基于層次分析法的山區公路特長隧道消防供水研究

何奇飛 朱 歡

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550000)

貴州省地貌屬典型喀斯特地形，高速公路隧道占比大，其中3 km以上的特長隧道逐步增多。由于特長隧道內部空間環境特殊，火災事故的發生率和嚴重性明顯提高，給隧道行車安全帶來了很大的挑戰，在設計過程中如何選取經濟、合理的供水方案是有待解決的問題之一。

1 工程概況

擬建的貴州省武隆(渝黔界)至道真高速公路是貴州省“678”高速公路網中“三縱”道真至新寨的首段，其中蔡家梁子隧道為本條高速公路最長隧道之一，為分離式特長隧道，長5 762 m，最大埋深約690 m。設計速度80 km/h，雙向四車道，建筑限界凈寬10.25 m。

2 隧道消防供水方案現狀

對于山區特長隧道消防供水方案需要綜合考慮地形條件、經濟效益、施工難易程度等多個方面的影響，不同的供水方案有其各自的適用特點。目前，我國應用較多的消防供水方案主要有如下幾種[1-2]。

1) 單端供水。根據隧道兩端洞口高程計算，在高程較高的一端設計高、低位水池供水系統，管網壓力依靠高程較高一端的高位水池提供，管網壓力由高位水池端向另一端不斷增大，當靜壓達到0.75 MPa 則通過可調式減壓穩壓閥組(動、靜壓可調)將靜壓調整為0.4 MPa。此方案施工難度較小，系統之間相互干擾也較少，但整體管網較長，供水系統的整體壓力較大，僅依靠減壓穩壓供水使系統的壓力可控性較差。

2) 單端供水+隧道內消防水池分區供水。隧道洞口單端設置高位水池，同時在隧道橫洞內設置轉運水池，結合隧道高差使管道內水壓保持在0.4～0.75 MPa范圍內，在隧道橫洞內設置轉運水池分區將隧道內消防設施供水劃分為若干段落，隧道消防供水采用分區段供水方案，區段1兼顧一次性消防用水和補水的及時性，通過洞外設置高位水池，利用自然高程差向隧道洞內區段1供水；之后區段在洞內設置消防水池，從前一區段管網中補水，充分利用隧道自然坡度，實現對應區段內消防設施供水。

3) 兩端分區供水。在隧道兩端洞口分別設計高低位水池，利用兩端隧道高位水池的高程與隧道高程差壓力為隧道內管網提供壓力需求；兩端供水可通過各自高水池提供相應壓力，但由于隧道一般設置人字坡或者單坡隧道，則勢必導致高程低的一端形成反坡供水，為克服管道水頭損失和高程差導致供水管道不宜過長。

4) 斜/豎井內設置消防水池。對于人字坡隧道，由于兩端洞口與變坡點高程差較大，而隧道中部的斜/豎井在相對于兩端洞口與變坡點的高程差較小，可結合工程實踐情況，利用在隧道斜/豎井內設置高位水池為隧道內消防設施分區供水，管網由斜/豎井內敷設至交叉口后各自向不同分區供水，此方案的優勢由隧道中部集中供水，可有效地降低管網整體壓力。

3 方案比選分析

3.1 構建方案評價體系

由于消防供水方案均有各自特點和適用性，在進行方案比選時，需要對其進行綜合性的評價，以期達到最優效果。結合目前消防供水方案的現狀，總結不同消防供水方案特點見表1。

表1 4種常見消防供水方案特點分析

由表1可知，對供水方案比選時需要兼顧不同消防供水方案的適用特點和影響因素，選用合理的指標及方法，才能進行綜合、全面的評價。由于消防供水方案具有影響因素多、難以量化等特點，可采用層次分析法，將評價目的、影響因素和評價指標劃分為不同結構層次構建評價模型，進行比選分析。層次分析法結合了定性分析的優勢，又建立相應的數學模型來計算分析，能夠有效地處理多準則或無結構特性的復雜決策問題，在進行多因素決策時有廣泛地應用[3-4]。

