CN110378574A - 水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法、系统及设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法、系统及设备，基于盾构施工开挖面失稳机理，确定开挖面稳定性评价指标；将开挖面稳定性分为多个等级，建立各等级空间并确定每个评价指标在各等级量化的区间；采用组合赋权法计算各稳定性评价指标的组合权重，作为评价指标对评价结果影响的评判依据；采用理想点法构建理想点评价函数，以表示待评价对象对各等级的隶属程度，计算待测区段在评价体系每个等级的等级隶属度，确定评价区段施工过程中开挖面稳定性等级。

Description

水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法、系统及设备

技术领域

本公开属于隧道盾构法施工领域，涉及一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法、系统及设备。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

盾构施工技术由于其自身对周围环境影响较小，已成为软土地区城市地铁隧道施工的主要方法，研究盾构法施工过程中的力学行为具有重要的工程应用价值。其中开挖面的稳定问题一直是盾构施工中最重要的问题，保持开挖面的稳定，基本上保证了盾构隧道的安全顺利的施工。但是当开挖面稳定平衡失去后，将会导致一系列的安全事故。

在软土中进行盾构施工时，开挖面常自身不能维持稳定而需施加支护。在盾构掘进时维持开挖面稳定是保证施工安全的关键，一旦开挖面失稳，将造成土体过度变形甚至塌陷，导致周围建筑物破坏等一系列严重后果。大直径盾构隧道面临复杂水文地质、掘进方案难以展开，容易出现开挖面失稳、盾构机栽头等安全事故。目前国内外对盾构机穿越富水地层与断层破碎带研究开展较少，研究内容不够全面，机理研究不够深入，认识不够清楚，缺乏科学、可靠的开挖面失稳破坏风险预测、防控理论。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法、系统及设备，本公开通过对盾构法施工开挖面失稳记录以及长江流域地层的物理力学特性研究、分析影响盾构施工开挖面稳定性影响因素，以及通过工程经验与已知国内外盾构风险事故，最终确定盾构施工开挖面稳定性影响因素，构建盾构施工开挖面稳定性评判体系，采用组合赋权法获得各项指标影响因素的权重。使用理想点法，然后采用理想点法原理构造开挖面稳定性评价模型，通过计算不同施工区段稳定性等级隶属度对开挖面进行稳定性评价，帮助盾构施工的进行。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法，包括以下步骤：

基于盾构施工开挖面失稳机理，确定开挖面稳定性评价指标；

将开挖面稳定性分为多个等级，建立各等级空间并确定每个评价指标在各等级量化的区间；

采用组合赋权法计算各稳定性评价指标的组合权重，作为评价指标对评价结果影响的评判依据；

采用理想点法构建理想点评价函数，以表示待评价对象对各等级的隶属程度，计算待测区段在评价体系每个等级的等级隶属度，确定评价区段施工过程中开挖面稳定性等级。

作为可能的实施例，获取泥水盾构施工案例与事故相关资料，结合泥水平衡盾构相关资料，分析盾构施工开挖面失稳机理，确定盾构施工开挖面稳定性影响因素。

作为可能的实施例，评价指标包括隧道埋深、覆跨比、内摩擦角、土层粘聚力、地层天然含水率、掘进速度和土体渗透能力。

作为可能的实施例，采用层次分析法计算评价指标主观权重，采用熵权法计算评价指标客观权重，并根据两种权重差异程度计算评价指标最终的组合权重。

具体的，层次分析法计算评价指标主观权重的具体过程包括以下步骤：

以不同标度对各指标进行重要性排序，构造判断矩阵，采用最大特征值法判断矩阵求得最大特征值及对应的特征向量，获得评价指标的重要性排序。

具体的，使用熵权法确定指标权重包括以下步骤：

进行数据归一化；

定义各指标的熵值，定义各指标的熵权；

利用距离函数表示各指标权重的差异程度，计算权重的分配系数，构成组合权重。

作为可能的实施例，将盾构施工隧道开挖面风险评估指标区分为正指标和逆指标两类，正指标随指标值的增大，塌方风险等级越大，逆指标则相反；假定盾构施工隧道开挖面风险评价指标呈单调变化的趋势，确定每个风险评价指标的正理想点和反理想点。

