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1隧道設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

隧道初步設(shè)計(jì)階段安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目標(biāo)是對(duì)設(shè)計(jì)文件中同深度比選的多個(gè)方案進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，視風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改完善，若風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)極高時(shí)，應(yīng)對(duì)初步設(shè)計(jì)方案重新論證。公路隧道一般采用鉆爆法施工，鉆爆法隧道安全風(fēng)險(xiǎn)事件主要有洞口失穩(wěn)、塌方、突水涌泥、巖爆、結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)、營運(yùn)安全、環(huán)境保護(hù)等，每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件由若干個(gè)導(dǎo)致事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)源組成，如造成洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)源有地形地貌、地質(zhì)條件、進(jìn)洞方案設(shè)計(jì)、施工因素等。結(jié)合文獻(xiàn)要求及并在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，建立公路隧道初步設(shè)計(jì)階段安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，

2集對(duì)分析法確定評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重

2.1集對(duì)分析理論簡介集對(duì)分析（setpairanalysis，SPA）理論是一種新型的處理模糊和不確定知識(shí)的數(shù)學(xué)工具，能有效地分析和處理不精確、不一致、不完整等各種不確定性。其核心思想是認(rèn)為任何系統(tǒng)都是由確定性和不確定性信息構(gòu)成的，特點(diǎn)是對(duì)問題的不確定性“客觀承認(rèn)、系統(tǒng)描述、定量刻畫、具體分析”。SPA的基礎(chǔ)是集對(duì)，關(guān)健是聯(lián)系度。所謂集對(duì)，是由一定聯(lián)系的兩個(gè)集合所組成的對(duì)子。給定2個(gè)集合A和B，并設(shè)這2個(gè)集合組成集對(duì)H=（A，B），在具體問題背景W下對(duì)集對(duì)H的特性展開分析，并用聯(lián)系度表示，即：jNPiNFNS（1）式中：μ為集合A和B的聯(lián)系度；N為集對(duì)H特性的個(gè)數(shù)；S為2個(gè)集合A和B所共同具用特性的個(gè)數(shù)；P為2個(gè)集合相對(duì)立特性的個(gè)數(shù)；F為2個(gè)集合既不相互對(duì)立，又不共同具有特性的個(gè)數(shù)，F(xiàn)＝N－P－S。若令NSa，NFb，NPc，則式（1）可簡寫為：abicj（2）式中：μ為聯(lián)系度；a、b、c分別為集合A和B的同一度、差異度和對(duì)立度；abc1。從式（2）可知，聯(lián)系度從2個(gè)集合的同一性、差異性和對(duì)立性3個(gè)方面來確定系統(tǒng)確定關(guān)系和不確定關(guān)系以及兩種關(guān)系的相互作用，能更為全面地刻畫事物的特征與提高信息的利用率，而且能統(tǒng)一處理模糊、隨機(jī)和信息不完全導(dǎo)致的各種不確定性。

2.2不確定AHP法的評(píng)估指標(biāo)權(quán)重區(qū)間計(jì)算不確定AHP法在比較判斷矩陣時(shí)用區(qū)間標(biāo)度來表示每2個(gè)比較因素的相對(duì)重要程度，區(qū)間標(biāo)度仍然采用基于1～9比例標(biāo)度法。顯然，采用區(qū)間標(biāo)度可較好地反映專家對(duì)評(píng)估指標(biāo)主觀判斷的不確定性，也符合專家的思維習(xí)慣。因此，筆者引入該方法來確定各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重區(qū)間。

1）確定單個(gè)專家的評(píng)價(jià)指標(biāo)比較區(qū)間數(shù)

設(shè)某一子指標(biāo)體系，其評(píng)價(jià)指標(biāo)有n個(gè)，它構(gòu)成的集合為nU,12，邀請(qǐng)L位專家基于1～9比例標(biāo)度法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，并采用區(qū)間數(shù)表示相互間重要程度，設(shè)第k位（k=1，2，L）專家給出的評(píng)價(jià)指標(biāo)i與j之間的比較區(qū)間數(shù)為：kijkijkijAa，b~（3）其中，kija和kijb為該區(qū)間的下限和上限值

