基于NCM模型的瓦斯隧道施工風險評估研究

楊永斌 樊永強 高偉政 王慶 肖偉

摘 要：為了建立更為有效的瓦斯隧道施工風險評估系統，本研究以成簡快速路龍泉山隧道為依托，基于人—設備—環境事故三要素，考慮瓦斯地層環境（R1）、隧道工程環境（R2）、工程施工因素（R3）、施工設備因素（R4）4個方面構建評估指標體系。經研究得出：NCM、EAHP、BPNN模型目標層計算結果分別為Ⅲ～Ⅳ級、3.178級、3.247 2，隧道施工風險整體處于“異?！珖乐亍睜顟B，與現場施工安全等級相吻合。

關鍵詞：瓦斯隧道;風險評估;NCM;BPNN

中圖分類號：U458.1 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0051-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.011

Research on Risk Assessment of Gas Tunnel Construction Based on NCM Model

YANG Yongbin? ? FAN Yongqiang? ? GAO Weizheng? ? WANG Qing? ? XIAO Wei

（CCCC Second Highway Engineering Co.， Ltd.，Xi 'an 710065， China）

Abstract： This study is based on a highway tunnel， based on the three factors of human equipment environmental accidents， and considering the gas stratum environment （R1）， tunnel engineering environment （R2）， engineering construction factors （R3） and construction equipment factors （R4） to build an evaluation index system. The research shows that the calculation results of the target layer of the NCM， eahp and BPNN models of the gas tunnel are Ⅲ ～ Ⅳ， 3.178 and 3.247 2 respectively， and the overall construction risk of the tunnel is in an "abnormal ～ serious" state， which is consistent with the safety level of on-site construction.

Keywords： gas tunnel; risk assessment; NCM; BPNN

0 引言

隧道屬地下密閉空間結構，瓦斯氣體一旦逸出后果不堪設想。瓦斯隧道施工風險評估已成國內外相關學者研究的熱點課題[1-4]。

1 評估體系構建與賦權

瓦斯爆炸屬一種“熱-鏈式”反應，化學反應方程式為：CH4+2O2=CO2+2H2O。瓦斯爆炸需具備3個要素：CH4濃度適宜，一般需介于5%～15%;空間O2含量≥12%;點燃溫度介于637 ℃～750 ℃，或點燃能量≥0.28 MJ。

基于人—設備—環境事故三要素，探究瓦斯隧道施工期致災機理：客觀物質基礎——煤系地層環境，涉及瓦斯濃度、瓦斯壓力、瓦斯溢出速度、煤層厚度等自然條件;客觀工程條件——隧道工程環境，包括地質構造、地下水、隧道埋深等工程結構條件。

主觀人為擾動——工程施工行為，地下工程施工涉及地質預報、鉆爆開挖、支護、揭煤等多環節工序，且需實施送風、供電工程，任何人為操作疏漏都將增加致災概率。主觀施工設備——通風、監測、消防、防隔爆設施正常有效運行是保障瓦斯隧道安全施工的前提條件?？紤]重要性、獨立性、定量性原則，構建瓦斯隧道施工風險評估指標體系，見表1。瓦斯隧道施工風險評估指標經典域，見表2。

分別采用德爾菲法與熵權法計算指標權重，按式（1）采用乘法原理確定準則層、指標層組合賦權δzj，見圖1。

[δzjujωjj=1mujωjuj主觀權重ωj客觀權重（j=1，...，m）] （1）

2 瓦斯隧道施工風險評估模型

采用修正正態云構建瓦斯隧道施工風險模糊評估模型。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，取0.1[10]。

