铁路隧道工程可行性研究阶段风险评估研究

王晋辉,凌云鹏,智宏亮,刘海林,丁啸宇

(中铁工程设计咨询集团城市轨道交通设计研究院,北京 100055)

1 概述

风险评估作为新兴交叉学科，是风险管理的重要基础，在工程领域发挥着越来越重要的作用[1-2]。铁路隧道工程建设需要进行风险管理，而风险评估则贯穿于铁路隧道工程设计的全过程[3-4]。对铁路隧道工程进行合理的风险评估，能够使得工程实践尽可能规避风险，为科学化决策提供依据，从而达到优化设计、控制风险和提高经济效益的目的[5]。

可行性研究阶段作为项目在技术和经济上是否可行所进行的科学分析和论证，也是设计阶段对于线路方案和控制因素的宏观把控，为整个项目的决策提供了重要的依据。因此，在可行性研究阶段对铁路隧道工程进行合理的风险评估具有十分重要的意义[6-7]。

此外，对于铁路隧道工程的风险评估多为定性估计，具有较强的主观性，且风险评估过程中往往只是分别评估了某单一风险因素，并未将各种风险因素综合考虑进行评价分析。以A隧道为实例，基于AHP法建立定性与定量相结合的多因素模糊综合评价体系[8-9]，通过AHP法将铁路隧道工程可行性研究阶段的各风险因素进行综合评价，得到各风险因素相对发生的概率[10-11]，再通过模糊综合评价体系对隧道的综合风险进行评价打分[12]，从而得到隧道综合风险评估结果与分析。

2 铁路隧道工程可行性研究阶段的风险因素

可行性研究阶段应根据工程特点和预可行性研究报告等编制风险计划，对技术标准、线路方案、重大工程方案、投资估算、环境保护、建设工期等因素进行风险识别并提出重点识别的风险因素[13-15]。根据《铁路隧道工程风险管理技术规范》，重点识别的因素分为自然风险、地质风险、技术风险和社会风险四大类风险类别[16-18]，具体风险类别和风险因素见表1。

表1 可行性研究阶段风险因素

3 基于AHP法计算的相对发生概率

对于不同实际情况下的隧道，其面临风险因素的种类各不相同，这就要求风险评估模型能够根据隧道的实际情况进行相应的调整，从而符合生产要求。

风险发生的概率和风险发生的后果等级共同决定最后的风险等级[19-21]。《铁路隧道工程风险管理技术规范》中给出的风险事件发生概率等级标准如表2所示。

表2 风险事件发生概率等级标准

该标准只单独考虑了某一风险因素发生的概率，实际上铁路隧道工程的风险等级往往并不是由一种单一的风险因素来决定。AHP法能够科学有效地通过各指标之间相互比较联系得到各自的权重，因而本文通过AHP法将这些风险因素互相联系起来，并得到各风险因素发生的相对概率[22-23]。

为了方便模糊互补判断矩阵计算，需通过专家将各风险因素发生的相对可能性大小用1～9的标度来代替，具体标准参考表3。

表3 发生相对概率比较度含义

专家自身对风险定性的认知将通过标度输入到模型中，经过AHP法的一系列计算会直接得到各因素发生的相对概率，因此，专家对标度的输入十分重要。在对指定的隧道进行风险评估时，专家应尽量选择参加过该隧道实地勘察的设计人员或是对该区域各情况熟知且隧道设计经验丰富的相关人员。由于单一专家的判断有可能出现误差和偶然性，所以最好选择尽可能多的的相关专家进行标度输入，通过求均值的方法提高最终标度的可靠性与科学性。

为了方便表述，暂时将表1风险类别中的“其他”因素剔除，保留剩余各风险因素。模型的决策目标即为风险评估，是各因素影响的最终结果；准则层为四大风险类别，其相互之间的比值为不同风险类别在此次评价中的相对发生概率；备选方案层为各风险因素，其相互之间的比值代表在所属风险类型下不同风险因素发生的相对概率。具体模型结构如图1所示。

图1 风险评估模型结构

根据各指标因素的相互关系，建立综合评选层次结构。对相关联的各因素进行两两比较，从而构造出模糊互补判断矩阵

(1)

根据式(2)计算并检验模糊互补判断矩阵的模糊一致性

(2)

若CR<0.1，通过一致性检验，说明判断矩阵无逻辑性错误，否则需要对判断矩阵进行调整。其中λmax为判断矩阵的最大特征值，RI为平均一致性指标。

4 基于模糊综合评价的风险评估方法

《铁路隧道工程风险管理技术规范》设立的5个风险事件发生后果等级标准，如表4所示。

表4 风险事件发生后果等级标准

在模糊综合评价系统中，需要确定评价等级，即评测打分时可以为各个评测指标设定的分值集合。此次模型设立的评价等级就参照表4中的风险事件发生后果等级严重程度来设定，分为“灾难性的、很严重的、严重的、较大的、轻微的”5个等级，而对应所需评测的权向量则为进行评估的各风险因素。为了方便直观地分析，每个评价等级经过测算都赋予一个对应的风险分值，如表5所示。

