CN105095679B - 一种基坑隧道工程安全风险预警测判方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基坑隧道工程安全风险预警测判方法，根据对基坑隧道工程各监测项目的实际监测数据及其预警指标、预警数量等多项影响因素，通过层次分析、模糊综合评判等方法，进行挖掘分析，建立多种影响因素下的安全状态判别或风险预测矩阵方法，计算评判工程的安全风险或预警状况，克服了工程安全风险预警等级判定的单一性、主观性和延迟性，能够有效指导工程的信息化施工、安全风险动态控制与预警、响应及处置，实现了基坑隧道施工中工程安全风险预警的科学性、合理性和标准化，提高了基坑隧道施工的安全风险预控及管理水平。

Description

一种基坑隧道工程安全风险预警测判方法

技术领域

本发明涉及一种基于工程监测数据及其预警指标的基坑隧道工程安全风险预警的智能测判方法，具体涉及一种城市轨道基坑隧道工程建设期间围支护结构安全状态及其预警的分级响应、处置与预控管理的智能测判方法。

背景技术

当前，我国城市轨道交通规划建设进入蓬勃发展时期。城市轨道交通地处复杂的城市环境条件、地质岩土条件之下，工程建设风险突出，因设计、施工不当或信息化管理不足引发的新建轨道交通工程围支护结构开裂、倾斜、滑移、倒塌失稳及周边地层变形和地表沉降(隆起)等，可危及工程自身和周边环境安全，易带来严重的经济损失、不良的社会影响甚至人员伤亡。

工程监测及其预警作为信息化施工和施工安全风险管控的“眼睛”，在全国城市轨道交通工程安全风险状态评价和预警管控中逐步得到重视，在施工安全风险判定、预警预报和应急处置中发挥越来越大的作用。但以基坑隧道为主的城市轨道交通工程，因地下工程的复杂性和不可预见性，多年来主要根据监测数据及其制定的针对某一类监测项目的预警指标，并结合专家经验和现场会商、核查等后期工作，进行该类监测项目的预警和处置，未综合考虑各类监测项目的同时预警及其共同作用，以及对基坑隧道工程的安全性构成的总体影响状况和真正预警指标。也就是说，当前缺乏对海量监测数据及其内在相互关系的挖掘分析，针对监测数据及其预警指标的判定和指导实际工作的依据单一、随意性大，其科学性、合理性和及时性有待加强。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基坑隧道施工期间综合各类工程监测数据及其安全风险预警的智能测判方法，根据基坑隧道施工期间影响围支护结构及其安全保护的各类监测数据及其影响因素，根据各项因素在工程结构安全风险中所占的影响权重和安全预警的判定指标参数，通过层次分析、模数综合评判等方法和计算机技术，建立各类各级风险因素综合评判矩阵，计算评判多种因素组合下的工程安全预警状况，及时指导信息化施工、工程安全风险动态控制与预警、响应及处置，减少工程安全预警等级判定的主观性、延迟性，实现了基坑隧道施工中工程安全预警的科学性、合理性和标准化，提高了基坑隧道施工的安全风险预控及管理水平。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基坑隧道工程安全风险预警测判方法，

(一)包括以下步骤：

1)步骤一：分析并确立影响基坑隧道工程安全预警的多层级影响因素或监测项目的预警指标，包括一、二、三、四级，预设各级影响因素或监测项目预警指标所属上一级安全预警指标的权重值或隶属度值；

2)步骤二：根据基坑隧道工程安全监测方案和实测数据，获取待评判的第四级或第三级影响因素或监测项目的实际预警值，以及第三级影响因素或监测项目预警指标的实际发生数量；

3)步骤三：将步骤二获取的各个第三级影响因素或监测项目的预警指标值，代入步骤一预设的所在级别的隶属度函数，进行权重计算和归一化处理，判定得到该级各预警指标的权重矩阵值U₃₃₃；

4)步骤四：将步骤三判定得到的各三级单因素预警指标权重矩阵值U₃₃₃、步骤二获取的各三级单因素预警指标的实际发生数量，代入步骤一预设的二级隶属度函数，进行模糊综合评判计算和归一化处理，根据最大隶属度原则，分别判定得到各二级各预警指标权重矩阵值U₂₂；同样地，在对各二级预警指标权重矩阵值U₂₂进行模糊综合评判的基础上，得到相应各一级预警指标权重矩阵值U₁；

