鐵路隧道工程可行性研究階段風(fēng)險評估研究

王晉輝,凌云鵬,智宏亮,劉海林,丁嘯宇

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)城市軌道交通設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

1 概述

風(fēng)險評估作為新興交叉學(xué)科，是風(fēng)險管理的重要基礎(chǔ)，在工程領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[1-2]。鐵路隧道工程建設(shè)需要進(jìn)行風(fēng)險管理，而風(fēng)險評估則貫穿于鐵路隧道工程設(shè)計(jì)的全過程[3-4]。對鐵路隧道工程進(jìn)行合理的風(fēng)險評估，能夠使得工程實(shí)踐盡可能規(guī)避風(fēng)險，為科學(xué)化決策提供依據(jù)，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制風(fēng)險和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的[5]。

可行性研究階段作為項(xiàng)目在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是否可行所進(jìn)行的科學(xué)分析和論證，也是設(shè)計(jì)階段對于線路方案和控制因素的宏觀把控，為整個項(xiàng)目的決策提供了重要的依據(jù)。因此，在可行性研究階段對鐵路隧道工程進(jìn)行合理的風(fēng)險評估具有十分重要的意義[6-7]。

此外，對于鐵路隧道工程的風(fēng)險評估多為定性估計(jì)，具有較強(qiáng)的主觀性，且風(fēng)險評估過程中往往只是分別評估了某單一風(fēng)險因素，并未將各種風(fēng)險因素綜合考慮進(jìn)行評價分析。以A隧道為實(shí)例，基于AHP法建立定性與定量相結(jié)合的多因素模糊綜合評價體系[8-9]，通過AHP法將鐵路隧道工程可行性研究階段的各風(fēng)險因素進(jìn)行綜合評價，得到各風(fēng)險因素相對發(fā)生的概率[10-11]，再通過模糊綜合評價體系對隧道的綜合風(fēng)險進(jìn)行評價打分[12]，從而得到隧道綜合風(fēng)險評估結(jié)果與分析。

2 鐵路隧道工程可行性研究階段的風(fēng)險因素

可行性研究階段應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)和預(yù)可行性研究報告等編制風(fēng)險計(jì)劃，對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、線路方案、重大工程方案、投資估算、環(huán)境保護(hù)、建設(shè)工期等因素進(jìn)行風(fēng)險識別并提出重點(diǎn)識別的風(fēng)險因素[13-15]。根據(jù)《鐵路隧道工程風(fēng)險管理技術(shù)規(guī)范》，重點(diǎn)識別的因素分為自然風(fēng)險、地質(zhì)風(fēng)險、技術(shù)風(fēng)險和社會風(fēng)險四大類風(fēng)險類別[16-18]，具體風(fēng)險類別和風(fēng)險因素見表1。

表1 可行性研究階段風(fēng)險因素

3 基于AHP法計(jì)算的相對發(fā)生概率

對于不同實(shí)際情況下的隧道，其面臨風(fēng)險因素的種類各不相同，這就要求風(fēng)險評估模型能夠根據(jù)隧道的實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而符合生產(chǎn)要求。

風(fēng)險發(fā)生的概率和風(fēng)險發(fā)生的后果等級共同決定最后的風(fēng)險等級[19-21]?！惰F路隧道工程風(fēng)險管理技術(shù)規(guī)范》中給出的風(fēng)險事件發(fā)生概率等級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 風(fēng)險事件發(fā)生概率等級標(biāo)準(zhǔn)

該標(biāo)準(zhǔn)只單獨(dú)考慮了某一風(fēng)險因素發(fā)生的概率，實(shí)際上鐵路隧道工程的風(fēng)險等級往往并不是由一種單一的風(fēng)險因素來決定。AHP法能夠科學(xué)有效地通過各指標(biāo)之間相互比較聯(lián)系得到各自的權(quán)重，因而本文通過AHP法將這些風(fēng)險因素互相聯(lián)系起來，并得到各風(fēng)險因素發(fā)生的相對概率[22-23]。

為了方便模糊互補(bǔ)判斷矩陣計(jì)算，需通過專家將各風(fēng)險因素發(fā)生的相對可能性大小用1～9的標(biāo)度來代替，具體標(biāo)準(zhǔn)參考表3。

