基于模糊層次分析法的瓦斯隧道施工安全風險評估

王子超，雷克江*，楊 霜，肖 博，李春欣，殷永鑫，黃詠玲

1.武漢工程大學興發(fā)礦業(yè)學院，湖北 武漢 430074；

2.深圳時代裝飾股份有限公司，廣東 深圳 518000

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，一般的道路交通方式已經(jīng)難以滿足發(fā)展的要求，為了保障經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，需要對現(xiàn)有的交通方式進行擴展，對路線裁彎取直。隧道工程完全可以滿足該方面的要求，它不僅能大大縮短運輸距離，節(jié)約原料，同時對生態(tài)環(huán)境的破壞較小。但是因為我國瓦斯隧道建設起步較晚，而且安全管理體制不夠完善，人員的安全意識不強，給施工帶來了較大的難度。加之煤層地質條件復雜又含有瓦斯，隧道施工的危險性大，一旦發(fā)生隧道瓦斯爆炸事故，威脅的不僅是人的生命安全，由事故帶來的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響同樣會給工程帶來很大困難，甚至整個項目都要無期限擱淺［1］。而且目前國內外有關瓦斯隧道的研究較少，沒有建立比較系統(tǒng)的、完善的理論分析體系和計算方法，在瓦斯隧道建設過程中有許多技術問題還有待解決［2］。

美國在風險分析和風險管理方面起步較早，由于多年的經(jīng)驗累積現(xiàn)已具備比較完善的體系。美國較早從事隧道工程風險分析的代表人物是Einstein，1974年他就指出了隧道工程風險分析的特點和應遵循的理念［3］。1975年美國正式啟用了風險分析方案［4］；1985 年 Rerry［5］在公路建設方面進行了詳細的分析，并根據(jù)施工特點列出了可能會出現(xiàn)的風險因素；1994年，尼日利亞開始在國內的高速公路項目建設中使用風險分析的方法［6］；2011年，Hallowell等［7］對美國高速公路中的風險因素運用模糊層次分析法進行了進一步的分析研究并整理，將各項因素逐漸開始量化計算。

相比于一些發(fā)達國家，我國學者在這方面的研究略顯滯后。1998年，張鳳毛等［8］利用模糊數(shù)學的方法計算出存在的風險，并得出風險排序。2009年，孔德勝［9］將風險管理的內容運用到實際項目中，總結出公路工程施工階段的風險管理的相關內容，之后逐漸開始有人深入研究層次分析法的運用；2009年，周建昆［10］采用層次分析法對南山高速的風險做了計算和評價，并提出了應對措施；2010年，康小兵等［11］對隧道瓦斯的災害進行了危險性評價。

1 基礎理論

1.1 模糊層次分析法

模糊層次分析法是一種定性與定量相結合的系統(tǒng)分析方法，是層次分析法和模糊評價法的綜合運用。層次分析法的本質是一種決策思維方式。首先將一個復雜問題看做一個系統(tǒng)，將系統(tǒng)分解為多個小的方面，再對每個小的方面進行分解建立層次結構模型，一般由高到低分為3個層次：目標層、準則層和方案層。然后比較每個層次中每兩個因素間的相對重要程度，從而計算每個因素評價體系中的權重［12］。模糊綜合評價法旨在將定性評價轉化為定量評價。其基本思路是應用模糊變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評價事物相關的各個因素對其所作的綜合評價，評價的著眼點是所有考慮的各個相關因素，根據(jù)專家的評估結果確定各個因素的評價集，建立模糊評判矩陣，結合權重集得出隸屬度向量，最后按照評價標準得到模糊綜合評價結果［13］。模糊層次分析法建立系統(tǒng)化和層次化的結構體系，將體系中的各元素兩兩比較，生成矩陣進行量化分析；模糊數(shù)學法可以進行定性分析，層次分析法能夠定量解決問題。相較于其他只是定性、定量的方法而言，本文使用模糊層次分析法將定性和定量結合起來使用，更加科學、合理。

1.2 模糊層次分析法的操作過程

對于模糊層次分析法的具體操作，不同的項目操作也不相同。對于瓦斯隧道施工的風險評估工作，可以分為4個階段實現(xiàn)［14］，主要包括模型的設計、專家咨詢、計算分析、形成分析報告，如圖1所示。

圖1 具體操作流程Fig.1 Specific operation process

1.3 模糊層次分析法決策步驟

第一步：建立遞階層次結構圖。由對該項目的風險識別，建立層次分析圖。

第二步：計算一級、二級指標權重。

將準則層中的每一個因素與方案層中的每一個元素（方案）里分別進行比較，對其重要性用區(qū)間［1，9］中的數(shù)進行打分，形成判斷矩陣，經(jīng)一致性比率檢驗符合后，得到權重向量近似值=(w1，w2，…，w5)，進行歸一化處理得到權重向量wi，滿足 0≤wi≤1，且