2）專家權(quán)重的確定

由于專家工作經(jīng)驗(yàn)、學(xué)術(shù)背景及對(duì)所評(píng)估項(xiàng)目的了解程度不同，專家的權(quán)重也不盡一樣。專家自身的權(quán)重主要考慮職稱、從事隧道工程時(shí)間、對(duì)工程風(fēng)險(xiǎn)理論及方法的熟悉程度及對(duì)本隧道工程了解程度而綜合確定，由于職稱、從事隧道工程時(shí)間等幾個(gè)指標(biāo)的重要程度相近，可以認(rèn)為各指標(biāo)權(quán)重是相同的，將各位專家實(shí)際情況對(duì)應(yīng)的分指標(biāo)相對(duì)權(quán)值相加，然后進(jìn)行歸一化處理，則可得專家自身的權(quán)重，記為k。

3）構(gòu)造不確定區(qū)間數(shù)判斷矩陣

L位專家確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重區(qū)間綜合在一起得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重區(qū)間的矩陣為：kijLkijkaa1（4）kijLkijkbb1（5）因此，可得到不確定區(qū)間數(shù)判斷矩陣：111,11,111,1,11,1,,~1122221212121211，abab，ababababAnnnnnnnn（6）

2.3基于SPA的評(píng)估指標(biāo)權(quán)重確定方法式（12）給出了評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重區(qū)間，由于0,1~jw，權(quán)重區(qū)間jw~把區(qū)間0，1分成了j0，w、jjw，w、w，1j3部分，這3部分的意義分別表示：“確定能夠達(dá)到的程度”、“不能確定是否達(dá)到的程度”和“確定不能達(dá)到的程度”。引入SPA，將“確定能夠達(dá)到的程度”、“不能確定是否達(dá)到的程度”和“確定不能達(dá)到的程度”分別看成“同一性”、“差異性”、“對(duì)立性”，從同、異、反3個(gè)角度描述評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的區(qū)間值。因此，權(quán)重區(qū)間jw~與區(qū)間0，1組成集對(duì)后的聯(lián)系度表達(dá)式可表示為：abicjjjjj（13）其中：jjaw，jjjbww，jjc1w，這里i，j為差異度和對(duì)立度系數(shù)，僅起標(biāo)記作用。分別從確定性與不確定性兩部分來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重大小[12]。確定性區(qū)間的相對(duì)權(quán)重為：nkkkjjjacacp111（14）不確定性區(qū)間的相對(duì)權(quán)重為：nkkjjbbq111（15）根據(jù)式（14）和式（15），得出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的綜合權(quán)重計(jì)算公式，即：nkjjjjjpqpqw1（16）通過式（16）計(jì)算，從確定性與不確定性兩個(gè)方面來確定評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，更具有科學(xué)性、合理性。

3工程實(shí)例分析

3.1工程概況岐山隧道左洞長8036m、右洞長8040m，左右洞平均長8038m，屬于特長隧道。隧道洞身巖層主要以侏羅紀(jì)南園組凝灰熔巖為主，洞身見輝綠巖脈體侵入，屬較硬-堅(jiān)硬巖，巖體較破碎-較完整，對(duì)隧道洞身圍巖的穩(wěn)定較有利，洞身圍巖級(jí)別一般為Ⅴ~Ⅱ級(jí)。隧道進(jìn)出洞口處地形均較陡，斜坡上覆土層主要為殘坡積層、強(qiáng)風(fēng)化巖層，垂向厚度一般較大，散體結(jié)構(gòu)，濕水易軟化，拱部、側(cè)壁穩(wěn)定性很差，易產(chǎn)生坍塌，成洞條件差。隧道區(qū)地下水主要為強(qiáng)-中風(fēng)化層、構(gòu)造裂隙中的孔隙潛水及下部基巖裂隙水，地下水位標(biāo)高高于路面設(shè)計(jì)高程，隧道單洞最大總涌水量約12423.2m3/d，正常涌水量約8395.5m3/d，巖層富水性中等。

3.2風(fēng)險(xiǎn)事件與風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)根據(jù)本項(xiàng)目具體情況及結(jié)合文獻(xiàn)的相關(guān)規(guī)定，采用專家調(diào)查法和檢查表法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)事件與風(fēng)險(xiǎn)源分辨識(shí)。

3.3專家權(quán)重的確定邀請(qǐng)5位隧道方面的專家對(duì)本隧道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，專家權(quán)重在表3對(duì)應(yīng)的相對(duì)權(quán)值基礎(chǔ)上，考慮每位專家實(shí)際情況確定對(duì)應(yīng)的權(quán)值，然后求和并歸一化處理，得到每位專家實(shí)際權(quán)重0.221,0.209,0.186,0.209,0.175k，

3.4單一風(fēng)險(xiǎn)事件評(píng)估以洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)事件為例，說明其具體過程。

3.4.1洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)事件各風(fēng)險(xiǎn)源權(quán)重的確定

