《武汉工程大学学报》 2019年06期
573-579
出版日期：2021-01-24
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
基于模糊层次分析法的瓦斯隧道施工安全风险评估
近年来，随着我国经济的快速发展，一般的道路交通方式已经难以满足发展的要求，为了保障经济的持续发展，需要对现有的交通方式进行扩展，对路线裁弯取直。隧道工程完全可以满足该方面的要求，它不仅能大大缩短运输距离，节约原料，同时对生态环境的破坏较小。但是因为我国瓦斯隧道建设起步较晚，而且安全管理体制不够完善，人员的安全意识不强，给施工带来了较大的难度。加之煤层地质条件复杂又含有瓦斯，隧道施工的危险性大，一旦发生隧道瓦斯爆炸事故，威胁的不仅是人的生命安全，由事故带来的经济损失和恶劣的社会影响同样会给工程带来很大困难，甚至整个项目都要无期限搁浅［1］。而且目前国内外有关瓦斯隧道的研究较少，没有建立比较系统的、完善的理论分析体系和计算方法，在瓦斯隧道建设过程中有许多技术问题还有待解决［2］。
美国在风险分析和风险管理方面起步较早，由于多年的经验累积现已具备比较完善的体系。美国较早从事隧道工程风险分析的代表人物是Einstein，1974年他就指出了隧道工程风险分析的特点和应遵循的理念［3］。1975年美国正式启用了风险分析方案［4］；1985年Rerry［5］在公路建设方面进行了详细的分析，并根据施工特点列出了可能会出现的风险因素；1994年，尼日利亚开始在国内的高速公路项目建设中使用风险分析的方法［6］；2011年，Hallowell等［7］对美国高速公路中的风险因素运用模糊层次分析法进行了进一步的分析研究并整理，将各项因素逐渐开始量化计算。
相比于一些发达国家，我国学者在这方面的研究略显滞后。1998年，张凤毛等［8］利用模糊数学的方法计算出存在的风险，并得出风险排序。2009年，孔德胜［9］将风险管理的内容运用到实际项目中，总结出公路工程施工阶段的风险管理的相关内容，之后逐渐开始有人深入研究层次分析法的运用；2009年，周建昆［10］采用层次分析法对南山高速的风险做了计算和评价，并提出了应对措施；2010年，康小兵等［11］对隧道瓦斯的灾害进行了危险性评价。
1 基础理论
1.1 模糊层次分析法
模糊层次分析法是一种定性与定量相结合的系统分析方法，是层次分析法和模糊评价法的综合运用。层次分析法的本质是一种决策思维方式。首先将一个复杂问题看做一个系统，将系统分解为多个小的方面，再对每个小的方面进行分解建立层次结构模型，一般由高到低分为3个层次：目标层、准则层和方案层。然后比较每个层次中每两个因素间的相对重要程度，从而计算每个因素评价体系中的权重［12］。模糊综合评价法旨在将定性评价转化为定量评价。其基本思路是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个因素对其所作的综合评价，评价的着眼点是所有考虑的各个相关因素，根据专家的评估结果确定各个因素的评价集，建立模糊评判矩阵，结合权重集得出隶属度向量，最后按照评价标准得到模糊综合评价结果［13］。模糊层次分析法建立系统化和层次化的结构体系，将体系中的各元素两两比较，生成矩阵进行量化分析；模糊数学法可以进行定性分析，层次分析法能够定量解决问题。相较于其他只是定性、定量的方法而言，本文使用模糊层次分析法将定性和定量结合起来使用，更加科学、合理。
1.2 模糊层次分析法的操作过程
对于模糊层次分析法的具体操作，不同的项目操作也不相同。对于瓦斯隧道施工的风险评估工作，可以分为4个阶段实现［14］，主要包括模型的设计、专家咨询、计算分析、形成分析报告，如图1所示。
图1 具体操作流程
Fig. 1 Specific operation process
1.3 模糊层次分析法决策步骤
第一步：建立递阶层次结构图。由对该项目的风险识别，建立层次分析图。
第二步：计算一级、二级指标权重。
将准则层中的每一个因素与方案层中的每一个元素（方案）里分别进行比较，对其重要性用区间［1，9］中的数进行打分，形成判断矩阵，经一致性比率检验符合后，得到权重向量近似值[wi’=(w1,][w2,?,w5)]，进行归一化处理得到权重向量[wi]，满足[0wi1]，且[i=1kwi=1]。
若干个权重向量按顺序组合起来得到一个[k]行[n]列的矩阵[W]：
