基于层次分析法的水下隧道运输管理体系安全风险评估模型

文/何清 徐童 陈亮 陈蕾

根据隧道运输管理体系安全评价的过程和特点，基于层次分析法建立了水下隧道运营安全评价指标体系，并对水下隧道运营安全评价指标体系中的风险因素进行定量，计算获得各类风险参数权重和数值，进而建立基于层次分析法的水下隧道运营安全风险评估模型。同时用MATLAB软件编制的水下隧道运营安全风险评价程序，并通过该程序对水下隧道运营安全进行了风险分析。

0.引言

近年来，隧道安全评估一直是隧道安全管理方面的重要课题之一，特别针对水下软岩大断面隧道，由于复杂的地质条件、恶劣环境条件等情况，可能造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此，本文基于层次分析法，需要对这类隧道运输管理体系安全进行风险评估。许振浩等人[1]考虑到不良地质、地层岩性、地下水位、地形地质、围岩级别等方面因素并利用层次分析法进行评估，但在交通、驾驶人因素并未多做说明；孙荣贵[2]着重考虑检控、消防、通风、照明、供配电设备因素并利用层次分析法进行评估，专一性较强；江时雨等人[3]除考虑地质因素外，又另外对隧道上覆水压、上覆含水体的富水性、隧道深埋以及隧道半径等因素通过物元分析法、层次分析法、BP网络进行评估；张顶立等人[4]利用层次分析法对技术风险、经济风险、安全风险、环境影响风险详细评估；徐建聪等人[5]研究了与裂隙带高度和数量有关的因素，并通过层次分析法进行评估；以上主要侧重隧道本身因素、环境因素，在设备因素、交通因素等方面未做出详细的解释。李峰[6]对翔安隧道强风化层施工的风险管理，通过运用层次分析法和模糊综合评估法除对不良地质的分析外，补充加入了设计、支护、管理、自然灾害等因素进行模糊评估，刘长祥[11]在山区软弱砂岩地区大跨度隧道稳定性研究中，综合运用模糊综合评估法、模糊预警、有限元模拟强调对监控量测以及围岩稳定性因素的分析评估。

综上所述，均未对水下大断面隧道运营评估进行考虑，水下大断面隧道要考虑的因素要包括多个方面，包括隧道本身因素、交通因素、设备因素、驾驶人因素、环境因素、危害因素、管理因素、其他因素等，情况复杂。在本文中，拟通过使用层次分析法建立水下软岩大断面隧道运营安全评估模型，得出各等级指标的权重值，结合实例通过对评估结果的分析，验证评估模型的可行性和合理性。本文详细考虑到了隧道本身因素、设备因素、环境因素，在交通因素、环境因素方面并未做出详细说明。

1.层次分析法

层次分析法[7]（TheAnalyticHierarchyProcess，简称“AHP方法”）发展于20世纪70年代。其方法可分为定性分析方法、半定量分析方法和定量分析方法；其基本思路是把复杂的风险问题分解成各个组成因素，将这些因素按照支配关系分组形成有序递阶的层次结构，并在同一层次的各因素之间简单进行比较，得到各种因素的风险指数，从而为最终方案的选择提供依据。

1.1 建立层次结构模型。首先进行基本风险的分类，之后通过建立系统递阶的层次结构，构造风险因素判断矩阵，计算各个风险因素相对权重，并进行一致性检验，如果通过一致性检验则计算综合权重，否则重新构造风险因素判断矩阵，直至通过各风险因素相对权重的一致性检验。

1.2 构建判断矩阵

把一层内的因素两两进行比较，减少性质不同因素比较的困难，从而提高精确度。假设同层有n个因素A1A2……An，使用数字1～9的比例标度aij来表示ai和aj相对比较的重要性，从而得到一个n阶的判断矩阵。

1.3 计算特征向量w和最大特征值λmax

用求和法计算判断矩阵的特征向量和最大特征值λmax：

即通过式（2）求解：

具体解法为：按式（3）的方式对判断矩阵A每行诸元求和：

再按式（4）进行归一化处理，得权重系数：

接着按式（5）求

式中，（Aw）i表示Aw的第i个分量。

对于判断矩阵通常还应当按式（6）进行一致性检验：

判断矩阵一致性指标CI(ConsistencyIndex)为：

接着查找相应的平均随机一致性指标RI，并通过式（7）计算得出CR（随机一致性比例）。

当CR<0.10时，认为判断矩阵的一致性是良好的，否则需调整判断中的元素以满足一致性。一致性指标CI的值越大，表明判断矩阵偏离完全一致性的程度越大，CI的值越小，表明判断矩阵越接近于完全一致性。一般判断矩阵的阶数n越大，人为造成的偏离完全一致性指标CI的值便越大；n越小，人为造成的偏离完全一致性指标CI的值便越小。