1）構(gòu)造比較區(qū)間數(shù)

5位專家對(duì)“洞口失穩(wěn)U1”所對(duì)應(yīng)的第2層指標(biāo)“地質(zhì)條件U11”、“地形地貌U12”、“進(jìn)洞方案設(shè)計(jì)U13”、“施工因素U14”進(jìn)行比較，構(gòu)造的比較區(qū)間數(shù)為：[1/9,1/7][1/7,1/5][1/4,1/3]11[1/5,1/3][1/3,1]11[3,4][1/3,1]11[1,3][5,7]11[1,3][3,5][7,9]~1Aij[1/8,1/7][1/6,1/5][1/4,1/3]11[1/5,1/3][1/3,1]11[3,4][1/2,1]11[1,3][5,6]11[1,2][3,5][7,8]~2Aij[1/8,1/7][1/6,1/5][1/5,1/3]11[1/4,1/3][1/3,1]11[3,5][1/2,1]11[1,3][5,6]11[1,2][3,4][7,8]~3Aij[1/8,1/7][1/7,1/5][1/4,1/3]11[1/5,1/3][1/3,1]11[3,4][1/3,1]11[1,3][5,7]11[1,3][3,5][7,8]~4Aij[1/9,1/7][1/6,1/5][1/4,1/3]11[1/4,1/3][1/3,1]11[3,4][1/2,1]11[1,3][5,6]11[1,2][3,4][7,9]~5Aij

2）構(gòu)造不確定區(qū)間數(shù)判斷矩陣

根據(jù)公式（4）和式（5）得到考慮專家權(quán)重0.221,0.209,0.186,0.209,0.175k后的評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的不確定區(qū)間數(shù)判斷矩陣：[0.1195,0.1429][0.1564,0.2000][0.2407,0.3333]1.00001.0000[0.2181,0.3333][0.3333,1.0000]1.00001.0000[3.0000,4.1860][0.4283,1.0000]1.00001.0000[1.0000,3.0000][5.0000,6.4300]1.00001.0000[1.0000,2.4300][3.0000.4.6390][7.0000,8.3960]~A

3）評(píng)估指標(biāo)權(quán)重區(qū)間的計(jì)算

利用式（7）～式（11）得到評(píng)價(jià)指標(biāo)“地質(zhì)條件U11”、“地形地貌U12”、“進(jìn)洞方案設(shè)計(jì)U13”、“施工因素U14”的權(quán)重區(qū)間：0.4335,0.5763,0.2404,0.3823,0.1396,0.2145,0.0472,0.0579~w4）通過SPA將評(píng)價(jià)指標(biāo)的區(qū)間權(quán)重轉(zhuǎn)化為精確值，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。將各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重區(qū)間w~分別與區(qū)間0，1組成集對(duì)，然后根據(jù)式（13）將權(quán)重區(qū)間分別轉(zhuǎn)化為聯(lián)系度：0.43350.1428i0.4237j1；0.24040.1419i0.6177j2；0.13960.0749i0.7855j3；0.04720.0107i0.9421j4根據(jù)式（14）、式（15）分別計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)確定性和不確定性區(qū)間的權(quán)重值，并進(jìn)行歸一化為：0.4828,0.2977,0.1693,0.0502jp0.2362,0.2364,0.2549,0.2726jq按照式（16）將確定性區(qū)間權(quán)重與不確定性區(qū)間權(quán)重組合在一起，求得“地質(zhì)條件U11”、“地形地貌U12”、“進(jìn)洞方案設(shè)計(jì)U13”、“施工因素U14”的綜合權(quán)重為w0.4726,0.2918,0.1789,0.0567。

3.4.2洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)事件評(píng)估結(jié)果分析請(qǐng)5位專家分別根據(jù)文獻(xiàn)[8]的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合隧道的實(shí)際情況，評(píng)估隧道洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)事件各風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，綜合專家的評(píng)估結(jié)果得出各風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。最后根據(jù)各風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與對(duì)應(yīng)的權(quán)重計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)事件的綜合分值為2.4726，得出洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)為Ⅱ級(jí)偏上用同樣的方法，可以得到岐山隧道各風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)情況。其中，各2級(jí)指標(biāo)（風(fēng)險(xiǎn)源）權(quán)重的具體計(jì)算可根據(jù)上述公式用Matlab軟件編制程序完成。由于篇幅的限制，2級(jí)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程在此不再贅述，本工程各風(fēng)險(xiǎn)事件評(píng)估結(jié)果。岐山隧道風(fēng)險(xiǎn)事件評(píng)估結(jié)果Table6AssessmentresultsofriskeventsofQishantunnel風(fēng)險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)事件評(píng)估結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)事件評(píng)估結(jié)果綜合分值等級(jí)綜合分值等級(jí)洞口失穩(wěn)2.4726Ⅱ級(jí)偏上結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)2.032Ⅱ級(jí)偏上塌方2.482Ⅱ級(jí)偏上營運(yùn)安全1.832Ⅱ級(jí)偏下突水涌泥2.212Ⅱ級(jí)偏上環(huán)境保護(hù)1.212Ⅰ級(jí)偏上巖爆1.123Ⅰ級(jí)偏上。