表5 风险事件发生后果等级标准

对所有风险因素进行评价打分后，再结合AHP法计算出的各风险因素发生相对概率，通过模糊综合评价计算，得到综合各风险因素的隧道风险综合评估值。

根据多次测算分析，对于得到的隧道风险综合评估值，选取4个相应的分值区间，作为定量判别标准来判断隧道的综合风险等级，如表6所示。

表6 隧道风险等级标准

结合计算得到的隧道风险综合评估值与定量判别标准，便能得到该隧道的综合风险等级。

在模型计算过程中，根据AHP法计算得到的权重可以得到影响隧道风险的主要和次要因素，可在后续进行灵敏度分析。同时也能根据模糊综合分析得到各风险类别的风险分值，进而进行其他后续研究。

5 实例分析

A隧道位于某市两县区的分水岭地段，全长2 191 m，最大埋深141 m。隧道工程涉及地层主要为下第三系渐新统玄武岩和白垩系下统土井子组泥质砂岩，局部段落岩体节理发育，岩体较破碎。隧道通过区域地表沟谷均为季节性沟流，沟内均无常年流水。隧道下穿长城遗址保护区和地质公园景区，且洞身位于军事辖区附近。

在初测阶段，由于地质钻孔较少，地面可见岩层虽为玄武岩，但其下是否有其他不良地质体尚未明确。隧道穿越区域上覆建筑(构)物较多，隧道工程对相关设施是否有影响，需进一步得到有关部门的明确答复。

针对该隧道的基本情况，由参与初测调查的隧道设计专家对各风险因素发生的相对可能性大小进行填写，代入图1中的模型，得到各风险因素的权重如表7所示。

表7 A隧道各风险因素所占权重

风险类别所占的权重如表8所示。

表8 A隧道各风险类别所占权重

随后通过专家对A隧道相应风险因素事件发生后果等级进行评定，如表9所示。

表9 A隧道各风险因事件发生后果等级评定

将各风险因素所占权重代入模糊综合评价模型进行计算，得到各风险类别的评分如表10所示。

表10 A隧道各风险类别得分

最终得到可行性研究阶段A隧道风险综合评估值为4.774，说明A隧道在可行性研究阶段的综合风险等级为中度。

在计算过程中能够明显看出“既有重要建筑(构)物、管线”、“地质勘察的不确定性程度”以及“文物保护单位”三个风险因素相对发生概率均大于0.1，说明这3个因素是对此次风险评估影响最大的3个因素，与初测掌握的隧道相关情况相符。此外，在风险类别的评分结果中可以看出“自然风险”的得分远大于其他3项，可以得到“自然风险”是该隧道现阶段面临的最严重的风险类别。

6 结语

铁路隧道工程在可行性研究阶段的风险评估对于控制铁路隧道工程建设风险和规范铁路隧道风险管理具有重要意义，同时还可能作为控制因素直接影响项目选线。因此，需要考虑各方面的因素，得到涵盖各风险因素的风险综合评估结果。

本文将AHP法与模糊综合评价体系结合，建立基于AHP法的隧道风险评估多因素模糊综合评价体系模型以及相应的隧道风险等级定量评判标准，得到隧道在可行性研究阶段的综合风险评估值以及风险等级。

模型依托系统工程原理，通过AHP法得到各风险因素发生的相对概率，再利用模糊综合评价体系将各专家意见进行科学计算，将定性分析转化为定量分析，科学地将铁路隧道工程在可行性研究阶段的各风险类别和风险因素统筹考虑并进行综合评价，得到综合风险评估值与风险等级。

将A隧道的相关资料代入模型，得到其综合风险评估值为4.774分，综合风险等级为中度。在计算过程中，各风险类别和风险因素对应的权重与分值良好地反映各因素对于该隧道综合风险评估值的影响程度，同时直观地得到主要和次要影响因素。最终得到的风险评估值与风险等级较为准确地体现了该隧道在可行性研究阶段的风险状况。

针对不同隧道，只需要对模型中部分因素与等级进行局部调整便能良好地适用于各种情况。对于专家定性评判的部分，可以通过调查问卷的形式进行群决策，从而增加最终结果的可靠度，使评价结果更具权威性。综上所述，该评价体系能够对铁路隧道工程在可行性研究阶段的风险进行综合、定量、直观地评价，具有较强的推广价值。