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(xué)興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074；

2.深圳時(shí)代裝飾股份有限公司，廣東 深圳 518000

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)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(jì)的持續(xù)發(fā)展，需要對現(xiàn)有的交通方式進(jìn)行擴(kuò)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(yùn)輸距離，節(jié)約原料，同時(shí)對生態(tài)環(huán)境的破壞較小。但是因?yàn)槲覈咚顾淼澜ㄔO(shè)起步較晚，而且安全管理體制不夠完善，人員的安全意識(shí)不強(qiáng)，給施工帶來了較大的難度。加之煤層地質(zhì)條件復(fù)雜又含有瓦斯，隧道施工的危險(xiǎn)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(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響同樣會(huì)給工程帶來很大困難，甚至整個(gè)項(xiàng)目都要無期限擱淺［1］。而且目前國內(nèi)外有關(guān)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(jì)算方法，在瓦斯隧道建設(shè)過程中有許多技術(shù)問題還有待解決［2］。

美國在風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)管理方面起步較早，由于多年的經(jīng)驗(yàn)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(fēng)險(xiǎn)分析的代表人物是Einstein，1974年他就指出了隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析的特點(diǎn)和應(yīng)遵循的理念［3］。1975年美國正式啟用了風(fēng)險(xiǎn)分析方案［4］；1985 年 Rerry［5］在公路建設(shè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并根據(jù)施工特點(diǎn)列出了可能會(huì)出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素；1994年，尼日利亞開始在國內(nèi)的高速公路項(xiàng)目建設(shè)中使用風(fēng)險(xiǎn)分析的方法［6］；2011年，Hallowell等［7］對美國高速公路中的風(fēng)險(xiǎn)因素運(yùn)用模糊層次分析法進(jìn)行了進(jìn)一步的分析研究并整理，將各項(xiàng)因素逐漸開始量化計(jì)算。

相比于一些發(fā)達(dá)國家，我國學(xué)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(xué)的方法計(jì)算出存在的風(fēng)險(xiǎn)，并得出風(fēng)險(xiǎn)排序。2009年，孔德勝［9］將風(fēng)險(xiǎn)管理的內(nèi)容運(yùn)用到實(shí)際項(xiàng)目中，總結(jié)出公路工程施工階段的風(fēng)險(xiǎn)管理的相關(guān)內(nèi)容，之后逐漸開始有人深入研究層次分析法的運(yùn)用；2009年，周建昆［10］采用層次分析法對南山高速的風(fēng)險(xiǎn)做了計(jì)算和評價(jià)，并提出了應(yīng)對措施；2010年，康小兵等［11］對隧道瓦斯的災(zāi)害進(jìn)行了危險(xiǎn)性評價(jià)。

1 基礎(chǔ)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(jié)合的系統(tǒng)分析方法，是層次分析法和模糊評價(jià)法的綜合運(yùn)用。層次分析法的本質(zhì)是一種決策思維方式。首先將一個(gè)復(fù)雜問題看做一個(gè)系統(tǒng)，將系統(tǒng)分解為多個(gè)小的方面，再對每個(gè)小的方面進(jìn)行分解建立層次結(jié)構(gòu)模型，一般由高到低分為3個(gè)層次：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。然后比較每個(gè)層次中每兩個(gè)因素間的相對重要程度，從而計(jì)算每個(gè)因素評價(jià)體系中的權(quán)重［12］。模糊綜合評價(jià)法旨在將定性評價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評價(jià)。其基本思路是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評價(jià)事物相關(guān)的各個(gè)因素對其所作的綜合評價(jià)，評價(jià)的著眼點(diǎn)是所有考慮的各個(gè)相關(guān)因素，根據(jù)專家的評估結(jié)果確定各個(gè)因素的評價(jià)集，建立模糊評判矩陣，結(jié)合權(quán)重集得出隸屬度向量，最后按照評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到模糊綜合評價(jià)結(jié)果［13］。模糊層次分析法建立系統(tǒng)化和層次化的結(jié)構(gòu)體系，將體系中的各元素兩兩比較，生成矩陣進(jìn)行量化分析；模糊數(shù)學(xué)法可以進(jìn)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(jié)合起來使用，更加科學(xué)、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(xiàng)目操作也不相同。對于瓦斯隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)評估工作，可以分為4個(gè)階段實(shí)現(xiàn)［14］，主要包括模型的設(shè)計(jì)、專家咨詢、計(jì)算分析、形成分析報(bào)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(jié)構(gòu)圖。由對該項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，建立層次分析圖。

第二步：計(jì)算一級、二級指標(biāo)權(quán)重。

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

若干個(gè)權(quán)重向量按順序組合起來得到一個(gè)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(biāo)層中的各因素進(jìn)行打分，可得到第i個(gè)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(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)。

