基于NCM- EAHP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：文章以成簡快速路龍泉山隧道為依托，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方面構建評估指標體系；搜集瓦斯隧道施工風險評估樣本，構建評價指標參數矩陣；通過熵權法、德爾菲法依次確定指標客、主觀權重，根據乘法原理計算組合賦權；基于修正正態云模型（NCM）計算評估指標隸屬度，挖掘指標經典域、節域，構建評估系統物元可拓模型（EAHP）；根據Matlab軟件與樣本參數矩陣，構建評估系統BP神經網絡預測模型（BPNN）。經研究得出：NCM、EAHP、BPNN模型計算結果吻合度較好，NCM、EAHP、BPNN模型目標層計算結果分別為Ⅲ～Ⅳ級、3.178級、3.2472，隧道施工風險整體處于“異常～嚴重”狀態，與現場施工安全等級相吻合。

關鍵詞：瓦斯隧道；風險評估；NCM；EAHP；BPNN

中圖分類號：U458.1A441515

0引言

隧道屬地下密閉空間結構，瓦斯氣體一旦逸出后果不堪設想。貴州畢節七扇巖隧道、云南昭通扎西隧道施工期間相繼發生瓦斯爆炸事故。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［1-11］。

1構建瓦斯隧道施工風險評估體系

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，結合文獻檢索與現場施工經驗，考慮重要性、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。

2評估系統指標組合賦權

2.1德爾菲法（DELPHI）——客觀賦權

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

2.2熵權法（EWM）——主觀賦權

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，則有樣本參數矩陣Κ（樣本參數矩陣見下頁表3，其中n=9，m=26）。基于表3樣本參數矩陣，計算指標層與準則層熵權，見下頁圖1～2。

2.3乘法原理——組合賦權

按式（1）采用乘法原理確定準則層、指標層組合賦權δzj：

3瓦斯隧道施工風險評估模型

3.1修正正態云評估模型（NCM）

云模型是定性描述與定量計算之間的轉換模型，在決策分析、數據挖掘、圖像處理方面具備極大優勢。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［12］。

基于文獻資料與施工經驗，挖掘評估指標經典域、節域，見表4。

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，從而使計算結果更趨準確性。構建瓦斯隧道施工風險評估體系第j項物元經典域Rj：

4工程實際應用

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，可燃氣體平均含量為620 ppm，瓦斯壓力測試值為0.186MPa，施工現場易出現瓦斯溢出，屬重難點控制性工程。

4.2計算結果分析

表5為分別采用云正態（NCM）、物元可拓模型（EAHP）的準則層風險評估等級確定度計算結果，可見二者算法結果吻合度較好。龍泉山瓦斯隧道瓦斯地質環境（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“異常”狀態；工程施工（R3）、設備因素（R4）風險均處于“注意～異常”狀態。

本文再依托Matlab軟件，結合表3樣本參數，構建瓦斯隧道施工風險神經網絡預測模型（BPNN）。驗證NCM、EAHP模型算法的可靠性。構建瓦斯隧道施工風險評估的BPNN預測模型后，對表3中每個樣本進行反演預測，反演計算結果與實際結果相吻合，驗證了本文BPNN預測模型的可靠性。依托工程施工風險的Matlab預測界面見圖5。

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

5結語

本文研究旨在建立瓦斯隧道施工風險評估系統，主要結論如下：

（1）基于人-設備-環境事故三要素，從瓦斯地層環境、隧道工程環境、工程施工因素、施工設備因素角度出發，考慮重要性、獨立性、定量性原則，構建瓦斯隧道施工風險評估指標體系。

（2）挖掘瓦斯隧道施工風險評估樣本，構建評估指標樣本參數矩陣，通過熵權法（EWM）計算指標客觀賦權，構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，依據乘法原理，確定評價指標組合賦權。

（3）結合Matlab及Excel軟件，根據修正正態云模型（NCM），計算并繪制評價指標隸屬度云圖。基于文獻資料與施工經驗，挖掘評價指標定量化經典域、節域，構建瓦斯隧道施工風險評估物元可拓模型（EAHP）。

（4）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“異常”狀態；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、3.2472，表明龍泉山瓦斯隧道施工風險整體處于“異常～嚴重”狀態。

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基金項目：中交第二公路工程局科技研發項目“低瓦斯隧道施工技術研究”（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。