因此，基于上述4種消防供水方案的特點，結合本項目的特點，構建評價指標體系見圖1。

圖1 消防供水方案評價體系

3.2 評價方法及計算

3.2.1構建判斷矩陣

根據圖1消防供水方案評價體系，采用三級層次分析結構，分別對同一層次的各元素按重要性進行兩兩比較，構建判斷矩陣。為避免建立判斷矩陣出現片面性或較大的主觀影響，收集專家、業主、施工等專業技術人員的意見，采用1～9標度法對判斷結果進行量化(見表2)，構造判斷矩陣。

表2 1～9標度法

3.2.2層次排序及其一致性檢驗

通過計算量化以后的判斷矩陣，得出被比較元素對于該因素的相對權重，并進行一致性檢驗。計算矩陣特征根來確定權向量Aw=λmxw，計算其最大特征根λmax。采用一致性指標CI衡量判斷矩陣的不一致程度，其計算方法見式(1)。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

定義隨機一致性指標RI，當階數大于2時，其一致性的指標用CR表示，CR值計算方法見式(2)。

(2)

當CR<0.1時，可表示該判斷矩陣的一致性滿足要求，否則就需要進行調整。

3.2.3權值計算

根據調查收集意見，按1～9標度法進行量化，構建中間層和基礎指標層判斷矩陣，并進行一致檢驗，對于當基礎指標出現小于或等于2項時可直接按加權平均值確定權重，權值計算過程及結果如下。

計算最大特征根λmax及其特征向量w

λmax=4.032，w=[0.106 0.362 0.411 0.121]T

判斷矩陣一致性檢驗。n=4，取得RI=9，計算CR值。

矩陣符合一致性檢驗要求，權重值分配合理，結果見表3。

表3 中間層權重

同理，按上述過程依次構建基礎指標層判斷矩陣，分別計算特征向量wi并進行一致檢驗，對于當基礎指標出現小于或等于2項時可直接按加權平均值確定權重，權值計算過程及結果見表4～表7。

表4 經濟性指標層權重

表5 技術性指標層評判及權重

表6 施工便利性指標層權重

表7 環境影響性指標層權重

根據上述各層權重計算結果，對層次總排序進行一致性檢驗，總排序一致性比率計算方法見式(3)。

(3)

層次總排序CR=0.020<0.10，符合一致性檢驗要求。評價指標權重匯總見表8。

表8 評價體系指標權重匯總

4 實例應用

基于消防供水方案比選模型，通過問卷調查方式，收集施工、設計、業主方各2名技術人員對表1中4種備選方案進行打分評判(評分越高則該項指標越優)，同一基礎指標取調查人員打分平均值為評判分數，表9為方案一調查評分結果。

表9 調查評分結果表(以方案一為例)

通過對評分結果進行收集和整理，分別對備選方案各項評價指標進行綜合評判，計算綜合得分越高則方案越優，備選方案綜合評價結果見表10。

表10 備選方案綜合評價結果

根據計算結果，備選方案排序結果為：方案一>方案三>方案二>方案四，方案一單端供水方案綜合評分最高，優選為本項目消防供水方案。結合項目實際條件，對本項目消防供水方案進行具體設計如下。

隧道洞口設置高位水池供水，從變坡點后管網壓力由小樁號向大樁號方向不斷增大，為控制保證管網供水壓力，經計算當靜壓達到0.75 MPa則通過可調式減壓穩壓閥組(動、靜壓可調)將靜壓調整為0.4 MPa。同時，結合隧道縱坡長度及人行橫洞設置情況，對蔡家梁子隧道單洞需要進行2次減壓處理，分別設置于5號人行橫洞和8號人行橫洞附近，供水點位布置見圖2。

圖2 供水點位布設圖

根據供水布設點位，考慮供水管道流量、流速及供水壓力的需求[5-7]，均衡系統管道能耗，選擇以不超過2.5 m/s管道流速確定管徑，并以盡量節省管道、降低水泵功率為目標，確定管道材料，具體參數設計見表11。

表11 管材參數選取

5 結語

通過對山區高速公特長隧道消防供水方案進行分析，綜合考慮經濟性、技術性、施工便利性、環境影響等多方面因素，提出了特長隧道消防供水方案綜合評價體系，并構建了方案比選模型，選擇以單端供水作為該項目消防供水方案，并結合項目實際條件，從消防管道、管材、供水壓力等方面進行了具體設計，直接指導實際施工作業，提高隧道消防供水系統的可靠行。