CN110210776A - 一种基于监控量测的隧道施工动态风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地下空间工程的安全控制领域，涉及一种基于监控量测的隧道施工动态风险评估方法，根据隧道监控量测规范对各风险评估指标施工状态进行定量化分析，建立各风险评估指标施工状态等级评判标准，根据《公路隧道设计规范》对各风险评估指标施工状态等级采用百分制赋分模式，建立隧道施工安全动态风险评估指标施工状态赋分区间，将各指标处理后的数据分别同各风险评估指标施工状态等级评判标准与隧道施工安全动态风险评估指标施工状态赋分区间对比得到各风险评估指标的施工状态值，将各评估指标的施工状态值代入状态变权公式确定各指标的状态权重值，对隧道施工安全风险进行动态分析，实时掌控和动态跟踪隧道施工安全风险。

Description

一种基于监控量测的隧道施工动态风险评估方法

技术领域：

本发明属于地下空间工程的安全控制领域，涉及一种基于监控量测的隧道施工动态风险评估方法。

背景技术：

风险评估指标权重与施工中各指标的施工状态密切相关，在隧道施工中各指标施工状态不断发生变化导致各风险评估指标权重也在不断变化。隧道风险评估指标权重是隧道施工安全状态的一个重要参数。以往采用静态风险评估方法对隧道风险评估，其中的风险评估指标权重是通过专家打分的方式确定的，这种方式下确定的风险评估指标权重存在很大的主观性，难以掌控和动态跟踪隧道施工安全风险，无法对隧道施工安全状态作出准确评估。例如：中国专利201810040972.1公开的基于CAE有限元模型的山岭隧道施工风险评估方法包括以下步骤：步骤一：借助CAE有限元软件，建立山岭隧道有限元模型，具体通过ABAQUS-CAE软件建立山岭隧道三维模型，其中，模型中包括的初始参数为：能够进行直接编辑的隧道断面形式及尺寸，通过改变材料特性进行编辑的围岩等级和衬砌类型；步骤二：利用网格划分有限元法对隧道受力变形特性进行计算，获得隧道拱顶、侧墙、仰拱部位的位移、应力；步骤三：通过有限元模型计算监测点布置处的应力和位移数据，并将这些数据与现场监测数据进行对比分析，得到模型计算的数据和监测数据之间的关系，进而推算出隧道洞室内壁没有设置监测点位置处的应力应变情况；步骤四：将软件模拟所得的应力、应变数据，通过数学关系转换得到新的数据库f(x1)，结合山岭隧道的自然地理概况数据f(x2)、地质情况数据f(x3)、环境条件数据f(x4)，形成一个总数据库，再以风险等级函数F(x)＝span{f(x1),f(x2),f(x3),f(x4)}为基础，采用FineBI软件对总数据库的数据进行关联性分析，得到应力-时间曲线和位移-时间曲线，根据最终获得的风险等级做出监测预警；中国专利201810454897.3公开的一种隧道及地下工程风险评估方法包括如下步骤：S100、确定风险目标和监测指标内容，组建专家小组对风险目标进行调查，获取风险目标的调查数据；S200、对调查的数据进行处理，得到一系列调查评价指标的集合；S300、确定风险评估方法，根据评估方法计算和评估风险目标的功效系数值；S400、将计算出的总功效系数值按规则分级，以便管理人员对风险的管理和预防；中国专利201810718974.1公开的一种盾构隧道施工风险综合评价方法包括步骤：(S1)构建用于盾构隧道施工风险综合评价的单层指标体系，或两层以上的树状指标体系；(S2)确定施工风险综合评价等级标准及对应的施工风险综合评价标准云模型体系和云图；(S3)确定评价指标权重的评价语言体系及其对应的权重云模型体系；(S4)确定评价指标安全状态等级的评价语言体系及对应的安全状态评价云模型体系；(S5)根据(S3)评定每一项指标的权重云模型，根据(S4)评定最底层各项子指标的安全状态评价云模型；(S6)根据最底层各项子指标的权重云模型和相应的安全状态评价云模型分别计算出底层各项子指标的施工风险综合评价云模型，结合对应的权重云模型，分别计算出底层子指标所归集的上一层各指标的施工风险综合评价云模型，以此类推，得到任一上层指标的施工风险综合评价云模型，最后根据顶层各指标的施工风险综合评价云模型及对应的权重云模型，计算出盾构隧道施工风险综合评价云模型；(S7)将(S6)计算得到任一指标或盾构隧道的施工风险综合评价云模型转化为评价结果云图，将该云图与(S2)的施工风险综合评价标准云图进行比对，得到任一指标或盾构隧道的施工风险综合评价等级；其并不能代表隧道施工中的风险评估指标权重，难以反映隧道真实地施工安全状态。因此，借助监控量测手段获取隧道施工状态，进而确定风险评估指标权重，对静态评估模式下的风险评估指标权重进行动态修正，使隧道施工安全状态更加真实，具有良好的社会和经济效益。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种基于监控量测的隧道施工动态风险评估方法，借助监控量测手段反映隧道施工安全动态信息，确定隧道中各风险评估指标权重，对各风险评估指标权重进行动态修正，实时掌控和动态跟踪隧道施工安全风险，实现对隧道施工安全状态的准确评估。