5)步骤五：根据步骤四的模糊评判计算结果，即该基坑隧道工程监测预警的各一级权重矩阵值U₁，再进行一个级别的模糊综合评判，得到基于基坑隧道工程监测数据及预警项目的最终综合性预警指标(W)，并根据预定设计好的预警分级响应、处理程序，实施分层级的安全风险管控。

(二)进一步，所述步骤一中，基坑隧道工程安全预警指标的一级指标包括：结构自身监测预警指标(W1)和周围岩土体监测预警指标(W2)；

对于结构自身监测预警指标(W1)，包括的二级指标为：空间形态变化类监测项目预警(W11)和力学形态变化类监测项目预警(W12)；

其中，空间形态变化类监测项目预警指标(W11)包括的三级指标为：水平位移预警(W111)和竖向位移预警(W112)；其中，水平位移预警(W111)和竖向位移预警(W112)均包括四级指标：累计变化量预警(W1111)和变化速率预警(W1112)；

其中，力学形态变化类监测项目预警指标(W12)包括的三级指标为：压应力或拉应力预警(W121)，如支护桩墙结构应力、支撑轴力、锚杆拉力、初支结构应力等；

对于周围岩土体监测预警指标(W2)，包括的二级指标为：空间形态变化类监测项目预警(W21)和力学形态变化类监测项目预警(W22)；

其中，空间形态变化类监测项目预警(W21)包括的三级指标为：竖向位移预警(W211)；其中，竖向位移预警(W211)包括的四级指标为：累计变化量预警(W2111)和变化速率预警(W2112)；

其中，力学形态变化类监测项目预警(W22)包括的三级指标有：周围岩土体压力变化值预警(W221)和孔隙水压力变化值预警(W222)。

上述这些第四级、第三级影响因素或预警指标的预警值及其所属第三级影响因素或监测预警指标的实际发生数量，是根据基坑隧道工程安全监测方案，利用经纬仪、全站仪等工程测量仪器工具进行人工实测和数据整理，并结合前述给定的预警指标范围确定的。如：针对空间形态变化类监测项目(如支护结构竖向位移、顶层水平位移、周边地表竖向变形等)一般采用几何测量监测方法，如水准仪、水准尺或全站仪等；对力学形态变化类监测项目，一般是采用仪器测试方法，如钢筋应力计或应变计、频率仪或应变仪、孔隙水压力计、测斜仪等；对存在重大安全风险的工程及其监测对象，可采用自动实时化监测、三维激光扫描测量等新监测技术方法。

(三)根据《城市轨道交通工程监测技术规范》GB 50911、《地铁工程监控量测技术规程》DB 11/490等规范标准和近些年来工程经验，第三级或第四级影响因素或监测项目均须给定相应的控制值，由设计单位根据规范、工程经验或专项评估或专家论证确定，并在设计文件中体现，如对支护桩(墙)体水平位移预警W111(以一级基坑、钻孔灌注桩为例)的累计变化量预警W1111的控制范围值在20-30mm，变化速率预警W1112的控制范围值在2-3mm/d；支护桩(墙)顶竖向位移预警W112(以一级基坑、钻孔灌注桩为例)的累计变化量预警W1121的控制范围值在10-25mm，变化速率预警W1122的控制范围值在2-3mm/d；地表位移预警W211的累计变化量预警W2111的控制范围值在20-30mm，变化速率预警W2112控制范围值在2-4mm/d等。然后以监测项目控制值为基础，制定相应的预警指标，一般分为黄、橙、红三色级，并规定为：单一监测对象及项目的工程监测实测值达到控制值的70％(含)以上时，为黄色预警；监测对象及项目的工程监测实测值达到控制值的85％(含)以上时，为橙色预警；监测对象及项目的工程监测实测值超过控制值(含)，为红色预警等。采用不同的颜色是区分工程安全风险程度的一种技术手段，并不是为了美观等非技术目的。

为便于计算机程序自动实现，对各级影响因素或安全预警色级(黄、橙、红)赋以一定的数值范围，计算公式如下：

同时，根据工程经验，预设给出各级影响指标因素的预警相对权重值或隶属度值，且同一级影响指标因素的预警相对权重值之和为1，如：∑(α1+α2)＝1，∑(β1+β2)＝1，∑(δ1+δ2)＝1，∑(λ1+λ2)＝1等。