更进一步的，根据风险指标值与对应的正理想点和/或反理想点的距离，得到理想点评价函数。

一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价系统，包括：

评价指标构建模块，被配置为依据盾构施工开挖面失稳机理，确定开挖面稳定性评价指标，将开挖面稳定性分为多个等级，建立各等级空间并确定每个评价指标在各等级量化的区间；

权重配置模块，被配置为采用组合赋权法计算各稳定性评价指标的组合权重，作为评价指标对评价结果影响的评判依据；

稳定性计算模块，被配置为采用理想点法构建理想点评价函数，以表示待评价对象对各等级的隶属程度，计算待测区段在评价体系每个等级的等级隶属度，确定评价区段施工过程中开挖面稳定性等级。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开利用层次分析法中每一层的权重设置最后都会直接或间接影响到结果，而且在每个层次中的每个因素对结果的影响程度都是量化的，非常清晰明确，能够较为合理的确定多目标、多准则、多时期等的系统评价指标权重；利用理想点法来确定评价指标值的等级，可以使各目标值尽可能逼近其理想值的求解多目标规划问题，通过计算不同施工区段稳定性等级隶属度对开挖面进行稳定性评价，对于盾构施工开挖面风险分级及预测问题，提供了一种科学的有效的研究方法。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开的流程图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

对盾构法施工开挖面失稳记录以及长江流域地层的物理力学特性研究、分析影响盾构施工开挖面稳定性影响因素，以及通过工程经验与已知国内外盾构风险事故，最终确定盾构施工开挖面稳定性影响因素，构建盾构施工开挖面稳定性评判体系，采用组合赋权法获得各项指标影响因素的权重。使用理想点法，然后采用理想点法原理构造开挖面稳定性评价模型，通过计算不同施工区段稳定性等级隶属度对开挖面进行稳定性评价。

具体的，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：通过研究盾构施工开挖面失稳机理，以及对现有文献参考研究，确定开挖面稳定性评价指标。

步骤二：将开挖面稳定性分为5个等级，等级集合C＝{水下隧道盾构施工开挖面稳定性等级}＝{C1,C2,C3,C4,C5}建立等级空间并确定每个评价指标在各等级量化的区间。

步骤三：采用组合赋权法计算各稳定性评价指标的组合权重，作为评价指标对评价结果影响的评判依据。

步骤四：采用理想点法构件理想点评价函数，以表示待评价对象对各等级的隶属程度。

步骤五：计算待测区段在评价体系每个等级的等级隶属度，确定评价区段施工过程中开挖面稳定性等级。

其中：

步骤一中关于风险指标的确定

搜集国内外泥水盾构施工案例与事故相关资料，结合泥水平衡盾构相关资料与大量的文献以及分析盾构施工开挖面失稳机理，确定盾构施工开挖面稳定性影响因素。确定开挖面稳定性评价指标。

步骤二：开挖面稳定性等级的划分

对于步骤一中已经确定的盾构施工开挖面稳定性评价指标，结合实际工况建立开挖面稳定性评价体系，对开挖面稳定性等级进行分级，并且根据每个评价指标的特点以及现阶段施工水平，采用不同的方法将稳定性评价指标进行量化。将开挖面稳定性分为五个等级，建立开挖面稳定性评价体系。

(1)隧道埋深：随着隧道埋深的增加，隧道施工开挖面的覆土高度与覆水同时增加，水土压力增加，增加了隧道施工开挖面风险。采用实际工况中的隧道埋深H即隧道与围岩接触上表面到海平面距离(非海域段为到地表距离)作为评价指标，并对距离海平面距离在200m以内的海底隧道，将其分为五个风险等级。

(2)覆跨比：覆跨比即隧道上覆围岩层厚度与隧道直径的比值，盾构施工隧道中，隧道施工开挖面的覆土高度同时增加，自重增加，覆跨比增加，水压对隧道的稳定性影响较大，会降低开挖面稳定性。

(3)内摩擦角：开挖面前方形成稳定泥膜的岩体的内摩擦角同时也是开挖面稳定性的重要评价指标，开挖面前方土体内摩擦角越大，开挖面稳定性越高。

(4)土层粘聚力：粘聚力作为岩石土体抗剪强度的重要指标之一，亦可作为开挖面泥膜稳定性的重要评价指标，开挖面周围岩层在一定的范围内，相对高的粘聚力易在开挖面形成稳定状态良好的泥膜，同时提高开挖面的强度。

