基于NCM- EAHP模型的瓦斯隧道施工風(fēng)險評估研究

楊永斌 樊永強 高偉政 王慶 肖偉

摘要：文章以成簡快速路龍泉山隧道為依托，考慮瓦斯地層環(huán)境（R1）、隧道工程環(huán)境（R2）、工程施工因素（R3）、施工設(shè)備因素（R4）4方面構(gòu)建評估指標體系；搜集瓦斯隧道施工風(fēng)險評估樣本，構(gòu)建評價指標參數(shù)矩陣；通過熵權(quán)法、德爾菲法依次確定指標客、主觀權(quán)重，根據(jù)乘法原理計算組合賦權(quán)；基于修正正態(tài)云模型（NCM）計算評估指標隸屬度，挖掘指標經(jīng)典域、節(jié)域，構(gòu)建評估系統(tǒng)物元可拓模型（EAHP）；根據(jù)Matlab軟件與樣本參數(shù)矩陣，構(gòu)建評估系統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型（BPNN）。經(jīng)研究得出：NCM、EAHP、BPNN模型計算結(jié)果吻合度較好，NCM、EAHP、BPNN模型目標層計算結(jié)果分別為Ⅲ～Ⅳ級、3.178級、3.2472，隧道施工風(fēng)險整體處于“異?！珖乐亍睜顟B(tài)，與現(xiàn)場施工安全等級相吻合。

關(guān)鍵詞：瓦斯隧道；風(fēng)險評估；NCM；EAHP；BPNN

中圖分類號：U458.1A441515

0引言

隧道屬地下密閉空間結(jié)構(gòu)，瓦斯氣體一旦逸出后果不堪設(shè)想。貴州畢節(jié)七扇巖隧道、云南昭通扎西隧道施工期間相繼發(fā)生瓦斯爆炸事故。瓦斯隧道施工風(fēng)險評估已成國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究的熱點課題［1-11］。

1構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險評估體系

基于人-設(shè)備-環(huán)境事故三要素，探究瓦斯隧道施工期致災(zāi)機理，結(jié)合文獻檢索與現(xiàn)場施工經(jīng)驗，考慮重要性、獨立性、定量性原則，構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險評估指標體系，見表1。

2評估系統(tǒng)指標組合賦權(quán)

2.1德爾菲法（DELPHI）——客觀賦權(quán)

若目標層W有n項準則層指標Wk1、Wk2…Wkn，fij表示W(wǎng)ki與Wkj對于目標層W相對重要度比值，則可構(gòu)造重要度判斷矩陣F（本文n=4，見下頁表2）。

2.2熵權(quán)法（EWM）——主觀賦權(quán)

若評估體系有n個樣本，每個樣本有m項指標，κij表示第i個樣本的j項指標值，則有樣本參數(shù)矩陣Κ（樣本參數(shù)矩陣見下頁表3，其中n=9，m=26）?；诒?樣本參數(shù)矩陣，計算指標層與準則層熵權(quán)，見下頁圖1～2。

2.3乘法原理——組合賦權(quán)

按式（1）采用乘法原理確定準則層、指標層組合賦權(quán)δzj：

3瓦斯隧道施工風(fēng)險評估模型

3.1修正正態(tài)云評估模型（NCM）

云模型是定性描述與定量計算之間的轉(zhuǎn)換模型，在決策分析、數(shù)據(jù)挖掘、圖像處理方面具備極大優(yōu)勢。采用修正正態(tài)云構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險模糊評估模型，按式（2）確定評估指標期望值Exj、熵值Enj及超熵Hej，ξ為超熵系數(shù)，取0.1［12］。

基于文獻資料與施工經(jīng)驗，挖掘評估指標經(jīng)典域、節(jié)域，見表4。

聯(lián)立式（2）～（6），結(jié)合Excel及Orgin軟件，計算并繪制R1-1～R4-5隸屬度云模型。R1-1與R1-2云計算模型見圖3～4，其余模型不再贅述。

3.2物元可拓評估模型（EAHP）

物元可拓評估模型克服了傳統(tǒng)層次分析法主觀評價模糊性及個人偏好影響，從而使計算結(jié)果更趨準確性。構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險評估體系第j項物元經(jīng)典域Rj：