各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重為W={W1，W2，W3，…，Wn}，評 價(jià)矩陣為Bij。其中：W1+W2+…+Wn=1，Bij=Wi×Rij，則A的綜合評判等級分?jǐn)?shù)為：

計(jì)算出準(zhǔn)則層各因素對應(yīng)的等級分?jǐn)?shù)，然后對應(yīng)評語集V={ }v1，v2，v3，v4，v5中的成績區(qū)間，即可得到對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級［15］。

2 工程實(shí)例

2.1 安平瓦斯隧道工程的特點(diǎn)

1）工程環(huán)境復(fù)雜。安平特長隧道通過二疊系龍?zhí)督M煤系地層②號(hào)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(dá)22.8%，大于10%，因此該煤層具有瓦斯爆炸的危險(xiǎn)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(qiáng)～中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)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(jìn)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(nèi)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(fēng)不暢導(dǎo)致隧道瓦斯?jié)舛仍龈撸瑒t瓦斯在一定的溫度、壓力條件下，就有可能存在爆炸的危險(xiǎn)［17］。

此外，在安平隧道出洞口范圍內(nèi)，隧道掘進(jìn)往往會(huì)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(huì)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(yán)重的后果。

3）安全隱患多。安平瓦斯隧道是一個(gè)集隧道開挖與煤層開挖于一體的工程，因?yàn)橛忻簩拥拇嬖?，所以存在著火?zāi)、爆炸、中毒、坍塌、觸電、物體打擊、車輛傷害、粉塵、噪音與振動(dòng)等安全隱患。

2.2 安平瓦斯隧道施工中風(fēng)險(xiǎn)有害因素

1）地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。由于安平瓦斯隧道穿越煤巖，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，因此存在煤巖瓦斯含量、地質(zhì)構(gòu)造、煤巖瓦斯壓力、瓦斯涌出量等固有風(fēng)險(xiǎn)［18］。

2）安全管理風(fēng)險(xiǎn)。安平瓦斯隧道工程項(xiàng)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(yīng)急預(yù)案演練成為管理的主要內(nèi)容［19］。

3）安全設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)。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(fēng)要求必然很高，所以通風(fēng)問題也成為瓦斯隧道施工中的首要風(fēng)險(xiǎn)。此外，監(jiān)測系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)和防護(hù)施救設(shè)施也是風(fēng)險(xiǎn)來源之一。

4）施工人員風(fēng)險(xiǎn)。主要的風(fēng)險(xiǎn)來源于人員的組織安排是否合理、施工人員安全意識(shí)夠不夠強(qiáng)、思想政治素質(zhì)幾個(gè)方面。

2.3 建立風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系

由2.2中的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別可以得出，影響項(xiàng)目的主要風(fēng)險(xiǎn)因素有15個(gè)，可分為3層（目標(biāo)層，一級指標(biāo)層，二級指標(biāo)層），如圖2所示。對應(yīng)的因素集為：

圖2 安平瓦斯隧道安全施工項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)Fig.2 Risk assessment index of safety construction project of Anping gas tunnel

2.4 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

2.4.1 一級權(quán)重指標(biāo)的計(jì)算 由安平瓦斯隧道風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系圖可知，有4個(gè)一級指標(biāo)因子，采用層次分析法求出這4個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，構(gòu)造判斷矩陣A=(uij)n×n，如表1所示。

用方根法求評價(jià)因素權(quán)重向量近似值w'i：

表1 風(fēng)險(xiǎn)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(jià)因素權(quán)重向量wi。關(guān)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(biāo)權(quán)重的計(jì)算 仍采用層次分析法來求指標(biāo)權(quán)重。

1）首先建立B1地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的判斷矩陣，見表2。

表2 地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)判斷矩陣Tab.2 Judgement matrix of geological enviranment risk

同理，由表2數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)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(shè)施的判斷矩陣，見表4。

表4 安全設(shè)施判斷矩陣Tab.4 Judgement matrix of security facilities

由表4數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)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(jì)算可得，各因素對瓦斯隧道施工安全的權(quán)重為：

由上述計(jì)算的C層的總權(quán)重，按照權(quán)重值的大小，將所有風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行總排序，結(jié)果如表6所示。

表6 風(fēng)險(xiǎn)因素總排序Tab.6 Total ranking of risk factors

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

表7 分?jǐn)?shù)與安全等級的關(guān)系Tab.7 The relationship between scores and safety levels

評語集中的成績區(qū)間與相對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級關(guān)系如表8所示。

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

風(fēng)險(xiǎn)評估一般采用專家調(diào)查法、CIM法、蒙特卡洛模擬法等基本方法。為簡化計(jì)算和等到相應(yīng)數(shù)據(jù)采用專家調(diào)查法。

