城市綜合管廊燃氣管道風險評估指標體系構建

楊 林，高文學，李顏強，嚴榮松，苗慶偉，王 艷，戶英杰，楊明暢

(1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司 城市燃氣熱力研究院，天津 300384；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381)

1 概述

城市地下綜合管廊是在城市地下建造的隧道空間，將電力、通信、燃氣、供熱、給排水等各種工程管線集于一體，并設有專門的檢修口、吊裝口和監(jiān)測系統(tǒng)，實施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設計、統(tǒng)一建設和管理。由于燃氣管道危險性較強，在早期的綜合管廊建設中不建議將燃氣管道納入敷設，但經過技術的不斷完善與科技的發(fā)展，GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》對燃氣管道在綜合管廊內的敷設規(guī)定有了突破，由原來“不建議將燃氣管道納入敷設”轉變?yōu)椤翱杉{入綜合管廊”，并給予了比較明確和嚴格的技術規(guī)定。GB 50289—2016《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》第4.2.2條，明確了綜合管廊內可敷設電力、通信、給水、熱力、再生水、天然氣、污水、雨水管線等城市綜合管線。現(xiàn)行標準促進了全國天然氣管道納入地下綜合管廊的建設[1]。

雖然標準規(guī)范已經允許燃氣管道入廊，但也提出了明確和嚴格的技術規(guī)定，由于燃氣管道易燃易爆的特性，目前出于安全的考慮，大多數(shù)綜合管廊工程不太確定燃氣管道能否入廊。因此本文將綜合管廊燃氣管道風險評估分為入廊前(規(guī)劃可研階段)和運行中(運維管理階段)兩個階段，解決燃氣管道能否入廊以及入廊后能否安全運行的問題。通過構建城市地下綜合管廊燃氣管道在規(guī)劃可研階段和運維管理階段的風險指標體系，采用半定量風險評估方法，基于管道失效可能性和管道失效后果確定管道風險等級，完成規(guī)劃可研階段和運維管理階段綜合管廊燃氣管道的風險評估。

2 綜合管廊燃氣管道風險評估指標體系

綜合管廊燃氣管道的危險源主要來自綜合管廊，綜合管廊作為復雜的綜合體，主要包括管廊本體、入廊管線和廊內附屬設施等。此外危險源還與綜合管廊周邊環(huán)境和管理方面等諸多其他因素有關，采用分解結構法確定城市綜合管廊燃氣管道危險源基本組成[2]。城市地下綜合管廊燃氣管道危險源基本組成見圖1。

圖1 城市地下綜合管廊燃氣管道危險源基本組成

根據(jù)圖1，綜合管廊燃氣管道危險源主要包括綜合管廊、周邊環(huán)境、燃氣管道系統(tǒng)、其他因素4類，并對每類危險源進行細化分解，其次級分類如下。綜合管廊：管廊本體、入廊管線和廊內附屬設施。周邊環(huán)境：地質條件、地震、管道地區(qū)等級、周邊地下空間情況。燃氣管道系統(tǒng)：燃氣管道、燃氣管道附件、燃氣管道保護措施。其他因素：管理水平、其他因素。

基于綜合管廊燃氣管道危險源分析，通過對文獻調查、專家意見等進行歸納總結，確定了綜合管廊燃氣管道在規(guī)劃可研階段的失效可能性指標(包括三個層級指標，其中一級指標4個、二級指標12個、三級指標22個)、綜合管廊燃氣管道在運維管理階段的失效可能性指標(包括三個層級指標，其中一級指標4個、二級指標14個、三級指標39個)和綜合管廊燃氣管道失效后果指標(包括三個層級指標，其中一級指標3個、二級指標17個、三級指標14個)。

3 綜合管廊燃氣管道風險評估指標權重

采用專家打分法確定綜合管廊燃氣管道風險評估指標權重，考慮了各位專家能力之間存在差異，從而導致專家權威性差異。因此，主要考慮專家在專業(yè)技能方面存在差異、工作時間即工作經驗的差異、對評估指標的熟悉程度的差異，采用層次分析法確定專家權重，進而對專家打分進行處理，最終得到綜合管廊燃氣管道風險評估指標權重。

3.1 基于層次分析法的專家權重

層次分析法適用范圍較廣，可以清楚展現(xiàn)各個不同層次的相對重要程度，在本文中采用層次分析法確定各個專家的權重，專家基本信息見表1。本研究選取了18位專家。

