杨永斌 樊永强 高伟政 王庆 肖伟

摘 要：为了建立更为有效的瓦斯隧道施工风险评估系统，本研究以成简快速路龙泉山隧道为依托，基于人—设备—环境事故三要素，考虑瓦斯地层环境（R1）、隧道工程环境（R2）、工程施工因素（R3）、施工设备因素（R4）4个方面构建评估指标体系。经研究得出：NCM、EAHP、BPNN模型目标层计算结果分别为Ⅲ～Ⅳ级、3.178级、3.247 2，隧道施工风险整体处于“异常～严重”状态，与现场施工安全等级相吻合。

关键词：瓦斯隧道;风险评估;NCM;BPNN

中图分类号：U458.1      文献标志码：A     文章编号：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

隧道屬地下密闭空间结构，瓦斯气体一旦逸出后果不堪设想。瓦斯隧道施工风险评估已成国内外相关学者研究的热点课题[1-4]。

1 评估体系构建与赋权

瓦斯爆炸属一种“热-链式”反应，化学反应方程式为：CH4+2O2=CO2+2H2O。瓦斯爆炸需具备3个要素：CH4浓度适宜，一般需介于5%～15%;空间O2含量≥12%;点燃温度介于637 ℃～750 ℃，或点燃能量≥0.28 MJ。

基于人—设备—环境事故三要素，探究瓦斯隧道施工期致灾机理：客观物质基础——煤系地层环境，涉及瓦斯浓度、瓦斯压力、瓦斯溢出速度、煤层厚度等自然条件;客观工程条件——隧道工程环境，包括地质构造、地下水、隧道埋深等工程结构条件。

主观人为扰动——工程施工行为，地下工程施工涉及地质预报、钻爆开挖、支护、揭煤等多环节工序，且需实施送风、供电工程，任何人为操作疏漏都将增加致灾概率。主观施工设备——通风、监测、消防、防隔爆设施正常有效运行是保障瓦斯隧道安全施工的前提条件。考虑重要性、独立性、定量性原则，构建瓦斯隧道施工风险评估指标体系，见表1。瓦斯隧道施工风险评估指标经典域，见表2。

分别采用德尔菲法与熵权法计算指标权重，按式（1）采用乘法原理确定准则层、指标层组合赋权δzj，见图1。

[δzjujωjj=1mujωjuj主观权重ωj客观权重（j=1，...，m）] （1）

2 瓦斯隧道施工风险评估模型

采用修正正态云构建瓦斯隧道施工风险模糊评估模型。按式（2）确定评估指标期望值Exj、熵值Enj及超熵Hej，ξ为超熵系数，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为第j项指标评估区间上、下限值。基于文献资料与施工经验，挖掘评估指标经典域、节域，见表2。

采用MATLAB/EXCEL软件生成正态分布随机数E'nj为式（3）。

[E'nj～N（Enj，H2ej）]      （3）

式中：Enj为期望值;H2ej为方差。

生成正态分布随机数xj为式（4）。

[xj～N（Exj，E'2nj）]      （4）

式中：Exj为期望值;E'nj2为方差。

计算论域内变量xj确定度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）

联合指标组合权重δ（xj），计算j项指标在各论域内综合确定度U为式（6）。

[U=j=1mδ（xj）·gu（xj）]     （6）

联立式（2）～（6），结合EXCEL及ORGIN软件，计算并绘制R1-1～R4-5隶属度云模型。R1-1云计算模型见图2，其余模型不再赘述。

3 工程应用

本研究以成简快速路龙泉山隧道为依托，隧道全长5 005 m，最大埋深384 m，采用双洞单向行车方式。隧址区穿越第四系坡积层和侏罗系遂宁组、蓬莱镇组、沙溪庙组，出露地层显示为Q2～Q3砂黏土、砂砾石层及黏土。隧址区穿越非对称背斜构造，两端倾伏，轴部开阔平缓，岩体节理裂隙较发育，地下水含量丰富。穿越地层赋存多套非均质侏罗系天然气藏，通过现场钻孔勘察，可燃气体平均含量620 ppm，瓦斯压力测试值0.186 MPa。施工现场易出现瓦斯溢出，属重难点控制性工程[11]。

表3为分别采用云正态（NCM）、物元可拓模型（EAHP）计算准则层风险评估等级确定度的结果。可见二者算法结果吻合度较好，瓦斯地质环境（R1）隶属Ⅳ级，处于“严重”不安全状态。隧道工程环境（R2）隶属Ⅲ级，处于“异常”状态。工程施工（R3）、设备因素（R4）风险均处于“注意～异常”状态。

本研究依托MATLAB软件，结合已有的样本参数，构建了瓦斯隧道施工风险神经网络预测模型（BPNN），来验证NCM模型算法的可靠性。

隐含层数量SL对神经网络模型训练及预测过程至关重要，按式（7）确定SL值。

[SL=Lin+Lout+γ]     （7）

式中：Lin为输入层数量，值为26;Lout为输出层数量，值为1，γ取1～10自然数。

经计算，隐含层数量SL值取9。MATLAB软件通常采用“Sigmoid”可微函数、线性函数实施模拟训练。本研究隐含层训练函数取S形正切函数“tansig”。由于输出数据为[-1，1]归一化计算值，输出层函数采用对数函数“logsig”计算。将表4样本参数通过“premnmx”命令进行归一化处理，采用“newff”命令創建训练网络，迭代次数“epochs”设置5 000步，容许误差“goal”取0.000 000 1，学习速率“Ir”为0.01。训练结束后采用“sim”命令进行样本预测。

表4为龙泉山瓦斯隧道施工风险评估结果。可见NCM算法预测结果吻合度较好，NCM模型计算结果为Ⅲ～Ⅳ级，龙泉山隧道施工风险处于“异常～严重”等级，与施工现场风险等级一致。

4 结论

NCM、EAHP、BPNN模型预测结果整体吻合度较好，与现场施工风险等级一致。瓦斯地层环境（R1）隶属Ⅳ级，处于“严重”不安全状态。隧道工程环境（R2）隶属Ⅲ级，处于“异常”状态。工程施工（R3）、设备因素（R4）风险均处于“注意～异常”状态。NCM、EAHP、BPNN模型目标层计算结果依次为Ⅲ～Ⅳ级、3.178级、3.247 2，龙泉山瓦斯隧道施工风险整体处于“异常～严重”状态。

参考文献：

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[4] 张振强.铁路瓦斯隧道分类及煤与瓦斯突出预测方法研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[5] 王星.隧道洞口落石冲击风险评价及耗能减震棚洞结构研究[D].西安：长安大学，2019.

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[9] 黄仁东，张小军.基于熵权物元可拓模型的隧道瓦斯等级评价[J].中国安全科学学报，2012，22（4）：77-82.

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