沉管隧道火災風險評估及預警研究

吳景泰 侯曉彤(沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

跨海區域間的聯系方式主要有：輪渡、橋梁和海底隧道。海底隧道不僅直接連通陸地，且受氣象條件影響小，有很強的抗震性能和戰備意義。世界級工程港珠澳大橋中，長達達5.6千米的沉管隧道是已經修建完成的海底隧道中技術精度和技術要求最高的海底隧道。隨著我國海底隧道建設的飛速發展，越來越多的越江跨海通道正在修建和規劃中，沉管隧道也由于造價低廉、施工方便等特點而得到廣泛應用。

但因沉管隧道位于水下，結構狹長、空間小、不利于空氣流通及結構的特殊性，發生火災后隧道內煙霧很難順利地排出，并且對車輛與人員進行疏散時也十分困難。這就要求保證其火災應急救援系統的可靠性，火災風險評估及預警就是通過對沉管隧道運營期間火災風險進行監測、評估及預先報警，為以應急救援為目的管理提供依據。

1 沉管隧道火災風險因素分析

選用事件樹和事故樹結合的方法，從沉管隧道發生火災開始，逐層分析可能導致事故發生的風險因素，從而得到風險預警所需要確定的指標體系。而由于這個風險評價指標體系是一個遞階層次結構的指標體系，而且很多評估指標具有模糊性，因此應用模糊層次評價法對沉管隧道火災風險評估。以發生火災后的應急救援為目的分析風險，初始事件為沉管隧道內發生火災，采用事件樹來分析影響沉管隧道火災失控的主要事件階段，建立隧道火災事件樹(見圖1)。

由事件樹分析結果，根據沉管隧道具體情況，從火災監測報警、火災控制、火災疏散三個階段分別建立事故樹來對沉管隧道火災進行風險因素指標分析。

1.1 火災監測報警階段

沉管隧道火災監控探測報警系統失效主要可分為自動報警失效及手動報警失效兩部分。而手動報警失效可能來自于設備和人員兩方面的失效。

1.2 火災控制階段

沉管隧道火災控制失敗主要與隧道內的消防滅火系統故障及人為失誤有關。隧道的消防滅火系統主要由消防系統和防排煙系統兩部分組成；人為失誤可能包括監控室工作人員未能及時發現火情并啟動預案等。

1.3 火災疏散階段

沉管隧道火災疏散失敗可能與逃生出口故障和人員的失誤有關。逃生出口故障主要包括設備故障和結構故障兩部分；而人員的失誤包括逃生引導人員和逃生人員的失誤。

隧道火災事件樹如圖1所示。

圖1 隧道火災事件樹

2 沉管隧道火災風險評估模型

文章以港珠澳沉管段為例，建立以上三個階段的故障樹，得到沉管隧道火災風險的18個基本風險指標(事故樹的底事件)，見表1。

表1 各階段基本風險指標模型

2.1 層次分析法確定指標權重

2.1.1 確定判斷矩陣并計算權重、一致性

采取兩兩比較的方法，對準則層各要素相對于目標層的重要性、指標層各要素對準則層的重要性進行賦值，并把每層內的元素都進行比較，搭建權重評估判斷矩陣。判斷矩陣標度準則如表2所示。

表2 判斷矩陣標度準則表

2.1.2 層次單排序與一致性檢驗

層次單排序主要是確定本層次的各個因素在上一層因素下的重要性排序。即對于判斷矩陣Uij，計算滿足UijW=λmaxW的特征根和特征向量。其中W是特征向量，分量為ωi，λmax為Uij的最大特征根，ωi也就是各對應因素單排序的權值，這樣層次單排序就轉化成了求λmax和W的解同時得出對應的權重。

2.1.3 層次總排序與一致性檢驗

相對層次單排序而言，層次總排序是為了核算某一層次全部要素對最高層的相對重要性排序，該計算過程是從最高層級開始，到最低層次依次展開的。構建層次總排序的判斷矩陣，計算準則層Ui各要素相對于目標層U的權重。

2.2 模糊綜合評價

(1)構建模糊判斷矩陣。建立評語集，邀請專家對各風險指標的評價，將風險水平分為四個測量等級：很高、高、一般和低，為便于計算，將評語標度數量化，從高到低依次賦值4、3、2、1。根據打分結果，得到各階段模糊判斷矩陣R1，R2，R3。

(2)將層次分析法評價結果納入到模糊綜合評價模型中，計算各階段模糊評價向量Ti=WiT·Ri和綜合評價向量T=WT·R，最終將各級指標進行定量評定。

3 沉管隧道火災分級預警判斷

沉管隧道火災安全風險預警系統旨在己建立的風險評估模型基礎上，分析處理后將沉管隧道發生火災后各階段安全風險情況更直觀地呈現給管理者，并根據分級情況靈活調整運營管理對策，以達到提高應急救援可靠性的目標?？捎貌煌伾念A警燈對火災風險即上一節得到的模糊綜合評價結果進行分級預警，具體判斷分級如表3所示。

表3 沉管隧道火災風險預警分級

為了提前對沉管隧道運營期間的火災風險隱患問題進行及時整改，減少火災發生后產生人員傷亡的概率，除了確定沉管隧道火災風險預警級別外，風險預警系統還要能夠向管理者提出有針對性的對策建議。

Ⅰ級預警，必須立即采取有效措施整改，直至風險降低并重新評估通過；Ⅱ級預警，應努力整改完善降低風險，密切關注風險失控可能性，強化對當前控制措施監控力度，必要時及時調整方案；Ⅲ級預警，不能放松當前的風險控制水平，可以考慮采取更加適宜的解決方案，預防風險失控；Ⅳ級預警，保持現有控制措施，不必調整或采取新措施。

由于沉管隧道系統較大，管理者可以通過預警燈先了解系統的總體狀況，做出相應的判斷后再詳細針對具體的風險因素進行整改。

4 結語

文章首先采用事件樹和事故樹結合的分析方法，以港珠澳沉管隧道為例，分析出了在火災發生之后監測報警、火災控制和火災疏散3個階段中的風險因素指標。接著根據事故樹的18個底事件建立了風險指標評估模型，在采用層次分析法對各層風險指標定性評價的基礎上，通過模糊數學定量評估沉管隧道火災風險。最終把模糊評價結果劃分為4個區間，采用紅橙黃綠三種顏色的信號燈將沉管隧道火災風險進行分級預警，及時對可能存在的隱患進行預警提醒，并分別提出了對策建議。

文章所研究的風險評估和預警框架，能夠對沉管隧道運營期間的火災風險進行監測、評估及預先報警，提前發現問題并整改，有利于促進火災發生后的應急救援更有效地進行。