为了实现上述目的，本发明涉及的基于监控量测的隧道施工动态风险评估方法的具体工艺过程包括建立体系、建立等级与标准、描述赋分值和计算权重值共四个步骤：

(1)建立体系：根据隧道新奥法监控量测的特点建立隧道施工安全动态风险评估指标体系，如下表：

(2)建立等级与标准：根据隧道监控量测规范对各风险评估指标施工状态进行定量化分析，建立各风险评估指标施工状态等级和施工风险状态评判标准，如下表：

(3)描述赋分值：根据《公路隧道设计规范》基于监控量测手段，对各风险评估指标进行实时数据采集、分析和处理，监控量测的变量包括各风险评估指标的位移、应力及位移和应力的变化速率，通过分别对监控量测位移采用线性回归分析，对监控量测应力采用移动平均回归分析实现对监控量测数据的回归分析；

对监控量测位移进行线性回归分析的具体步骤如下：

①建立以时间t为横坐标，以位移或应力为纵坐标的坐标系，标出监控量测数据对应的实测点，得到散点图，

②根据实测点绘制出光滑的曲线(一般不会通过所有实测点)，使曲线尽量接近所有实测点，并使实测点分布在曲线的两边；

③隧道施工中各风险评估指标的监控量测位移随开挖面的向前推进及时间的推移逐渐增大，后趋于平稳且变形速率逐渐下降并接近于零，根据步骤②中监控量测位移绘制出光滑的曲线的形状，选择下列位移时态曲线的拟合方程之一的选择回归函数：μ(t)＝A(1-e^-Bt)、和μ(t)＝A(e^-Bt/2-e^-Bt)，其中，t为量测时间，μ(t)为黏性位移，是与时间t有关的函数，e为自然对数函数的底数，A、B为待定系数，根据监控量测数据，通过最小二乘法求得，A、B确定后，根据公式：计算回归精度，对时态曲线进行修正，监控量测时间和对应的位移值为：t₁，t₂，t₃，...，t_i，...，t_n，u₁，u₂，u₃，...，u_i，...，u_n，其中，t_i为监控量测的时刻，u_i为t_i时刻时对应的监控量测位移值，S为位移时态曲线的回归精度，n为监控量测的频数，

对监控量测应力进行移动平均回归分析的具体步骤为：隧道监控量测应力绘制的曲线呈现上下波动的形状，假定对应力连续测量n天得到应力随时间变化的数据如下：t₁，t₂，t₃，...，t_i，...，t_n，σ₁，σ₂，σ₃，...，σ_i，...，σ_n，其中，t_i为监控量测的时刻，σ_i为t_i时刻时对应的监控量测应力值，从t₂时刻的应力起，对其进行移动平均回归分析， 依此对监控量测应力进行移动平均回归分析；

将各风险评估指标监控量测数据处理结果分别与步骤(2)和步骤(3)的表对比，判定出各风险评估指标的施工状态归一化值，对各风险评估指标施工状态采用百分制赋分模式进行赋分值描述，如下表：

监控量测数据存在离散型，不存在线性关系，根据监控量测数据绘制出的曲线图没有规律性可言，不利于对各风险评估指标的变化规律分析，为了更好地分析各评估指标的变化规律，了解围岩和支护结构的稳定状况，需要对各风险评估指标监控量测数据进行回归分析；

(4)计算权重值：根据状态权重公式：(0<α≤1)计算权重值，其中W_j(X)为各风险评估指标对应的状态权重值，w_j为静态评估下各风险评估指标的权重值，x_j为风险评估指标的施工状态归一化值，α为状态变权均衡系数，当α为1/2时，状态变权效果最明显，此时状态权重公式为：

本发明涉及的监控量测每天进行；风险评估指标每天监测，连续监测1周；统计风险评估指标施工状态及权重在1周内的变化情况，以方便风险评估工作的开展，实时反映各风险评估指标施工状态随施工进程动态变化的特性，对隧道施工安全风险进行动态跟踪。