搜集大量安平瓦斯隧道的有關(guān)資料，分析瓦斯隧道施工過程相關(guān)的地質(zhì)環(huán)境、安全管理、設(shè)備設(shè)施、施工方案及相關(guān)法律文件。對安平瓦斯隧道進(jìn)行實(shí)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(chǔ)情況上，進(jìn)入現(xiàn)場對瓦斯隧道內(nèi)的通風(fēng)情況、瓦斯?jié)舛燃八淼赖貙忧闆r進(jìn)行調(diào)研；對該隧道的安全管理方面詢問該項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)有關(guān)安全風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對方法；考察了該工程的一些安全設(shè)備設(shè)施。專家在現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上就本項(xiàng)目可能涉及的風(fēng)險(xiǎn)及其程度進(jìn)行判斷，按指標(biāo)評分，對專家給出的判斷值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表9所示。

1）建立模糊評價(jià)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(jià)矩陣Ri。

表9 權(quán)重和安全等級統(tǒng)計(jì)表Tab.9 Statistical data of weight and safety grade

2）求各因素評價(jià)矩陣Bi。由公式Bi=WBi×Ri得出各因素評價(jià)矩陣：

3）得出總評價(jià)矩陣R：

4）綜合因素評價(jià)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(jì)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(shè)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(fēng)險(xiǎn)等級屬于“一般”。

6）評價(jià)結(jié)果。由模糊層次分析法得出：具體風(fēng)險(xiǎn)因素中通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)、人員身體狀況和業(yè)務(wù)素質(zhì)、安全意識(shí)、消防系統(tǒng)占主導(dǎo)地位；整個(gè)系統(tǒng)的安全等級為III級。

2.5 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

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

1）施工通風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。①避免污風(fēng)循環(huán)：選擇壓入式通風(fēng)機(jī)并將其裝設(shè)在洞外30 m位置。通風(fēng)機(jī)均需裝設(shè)風(fēng)電閉鎖裝置，一旦通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障系統(tǒng)自動(dòng)切斷電源，防止瓦斯累積時(shí)出現(xiàn)火花。②設(shè)置備用電源和通風(fēng)機(jī)：當(dāng)一路電源停止供電或通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，能迅速使用備用電源或通風(fēng)機(jī)確保隧道內(nèi)可以正常通風(fēng)。③通風(fēng)管：通風(fēng)管采用抗靜電、阻燃的材料制作，避免產(chǎn)生電火花，且風(fēng)管口到開挖面的距離應(yīng)小于5 m。

2）安全監(jiān)測風(fēng)險(xiǎn)。①嚴(yán)禁人員進(jìn)入超限區(qū)，采用變風(fēng)量送風(fēng)的方法控制進(jìn)風(fēng)量，逐步排出超限區(qū)域內(nèi)的瓦斯。②在進(jìn)行瓦斯排放時(shí)，不僅要保證工作區(qū)域內(nèi)的瓦斯?jié)舛炔怀瑯?biāo)，同樣要確保洞內(nèi)排出的瓦斯不超標(biāo)，瓦斯檢測員需要經(jīng)常在回風(fēng)風(fēng)流中檢查瓦斯的濃度，當(dāng)瓦斯?jié)舛刃∮?.75%時(shí)，減少送風(fēng)量。

3）施工人員風(fēng)險(xiǎn)。該項(xiàng)目中主要的施工人員風(fēng)險(xiǎn)為人員的身體狀況和業(yè)務(wù)素質(zhì)、人員的安全意識(shí)兩個(gè)方面。①定期進(jìn)行安全教育與培訓(xùn)工作，提高人員的安全生產(chǎn)知識(shí)、增強(qiáng)安全意識(shí)，從而能有效地防止人員的不安全行為。②安全教育培訓(xùn)要做到培訓(xùn)內(nèi)容全面，重點(diǎn)突出，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。③定期對員工進(jìn)行體檢。

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

3 結(jié) 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(fēng)險(xiǎn)分析全過程為研究對象，詳細(xì)介紹了風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的方法及過程，提出了一種適合瓦斯隧道施工特點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法。

1）運(yùn)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(fēng)險(xiǎn)有害因素有通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)、人員身體狀況和業(yè)務(wù)素質(zhì)、安全意識(shí)、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(jié)論，對風(fēng)險(xiǎn)較大的影響因素如工人身體狀況和業(yè)務(wù)素質(zhì)、通風(fēng)問題、安全監(jiān)測系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等提出相應(yīng)的對策措施，以避免或降低這些因素導(dǎo)致的安全問題。

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

4）本文的研究對象為安平瓦斯隧道施工期風(fēng)險(xiǎn)，局限性較大，可行性研究、設(shè)計(jì)、招投標(biāo)等相關(guān)領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)研究還需要做大量的工作。此外，論文中的模型是從運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的角度出發(fā)建立的，考慮到風(fēng)險(xiǎn)的各類損失具有模糊性的特點(diǎn)，本文中的風(fēng)險(xiǎn)損失分析建立在專家模糊估計(jì)的定性基礎(chǔ)上，今后需要加強(qiáng)基于指標(biāo)的損失定量化分析。