基于AHP与CIM的海底隧道施工风险评估与控制

李 继 超

(山东农业大学经济管理学院，山东 泰安 271017)

1 概述

近年来，海底隧道施工事故频发，日本青函海底隧道施工中先后发生4次涌水[1]，英法海底隧道发生火灾事故[2],我国的港珠澳大桥项目截止到2017年9月造成9起人员伤亡事故。这些安全事故的发生引起了国内外学者的高度重视，利用专家调查法、层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)、模糊数学法、蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)模拟等方法，进行了大量的研究并且取得了不错的成果。但是，方法相对单一，受主观因素影响较大。本文在前人研究基础上，建立了海底隧道施工风险的AHP-CIM评估模型(层次分析法与控制区间和记忆评估模型)，并提出相应的控制措施。AHP具有系统、简洁实用性，对事物进行定性分析，但主观因素存在不易令人信服，CIM侧重处理定量问题，对事物评价比较科学，但不适用于处理定性指标问题，将AHP-CIM相结合既可以克服CIM在独自运用时不能很好处理定性指标的问题，又能弥补AHP模型受主观因素影响的缺陷，实现定性定量相结合。

2 AHP-CIM风险评估模型

本文首先利用层次分析法(AHP)[3]对海底隧道施工技术风险进行识别，根据识别出的风险因素进行专家打分，然后计算准则层各因素权重并检验一致性。具体有：

1)建立海底隧道施工风险层次结构模型；

2)构造比较判断矩阵；

3)计算层次单排序与总排序并进行一致性检验[4，5]。在此基础上，利用模糊评价确定指标层风险因素概率，建立控制区间和记忆评估模型(CIM)[6]，由指标层向目标层依次进行叠加计算总的施工风险等级。在海底隧道施工风险中，各级风险因素的出现具有随机性，将其同级风险因素简化为并联关系，因此适用于CIM模型的并联响应模型。其组合影响概率公式如下所示:

P(Xa=xa)=

式中：Xa——表风险因素；

xa——被划分的区间。

3 AHP和CIM模型在海底隧道工程中的应用

渤海海峡跨海隧道(即烟大海底隧道)北起大连旅顺，南至烟台蓬莱，全长123 km。该隧道将采用“2+1”深埋式“全隧道”方案(即单洞单线隧道+服务隧道+单洞单线隧道)，服务隧道位置略低于两侧车道。主隧道和服务隧道采用敞开式TBM+钻爆法进行施工，复合式衬砌。划分为蓬莱端隧道口—北长山岛竖井、北长山岛竖井—北城隍岛竖井、北城隍岛竖井—旅顺端隧道口三段。与此同时，采用深埋法解决防水的问题。

3.1 构建海底隧道施工风险评估指标体系

通过查找和总结先前隧道施工风险分析的资料和信息数据[5,7,8],根据AHP的基本原理，建立了海底隧道施工风险的综合评估指标体系，该体系共分为三层，即目标层、准则层、指标层，见图1。

3.2 运用AHP确定风险因素的权重

结合渤海海峡跨海隧道工程实际情况，将图1作为渤海海峡跨海隧道施工风险综合评价体系的风险因素层次图，按照1～9标度法，请海底隧道专家对各风险因素进行两两比较，并给出相应的标度值，运用AHP确定准则层B的权重，计算结果如表1所示。

表1 准则层B风险因素矩阵表

经检验判断准则层B风险因素CI<0.1，随机一致性比率CR<0.1，即为通过一致性检验。对于B层次以下各C层的子风险因素，认定其权重是一致的。

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3.3 运用CIM模型对海底隧道施工风险进行评价

本文结合模糊评价确定最后一层风险因素的概率分布，因此CIM模型在海底隧道施工风险评价中有：

1)建立因素集(采用图1)。

2)建立评价集。它是指评价者对风险因素可能做出的各种评价结果组成的一种集合，评价结果采用五级方式[9]，分别是风险大、风险比较大、风险适中、风险比较小、风险小，评价集用V表示，即V={风险大，风险比较大，风险适中，风险比较小，风险小}。

3)确定指标层C风险因素概率分布。通过对海底隧道施工相关专家的调查(12人)，请专家对最后一层风险因素i给出评价j,然后计算最后一层每个风险因素的概率分布Pij[10]，公式如下：

其中，Nj为把风险因素i归为同一风险档次j的专家人数;N为专家的总数。

4)根据指标层C运用CIM的并联响应模型，计算准则层B和海底隧道施工总风险的概率分布，见表2，表3。

表2 准则层B风险因素概率分布表

表3 海底隧道施工风险总的概率分布

由表3可知，该海底隧道施工总风险等级比较大，其概率为 37.3%。

通过AHP-CIM结合对渤海海峡跨海隧道工程的施工风险评价，得出结论：自然因素、管理因素风险等级为适中的可能性大；工程地质因素、勘察设计因素、施工技术因素风险等级比较大，尤其是施工技术风险因素，其次是工程地质风险因素；工程施工总的风险等级比较大。

4 海底隧道施工风险控制

由于渤海海峡跨海隧道施工技术因素、工程地质因素风险比较大，对此提出以下措施进行风险控制：在施工前应准确探测工程地质条件,制定全面并且可靠的施工、消防措施以及紧急情况下的逃生训练等；加强地下水处理和防排水工作，制定“以排为主”，“截”“堵”“排”相结合的综合措施[11]，并建立动态的突涌水监测系统；根据不同地质分段制订地质超前预报和现场监控量测计划，采用综合的地质超前预报方案[12]，提高预报精度；控制超欠挖程度，组织专业技能人才提高钻孔技术水平，加强施工管理；加强支护措施，把握好支护时机。

5 结语

本文建立了AHP-CIM模型，并利用该模型对渤海海峡跨海隧道项目的风险进行了研究，识别出5种风险因素和16个子风险，得出隧道施工总风险等级比较大，针对施工技术、工程地质风险提出了控制措施。该模型建立过程较为合理完整，有一定的可信性，可为今后的类似风险评估项目提供参考。

参考文献：

[1] 李 兵,张顶立,方 倩,等.海底隧道建设全过程核心安全风险分析[J].北京工业大学学报,2010,36(4):463-465.

[2] 戴国平.英法海峡隧道火灾事故剖析及其启示[J].铁道建筑,2001(3):6-9.

[3] Morteza Pakdin Amiri.Project Selection for Ooil-fields Development by Using the AHP and Fuzzy TOPSIS Methods[J]. Expert System with Applications,2010(1):1-7.

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[5] 洪选华.胶州湾海底隧道典型施工风险评估与研究[D].上海：同济大学，2008:31-32,44-48.

[6] 谢亚伟,金德民.工程项目风险管理与保险[M].北京：清华大学出版社，2009:57-61.

[7] 马安震.长大隧道施工安全风险评估[D].成都:西南交通大学，2016:32-39.

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[9] 于咏妍.基于模糊层次分析法的隧道坍塌风险评估[J].交通科技,2016(5):111-112.

[10] 李小浩,宋永发.CIM模型在地铁施工安全风险评估中的应用[J].工程管理学报,2010,24(5):513-516.

[11] 杨永强.长大隧道施工安全风险评估与控制技术[D].西安:长安大学,2015:38-49.

[12] 潘国栋,周书明,段悟哲.青岛胶州湾隧道海域段注浆施工风险分析与控制措施研究[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2010,23(4):53-56.