[W=w11w12w21w22?w1n?w2n??wk1wk2???wkn]
第三步：确定模糊向量及评语集。
10位专家分别对指标层中的各因素进行打分，可得到第[i]个因素[Ci]的得分向量[Ri=(Ri1,Ri2,?,Rin)]([i=1,2,?,n])，确定评语集[V=v1,v2,v3,v4,v5]。
第四步：风险综合评价。
各风险因素的权重为[W={W1,W2,W3,?,Wn}]，评价矩阵为[Bij]。其中：[W1+W2+?+Wn=1]，
[Bij=Wi×Rij]，则[A]的综合评判等级分数为：
[f=j=1nvi×Bij (i,j=1,2,?,n)] （1）
计算出准则层各因素对应的等级分数，然后对应评语集[V=v1,v2,v3,v4,v5]中的成绩区间，即可得到对应风险等级［15］。
2 工程实例
2.1 安平瓦斯隧道工程的特点
1）工程环境复杂。安平特长隧道通过二叠系龙潭组煤系地层②号煤层，该煤层厚约0.5 m，瓦斯绝对涌出量为0.53 m3/min，煤尘爆炸指数达22.8%，大于10%，因此该煤层具有瓦斯爆炸的危险性［16］。右幅隧道穿越煤系地层洞顶覆盖土为0~7.0 m，左幅隧道穿越煤系地层洞顶覆盖土为0~30 m。周边围岩主要为强~中风化粉砂质泥岩及泥质粉砂岩，岩体极为破碎。由于隧道施工过程中将直接对煤层进行揭露，破坏了煤层，瓦斯将通过煤层和岩石裂隙涌入隧道空气中，而且通常隧道内瓦斯以缓慢涌出的形式最多，所占比例最大，在这种情况下，如果通风不畅导致隧道瓦斯浓度增高，则瓦斯在一定的温度、压力条件下，就有可能存在爆炸的危险［17］。
此外，在安平隧道出洞口范围内，隧道掘进往往会产生大量的煤尘及有害气体。悬浮状的煤尘和有害气体（CO、H2S、CO2等）不仅对工作面的人员身体有伤害作用，而且煤尘在一定的条件下会燃烧或爆炸。
2）人员管理困难。由于安平瓦斯隧道工程大，施工难度较大，而施工人员及其他人员又较多且文化程度不一，还有一些人喜欢抱侥幸心理。因此，在人员管理上就比较困难，一旦有人出现纰漏将造成非常严重的后果。
3）安全隐患多。安平瓦斯隧道是一个集隧道开挖与煤层开挖于一体的工程，因为有煤层的存在，所以存在着火灾、爆炸、中毒、坍塌、触电、物体打击、车辆伤害、粉尘、噪音与振动等安全隐患。
2.2 安平瓦斯隧道施工中风险有害因素
1）地质环境风险。由于安平瓦斯隧道穿越煤岩，地质环境复杂，因此存在煤岩瓦斯含量、地质构造、煤岩瓦斯压力、瓦斯涌出量等固有风险［18］。
2）安全管理风险。安平瓦斯隧道工程项目大，涉及到的人员多，管理上比较困难，因此安全教育、安全规章制度、应急预案演练成为管理的主要内容［19］。
3）安全设施风险。由于有瓦斯、CO等气体的存在，在施工过程中为防止人员中毒和瓦斯爆炸的危害，因此对隧道的通风要求必然很高，所以通风问题也成为瓦斯隧道施工中的首要风险。此外，监测系统、消防系统、运输系统和防护施救设施也是风险来源之一。
4）施工人员风险。主要的风险来源于人员的组织安排是否合理、施工人员安全意识够不够强、思想政治素质几个方面。
2.3 建立风险评估指标体系
由2.2中的风险因素识别可以得出，影响项目的主要风险因素有15个，可分为3层（目标层，一级指标层，二级指标层），如图2所示。对应的因素集为：
[A=C1,C2,?,C15]
[安平瓦斯隧道安全施工项目风险分析A][地质环境
风险B1][安全管理
风险B2][安全设施
风险B3][施工人员
风险B4][岩层瓦斯含量][地质构造情况][地质瓦斯压力][瓦斯涌出量][安全教育][安全规章制度][应急预案演练][通风系统][消防系统][监测系统][运输系统][防护施救设施][身体状况和业务素质][安全意识][思想政治素质][C1][C2][C3][C4][C5][C6][C7][C8][C9][C10][C11][C12][C13][C14][C15]
图2 安平瓦斯隧道安全施工项目风险评估指标
Fig. 2 Risk assessment index of safety construction project of Anping gas tunnel
2.4 指标权重的计算
2.4.1 一级权重指标的计算 由安平瓦斯隧道风险评估指标体系图可知，有4个一级指标因子，采用层次分析法求出这4个指标的权重，构造判断矩阵[A=(uij)n×n]，如表1所示。