3.5隧道總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估首先，請(qǐng)5位專家分別用傳統(tǒng)的AHP法確定7個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的權(quán)重，結(jié)果為“0.21630.21320.15440.09210.10930.11240.10230.22110.21620.15140.08160.11550.10360.11060.18250.23320.14840.09330.12320.11830.10110.17210.25620.14780.08240.12210.11730.10210.16290.25510.14910.09400.11950.11690.1025~uw其次，將上述專家確定的各風(fēng)險(xiǎn)事件權(quán)重值分別乘以專家權(quán)重值0.221,0.209,0.186,0.209,0.175k并相加，則得風(fēng)險(xiǎn)事件的最終權(quán)重:w0.1900，0.2358，0.150，10.0885，0.118，10.1137，0.1038u最后，將風(fēng)險(xiǎn)事件的最終權(quán)重值乘以表6對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)事件綜合分值并相加，進(jìn)而得到隧道總體風(fēng)險(xiǎn)分值2.0605,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)。通過對(duì)岐山隧道初步設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)價(jià)，該隧道不存在“IV級(jí)、極高”等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)，洞口失穩(wěn)、塌方、突水涌泥、結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)、營運(yùn)安全的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“II級(jí)、中度”，巖爆和環(huán)境保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“Ⅰ級(jí)、低度”。綜合考慮各風(fēng)險(xiǎn)事件，岐山隧道初步設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“II級(jí)、中度”。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則可知,風(fēng)險(xiǎn)水平有條件接受，工程就進(jìn)一步實(shí)施預(yù)防措施以提升安全性的必要。

1）進(jìn)出口的洞口失穩(wěn)及塌方風(fēng)險(xiǎn)較大，在下階段施工圖設(shè)計(jì)中予以重視；

2）襯砌結(jié)構(gòu)的合理性需要在施工過程中進(jìn)一步進(jìn)行檢驗(yàn)，因此，在制定監(jiān)測(cè)方案時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如對(duì)淺埋偏壓段落、全斷面注漿堵水段落襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋，進(jìn)行變更設(shè)計(jì)；

3）隧道工程強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，針對(duì)地勘資料不足或不準(zhǔn)確的情況，加強(qiáng)施工過程中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，及時(shí)變更設(shè)計(jì)，是控制風(fēng)險(xiǎn)的有效手段。

4結(jié)論

1）不確定AHP法在比較判斷矩陣時(shí)用區(qū)間標(biāo)度來表示每2個(gè)比較因素的相對(duì)重要程度，可較好地反映專家對(duì)評(píng)估指標(biāo)主觀判斷的不確定性，也符合專家的思維習(xí)慣。

2）導(dǎo)致隧道公路隧道發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事件的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素具有復(fù)雜性、模糊性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，專家對(duì)這些信息了解程度不確定，用不確定AHP法構(gòu)造不確定區(qū)間數(shù)判斷矩陣，考慮專家權(quán)重后得到評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重區(qū)間，既符合工程實(shí)際，又具有可靠性。

3）不確定AHP法給出的指標(biāo)權(quán)重為區(qū)間數(shù)，使用并不方便，需要將區(qū)間權(quán)重轉(zhuǎn)化為精確權(quán)重。評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重區(qū)間在是在一定范圍內(nèi)變化的確定性與不確定性區(qū)間，引入SPA理論，計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定性區(qū)間的相對(duì)權(quán)重與不確定性區(qū)間的相對(duì)相重，并綜合得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的精確權(quán)重，充分體現(xiàn)了該方法的優(yōu)越性和科學(xué)性。

4）在評(píng)估單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的基礎(chǔ)上，綜合考慮洞口失穩(wěn)、塌方、突水涌泥等多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件共同影響，對(duì)隧道總體安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，符合公路隧道設(shè)計(jì)階段安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)際要求。

作者：俞素平李素梅單位：福建船政交通職業(yè)學(xué)院云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院