若干個權重向量按順序組合起來得到一個k行n列的矩陣W：

第三步：確定模糊向量及評語集。

10位專家分別對指標層中的各因素進行打分，可得到第i個因素Ci的得分向量Ri=(Ri1，Ri2，…，Rin)(i=1，2，…，n)，確定評語集V={ }v1，v2，v3，v4，v5。

第四步：風險綜合評價。

各風險因素的權重為W={W1，W2，W3，…，Wn}，評 價矩陣為Bij。其中：W1+W2+…+Wn=1，Bij=Wi×Rij，則A的綜合評判等級分數(shù)為：

計算出準則層各因素對應的等級分數(shù)，然后對應評語集V={ }v1，v2，v3，v4，v5中的成績區(qū)間，即可得到對應風險等級［15］。

2 工程實例

2.1 安平瓦斯隧道工程的特點

1）工程環(huán)境復雜。安平特長隧道通過二疊系龍?zhí)督M煤系地層②號煤層，該煤層厚約0.5 m，瓦斯絕對涌出量為0.53 m3/min，煤塵爆炸指數(shù)達22.8%，大于10%，因此該煤層具有瓦斯爆炸的危險性［16］。右幅隧道穿越煤系地層洞頂覆蓋土為0～7.0 m，左幅隧道穿越煤系地層洞頂覆蓋土為0～30 m。周邊圍巖主要為強～中風化粉砂質泥巖及泥質粉砂巖，巖體極為破碎。由于隧道施工過程中將直接對煤層進行揭露，破壞了煤層，瓦斯將通過煤層和巖石裂隙涌入隧道空氣中，而且通常隧道內瓦斯以緩慢涌出的形式最多，所占比例最大，在這種情況下，如果通風不暢導致隧道瓦斯?jié)舛仍龈?，則瓦斯在一定的溫度、壓力條件下，就有可能存在爆炸的危險［17］。

此外，在安平隧道出洞口范圍內，隧道掘進往往會產(chǎn)生大量的煤塵及有害氣體。懸浮狀的煤塵和有害氣體（CO、H2S、CO2等）不僅對工作面的人員身體有傷害作用，而且煤塵在一定的條件下會燃燒或爆炸。

2）人員管理困難。由于安平瓦斯隧道工程大，施工難度較大，而施工人員及其他人員又較多且文化程度不一，還有一些人喜歡抱僥幸心理。因此，在人員管理上就比較困難，一旦有人出現(xiàn)紕漏將造成非常嚴重的后果。

3）安全隱患多。安平瓦斯隧道是一個集隧道開挖與煤層開挖于一體的工程，因為有煤層的存在，所以存在著火災、爆炸、中毒、坍塌、觸電、物體打擊、車輛傷害、粉塵、噪音與振動等安全隱患。

2.2 安平瓦斯隧道施工中風險有害因素

1）地質環(huán)境風險。由于安平瓦斯隧道穿越煤巖，地質環(huán)境復雜，因此存在煤巖瓦斯含量、地質構造、煤巖瓦斯壓力、瓦斯涌出量等固有風險［18］。

2）安全管理風險。安平瓦斯隧道工程項目大，涉及到的人員多，管理上比較困難，因此安全教育、安全規(guī)章制度、應急預案演練成為管理的主要內容［19］。

3）安全設施風險。由于有瓦斯、CO等氣體的存在，在施工過程中為防止人員中毒和瓦斯爆炸的危害，因此對隧道的通風要求必然很高，所以通風問題也成為瓦斯隧道施工中的首要風險。此外，監(jiān)測系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)和防護施救設施也是風險來源之一。

4）施工人員風險。主要的風險來源于人員的組織安排是否合理、施工人員安全意識夠不夠強、思想政治素質幾個方面。

2.3 建立風險評估指標體系

由2.2中的風險因素識別可以得出，影響項目的主要風險因素有15個，可分為3層（目標層，一級指標層，二級指標層），如圖2所示。對應的因素集為：

圖2 安平瓦斯隧道安全施工項目風險評估指標Fig.2 Risk assessment index of safety construction project of Anping gas tunnel

2.4 指標權重的計算

2.4.1 一級權重指標的計算 由安平瓦斯隧道風險評估指標體系圖可知，有4個一級指標因子，采用層次分析法求出這4個指標的權重，構造判斷矩陣A=(uij)n×n，如表1所示。