表1 專家基本信息

續(xù)表1

3.1.1構建專家能力指標體系

基于專家職稱、工作年限、指標的熟悉程度建立了專家能力指標體系，見圖2。

圖 2 專家能力指標體系

3.1.2確定判斷矩陣

將指標重要程度劃分為9個等級，并進行兩兩比較，其中1、3、5、7、9級分別表示兩個指標同等重要、略微重要、相當重要、明顯重要、絕對重要，2、4、6、8級介于兩重要程度之間；相對不重要則采用倒數(shù)取值的方式，如1/3、1/5、1/7、1/9等。比較每個層次的相對重要性，構建準則層、專家職稱、工作年限、指標熟悉程度判斷矩陣。

專家職稱包括教授級高級工程師、高級工程師、工程師、教授、副教授，在職稱上教授級高級工程師與教授等同，高級工程師與副教授等同。如：專家1職稱為高級工程師，專家3職稱為教授級高級工程師，則職稱上專家1比專家3略微不重要，職稱判斷矩陣第1行第3列為1/3；專家1職稱為高級工程師，專家9職稱為工程師，職稱上專家1比專家9略微重要，職稱判斷矩陣第1行第9列為3。

本文將專家工作年限分為[10 a, 20 a)、[20 a, 30 a)、[30 a, 40 a)3個等級。如：專家1工作年限為28 a，專家3工作年限為30 a，工作年限上專家1比專家3略微不重要，則工作年限判斷矩陣第1行第3列為1/3；專家1工作年限為28 a，專家5工作年限為18 a，工作年限上專家1比專家5略微重要，則工作年限判斷矩陣第1行第5列為3。

根據(jù)專家近期的研究方向及對城市綜合管廊燃氣管道風險評估技術的了解程度，將專家對指標的熟悉程度分為熟悉、很熟悉、非常熟悉3個等級。如：專家1對指標很熟悉，專家10對指標非常熟悉，則對指標熟悉程度上專家1比專家10略微不重要，對指標熟悉程度判斷矩陣第1行第10列為1/3；專家1對指標很熟悉，專家2對指標熟悉，則對指標熟悉程度上專家1比專家2略微重要，對指標熟悉程度判斷矩陣第1行第2列為3。

以準則層和專家職稱為例，具體判斷矩陣分別見圖3、4。專家工作年限、指標熟悉程度判斷矩陣省略。

因素職稱工作年限指標熟悉程度職稱111工作年限111指標熟悉程度111

3.1.3計算專家權重

首先計算判斷矩陣每一行元素的乘積，再對乘積進行求n次方根的計算，最后進行歸一化處理，具體計算式為[3]：

(1)

(2)

(3)

式中Mi——判斷矩陣A第i行元素的乘積

n——判斷矩陣A的階數(shù)

Aij——判斷矩陣A的元素

mi——判斷矩陣A第i行元素乘積的n次方根

Wi——判斷矩陣A第i行元素的權重

基于上述計算方法，采用MATLAB軟件對建立的判斷矩陣進行計算，得到準則層中職稱、工作年限、指標熟悉程度權重，得到專家職稱權重、工作年限權重、指標熟悉程度權重(指標層權重)，指標層權重與準則層權重乘積求和，最終得到可以反映專家綜合能力的專家權重。準則層中專家職稱、工作年限、指標熟悉程度權重均為1/3。專家各指標層權重及專家權重計算結果見表2。

表2 專家各指標層權重及專家權重計算結果

續(xù)表2

3.1.4一致性檢驗

基于上述步驟得出的權重矩陣，計算判斷矩陣的最大特征值λmax，并對其進行一致性檢驗。具體計算式[3]為：

Q=AW

(4)

(5)

(6)

(7)

式中Q——新構建矩陣

A——判斷矩陣

W——判斷矩陣A相應的權重矩陣

λmax——判斷矩陣的最大特征值

Qi——新構建矩陣Q的第i個元素

CI——一致性指標

CR——一致性比例

RI——隨機一致性指標

隨機一致性指標RI隨階數(shù)的變化而不同[4]，具體見表3。

表3 隨機一致性指標RI

通過計算一致性比例檢驗判斷矩陣的權重計算結果是否可靠。當一致性比例低于0.1時認為該判斷矩陣得到的權重計算結果是可靠的。

通過計算得出，專家職稱、工作年限、指標熟悉程度的判斷矩陣一致性比例CR分別為0.002 3、0.005 0和0.006 5。CR均小于0.1，所以確定判斷矩陣是符合一致性要求的，計算得出的專家權重的結果是可信、可用的。

3.2 風險評估指標權重

18位專家對規(guī)劃可研階段管道失效可能性指標權重、運維管理階段管道失效可能性指標權重、管道失效后果指標權重進行賦值，將各個專家權重與指標權重相乘并累加，得到綜合管廊燃氣管道風險評估指標權重，具體見表4～6，表中“—”表示無三級指標及三級指標權重。