[Exj=（Cjmax+Cjmin）/2（期望）Enj=（Cjmax+Cjmin）/3（熵值）Hej=xEnj（超熵）]? ?（2）

式中：Cj max、Cj min為第j項指標評估區間上、下限值?；谖墨I資料與施工經驗，挖掘評估指標經典域、節域，見表2。

采用MATLAB/EXCEL軟件生成正態分布隨機數E'nj為式（3）。

[E'nj～N（Enj，H2ej）]? ? ? （3）

式中：Enj為期望值;H2ej為方差。

生成正態分布隨機數xj為式（4）。

[xj～N（Exj，E'2nj）]? ? ? （4）

式中：Exj為期望值;E'nj2為方差。

計算論域內變量xj確定度u（xj），并形成一枚云滴[xj，u（xj）]。DAADFEBC-6220-4141-BC51-8EA199252C80

[u[xj=e-（xj-Exj）22E' 2nj]]? ? ? （5）

聯合指標組合權重δ（xj），計算j項指標在各論域內綜合確定度U為式（6）。

[U=j=1mδ（xj）·gu（xj）]? ? ?（6）

聯立式（2）～（6），結合EXCEL及ORGIN軟件，計算并繪制R1-1～R4-5隸屬度云模型。R1-1云計算模型見圖2，其余模型不再贅述。

3 工程應用

本研究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384 m，采用雙洞單向行車方式。隧址區穿越第四系坡積層和侏羅系遂寧組、蓬萊鎮組、沙溪廟組，出露地層顯示為Q2～Q3砂黏土、砂礫石層及黏土。隧址區穿越非對稱背斜構造，兩端傾伏，軸部開闊平緩，巖體節理裂隙較發育，地下水含量豐富。穿越地層賦存多套非均質侏羅系天然氣藏，通過現場鉆孔勘察，可燃氣體平均含量620 ppm，瓦斯壓力測試值0.186 MPa。施工現場易出現瓦斯溢出，屬重難點控制性工程[11]。

表3為分別采用云正態（NCM）、物元可拓模型（EAHP）計算準則層風險評估等級確定度的結果。可見二者算法結果吻合度較好，瓦斯地質環境（R1）隸屬Ⅳ級，處于“嚴重”不安全狀態。隧道工程環境（R2）隸屬Ⅲ級，處于“異?！睜顟B。工程施工（R3）、設備因素（R4）風險均處于“注意～異常”狀態。

本研究依托MATLAB軟件，結合已有的樣本參數，構建了瓦斯隧道施工風險神經網絡預測模型（BPNN），來驗證NCM模型算法的可靠性。

隱含層數量SL對神經網絡模型訓練及預測過程至關重要，按式（7）確定SL值。

[SL=Lin+Lout+γ]? ? ?（7）

式中：Lin為輸入層數量，值為26;Lout為輸出層數量，值為1，γ取1～10自然數。

經計算，隱含層數量SL值取9。MATLAB軟件通常采用“Sigmoid”可微函數、線性函數實施模擬訓練。本研究隱含層訓練函數取S形正切函數“tansig”。由于輸出數據為[-1，1]歸一化計算值，輸出層函數采用對數函數“logsig”計算。將表4樣本參數通過“premnmx”命令進行歸一化處理，采用“newff”命令創建訓練網絡，迭代次數“epochs”設置5 000步，容許誤差“goal”取0.000 000 1，學習速率“Ir”為0.01。訓練結束后采用“sim”命令進行樣本預測。

表4為龍泉山瓦斯隧道施工風險評估結果。可見NCM算法預測結果吻合度較好，NCM模型計算結果為Ⅲ～Ⅳ級，龍泉山隧道施工風險處于“異常～嚴重”等級，與施工現場風險等級一致。

4 結論

NCM、EAHP、BPNN模型預測結果整體吻合度較好，與現場施工風險等級一致。瓦斯地層環境（R1）隸屬Ⅳ級，處于“嚴重”不安全狀態。隧道工程環境（R2）隸屬Ⅲ級，處于“異?！睜顟B。工程施工（R3）、設備因素（R4）風險均處于“注意～異常”狀態。NCM、EAHP、BPNN模型目標層計算結果依次為Ⅲ～Ⅳ級、3.178級、3.247 2，龍泉山瓦斯隧道施工風險整體處于“異?！珖乐亍睜顟B。

參考文獻：

[1] 董瑩.公路高瓦斯隧道施工風險分析[D].淮南：安徽理工大學，2017.

[2] 蔣敏.瓦斯隧道施工過程瓦斯災害危險性評價研究[D].湘潭：湖南科技大學，2012.

[3] 郭晨.天坪隧道瓦斯快速抽放及揭煤工藝優化設計與實踐[D].重慶：重慶科技學院，2016.

[4] 張振強.鐵路瓦斯隧道分類及煤與瓦斯突出預測方法研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[5] 王星.隧道洞口落石沖擊風險評價及耗能減震棚洞結構研究[D].西安：長安大學，2019.

[6] 杜志剛，張小東，王曉東.基于屬性數學理論的隧道瓦斯突出危險性評價[J].地下空間與工程學報，2019，15（6）：1866-1873.

[7] 袁和勇.五松瓦斯隧道施工危險性評估研究[D].淮南：安徽理工大學，2014.

[8] 楊德智.高速公路隧道瓦斯賦存運移及氣固耦合作用的分析研究[D].成都：西南交通大學，2014.

[9] 黃仁東，張小軍.基于熵權物元可拓模型的隧道瓦斯等級評價[J].中國安全科學學報，2012，22（4）：77-82.

[10] 熊建明，陳沅江，劉波，等.瓦斯隧道施工期風險等級的FDA法評價[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2017，36（2）：17-23.

[11] 莫裕科，謝小國，李勝偉，等.龍泉山瓦斯賦存控制因素及綜合評價方法[J].四川地質學報，2020，40（3）：428-433.DAADFEBC-6220-4141-BC51-8EA199252C80