4工程實際應(yīng)用

4.1工程概況

本文以成簡快速路龍泉山隧道為依托，隧道全長5 005 m，最大埋深為384 m，采用雙洞單向行車方式。隧址區(qū)穿越第四系坡積層和侏羅系遂寧組、蓬萊鎮(zhèn)組、沙溪廟組，出露地層顯示為Q2～Q3砂黏土、砂礫石層及黏土。隧址區(qū)穿越非對稱背斜構(gòu)造，兩端傾伏、軸部開闊平緩，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水含量豐富。穿越地層賦存多套非均質(zhì)侏羅系天然氣藏，通過現(xiàn)場鉆孔勘察，可燃氣體平均含量為620 ppm，瓦斯壓力測試值為0.186MPa，施工現(xiàn)場易出現(xiàn)瓦斯溢出，屬重難點控制性工程。

4.2計算結(jié)果分析

表5為分別采用云正態(tài)（NCM）、物元可拓模型（EAHP）的準則層風(fēng)險評估等級確定度計算結(jié)果，可見二者算法結(jié)果吻合度較好。龍泉山瓦斯隧道瓦斯地質(zhì)環(huán)境（R1）隸屬Ⅳ級，處于“嚴重”不安全狀態(tài)；隧道工程環(huán)境（R2）隸屬Ⅲ級，處于“異?！睜顟B(tài)；工程施工（R3）、設(shè)備因素（R4）風(fēng)險均處于“注意～異?！睜顟B(tài)。

本文再依托Matlab軟件，結(jié)合表3樣本參數(shù)，構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型（BPNN）。驗證NCM、EAHP模型算法的可靠性。構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險評估的BPNN預(yù)測模型后，對表3中每個樣本進行反演預(yù)測，反演計算結(jié)果與實際結(jié)果相吻合，驗證了本文BPNN預(yù)測模型的可靠性。依托工程施工風(fēng)險的Matlab預(yù)測界面見圖5。

表6為龍泉山瓦斯隧道施工風(fēng)險評估結(jié)果。由表6可知，各算法預(yù)測結(jié)果吻合度較好，與施工現(xiàn)場風(fēng)險等級一致。NCM模型計算結(jié)果為Ⅲ～Ⅳ級，EAHP算法結(jié)果為3.178級，BPNN預(yù)測結(jié)果為3.247 2，表明龍泉山隧道施工風(fēng)險處于“異常～嚴重”等級。

5結(jié)語

本文研究旨在建立瓦斯隧道施工風(fēng)險評估系統(tǒng)，主要結(jié)論如下：

（1）基于人-設(shè)備-環(huán)境事故三要素，從瓦斯地層環(huán)境、隧道工程環(huán)境、工程施工因素、施工設(shè)備因素角度出發(fā)，考慮重要性、獨立性、定量性原則，構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險評估指標體系。

（2）挖掘瓦斯隧道施工風(fēng)險評估樣本，構(gòu)建評估指標樣本參數(shù)矩陣，通過熵權(quán)法（EWM）計算指標客觀賦權(quán)，構(gòu)造指標重要度判斷矩陣，采用德爾菲法（DELPHI）計算指標主觀賦權(quán)，依據(jù)乘法原理，確定評價指標組合賦權(quán)。

（3）結(jié)合Matlab及Excel軟件，根據(jù)修正正態(tài)云模型（NCM），計算并繪制評價指標隸屬度云圖?；谖墨I資料與施工經(jīng)驗，挖掘評價指標定量化經(jīng)典域、節(jié)域，構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險評估物元可拓模型（EAHP）。

（4）NCM、EAHP、BPNN模型預(yù)測結(jié)果整體吻合度較好，與現(xiàn)場施工風(fēng)險等級一致。瓦斯地層環(huán)境（R1）隸屬Ⅳ級，處于“嚴重”不安全狀態(tài)；隧道工程環(huán)境（R2）隸屬Ⅲ級，處于“異?！睜顟B(tài)；工程施工（R3）、設(shè)備因素（R4）風(fēng)險均處于“注意～異常”狀態(tài)。NCM、EAHP、BPNN模型目標層計算結(jié)果依次為Ⅲ～Ⅳ級、3.178級、3.2472，表明龍泉山瓦斯隧道施工風(fēng)險整體處于“異?！珖乐亍睜顟B(tài)。

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基金項目：中交第二公路工程局科技研發(fā)項目“低瓦斯隧道施工技術(shù)研究”（編號：GHTJ-07-QT-046）

作者簡介：楊永斌（1974—），高級工程師，研究方向：道路與隧道工程施工與管理。