本发明与现有技术相比，根据隧道监控量测规范对各风险评估指标施工状态进行定量化分析，建立各风险评估指标施工状态等级评判标准，根据《公路隧道设计规范》对各风险评估指标施工状态等级采用百分制赋分模式，通过对各风险评估指标施工状态采用多次不同的赋分试算，建立隧道施工安全动态风险评估指标施工状态赋分区间，引入监控量测手段，对各评估指标实时数据采集、分析和处理，将各指标处理后的数据分别同各风险评估指标施工状态等级评判标准与隧道施工安全动态风险评估指标施工状态赋分区间对比得到各风险评估指标的施工状态值，将各评估指标的施工状态值代入状态变权公式确定各指标的状态权重值，实现对各风险评估指标权重的动态修正，进而真实反映隧道施工安全状态，对以往静态评估模式下的风险评估指标权重进行动态修正，对隧道施工安全风险进行动态分析，实时掌控和动态跟踪隧道施工安全风险，实现对隧道施工安全状态的准确评估。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程框图。

图2为本发明实施例1涉及的位移-时间关系曲线图

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的基于监控量测的隧道施工动态风险评估方法的具体工艺过程包括建立体系、建立等级与标准、描述赋分值和计算权重值共四个步骤：

(1)建立体系：根据隧道新奥法监控量测的特点建立隧道施工安全动态风险评估指标体系，如下表：

(2)建立等级与标准：根据隧道监控量测规范对各风险评估指标施工状态进行定量化分析，建立各风险评估指标施工状态等级和施工风险状态评判标准，如下表：

(3)描述赋分值：根据《公路隧道设计规范》基于监控量测手段，对各风险评估指标进行实时数据采集、分析和处理，以监控量测的位移为例对其进行线性回归分析，具体步骤如下：

①建立以时间t为横坐标，以位移为纵坐标的坐标系，标出监控量测数据对应的实测点，得到位移-时间散点图；

②将①中的位移-时间散点图绘制成位移-时间曲线，曲线形状为双曲线如图2所示；

③选择双曲线函数对②中绘制的光滑曲线进行线性回归分析，其中，t为量测时间，μ(t)为黏性位移，是与时间t有关的函数，A、B为待定系数，根据监控量测数据：t₁，t₂，t₃，...，t_i，...，t_n，u₁，u₂，u₃，...，u_i，...，u_n，其中，t_i为监控量测的时刻，u_i为t_i时刻时对应的监控量测位移值，通过最小二乘法：将代入求得A、B值；然后根据公式：

计算回归精度，对时态曲线进行修正，其中，n为监控量测位移值的频数，t_i为监控量测的时刻，u_i为t_i时刻时对应的监控量测位移值，将各风险评估指标监控量测数据处理结果分别与步骤(2)和步骤(3)的表对比，判定出各风险评估指标的施工状态归一化值，对各风险评估指标施工状态采用百分制赋分模式进行赋分值描述，如下表：

(4)计算权重值：根据状态权重公式：(0<α≤1)计算权重值，其中W_j(X)为各风险评估指标对应的状态权重值，w_j为静态评估下各风险评估指标的权重值，x_j为风险评估指标的施工状态归一化值，α为状态变权均衡系数，当α为1/2时，状态变权效果最明显，此时状态权重公式为：

实施例2：

本实施例涉及的基于监控量测的隧道施工动态风险评估方法对抓马山山岭公路隧道左线ZK5+310-ZK5+495标段各风险因素进行识别，确定抓马山山岭公路隧道动态风险评估指标体系，如步骤(1)中的表所示，2019年4月1日至4月7日，每天对抓马山山岭公路隧道动态风险评估指标进行数据采集，连续监控量测1周，为了通过监控量测数据更好地分析各评估指标的变化规律，了解围岩和支护结构的稳定状况，按照回归分析方法分别对监控量测位移采用线性回归分析，对监控量测应力采用移动平均回归分析，实现对监控量测数据的回归分析，最终将得到1周内各指标处理后的监控量测值；参照步骤(2)和步骤(3)中施工状态评判标准表，得到各评估指标连续1周内的施工状态值。将各评估指标1周的施工状态值分别代入状态变权公式，得到各评估指标对应的7个状态权重值，并建立状态权重-时间坐标系，绘制各指标1周内的权重，通过1周内各指标权重的动态变化实现对抓马山山岭公路隧道1周内施工安全风险的动态分析。