(四)进一步，所述步骤三中，针对存在第四级指标参数的三级预警指标项目，根据步骤二所获取的第四级指标参数的实际预警值及权重值，分别按照下式进行权重计算，进而得到第三级单因素权重矩阵值U₃₃₃：

U₃₃₃＝W_333-i*λ_i+W_333-j*λ_j (4-1)

式中，W_333-i～j为各第四级指标参数的实际预警值。(如对W111，W_333-i-j分别为累计变化量预警W1111和变化速率预警W1112；λ_i-j为四级指标参数所占对应的第三级预警的相对权重或隶属度(如对W111，针对累计变化量预警W1111相对于W111的权重λ₁可设为0.45，变化速率预警W1112的λ₂则为0.55)。

(五)进一步，所述步骤四中，针对各第三级预警指标项目(如W111、W112、W121、W211等)，根据步骤二所获取的第三级指标参数的实际预警值、发生数量或步骤三所计算得到的第三级指标参数的预警指标，结合各第三级预警指标预先给定的权重值或隶属度值，进行权重计算，从而得到各第二级影响指标的权重矩阵值U₂₂：

U₂₂＝W_333-i*δ_i*l_i(y)+W_333-j*δ_j*l_j(y) (5-1)

式中，W_333-i～j为各三级指标参数的实际预警指标或计算预警指标值；δ_i～j为对应三级指标参数所占二级预警的权重值或隶属度值(如对W22，针对围岩土体压力变化值预警W221的δ_i可为0.6，孔隙水压力变化值预警W222的δ_j则为0.4)；l_i～j(y)为各三级预警指标的实际发生数量对应的预警调整系数，针对存在第三级指标参数的二级预警指标项目，主要针对存在第三级指标参数的二级预警指标项目(如W11、W22)，根据工程经验，具体计算函数公式为：

式中，y为整数，由步骤二确定。

(六)进一步，所述步骤四中，可得到各第一级影响指标的权重矩阵值U₁，计算公式如下：

U₁＝W_22-i*β_i*l_i(z)+W_22-j*β_j*l_j(z) (5-3)

式中，对存在三级指标参数的第二级预警指标项目(如W11、W22)，根据公式(5-2)取得具有实际发生数量的二级预警指标的预警调整系数l_i(z)。W₂₂-i～_j为各二级指标参数的计算预警指标值。

(七)进一步，所述步骤五中，针对各第一级预警指标项目(如W1、W2)，根据步骤四所获得的一级预警指标参数的预警指标，结合步骤一给出的各一级预警指标的相对权重或隶属度，进行权重计算，从而得到该基坑隧道工程的权重矩阵值U，综合模糊评判公式为：

U＝W_1-i*α_i+W_1-j*α_j (6-1)

式中，W_1-i～j为各一级指标参数的计算预警指标值；

最后，根据最大隶属度原则，可得该基坑隧道工程的最终综合性安全预警指标W。

采用上述技术特征的一种基坑隧道工程安全风险预警的测判方法，具有以下优点：

本发明在全面、系统地梳理分析了基坑隧道工程各类监测项目或影响因素、监测数据间相互关系及对安全影响相对程度等的基础上，通过层次分析、模糊综合评判等方法，并采用计算机领域的技术手段，给出了一种直接、智能化和及时获取的工程安全风险综合预警方法，最大程度地发挥了工程监测数据及其预警指标在工程安全的技术支撑作用和安全风险预防预控效果。

附图说明

图1为本发明实施例的基坑隧道工程安全风险的监测流程图；

图2为本发明实施例的基坑隧道工程的监测项目及预警点平面分布图；

图3为本发明实施例的基坑隧道工程的监测项目剖面分布图；

图4为发明的实施例基坑隧道工程的典型监测项目实测值及预警情况表；

图5-10为本发明实施例的基坑隧道工程的各三级、四级预警的监测时程曲线及预警情况图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达到预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图和较佳实施例，对本发明的结构、特征以及功效详细说明如后。