表4 規(guī)劃可研階段燃氣管道失效可能性指標權重

續(xù)表4

表5 運維管理階段燃氣管道失效可能性指標權重

續(xù)表5

4 綜合管廊燃氣管道風險評估

本文采用半定量風險評估方法，即根據(jù)管道失效可能性和管道失效后果確定管道風險等級。前文已確定規(guī)劃可研階段燃氣管道失效可能性指標及權

表6 燃氣管道失效后果指標權重

重、運維管理階段燃氣管道失效可能性指標及權重、燃氣管道失效后果指標及權重。根據(jù)被評估管道實際情況，確定管道失效可能性二級或三級指標的得分和管道失效后果二級或三級指標得分，由此計算管道失效可能性分值和管道失效后果分值，確定管道風險等級。

4.1 管道失效可能性、失效后果分值計算

根據(jù)團體標準T/CDHA 9—2022《熱力管道安全評估方法》，綜合管廊燃氣管道的失效可能性分值應根據(jù)各級指標權重和二級或三級指標得分計算，計算式為：

(8)

(9)

(10)

式中P——失效可能性分值

a——一級指標數(shù)量

qi——一級指標i的權重

Pi——一級指標i的失效可能性得分

b——二級指標數(shù)量，隨i變化

qij——一級指標i下二級指標j的權重

Pij——一級指標i下二級指標j的失效可能性得分

c——三級指標數(shù)量，隨i、j變化

qijk——一級指標i二級指標j下三級指標k的權重

Pijk——一級指標i二級指標j下三級指標k的失效可能性得分

當二級指標下無三級指標時，Pij直接給出，不按式(10)計算。

綜合管廊燃氣管道的失效后果分值(量符號為C)同理計算。

4.2 管道風險等級

本項目中綜合管廊燃氣管道風險等級劃分以失效后果得分為主，兼顧最低合理可行原則，基于管道失效可能性分值和失效后果分值，將管道風險等級劃分為低風險、中風險、中高風險、高風險，見表7。

表7 風險等級劃分

5 綜合管廊燃氣管道風險評估案例

以某綜合管廊燃氣管道為例進行運維管理階段風險評估。此綜合管廊為預制拼裝混凝土結構的干支混合綜合管廊，廊內附屬設施齊全，且管線齊全，涵蓋了給水與可再生水管道、排水管渠、熱力管道、電力電纜、通信線纜等，管廊的整體規(guī)劃設計與施工質量良好，符合相關標準。綜合管廊周邊環(huán)境中，地質條件良好，場地穩(wěn)定性較好，巖土工程性質中濕陷性為Ⅱ級且脹縮等級為Ⅱ級，地基無液化情況，場地類別為Ⅱ類，地震烈度為7度。此外，管道地區(qū)等級為二級地區(qū)，管廊附近有地下商業(yè)工程。綜合管廊內燃氣管道為DN 150 mm的中壓管道，運行時間低于5 a，材質為低合金鋼。綜合管廊燃氣管道投入運行期間，管廊及管線的巡檢、檢測、維護基本良好，具有較為完善的運行管理制度，但部分地方巡檢和檢測結果處理不及時。

根據(jù)綜合管廊燃氣管道實際情況，得到各指標得分。運維管理階段燃氣管道失效可能性指標得分見表8，燃氣管道失效后果指標得分見表9。表8、9中“—”表示無三級指標。當有三級指標時，得分為三級指標得分；當無三級指標時，得分為二級指標得分。

表8 運維管理階段燃氣管道失效可能性指標得分

續(xù)表8

根據(jù)表5、8，計算得出綜合管廊燃氣管道失效可能性分值為23.47。同樣，根據(jù)表6、9，計算得出綜合管廊燃氣管道失效后果分值為48.72。根據(jù)表7，可以看出，該綜合管廊燃氣管道的風險等級為中風險。

6 結論

① 針對綜合管廊燃氣管道能否入廊和入廊后能否安全運行問題，構建規(guī)劃可研階段燃氣管道失效可能性指標體系、運維管理階段燃氣管道失效可能性指標體系、燃氣管道失效后果指標體系。

表9 燃氣管道失效后果指標得分

續(xù)表9

② 采用層次分析法建立專家權重計算模型，構建以專家職稱、工作年限、指標熟悉程度為準則層的專家能力指標體系，確定綜合管廊燃氣管道風險評估專家權重，并對專家打分進行處理，得到規(guī)劃可研階段、運維管理階段燃氣管道失效可能性指標權重和管道失效后果指標權重。

③ 基于綜合管廊燃氣管道實際情況，確定管道失效可能性指標得分和管道失效后果指標得分，結合指標權重計算得出管道失效可能性分值和管道失效后果分值，根據(jù)管道風險等級劃分原則，確定綜合管廊燃氣管道風險等級。