抓马山山岭公路隧道位于山东省青岛市黄岛区西郭村-宋家茔村，穿越S7603高速公路，全隧属于分离式隧道，采用新奥法施工。隧址区地形起伏大，地势中间高，两端低，主要地貌为剥蚀残丘。隧道穿越地段围岩等级以Ⅳ，Ⅴ级为主，岩层多为强风化岩和中风化岩，岩体破碎，地下水以基岩风化裂隙水为主，自稳能力差。借助监控量测手段，建立动态风险评估模型，反映各风险评估指标的施工状态，通过分析评估指标施工状态对其权重的影响，实现对抓马山山岭公路隧道施工安全风险的动态分析。

Claims (2)

1.一种基于监控量测的隧道施工动态风险评估方法，其特征在于具体工艺过程包括建立体系、建立等级与标准、描述赋分值和计算权重值共四个步骤：

(1)建立体系：根据隧道新奥法监控量测的特点建立隧道施工安全动态风险评估指标体系，如下表：

(2)建立等级与标准：根据隧道监控量测规范对各风险评估指标施工状态进行定量化分析，建立各风险评估指标施工状态等级和施工风险状态评判标准，如下表：

(3)描述赋分值：根据《公路隧道设计规范》基于监控量测手段，对各风险评估指标进行实时数据采集、分析和处理，监控量测的变量包括各风险评估指标的位移、应力及位移和应力的变化速率，通过分别对监控量测位移采用线性回归分析，对监控量测应力采用移动平均回归分析实现对监控量测数据的回归分析；

对监控量测位移进行线性回归分析的具体步骤如下：

①建立以时间t为横坐标，以位移或应力为纵坐标的坐标系，标出监控量测数据对应的实测点，得到散点图，

②根据实测点绘制出光滑的曲线(一般不会通过所有实测点)，使曲线尽量接近所有实测点，并使实测点分布在曲线的两边；

③隧道施工中各风险评估指标的监控量测位移随开挖面的向前推进及时间的推移逐渐增大，后趋于平稳且变形速率逐渐下降并接近于零，根据步骤②中监控量测位移绘制出光滑的曲线的形状，选择下列位移时态曲线的拟合方程之一的选择回归函数：μ(t)＝A(1-e^-Bt)、和μ(t)＝A(e^-Bt/2-e^-Bt)，其中，t为量测时间，μ(t)为黏性位移，是与时间t有关的函数，e为自然对数函数的底数，A、B为待定系数，根据监控量测数据，通过最小二乘法求得，A、B确定后，根据公式：计算回归精度，对时态曲线进行修正，监控量测时间和对应的位移值为：t₁，t₂，t₃，...，t_i，...，t_n，u₁，u₂，u₃，...，u_i，...，u_n，其中，t_i为监控量测的时刻，u_i为t_i时刻时对应的监控量测位移值，S为位移时态曲线的回归精度，n为监控量测的频数，

对监控量测应力进行移动平均回归分析的具体步骤为：隧道监控量测应力绘制的曲线呈现上下波动的形状，假定对应力连续测量n天得到应力随时间变化的数据如下：t₁，t₂，t₃，...，t_i，...，t_n，σ₁，σ₂，σ₃，...，σ_i，...，σ_n，其中，t_i为监控量测的时刻，σ_i为t_i时刻时对应的监控量测应力值，从t₂时刻的应力起，对其进行移动平均回归分析， 依此对监控量测应力进行移动平均回归分析；

将各风险评估指标监控量测数据处理结果分别与步骤(2)和步骤(3)的表对比，判定出各风险评估指标的施工状态归一化值，对各风险评估指标施工状态采用百分制赋分模式进行赋分值描述，如下表：

监控量测数据存在离散型，不存在线性关系，根据监控量测数据绘制出的曲线图没有规律性可言，不利于对各风险评估指标的变化规律分析，为了更好地分析各评估指标的变化规律，了解围岩和支护结构的稳定状况，需要对各风险评估指标监控量测数据进行回归分析；

(4)计算权重值：根据状态权重公式：计算权重值，其中W_j(X)为各风险评估指标对应的状态权重值，w_j为静态评估下各风险评估指标的权重值，x_j为风险评估指标的施工状态归一化值，α为状态变权均衡系数，当α为1/2时，状态变权效果最明显，此时状态权重公式为：

2.根据权利要求1所述的基于监控量测的隧道施工动态风险评估方法，其特征在于监控量测每天进行；风险评估指标每天监测，连续监测1周；统计风险评估指标施工状态及权重在1周内的变化情况，以方便风险评估工作的开展，实时反映各风险评估指标施工状态随施工进程动态变化的特性，对隧道施工安全风险进行动态跟踪。