如图2-10所示为本发明的一个实施例，该实施例包括五个三级指标参数(即监测项目)及其下一级(四级)的指标参数(即累计变化量预警和变化速率预警)，具体为：W_333-1—地表沉降；W_333-2—管线变形；W_333-3—支撑轴力；W_333-4—桩顶水平位移；W_333-5—桩体变形。

图5记录的是支撑轴力测点ZL-07-03时程变化曲线及预警情况，可以看出速率与累计值均远小于控制值。

图6记录的是地表沉降测点DB-02-17时程变化曲线及预警情况，可以看出局部时段变形速率超过控制值。

图7记录的是桩顶水平位移测点ZQS-19时程变化曲线及预警情况，可以看出速率与累计值均较小。

图8记录的是支撑轴力测点ZL-07-03时程变化曲线及预警曲线，可以看出速率与累计值均较小。

图9记录的是地表沉降测点DB-02-11时程变化曲线及预警情况，可以看出累计值超过控制值，橙色监测预警。

图10记录的是管线沉降测点WGXC-04-07时程变化曲线及预警情况，可以看出累计值超过控制值，橙色监测预警。

根据实测数据及预警指标情况，W_333-3(支撑轴力)、W_333-4(桩顶水平位移)、W_333-5(桩体变形)的监测指标均没有发生风险或预警情况，后续计算中不再涉及；同时，W_333-1(地表沉降)、W_333-2(管线变形)的监测预警指标只发生在四级指标的累计变化量上，因此其预警影响权重λ₁存在(根据经验取为0.45)，而变化速率未发生预警，λ₂为0。相当于步骤三及公式(4-1)。

对W333-1(地表沉降)和W333-2(管线变形)两个三级监测指标，根据经验，将其所占二级指标的影响权重均取为0.5。根据工程实测数据，W_333-1(地表沉降)指标发生了2个黄色预警和3个橙色预警，W_333-2(管线变形)指标发生了6个橙色预警，根据公式(2-1)，黄色预警取1.5，橙色预警取3。那么W_22-1＝[1.5*0.45*0.5*(2/2)+3*0.45*0.5*(3/2)]+[4*0.45*0.5*(6+1)/3)]＝3.45。相当于步骤四及公式(5-1)和(5-2)。

根据公式(5-3)和(6-1)，将W22(力学形态变化类监测项目预警)所占第二级影响权重系数β、第一级影响权重系数α分别设为0.9、0.5，则：W＝3.45*0.9*0.5＝1.55。根据公式(2-1)，该工程的整体安全状态处于黄色预警，风险基本可控但须加强管控。

由于说明书附图为黑白图，图2-10中的颜色不可分辨。图1中的A-F是为了区分第三级不同影响因素或监测项目的预警。

上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基坑隧道工程安全风险预警测判方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)步骤一：分析并确立影响基坑隧道工程安全预警的多层级影响因素或监测项目的预警指标，包括一、二、三、四级，预设各级影响因素或监测项目预警指标所属上一级安全预警指标的权重值或隶属度值；

2)步骤二：根据基坑隧道工程安全监测方案和实测数据，获取待评判的第四级或第三级影响因素或监测项目的实际预警值，以及第三级影响因素或监测项目预警指标的实际发生数量；

3)步骤三：将步骤二获取的各个第三级影响因素或监测项目的预警指标值，代入步骤一预设的所在级别的隶属度函数，进行权重计算和归一化处理，判定得到该级各预警指标的权重矩阵值U₃₃₃；

4)步骤四：将步骤三判定得到的各三级单因素预警指标权重矩阵值U₃₃₃、步骤二获取的各三级单因素预警指标的实际发生数量，代入步骤一预设的二级隶属度函数，进行模糊综合评判计算和归一化处理，根据最大隶属度原则，分别判定得到各二级各预警指标权重矩阵值U₂₂；同样地，在对各二级预警指标权重矩阵值U₂₂进行模糊综合评判的基础上，得到相应各一级预警指标权重矩阵值U₁；

5)步骤五：根据步骤四的模糊评判计算结果，即该基坑隧道工程监测预警的各一级权重矩阵值U₁，再进行一个级别的模糊综合评判，得到基于基坑隧道工程监测数据及预警项目的最终综合性预警指标(W)，并根据预定设计好的预警分级响应、处理程序，实施分层级的安全风险管控；