用方根法求評價因素權重向量近似值w'i：

表1 風險因素判斷矩陣Tab.1 Judgement matrix of risk factors

將w'i作歸一化處理，求出評價因素權重向量wi。關系式為：

求得：w1=0.144 4，w2=0.144 4，w3=0.391 5，w4=0.319 7。

利用MATLAB得出λ值，找出λmax=4.020 6，R×I=0.89。代入公式得到：

說明判斷矩陣滿足一致性要求，即求得的特征向量有效［9］。

2.4.2 二級指標權重的計算 仍采用層次分析法來求指標權重。

1）首先建立B1地質環(huán)境風險的判斷矩陣，見表2。

表2 地質環(huán)境風險判斷矩陣Tab.2 Judgement matrix of geological enviranment risk

同理，由表2數(shù)據(jù)計算得：λmax=4.117 9，WB1=(0.540 0，0.107 0，0.167 5，0.185 5)，R×I=0.89。代入公式（3）得到C×R=0.043 7＜0.1，

說明判斷矩陣滿足一致性要求，即求得的特征向量有效。

2）建立B2安全管理的判斷矩陣，見表3。

表3 安全管理判斷矩陣Tab.3 Judgement matrix of security management

由表3數(shù)據(jù)計算得：λmax=3.053 6，WB2=(0.546 9，0.344 6，0.108 5)，R×I=0.52。代入式（3）得到：C×R=0.046 2＜0.1。

說明判斷矩陣滿足一致性要求，即求得的特征向量有效。

3）建立B3安全設施的判斷矩陣，見表4。

表4 安全設施判斷矩陣Tab.4 Judgement matrix of security facilities

由表4數(shù)據(jù)計算得：λmax=5.404 0，WB3=(0.327 9，0.211 3，0.229 1，0.128 5，0.103 2)，R×I=1.12。代入式（3）得到：C×R=0.090 2＜0.1。

說明判斷矩陣滿足一致性要求，即求得的特征向量有效。

4）建立B4施工人員的判斷矩陣，見表5。

表5 施工人員判斷矩陣Tab.5 Judgement matrix of construction personel

由表5數(shù)據(jù)計算得：λmax=3.018 3，WB4=(0.558 4，0.319 6，0.122 0)，R×I=0.52。代入式（3）得到：C×R=0.015 8＜0.1。

說明判斷矩陣滿足一致性要求，即求得的特征向量有效。

由以上計算可得，各因素對瓦斯隧道施工安全的權重為：

由上述計算的C層的總權重，按照權重值的大小，將所有風險因素進行總排序，結果如表6所示。

表6 風險因素總排序Tab.6 Total ranking of risk factors

2.4.3 建立安全評價等級 由專家現(xiàn)場調研后對安平瓦斯隧道單因素進行打分所得評語集V={ }v1，v2，v3，v4，v5，對應為“很好”、“較好”、“一般”、“較差”和“很差”5個等級，用（95，85，65，45，30）表示，如表7所示。

表7 分數(shù)與安全等級的關系Tab.7 The relationship between scores and safety levels

評語集中的成績區(qū)間與相對應的風險等級關系如表8所示。

表8 成績區(qū)間與安全等級的關系Tab.8 Relationships between scores and safety levels

風險評估一般采用專家調查法、CIM法、蒙特卡洛模擬法等基本方法。為簡化計算和等到相應數(shù)據(jù)采用專家調查法。

搜集大量安平瓦斯隧道的有關資料，分析瓦斯隧道施工過程相關的地質環(huán)境、安全管理、設備設施、施工方案及相關法律文件。對安平瓦斯隧道進行實地勘察，邀請了10名專家，在詢問工作人員得知安平瓦斯隧道的基礎情況上，進入現(xiàn)場對瓦斯隧道內的通風情況、瓦斯?jié)舛燃八淼赖貙忧闆r進行調研；對該隧道的安全管理方面詢問該項目的領導有關安全風險的應對方法；考察了該工程的一些安全設備設施。專家在現(xiàn)場調研的基礎上就本項目可能涉及的風險及其程度進行判斷，按指標評分，對專家給出的判斷值進行統(tǒng)計，如表9所示。

1）建立模糊評價矩陣Ri。由專家根據(jù)安平瓦斯隧道工程情況打分得到模糊評價矩陣Ri。

表9 權重和安全等級統(tǒng)計表Tab.9 Statistical data of weight and safety grade

2）求各因素評價矩陣Bi。由公式Bi=WBi×Ri得出各因素評價矩陣：

3）得出總評價矩陣R：

4）綜合因素評價矩陣。由公式B=A×R可得：B=(0.18，0.29，0.25，0.24，0.04)