表3 發(fā)生相對概率比較度含義

專家自身對風(fēng)險定性的認(rèn)知將通過標(biāo)度輸入到模型中，經(jīng)過AHP法的一系列計(jì)算會直接得到各因素發(fā)生的相對概率，因此，專家對標(biāo)度的輸入十分重要。在對指定的隧道進(jìn)行風(fēng)險評估時，專家應(yīng)盡量選擇參加過該隧道實(shí)地勘察的設(shè)計(jì)人員或是對該區(qū)域各情況熟知且隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富的相關(guān)人員。由于單一專家的判斷有可能出現(xiàn)誤差和偶然性，所以最好選擇盡可能多的的相關(guān)專家進(jìn)行標(biāo)度輸入，通過求均值的方法提高最終標(biāo)度的可靠性與科學(xué)性。

為了方便表述，暫時將表1風(fēng)險類別中的“其他”因素剔除，保留剩余各風(fēng)險因素。模型的決策目標(biāo)即為風(fēng)險評估，是各因素影響的最終結(jié)果；準(zhǔn)則層為四大風(fēng)險類別，其相互之間的比值為不同風(fēng)險類別在此次評價中的相對發(fā)生概率；備選方案層為各風(fēng)險因素，其相互之間的比值代表在所屬風(fēng)險類型下不同風(fēng)險因素發(fā)生的相對概率。具體模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)險評估模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)各指標(biāo)因素的相互關(guān)系，建立綜合評選層次結(jié)構(gòu)。對相關(guān)聯(lián)的各因素進(jìn)行兩兩比較，從而構(gòu)造出模糊互補(bǔ)判斷矩陣

(1)

根據(jù)式(2)計(jì)算并檢驗(yàn)?zāi)：パa(bǔ)判斷矩陣的模糊一致性

(2)

若CR<0.1，通過一致性檢驗(yàn)，說明判斷矩陣無邏輯性錯誤，否則需要對判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整。其中λmax為判斷矩陣的最大特征值，RI為平均一致性指標(biāo)。

4 基于模糊綜合評價的風(fēng)險評估方法

《鐵路隧道工程風(fēng)險管理技術(shù)規(guī)范》設(shè)立的5個風(fēng)險事件發(fā)生后果等級標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。

表4 風(fēng)險事件發(fā)生后果等級標(biāo)準(zhǔn)

在模糊綜合評價系統(tǒng)中，需要確定評價等級，即評測打分時可以為各個評測指標(biāo)設(shè)定的分值集合。此次模型設(shè)立的評價等級就參照表4中的風(fēng)險事件發(fā)生后果等級嚴(yán)重程度來設(shè)定，分為“災(zāi)難性的、很嚴(yán)重的、嚴(yán)重的、較大的、輕微的”5個等級，而對應(yīng)所需評測的權(quán)向量則為進(jìn)行評估的各風(fēng)險因素。為了方便直觀地分析，每個評價等級經(jīng)過測算都賦予一個對應(yīng)的風(fēng)險分值，如表5所示。

表5 風(fēng)險事件發(fā)生后果等級標(biāo)準(zhǔn)

對所有風(fēng)險因素進(jìn)行評價打分后，再結(jié)合AHP法計(jì)算出的各風(fēng)險因素發(fā)生相對概率，通過模糊綜合評價計(jì)算，得到綜合各風(fēng)險因素的隧道風(fēng)險綜合評估值。

根據(jù)多次測算分析，對于得到的隧道風(fēng)險綜合評估值，選取4個相應(yīng)的分值區(qū)間，作為定量判別標(biāo)準(zhǔn)來判斷隧道的綜合風(fēng)險等級，如表6所示。

表6 隧道風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合計(jì)算得到的隧道風(fēng)險綜合評估值與定量判別標(biāo)準(zhǔn)，便能得到該隧道的綜合風(fēng)險等級。

在模型計(jì)算過程中，根據(jù)AHP法計(jì)算得到的權(quán)重可以得到影響隧道風(fēng)險的主要和次要因素，可在后續(xù)進(jìn)行靈敏度分析。同時也能根據(jù)模糊綜合分析得到各風(fēng)險類別的風(fēng)險分值，進(jìn)而進(jìn)行其他后續(xù)研究。

5 實(shí)例分析

A隧道位于某市兩縣區(qū)的分水嶺地段，全長2 191 m，最大埋深141 m。隧道工程涉及地層主要為下第三系漸新統(tǒng)玄武巖和白堊系下統(tǒng)土井子組泥質(zhì)砂巖，局部段落巖體節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎。隧道通過區(qū)域地表溝谷均為季節(jié)性溝流，溝內(nèi)均無常年流水。隧道下穿長城遺址保護(hù)區(qū)和地質(zhì)公園景區(qū)，且洞身位于軍事轄區(qū)附近。