计算各层元素对系统元素的综合权重，并进行排序。若准则层A包含m个元素，A1，A2，…，Am其层次总排序权值分别是a1，a2，…，am方案层P包含n个元素p1，p2，…，pn，它们对Aj单排序一致性指标为b1i，b2i，…，bni，P层次总排序值见表1。

表1 综合权重计算Table1Comprehensiveweighting

2.工程应用及分析

2.1 工程概况

某隧道是一个海底隧道，全长约8.5公里，其中海底隧道长约6公里，跨越海域宽约4.2公里。设计采用三孔隧道方案，主洞隧道建筑限界净宽13.5米，净高5米。服务隧道建筑限界净宽6.5米，净高6米。该隧道地质复杂，建设中相继遇到全强风化地层，富水砂层，风化深槽三道世界性难题。建设方改进传统施工作业方法，在主洞软弱围岩地带连续6个月掘进超过60米，最高值达73米，创造了同等地质条件下世界特大断面海底隧道施工进度纪录。目前较为流行的一种隧道施工方法是沉管法，但沉管法对水域环境会造成一定破坏。该隧道从保护当地海洋生态环境方面考虑，使用了钻爆法暗挖施工。

2.2 层次分析法确定风险权重

2.2 .1建立风险指标体系

根据水下大断面隧道运营的特点，参考以往下大断面隧道工程运营风险分析的资料以及设计资料，综合运用工程地质勘测等方法在该海底隧道的运营可能存在的风险中，找出关键且可能会产生严重后果的8项一级风险，建立该海底隧道运营风险的多级阶梯结构。

2.2 .2评估指标权重的确定

基于上述的指标体系，通过各准则层因素两两比较，对其相对重要性做出判断，构造判断矩阵。

一级因素层包括隧道本身因素a交通因素b设备因素c驾驶人因素d环境因素e危害因素f管理因素g其他因素h其判断矩阵见式（8）。

根据层次分析法计算步骤，计算各项指标的权重向量为：

类似的，二级因素层评估指标判断矩阵A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8对应各自的权重分别为:

三级因素层评估指标判断矩阵A9，A10，A11，A12，A13对应各自的三级因素层评估指标权重分别为:

对于上述判断矩阵，运用一致性检验，算得CR都小于0.1，所以不需要修改判断矩阵的参数。

2.2 .3底层因数合成权重系数

令ci，cj，ck分别为一层准则层权重，二层准则层权重，三层准则层权重，底层因数的合成权重c的计算见式（9）：

这样就可以得知底层各因数对整体系统目标的合成权重。对底层因数根据待评估软弱围岩水下隧道的实际情况进行打分，并和该底层因数的合成权重系数相乘，最后将每项求和，计算得大断面水下隧道安全风险值R，其中R＜4为安全，4＜R＜8为一般安全，R＞8为危险。

3.水下大断面隧道运营安全风险评估

为简化矩阵运算，使操作方便，用MATLAB软件编制了水下大断面隧道运营安全风险评估程序。

首先对判断矩阵进行一致性检验，直至满足条件。待判断矩阵通过一致性检验后，若要对某个水下大断面隧道运营安全风险进行评估，可以根据其实际情况对准则层元素进行赋值，然后得出最后的安全风险评估值。

以下就应用水下大断面隧道运营安全评估模型对该隧道进行分析。根据评估模型的需要，对该隧道的实际情况进行了调研和统计，采取专家打分的方法，评分值见表2。

利用所建立的评估模型对该海底隧道进行初步分析研究评估，该隧道的安全运营风险值R约为3.45，为较安全。结合上述的隧道运营安全风险评估结果，主要在隧道本身因素，驾驶人因素，危害因素等方面需要进一步整治，以达到运输管理体系安全的目标，更大程度上保障交通运营的安全。

表2 该海底隧道运营安全影响参数评分值Table2 Asubmarinetunnelsafetyparametersaffectingthe scorevalues

4.结语

本文运用层次分析法对水下大断面隧道运输管理体系安全风险的影响因素进行研究，获得了典型风险参数数值和典型风险参数权重大小，建立了水下大断面隧道运营安全风险评估模型。并且用MATLAB软件编制了水下大断面隧道运营安全风险评估程序，简化了大量矩阵运算的过程，使操作更加简便，基于已建立的水下大断面隧道运营安全风险评估模型，选择典型的水下大断面隧道，实现了基于层次分析评估方法在水下大断面隧道上的初步应用。