用方根法求评价因素权重向量近似值[w’i]：
[w’i=j=1naij1ni=1,2,?,n]
[w’1=1×1×13×1214=0.638 9，w’2=1×1×13×1214=0.638 9，]
[w’3=3×3×1×114=1.732 0，w’4=2×2×1×114=1.414 2。]
将[w’i]作归一化处理，求出评价因素权重向量[wi]。关系式为：
[wi=w’ik=1nj=1nakj (1,2,?,n)] （2）
求得：[w1=0.144 4]，[w2=0.144 4]，[w3=0.391 5]，[w4=0.319 7]。
[A=0.144 4,0.144 4,0.391 5,0.319 7]。
利用MATLAB得出[λ]值，找出[λmax=4.020 6]，[R×I=0.89]。代入公式得到：
[C×R=λmax-nn-1R×I=4.020 6-44-1×0.89=0.007 8<0.1] （3）
说明判断矩阵满足一致性要求，即求得的特征向量有效［9］。
2.4.2 二级指标权重的计算 仍采用层次分析法来求指标权重。
1）首先建立[B1]地质环境风险的判断矩阵，见表2。
表2 地质环境风险判断矩阵
Tab. 2 Judgement matrix of geological enviranment risk
[[B1]\&[C1]\&[C2]\&[C3]\&[C4]\&[w’i]\&[wi]\&[C1]\&1\&6\&3\&2\&2.449 5\&0.540 0\&[C2]\&1/6\&1\&1\&1/3\&0.485 5\&0.107 0\&[C3]\&1/3\&1\&1\&1\&0.759 8\&0.167 5\&[C4]\&1/2\&3\&1\&1\&0.840 9\&0.185 5\&]
同理，由表2数据计算得：[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]，
说明判断矩阵满足一致性要求，即求得的特征向量有效。
2）建立[B2]安全管理的判断矩阵，见表3。
表3 安全管理判断矩阵
Tab. 3 Judgement matrix of security management
[[B2]\&[C5]\&[C6]\&[C7]\&[w’i]\&[wi]\&[C5]\&1\&2\&4\&2.000 0\&0.546 9\&[C6]\&1/2\&1\&4\&1.260 0\&0.344 6\&[C7]\&1/4\&1/4\&1\&0.396 8\&0.108 5\&]
由表3数据计算得：[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]。
说明判断矩阵满足一致性要求，即求得的特征向量有效。
3）建立[B3]安全设施的判断矩阵，见表4。
表4 安全设施判断矩阵
Tab. 4 Judgement matrix of security facilities
[[B3]\&[C8]\&[C9]\&[C10]\&[C11]\&[C12]\&[w’i]\&[wi]\&[C8]\&1\&3\&1\&2\&3\&1.782 6\&0.327 9\&[C9]\&1/3\&1\&1\&2\&3\&1.148 7\&0.211 3\&[C10]\&1\&1\&1\&3\&1\&1.245 7\&0.229 1\&[C11]\&1/2\&1/2\&1/3\&1\&2\&0.698 8\&0.128 5\&[C12]\&1/3\&1/3\&1\&1/2\&1\&0.561 0\&0.103 2\&]
由表4数据计算得：[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]。
说明判断矩阵满足一致性要求，即求得的特征向量有效。
4）建立[B4]施工人员的判断矩阵，见表5。
表5 施工人员判断矩阵
Tab. 5 Judgement matrix of construction personel
[[B4]\&[C13]\&[C14]\&[C15]\&[w’i]\&[wi]\&[C13]\&1\&2\&4\&2.000 0\&0.558 4\&[C14]\&1/2\&1\&3\&1.144 7\&0.319 6\&[C15]\&1/4\&1/3\&1\&0.436 8\&0.122 0\&]
