沉管隧道火灾风险评估及预警研究

吴景泰 侯晓彤(沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136)

0 引言

跨海区域间的联系方式主要有：轮渡、桥梁和海底隧道。海底隧道不仅直接连通陆地，且受气象条件影响小，有很强的抗震性能和战备意义。世界级工程港珠澳大桥中，长达达5.6千米的沉管隧道是已经修建完成的海底隧道中技术精度和技术要求最高的海底隧道。随着我国海底隧道建设的飞速发展，越来越多的越江跨海通道正在修建和规划中，沉管隧道也由于造价低廉、施工方便等特点而得到广泛应用。

但因沉管隧道位于水下，结构狭长、空间小、不利于空气流通及结构的特殊性，发生火灾后隧道内烟雾很难顺利地排出，并且对车辆与人员进行疏散时也十分困难。这就要求保证其火灾应急救援系统的可靠性，火灾风险评估及预警就是通过对沉管隧道运营期间火灾风险进行监测、评估及预先报警，为以应急救援为目的管理提供依据。

1 沉管隧道火灾风险因素分析

选用事件树和事故树结合的方法，从沉管隧道发生火灾开始，逐层分析可能导致事故发生的风险因素，从而得到风险预警所需要确定的指标体系。而由于这个风险评价指标体系是一个递阶层次结构的指标体系，而且很多评估指标具有模糊性，因此应用模糊层次评价法对沉管隧道火灾风险评估。以发生火灾后的应急救援为目的分析风险，初始事件为沉管隧道内发生火灾，采用事件树来分析影响沉管隧道火灾失控的主要事件阶段，建立隧道火灾事件树(见图1)。

由事件树分析结果，根据沉管隧道具体情况，从火灾监测报警、火灾控制、火灾疏散三个阶段分别建立事故树来对沉管隧道火灾进行风险因素指标分析。

1.1 火灾监测报警阶段

沉管隧道火灾监控探测报警系统失效主要可分为自动报警失效及手动报警失效两部分。而手动报警失效可能来自于设备和人员两方面的失效。

1.2 火灾控制阶段

沉管隧道火灾控制失败主要与隧道内的消防灭火系统故障及人为失误有关。隧道的消防灭火系统主要由消防系统和防排烟系统两部分组成；人为失误可能包括监控室工作人员未能及时发现火情并启动预案等。

1.3 火灾疏散阶段

沉管隧道火灾疏散失败可能与逃生出口故障和人员的失误有关。逃生出口故障主要包括设备故障和结构故障两部分；而人员的失误包括逃生引导人员和逃生人员的失误。

隧道火灾事件树如图1所示。

图1 隧道火灾事件树

2 沉管隧道火灾风险评估模型

文章以港珠澳沉管段为例，建立以上三个阶段的故障树，得到沉管隧道火灾风险的18个基本风险指标(事故树的底事件)，见表1。

表1 各阶段基本风险指标模型

2.1 层次分析法确定指标权重

2.1.1 确定判断矩阵并计算权重、一致性

采取两两比较的方法，对准则层各要素相对于目标层的重要性、指标层各要素对准则层的重要性进行赋值，并把每层内的元素都进行比较，搭建权重评估判断矩阵。判断矩阵标度准则如表2所示。

表2 判断矩阵标度准则表

2.1.2 层次单排序与一致性检验

层次单排序主要是确定本层次的各个因素在上一层因素下的重要性排序。即对于判断矩阵Uij，计算满足UijW=λmaxW的特征根和特征向量。其中W是特征向量，分量为ωi，λmax为Uij的最大特征根，ωi也就是各对应因素单排序的权值，这样层次单排序就转化成了求λmax和W的解同时得出对应的权重。

2.1.3 层次总排序与一致性检验

相对层次单排序而言，层次总排序是为了核算某一层次全部要素对最高层的相对重要性排序，该计算过程是从最高层级开始，到最低层次依次展开的。构建层次总排序的判断矩阵，计算准则层Ui各要素相对于目标层U的权重。

2.2 模糊综合评价

(1)构建模糊判断矩阵。建立评语集，邀请专家对各风险指标的评价，将风险水平分为四个测量等级：很高、高、一般和低，为便于计算，将评语标度数量化，从高到低依次赋值4、3、2、1。根据打分结果，得到各阶段模糊判断矩阵R1，R2，R3。

(2)将层次分析法评价结果纳入到模糊综合评价模型中，计算各阶段模糊评价向量Ti=WiT·Ri和综合评价向量T=WT·R，最终将各级指标进行定量评定。

3 沉管隧道火灾分级预警判断

沉管隧道火灾安全风险预警系统旨在己建立的风险评估模型基础上，分析处理后将沉管隧道发生火灾后各阶段安全风险情况更直观地呈现给管理者，并根据分级情况灵活调整运营管理对策，以达到提高应急救援可靠性的目标。可用不同颜色的预警灯对火灾风险即上一节得到的模糊综合评价结果进行分级预警，具体判断分级如表3所示。

表3 沉管隧道火灾风险预警分级

为了提前对沉管隧道运营期间的火灾风险隐患问题进行及时整改，减少火灾发生后产生人员伤亡的概率，除了确定沉管隧道火灾风险预警级别外，风险预警系统还要能够向管理者提出有针对性的对策建议。

Ⅰ级预警，必须立即采取有效措施整改，直至风险降低并重新评估通过；Ⅱ级预警，应努力整改完善降低风险，密切关注风险失控可能性，强化对当前控制措施监控力度，必要时及时调整方案；Ⅲ级预警，不能放松当前的风险控制水平，可以考虑采取更加适宜的解决方案，预防风险失控；Ⅳ级预警，保持现有控制措施，不必调整或采取新措施。

由于沉管隧道系统较大，管理者可以通过预警灯先了解系统的总体状况，做出相应的判断后再详细针对具体的风险因素进行整改。

4 结语

文章首先采用事件树和事故树结合的分析方法，以港珠澳沉管隧道为例，分析出了在火灾发生之后监测报警、火灾控制和火灾疏散3个阶段中的风险因素指标。接着根据事故树的18个底事件建立了风险指标评估模型，在采用层次分析法对各层风险指标定性评价的基础上，通过模糊数学定量评估沉管隧道火灾风险。最终把模糊评价结果划分为4个区间，采用红橙黄绿三种颜色的信号灯将沉管隧道火灾风险进行分级预警，及时对可能存在的隐患进行预警提醒，并分别提出了对策建议。

文章所研究的风险评估和预警框架，能够对沉管隧道运营期间的火灾风险进行监测、评估及预先报警，提前发现问题并整改，有利于促进火灾发生后的应急救援更有效地进行。