鐵路隧道工程可行性研究階段風險評估研究

王晉輝,凌云鵬,智宏亮,劉海林,丁嘯宇

(中鐵工程設計咨詢集團城市軌道交通設計研究院,北京 100055)

1 概述

風險評估作為新興交叉學科，是風險管理的重要基礎，在工程領域發揮著越來越重要的作用[1-2]。鐵路隧道工程建設需要進行風險管理，而風險評估則貫穿于鐵路隧道工程設計的全過程[3-4]。對鐵路隧道工程進行合理的風險評估，能夠使得工程實踐盡可能規避風險，為科學化決策提供依據，從而達到優化設計、控制風險和提高經濟效益的目的[5]。

可行性研究階段作為項目在技術和經濟上是否可行所進行的科學分析和論證，也是設計階段對于線路方案和控制因素的宏觀把控，為整個項目的決策提供了重要的依據。因此，在可行性研究階段對鐵路隧道工程進行合理的風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險評估多為定性估計，具有較強的主觀性，且風險評估過程中往往只是分別評估了某單一風險因素，并未將各種風險因素綜合考慮進行評價分析。以A隧道為實例，基于AHP法建立定性與定量相結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險因素進行綜合評價，得到各風險因素相對發生的概率[10-11]，再通過模糊綜合評價體系對隧道的綜合風險進行評價打分[12]，從而得到隧道綜合風險評估結果與分析。

2 鐵路隧道工程可行性研究階段的風險因素

可行性研究階段應根據工程特點和預可行性研究報告等編制風險計劃，對技術標準、線路方案、重大工程方案、投資估算、環境保護、建設工期等因素進行風險識別并提出重點識別的風險因素[13-15]。根據《鐵路隧道工程風險管理技術規范》，重點識別的因素分為自然風險、地質風險、技術風險和社會風險四大類風險類別[16-18]，具體風險類別和風險因素見表1。

表1 可行性研究階段風險因素

3 基于AHP法計算的相對發生概率

對于不同實際情況下的隧道，其面臨風險因素的種類各不相同，這就要求風險評估模型能夠根據隧道的實際情況進行相應的調整，從而符合生產要求。

風險發生的概率和風險發生的后果等級共同決定最后的風險等級[19-21]。《鐵路隧道工程風險管理技術規范》中給出的風險事件發生概率等級標準如表2所示。

表2 風險事件發生概率等級標準

該標準只單獨考慮了某一風險因素發生的概率，實際上鐵路隧道工程的風險等級往往并不是由一種單一的風險因素來決定。AHP法能夠科學有效地通過各指標之間相互比較聯系得到各自的權重，因而本文通過AHP法將這些風險因素互相聯系起來，并得到各風險因素發生的相對概率[22-23]。

為了方便模糊互補判斷矩陣計算，需通過專家將各風險因素發生的相對可能性大小用1～9的標度來代替，具體標準參考表3。

表3 發生相對概率比較度含義

專家自身對風險定性的認知將通過標度輸入到模型中，經過AHP法的一系列計算會直接得到各因素發生的相對概率，因此，專家對標度的輸入十分重要。在對指定的隧道進行風險評估時，專家應盡量選擇參加過該隧道實地勘察的設計人員或是對該區域各情況熟知且隧道設計經驗豐富的相關人員。由于單一專家的判斷有可能出現誤差和偶然性，所以最好選擇盡可能多的的相關專家進行標度輸入，通過求均值的方法提高最終標度的可靠性與科學性。

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

圖1 風險評估模型結構

根據各指標因素的相互關系，建立綜合評選層次結構。對相關聯的各因素進行兩兩比較，從而構造出模糊互補判斷矩陣

(1)

根據式(2)計算并檢驗模糊互補判斷矩陣的模糊一致性

(2)

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

4 基于模糊綜合評價的風險評估方法

《鐵路隧道工程風險管理技術規范》設立的5個風險事件發生后果等級標準，如表4所示。

表4 風險事件發生后果等級標準

在模糊綜合評價系統中，需要確定評價等級，即評測打分時可以為各個評測指標設定的分值集合。此次模型設立的評價等級就參照表4中的風險事件發生后果等級嚴重程度來設定，分為“災難性的、很嚴重的、嚴重的、較大的、輕微的”5個等級，而對應所需評測的權向量則為進行評估的各風險因素。為了方便直觀地分析，每個評價等級經過測算都賦予一個對應的風險分值，如表5所示。

表5 風險事件發生后果等級標準

對所有風險因素進行評價打分后，再結合AHP法計算出的各風險因素發生相對概率，通過模糊綜合評價計算，得到綜合各風險因素的隧道風險綜合評估值。

根據多次測算分析，對于得到的隧道風險綜合評估值，選取4個相應的分值區間，作為定量判別標準來判斷隧道的綜合風險等級，如表6所示。

表6 隧道風險等級標準

結合計算得到的隧道風險綜合評估值與定量判別標準，便能得到該隧道的綜合風險等級。

在模型計算過程中，根據AHP法計算得到的權重可以得到影響隧道風險的主要和次要因素，可在后續進行靈敏度分析。同時也能根據模糊綜合分析得到各風險類別的風險分值，進而進行其他后續研究。

5 實例分析

A隧道位于某市兩縣區的分水嶺地段，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玄武巖和白堊系下統土井子組泥質砂巖，局部段落巖體節理發育，巖體較破碎。隧道通過區域地表溝谷均為季節性溝流，溝內均無常年流水。隧道下穿長城遺址保護區和地質公園景區，且洞身位于軍事轄區附近。

在初測階段，由于地質鉆孔較少，地面可見巖層雖為玄武巖，但其下是否有其他不良地質體尚未明確。隧道穿越區域上覆建筑(構)物較多，隧道工程對相關設施是否有影響，需進一步得到有關部門的明確答復。

針對該隧道的基本情況，由參與初測調查的隧道設計專家對各風險因素發生的相對可能性大小進行填寫，代入圖1中的模型，得到各風險因素的權重如表7所示。

表7 A隧道各風險因素所占權重

風險類別所占的權重如表8所示。

表8 A隧道各風險類別所占權重

隨后通過專家對A隧道相應風險因素事件發生后果等級進行評定，如表9所示。

表9 A隧道各風險因事件發生后果等級評定

將各風險因素所占權重代入模糊綜合評價模型進行計算，得到各風險類別的評分如表10所示。

表10 A隧道各風險類別得分

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

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

6 結語

鐵路隧道工程在可行性研究階段的風險評估對于控制鐵路隧道工程建設風險和規范鐵路隧道風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目選線。因此，需要考慮各方面的因素，得到涵蓋各風險因素的風險綜合評估結果。

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

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

將A隧道的相關資料代入模型，得到其綜合風險評估值為4.774分，綜合風險等級為中度。在計算過程中，各風險類別和風險因素對應的權重與分值良好地反映各因素對于該隧道綜合風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。最終得到的風險評估值與風險等級較為準確地體現了該隧道在可行性研究階段的風險狀況。

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