由表5数据计算得：[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]。
说明判断矩阵满足一致性要求，即求得的特征向量有效。
由以上计算可得，各因素对瓦斯隧道施工安全的权重为：
[A=(0.144 4,0.144 4,0.391 5,0.319 7)]，
[W1=(0.078 0,0.015 4,0.024 2,0.026 8),W2=(0.079 0,0.049 7,0.016 7),]
[W3=(0.128 4,0.082 7,0.089 7,0.050 3,0.040 4),W4=(0.178 5,0.102 2,0.039 0)]
由上述计算的C层的总权重，按照权重值的大小，将所有风险因素进行总排序，结果如表6所示。
表6 风险因素总排序
Tab. 6 Total ranking of risk factors
[具体风险因素\&总权重值\&C13人员身体素质和业务素质\&0.178 5\&C8通风系统\&0.128 4\&C14安全意识\&0.102 2\&C10监测系统\&0.089 7\&C9消防系统\&0.082 7\&C5安全教育\&0.079 0\&C1岩层瓦斯含量\&0.078 0\&C11运输系统\&0.050 3\&C6安全规章制度\&0.049 7\&C12防护施救装置\&0.040 4\&C15思想政治素质\&0.039 0\&C4瓦斯涌出量\&0.026 8\&C3岩层瓦斯压力\&0.024 2\&C7应急预案演练\&0.016 7\&C2地质构造情况\&0.015 4\&]
2.4.3 建立安全评价等级 由专家现场调研后对安平瓦斯隧道单因素进行打分所得评语集[V=v1,v2,v3,v4,v5]，对应为“很好”、“较好”、“一般”、“较差”和“很差”5个等级，用（95，85，65，45，30）表示，如表7所示。
表7 分数与安全等级的关系
Tab. 7 The relationship between scores and safety levels
[等级\&很好\&较好\&一般\&较差\&很差\&分数\&95\&85\&65\&45\&30\&]
评语集中的成绩区间与相对应的风险等级关系如表8所示。
表8 成绩区间与安全等级的关系
Tab. 8 Relationships between scores and safety levels
[等级\&等级说明\&成绩区间\&第I等级\&因素影响很小\&＞90\&第II等级\&因素影响较小\&80~90\&第III等级\&因素影响一般\&60~79\&第IV等级\&因素影响较大\&40~59\&第V等级\&因素影响很大\&＜40\&]
风险评估一般采用专家调查法、CIM法、蒙特卡洛模拟法等基本方法。为简化计算和等到相应数据采用专家调查法。
搜集大量安平瓦斯隧道的有关资料，分析瓦斯隧道施工过程相关的地质环境、安全管理、设备设施、施工方案及相关法律文件。对安平瓦斯隧道进行实地勘察，邀请了10名专家，在询问工作人员得知安平瓦斯隧道的基础情况上，进入现场对瓦斯隧道内的通风情况、瓦斯浓度及隧道地层情况进行调研；对该隧道的安全管理方面询问该项目的领导有关安全风险的应对方法；考察了该工程的一些安全设备设施。专家在现场调研的基础上就本项目可能涉及的风险及其程度进行判断，按指标评分，对专家给出的判断值进行统计，如表9所示。
1）建立模糊评价矩阵[Ri]。由专家根据安平瓦斯隧道工程情况打分得到模糊评价矩阵[Ri]。
[R1=0.00.10.30.30.40.20.10.30.30.50.10.10.00.30.00.00.20.30.30.2]
[R2=0.30.30.20.40.30.20.30.20.20.20.00.10.00.20.0]
[R3=0.00.10.20.10.30.40.00.20.20.60.10.20.00.50.10.30.50.10.10.30.50.10.00.00.0R4=0.30.40.20.20.40.30.60.20.20.10.00.00.00.00.0]
2）求各因素评价矩阵[Bi]。由公式[Bi=WBi×Ri]得出各因素评价矩阵：
[B1=WB1×R1=(0.048 9,0.184 2,0.289 3,0.386 6,0.091 0)]
