征值λmax：

即通過式（2）求解：

具體解法為：按式（3）的方式對判斷矩陣A每行諸元求和：

再按式（4）進行歸一化處理，得權(quán)重系數(shù)：

接著按式（5）求

式中，（Aw）i表示Aw的第i個分量。

對于判斷矩陣通常還應(yīng)當按式（6）進行一致性檢驗：

判斷矩陣一致性指標CI(ConsistencyIndex)為：

接著查找相應(yīng)的平均隨機一致性指標RI，并通過式（7）計算得出CR（隨機一致性比例）。

當CR<0.10時，認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足一致性。一致性指標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CI的值便越大；n越小，人為造成的偏離完全一致性指標CI的值便越小。

計算各層元素對系統(tǒng)元素的綜合權(quán)重，并進行排序。若準則層A包含m個元素，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個元素p1，p2，…，pn，它們對Aj單排序一致性指標為b1i，b2i，…，bni，P層次總排序值見表1。

表1 綜合權(quán)重計算Table1Comprehensiveweighting

2.工程應(yīng)用及分析

2.1 工程概況

某隧道是一個海底隧道，全長約8.5公里，其中海底隧道長約6公里，跨越海域?qū)捈s4.2公里。設(shè)計采用三孔隧道方案，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)中相繼遇到全強風化地層，富水砂層，風化深槽三道世界性難題。建設(shè)方改進傳統(tǒng)施工作業(yè)方法，在主洞軟弱圍巖地帶連續(xù)6個月掘進超過60米，最高值達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度紀錄。目前較為流行的一種隧道施工方法是沉管法，但沉管法對水域環(huán)境會造成一定破壞。該隧道從保護當?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 層次分析法確定風險權(quán)重

2.2 .1建立風險指標體系

根據(jù)水下大斷面隧道運營的特點，參考以往下大斷面隧道工程運營風險分析的資料以及設(shè)計資料，綜合運用工程地質(zhì)勘測等方法在該海底隧道的運營可能存在的風險中，找出關(guān)鍵且可能會產(chǎn)生嚴重后果的8項一級風險，建立該海底隧道運營風險的多級階梯結(jié)構(gòu)。

2.2 .2評估指標權(quán)重的確定

基于上述的指標體系，通過各準則層因素兩兩比較，對其相對重要性做出判斷，構(gòu)造判斷矩陣。

一級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其判斷矩陣見式（8）。

根據(jù)層次分析法計算步驟，計算各項指標的權(quán)重向量為：

類似的，二級因素層評估指標判斷矩陣A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8對應(yīng)各自的權(quán)重分別為:

三級因素層評估指標判斷矩陣A9，A10，A11，A12，A13對應(yīng)各自的三級因素層評估指標權(quán)重分別為:

對于上述判斷矩陣，運用一致性檢驗，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分別為一層準則層權(quán)重，二層準則層權(quán)重，三層準則層權(quán)重，底層因數(shù)的合成權(quán)重c的計算見式（9）：

這樣就可以得知底層各因數(shù)對整體系統(tǒng)目標的合成權(quán)重。對底層因數(shù)根據(jù)待評估軟弱圍巖水下隧道的實際情況進行打分，并和該底層因數(shù)的合成權(quán)重系數(shù)相乘，最后將每項求和，計算得大斷面水下隧道安全風險值R，其中R＜4為安全，4＜R＜8為一般安全，R＞8為危險。

3.水下大斷面隧道運營安全風險評估

為簡化矩陣運算，使操作方便，用MATLAB軟件編制了水下大斷面隧道運營安全風險評估程序。

首先對判斷矩陣進行一致性檢驗，直至滿足條件。待判斷矩陣通過一致性檢驗后，若要對某個水下大斷面隧道運營安全風險進行評估，可以根據(jù)其實際情況對準則層元素進行賦值，然后得出最后的安全風險評估值。

以下就應(yīng)用水下大斷面隧道運營安全評估模型對該隧道進行分析。根據(jù)評估模型的需要，對該隧道的實際情況進行了調(diào)研和統(tǒng)計，采取專家打分的方法，評分值見表2。

利用所建立的評估模型對該海底隧道進行初步分析研究評估，該隧道的安全運營風險值R約為3.45，為較安全。結(jié)合上述的隧道運營安全風險評估結(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一步整治，以達到運輸管理體系安全的目標，更大程度上保障交通運營的安全。

表2 該海底隧道運營安全影響參數(shù)評分值Table2 Asubmarinetunnelsafetyparametersaffectingthe scorevalues

4.結(jié)語

本文運用層次分析法對水下大斷面隧道運輸管理體系安全風險的影響因素進行研究，獲得了典型風險參數(shù)數(shù)值和典型風險參數(shù)權(quán)重大小，建立了水下大斷面隧道運營安全風險評估模型。并且用MATLAB軟件編制了水下大斷面隧道運營安全風險評估程序，簡化了大量矩陣運算的過程，使操作更加簡便，基于已建立的水下大斷面隧道運營安全風險評估模型，選擇典型的水下大斷面隧道，實現(xiàn)了基于層次分析評估方法在水下大斷面隧道上的初步應(yīng)用。