在初測階段，由于地質(zhì)鉆孔較少，地面可見巖層雖為玄武巖，但其下是否有其他不良地質(zhì)體尚未明確。隧道穿越區(qū)域上覆建筑(構(gòu))物較多，隧道工程對相關(guān)設(shè)施是否有影響，需進(jìn)一步得到有關(guān)部門的明確答復(fù)。

針對該隧道的基本情況，由參與初測調(diào)查的隧道設(shè)計(jì)專家對各風(fēng)險因素發(fā)生的相對可能性大小進(jìn)行填寫，代入圖1中的模型，得到各風(fēng)險因素的權(quán)重如表7所示。

表7 A隧道各風(fēng)險因素所占權(quán)重

風(fēng)險類別所占的權(quán)重如表8所示。

表8 A隧道各風(fēng)險類別所占權(quán)重

隨后通過專家對A隧道相應(yīng)風(fēng)險因素事件發(fā)生后果等級進(jìn)行評定，如表9所示。

表9 A隧道各風(fēng)險因事件發(fā)生后果等級評定

將各風(fēng)險因素所占權(quán)重代入模糊綜合評價模型進(jìn)行計(jì)算，得到各風(fēng)險類別的評分如表10所示。

表10 A隧道各風(fēng)險類別得分

最終得到可行性研究階段A隧道風(fēng)險綜合評估值為4.774，說明A隧道在可行性研究階段的綜合風(fēng)險等級為中度。

在計(jì)算過程中能夠明顯看出“既有重要建筑(構(gòu))物、管線”、“地質(zhì)勘察的不確定性程度”以及“文物保護(hù)單位”三個風(fēng)險因素相對發(fā)生概率均大于0.1，說明這3個因素是對此次風(fēng)險評估影響最大的3個因素，與初測掌握的隧道相關(guān)情況相符。此外，在風(fēng)險類別的評分結(jié)果中可以看出“自然風(fēng)險”的得分遠(yuǎn)大于其他3項(xiàng)，可以得到“自然風(fēng)險”是該隧道現(xiàn)階段面臨的最嚴(yán)重的風(fēng)險類別。

6 結(jié)語

鐵路隧道工程在可行性研究階段的風(fēng)險評估對于控制鐵路隧道工程建設(shè)風(fēng)險和規(guī)范鐵路隧道風(fēng)險管理具有重要意義，同時還可能作為控制因素直接影響項(xiàng)目選線。因此，需要考慮各方面的因素，得到涵蓋各風(fēng)險因素的風(fēng)險綜合評估結(jié)果。

本文將AHP法與模糊綜合評價體系結(jié)合，建立基于AHP法的隧道風(fēng)險評估多因素模糊綜合評價體系模型以及相應(yīng)的隧道風(fēng)險等級定量評判標(biāo)準(zhǔn)，得到隧道在可行性研究階段的綜合風(fēng)險評估值以及風(fēng)險等級。

模型依托系統(tǒng)工程原理，通過AHP法得到各風(fēng)險因素發(fā)生的相對概率，再利用模糊綜合評價體系將各專家意見進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，將定性分析轉(zhuǎn)化為定量分析，科學(xué)地將鐵路隧道工程在可行性研究階段的各風(fēng)險類別和風(fēng)險因素統(tǒng)籌考慮并進(jìn)行綜合評價，得到綜合風(fēng)險評估值與風(fēng)險等級。

將A隧道的相關(guān)資料代入模型，得到其綜合風(fēng)險評估值為4.774分，綜合風(fēng)險等級為中度。在計(jì)算過程中，各風(fēng)險類別和風(fēng)險因素對應(yīng)的權(quán)重與分值良好地反映各因素對于該隧道綜合風(fēng)險評估值的影響程度，同時直觀地得到主要和次要影響因素。最終得到的風(fēng)險評估值與風(fēng)險等級較為準(zhǔn)確地體現(xiàn)了該隧道在可行性研究階段的風(fēng)險狀況。

針對不同隧道，只需要對模型中部分因素與等級進(jìn)行局部調(diào)整便能良好地適用于各種情況。對于專家定性評判的部分，可以通過調(diào)查問卷的形式進(jìn)行群決策，從而增加最終結(jié)果的可靠度，使評價結(jié)果更具權(quán)威性。綜上所述，該評價體系能夠?qū)﹁F路隧道工程在可行性研究階段的風(fēng)險進(jìn)行綜合、定量、直觀地評價，具有較強(qiáng)的推廣價值。