[B2=WB2×R2=(0.334 5,0.289 2,0.200 0,0.165 5,0)]
[B3=WB3×R3=(0.070 0,0.237 2,0.260 4,0.366 4,0.055 7)]
[B4=WB4×R4=(0.304 6,0.375 6,0.232 0,0.055 8,0)]
3）得出总评价矩阵[R]：
[0.048 90.184 20.289 30.334 50.289 20.200 00.070 00.237 20.260 40.386 60.091 00.165 500.366 40.055 70.304 60.375 60.232 00.055 8 0 ]
4）综合因素评价矩阵。由公式[B=A×R]可得：[B=(0.18,0.29,0.25,0.24,0.04)]
5）等级评定。由式（1）得[f1=59,f2=77,][f3=62,][f4=67]。
由上述计算及表8可知，四类因素的安全等级为：瓦斯自然状态安全等级为“较差”，安全管理安全等级为“一般”，安全设施安全等级为“一般”，施工人员安全等级为“一般”。
而系统总得分：[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风险等级属于“一般”。
6）评价结果。由模糊层次分析法得出：具体风险因素中通风系统风险、人员身体状况和业务素质、安全意识、消防系统占主导地位；整个系统的安全等级为III级。
2.5 风险控制措施
由风险分析可知，在安平瓦斯隧道施工中，施工通风风险、安全监测风险、安全管理风险及消防风险的发生概率最高，成为安平瓦斯隧道施工的重点控制对象。为降低工期风险，保证工程的顺利完工，重点从以下方面进行风险防范，并制定了相应的控制措施。
1）施工通风风险。①避免污风循环：选择压入式通风机并将其装设在洞外30 m位置。通风机均需装设风电闭锁装置，一旦通风机出现故障系统自动切断电源，防止瓦斯累积时出现火花。②设置备用电源和通风机：当一路电源停止供电或通风机出现故障时，能迅速使用备用电源或通风机确保隧道内可以正常通风。③通风管：通风管采用抗静电、阻燃的材料制作，避免产生电火花，且风管口到开挖面的距离应小于5 m。
2）安全监测风险。①严禁人员进入超限区，采用变风量送风的方法控制进风量，逐步排出超限区域内的瓦斯。②在进行瓦斯排放时，不仅要保证工作区域内的瓦斯浓度不超标，同样要确保洞内排出的瓦斯不超标，瓦斯检测员需要经常在回风风流中检查瓦斯的浓度，当瓦斯浓度小于0.75%时，减少送风量。
3）施工人员风险。该项目中主要的施工人员风险为人员的身体状况和业务素质、人员的安全意识两个方面。①定期进行安全教育与培训工作，提高人员的安全生产知识、增强安全意识，从而能有效地防止人员的不安全行为。②安全教育培训要做到培训内容全面，重点突出，系统性强的特点。③定期对员工进行体检。
4）消防风险。①隧道内料场、仓库、油库、电气设备、爆破材料存放点等处必须设置防火器材。②各地点防灭火器材的配备数量不得低于如下要求：灭火器4个、砂箱8个，防火锹2把，防火钩2把，0.3 m3水桶2个。③工作人员必须熟知灭火器材的使用方法及存放地点，对消防器材进行定期检查、更换。
3 结 语
本文以安平瓦斯隧道施工安全为工程背景、瓦斯隧道施工风险分析全过程为研究对象，详细介绍了风险评价的方法及过程，提出了一种适合瓦斯隧道施工特点的风险分析方法。
1）运用模糊层次分析法得出安平瓦斯隧道安全等级为“一般”，主要的风险有害因素有通风系统风险、人员身体状况和业务素质、安全意识、安全监测系统、消防系统等。
2）针对模糊层次分析法得出的结论，对风险较大的影响因素如工人身体状况和业务素质、通风问题、安全监测系统、消防系统等提出相应的对策措施，以避免或降低这些因素导致的安全问题。
3）随着山地区域隧道的大力建设，风险分析必然会越来越受到重视。对瓦斯隧道建设风险进行系统研究具有一定的借鉴和现实意义。本文仅对安平瓦斯隧道施工安全风险分析做了尝试性的探索，许多方面还有待于进一步的研究。
4）本文的研究对象为安平瓦斯隧道施工期风险，局限性较大，可行性研究、设计、招投标等相关领域的风险研究还需要做大量的工作。此外，论文中的模型是从运用模糊数学的角度出发建立的，考虑到风险的各类损失具有模糊性的特点，本文中的风险损失分析建立在专家模糊估计的定性基础上，今后需要加强基于指标的损失定量化分析。