基于NCM- EAHP模型的瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

楊永斌 樊永強(qiáng) 高偉政 王慶 肖偉

摘要：文章以成簡(jiǎn)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(píng)估指標(biāo)體系；搜集瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估樣本，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)矩陣；通過(guò)熵權(quán)法、德?tīng)柗品ㄒ来未_定指標(biāo)客、主觀權(quán)重，根據(jù)乘法原理計(jì)算組合賦權(quán)；基于修正正態(tài)云模型（NCM）計(jì)算評(píng)估指標(biāo)隸屬度，挖掘指標(biāo)經(jīng)典域、節(jié)域，構(gòu)建評(píng)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(píng)估系統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型（BPNN）。經(jīng)研究得出：NCM、EAHP、BPNN模型計(jì)算結(jié)果吻合度較好，NCM、EAHP、BPNN模型目標(biāo)層計(jì)算結(jié)果分別為Ⅲ～Ⅳ級(jí)、3.178級(jí)、3.2472，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)整體處于“異常～嚴(yán)重”狀態(tài)，與現(xiàn)場(chǎng)施工安全等級(jí)相吻合。

關(guān)鍵詞：瓦斯隧道；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；NCM；EAHP；BPNN

中圖分類號(hào)：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(xiǎn)評(píng)估已成國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究的熱點(diǎn)課題［1-11］。

1構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(jī)理，結(jié)合文獻(xiàn)檢索與現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，考慮重要性、獨(dú)立性、定量性原則，構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

2評(píng)估系統(tǒng)指標(biāo)組合賦權(quán)

2.1德?tīng)柗品ǎ―ELPHI）——客觀賦權(quán)

若目標(biāo)層W有n項(xiàng)準(zhǔn)則層指標(biāo)Wk1、Wk2…Wkn，fij表示W(wǎng)ki與Wkj對(duì)于目標(biāo)層W相對(duì)重要度比值，則可構(gòu)造重要度判斷矩陣F（本文n=4，見(jiàn)下頁(yè)表2）。

2.2熵權(quán)法（EWM）——主觀賦權(quán)

若評(píng)估體系有n個(gè)樣本，每個(gè)樣本有m項(xiàng)指標(biāo)，κij表示第i個(gè)樣本的j項(xiàng)指標(biāo)值，則有樣本參數(shù)矩陣Κ（樣本參數(shù)矩陣見(jiàn)下頁(yè)表3，其中n=9，m=26）。基于表3樣本參數(shù)矩陣，計(jì)算指標(biāo)層與準(zhǔn)則層熵權(quán)，見(jiàn)下頁(yè)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(zhǔn)則層、指標(biāo)層組合賦權(quán)δzj：

3瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

3.1修正正態(tài)云評(píng)估模型（NCM）

云模型是定性描述與定量計(jì)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(shì)。采用修正正態(tài)云構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)估模型，按式（2）確定評(píng)估指標(biāo)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(xiàn)資料與施工經(jīng)驗(yàn)，挖掘評(píng)估指標(biāo)經(jīng)典域、節(jié)域，見(jiàn)表4。

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

3.2物元可拓評(píng)估模型（EAHP）

物元可拓評(píng)估模型克服了傳統(tǒng)層次分析法主觀評(píng)價(jià)模糊性及個(gè)人偏好影響，從而使計(jì)算結(jié)果更趨準(zhǔn)確性。構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系第j項(xiàng)物元經(jīng)典域Rj：

4工程實(shí)際應(yīng)用

4.1工程概況

本文以成簡(jiǎn)快速路龍泉山隧道為依托，隧道全長(zhǎng)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(duì)稱背斜構(gòu)造，兩端傾伏、軸部開(kāi)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔勘察，可燃?xì)怏w平均含量為620 ppm，瓦斯壓力測(cè)試值為0.186MPa，施工現(xiàn)場(chǎng)易出現(xiàn)瓦斯溢出，屬重難點(diǎn)控制性工程。

4.2計(jì)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(zhǔn)則層風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)確定度計(jì)算結(jié)果，可見(jiàn)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(jí)，處于“嚴(yán)重”不安全狀態(tài)；隧道工程環(huán)境（R2）隸屬Ⅲ級(jí)，處于“異常”狀態(tài)；工程施工（R3）、設(shè)備因素（R4）風(fēng)險(xiǎn)均處于“注意～異常”狀態(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(xiǎn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型（BPNN）。驗(yàn)證NCM、EAHP模型算法的可靠性。構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的BPNN預(yù)測(cè)模型后，對(duì)表3中每個(gè)樣本進(jìn)行反演預(yù)測(cè)，反演計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了本文BPNN預(yù)測(cè)模型的可靠性。依托工程施工風(fēng)險(xiǎn)的Matlab預(yù)測(cè)界面見(jiàn)圖5。

表6為龍泉山瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。由表6可知，各算法預(yù)測(cè)結(jié)果吻合度較好，與施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)一致。NCM模型計(jì)算結(jié)果為Ⅲ～Ⅳ級(jí)，EAHP算法結(jié)果為3.178級(jí)，BPNN預(yù)測(cè)結(jié)果為3.247 2，表明龍泉山隧道施工風(fēng)險(xiǎn)處于“異常～嚴(yán)重”等級(jí)。

5結(jié)語(yǔ)

本文研究旨在建立瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(dú)立性、定量性原則，構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。

（2）挖掘瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估樣本，構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)樣本參數(shù)矩陣，通過(guò)熵權(quán)法（EWM）計(jì)算指標(biāo)客觀賦權(quán)，構(gòu)造指標(biāo)重要度判斷矩陣，采用德?tīng)柗品ǎ―ELPHI）計(jì)算指標(biāo)主觀賦權(quán)，依據(jù)乘法原理，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jì)算并繪制評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度云圖。基于文獻(xiàn)資料與施工經(jīng)驗(yàn)，挖掘評(píng)價(jià)指標(biāo)定量化經(jīng)典域、節(jié)域，構(gòu)建瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估物元可拓模型（EAHP）。

（4）NCM、EAHP、BPNN模型預(yù)測(cè)結(jié)果整體吻合度較好，與現(xiàn)場(chǎng)施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)一致。瓦斯地層環(huán)境（R1）隸屬Ⅳ級(jí)，處于“嚴(yán)重”不安全狀態(tài)；隧道工程環(huán)境（R2）隸屬Ⅲ級(jí)，處于“異常”狀態(tài)；工程施工（R3）、設(shè)備因素（R4）風(fēng)險(xiǎn)均處于“注意～異常”狀態(tài)。NCM、EAHP、BPNN模型目標(biāo)層計(jì)算結(jié)果依次為Ⅲ～Ⅳ級(jí)、3.178級(jí)、3.2472，表明龍泉山瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)整體處于“異常～嚴(yán)重”狀態(tài)。

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

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