所述步骤一中，基坑隧道工程安全预警指标的一级指标包括：结构自身监测预警指标(W1)和周围岩土体监测预警指标(W2)；

对于结构自身监测预警指标(W1)，包括的二级指标为：空间形态变化类监测项目预警(W11)和力学形态变化类监测项目预警(W12)；

其中，空间形态变化类监测项目预警指标(W11)包括的三级指标为：水平位移预警(W111)和竖向位移预警(W112)；其中，水平位移预警(W111)和竖向位移预警(W112)均包括四级指标：累计变化量预警(W1111)和变化速率预警(W1112)；

其中，力学形态变化类监测项目预警指标(W12)包括的三级指标为：压应力或拉应力预警(W121)；

对于周围岩土体监测预警指标(W2)，包括的二级指标为：空间形态变化类监测项目预警(W21)和力学形态变化类监测项目预警(W22)；

其中，空间形态变化类监测项目预警(W21)包括的三级指标为：竖向位移预警(W211)；其中，竖向位移预警(W211)包括的四级指标为：累计变化量预警(W2111)和变化速率预警(W2112)；

其中，力学形态变化类监测项目预警(W22)包括的三级指标有：周围岩土体压力变化值预警(W221)和孔隙水压力变化值预警(W222)。

2.如权利要求1所述的测判方法，其特征在于，所述三级、四级影响因素或监测项目均给定相应的控制值，以所述控制值为基础，制定相应的预警指标，分为黄、橙、红三色级，并规定为：单一监测对象及项目的工程监测实测值达到控制值的70％以上时，为黄色预警；监测对象及项目的工程监测实测值达到控制值的85％以上时，为橙色预警；监测对象及项目的工程监测实测值达到控制值以上，为红色预警；

在计算机程序自动实现过程中，对各级影响因素或安全预警色级赋以一定的数值范围，计算公式如下：

同时，预设给出各级影响指标因素的预警相对权重值或隶属度值，且同一级影响指标因素的预警相对权重值之和为1。

3.如权利要求1所述的测判方法，其特征在于，所述步骤三中，针对存在第四级指标参数的三级预警指标项目，根据步骤二所获取的第四级指标参数的实际预警值及权重值，分别按照下式进行权重计算，进而得到第三级单因素权重矩阵值U₃₃₃：

U₃₃₃＝W_333-i*λ_i+W_333-j*λ_j (4-1)

式中，W_333-i～j为各第四级指标参数的实际预警值。

4.如权利要求1所述的测判方法，其特征在于，所述步骤四中，针对各第三级预警指标项目，根据步骤二所获取的第三级指标参数的实际预警值、发生数量或步骤三所计算得到的第三级指标参数的预警指标，结合各第三级预警指标预先给定的权重值或隶属度值，进行权重计算，从而得到各第二级影响指标的权重矩阵值U₂₂：

U₂₂＝W_333-i*δ_i*l_i(y)+W_333-j*δ_j*l_j(y) (5-1)

式中，W_333-i～j为各三级指标参数的实际预警指标或计算预警指标值；δ_i～j为对应三级指标参数所占二级预警的权重值或隶属度值；l_i～j(y)为各三级预警指标的实际发生数量对应的预警调整系数，针对存在第三级指标参数的二级预警指标项目，具体计算函数公式为：

式中，y为整数，由步骤二确定。

5.如权利要求4所述的测判方法，其特征在于，所述步骤四中，可得到各第一级影响指标的权重矩阵值U₁，计算公式如下：

U₁＝W_22-i*β_i*l_i(z)+W_22-j*β_j*l_j(z) (5-3)

式中，对存在三级指标参数的第二级预警指标项目，根据公式(5-2)取得具有实际发生数量的二级预警指标的预警调整系数l_i～j(z),W_22-i～j为各二级指标参数的计算预警指标值。

6.如权利要求1所述的测判方法，其特征在于，所述步骤五中，针对各第一级预警指标项目，根据步骤四所获得的一级预警指标参数的预警指标，结合步骤一给出的各一级预警指标的相对权重或隶属度，进行权重计算，从而得到该基坑隧道工程的权重矩阵值U，综合模糊评判公式为：

U＝W_1-i*α_i+W_1-j*α_j (6-1)

式中，W_1-i～j为各一级指标参数的计算预警指标值；

最后，根据最大隶属度原则，可得该基坑隧道工程的最终综合性安全预警指标W。