5）等級評定。由式（1）得f1=59，f2=77，f3=62，f4=67。

由上述計算及表8可知，四類因素的安全等級為：瓦斯自然狀態(tài)安全等級為“較差”，安全管理安全等級為“一般”，安全設施安全等級為“一般”，施工人員安全等級為“一般”。

而系統(tǒng)總得分：f=95×0.18+85×0.29+65×0.25+45×0.24+30×0.04=70，安平瓦斯隧道施工安全風險等級屬于“一般”。

6）評價結果。由模糊層次分析法得出：具體風險因素中通風系統(tǒng)風險、人員身體狀況和業(yè)務素質、安全意識、消防系統(tǒng)占主導地位；整個系統(tǒng)的安全等級為III級。

2.5 風險控制措施

由風險分析可知，在安平瓦斯隧道施工中，施工通風風險、安全監(jiān)測風險、安全管理風險及消防風險的發(fā)生概率最高，成為安平瓦斯隧道施工的重點控制對象。為降低工期風險，保證工程的順利完工，重點從以下方面進行風險防范，并制定了相應的控制措施。

1）施工通風風險。①避免污風循環(huán)：選擇壓入式通風機并將其裝設在洞外30 m位置。通風機均需裝設風電閉鎖裝置，一旦通風機出現(xiàn)故障系統(tǒng)自動切斷電源，防止瓦斯累積時出現(xiàn)火花。②設置備用電源和通風機：當一路電源停止供電或通風機出現(xiàn)故障時，能迅速使用備用電源或通風機確保隧道內可以正常通風。③通風管：通風管采用抗靜電、阻燃的材料制作，避免產(chǎn)生電火花，且風管口到開挖面的距離應小于5 m。

2）安全監(jiān)測風險。①嚴禁人員進入超限區(qū)，采用變風量送風的方法控制進風量，逐步排出超限區(qū)域內的瓦斯。②在進行瓦斯排放時，不僅要保證工作區(qū)域內的瓦斯?jié)舛炔怀瑯?，同樣要確保洞內排出的瓦斯不超標，瓦斯檢測員需要經(jīng)常在回風風流中檢查瓦斯的濃度，當瓦斯?jié)舛刃∮?.75%時，減少送風量。

3）施工人員風險。該項目中主要的施工人員風險為人員的身體狀況和業(yè)務素質、人員的安全意識兩個方面。①定期進行安全教育與培訓工作，提高人員的安全生產(chǎn)知識、增強安全意識，從而能有效地防止人員的不安全行為。②安全教育培訓要做到培訓內容全面，重點突出，系統(tǒng)性強的特點。③定期對員工進行體檢。

4）消防風險。①隧道內料場、倉庫、油庫、電氣設備、爆破材料存放點等處必須設置防火器材。②各地點防滅火器材的配備數(shù)量不得低于如下要求：滅火器4個、砂箱8個，防火鍬2把，防火鉤2把，0.3 m3水桶2個。③工作人員必須熟知滅火器材的使用方法及存放地點，對消防器材進行定期檢查、更換。

3 結 語

本文以安平瓦斯隧道施工安全為工程背景、瓦斯隧道施工風險分析全過程為研究對象，詳細介紹了風險評價的方法及過程，提出了一種適合瓦斯隧道施工特點的風險分析方法。

1）運用模糊層次分析法得出安平瓦斯隧道安全等級為“一般”，主要的風險有害因素有通風系統(tǒng)風險、人員身體狀況和業(yè)務素質、安全意識、安全監(jiān)測系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等。

2）針對模糊層次分析法得出的結論，對風險較大的影響因素如工人身體狀況和業(yè)務素質、通風問題、安全監(jiān)測系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等提出相應的對策措施，以避免或降低這些因素導致的安全問題。

3）隨著山地區(qū)域隧道的大力建設，風險分析必然會越來越受到重視。對瓦斯隧道建設風險進行系統(tǒng)研究具有一定的借鑒和現(xiàn)實意義。本文僅對安平瓦斯隧道施工安全風險分析做了嘗試性的探索，許多方面還有待于進一步的研究。

4）本文的研究對象為安平瓦斯隧道施工期風險，局限性較大，可行性研究、設計、招投標等相關領域的風險研究還需要做大量的工作。此外，論文中的模型是從運用模糊數(shù)學的角度出發(fā)建立的，考慮到風險的各類損失具有模糊性的特點，本文中的風險損失分析建立在專家模糊估計的定性基礎上，今后需要加強基于指標的損失定量化分析。