(5)地下水状态：地下水对于盾构掘进过程中开挖面稳定性的影响主要表现为孔隙水压力作用开挖面，施工过程中开挖面前方孔隙水会击穿开挖面造成开挖面的失稳，将地下水作为盾构施工开挖面稳定性评价因素，并且将地层天然含水率作为地下水含量评价指标。

(6)土体渗透能力：由泥水盾构开挖面稳定机理可知，开挖面土体渗透能力较小，易形成弱透水性的泥膜，稳定性易维持，相反，较难形成，影响开挖面的稳定。由于长江中下游土体渗透系数相差数量级较大，因此将土体渗透参数作为渗透能力评分标准，将渗透能力作为稳定性评价指标。如表1所示：

表1土体的渗透能力

(7)施工掘进状态

泥水平衡盾构施工，正常施工掘进条件下的掘进速度一般为20～50mm/min。已知泥水盾构掘进速度最快为92mm/min。盾构机的掘进速度可以表现施工过程开挖面的稳定状态，在低风险区段盾构掘进速度相对较快，在高风险区段盾构施工掘进速度相对较为缓慢，甚至停滞不前。优先的将盾构掘进速度作为反映施工参数合理与否的良好评价指标同时可作为评价开挖面稳定与否的评价指标。考虑到实际施工复杂条件以及盾构机机器机能的限制参数，量化掘进速度评价指标对盾构施工掘进状态分为五个等级，建立开挖面稳定性等级评价体系见表2：

表2盾构施工掘进状态

步骤二最终建立盾构施工过程中开挖面稳定性等级评价体系，表3所示：

表3稳定性等级评价体系

步骤二将开挖面稳定性分为5个等级，等级集合C＝{江海隧道盾构施工开挖面稳定性等级}＝{C1,C2,C3,C4,C5}建立等级空间并确定每个评价指标在各等级量化的区间。并规定C1＝{开挖面稳定，无风险}；C2＝{开挖面相对稳定，风险可忽略}；C3＝{稳定性稍差存在风险}；C4＝{稳定性较差}；C5＝{稳定性差}；对应等级进行稳定性描述如上。

步骤三中评价指标权重的计算

步骤三中采用层次分析法计算评价指标主观权重，采用熵权法计算评价指标客观权重，并根据两种权重差异程度计算评价指标最终的组合权重。具体计算过程如下：

(1)主观权重计算

步骤三中采用层次分析法便是通过评价指标成对比较，由决策者借鉴专家学者的建议以1～9的标度作为指标重要性评价的标准，对指标进行重要性总体排序，构造判断矩阵G_n×n(其中a_ij表示第i组影响指标第j个数值)：

判断矩阵构造形式

评价指标对决策结果的影响程度以1～9的标度作为指标重要程度的定量表述。如a_ij表示i指标与j指标比较重要程度为a_ij，同样的i指标与j指标相比较，重要性程度为1/a_ij。采用最大特征值法判断矩阵G_n×n。求得最大特征值λ_max及对应的特征向量，由公式(1)～(4)进行计算，获得评价指标的重要性排序。

最后为避免由于决策过程中，由于过多的指标而在重要性对比过程中产生排序矛盾，引入一致性比率指标CR，并且定义CR＝CI/RI，其中一致性指标CI，以及平均一致性指标RI计算公式如公式(3)～(5)。并认为当CR<0.1时，判断矩阵G具有可接受的一致性，此时获得层次分析法计算的权重值w_i(w₁,w₂,w₃......w_n)。反之，认为判断矩阵G偏离一致性的程度过大，需要对G中的元素值进行修改。

CR＝{(λ_max-n)(n-1)}/RI (4)

(2)客观权重计算

步骤三中采用熵权法具对评价指标进行客观权重计算。熵权法有客观依赖于客观数据的特性，通过将样本数据反应的数据信息定义为熵，基于样本熵值以及指标数值变异数据离散程度进而确定评价指标权重，使用熵权法确定指标权重分为以下步骤：

1)数据归一化

为了避免指标单位对计算结果的影响，对各指标取值进行归一化，构造数据样本矩阵M(x_ij)_m×n，对于正指标即指标越大开挖面越稳定，选取最优解为对于负指标即指标越大开挖面越不稳定的指标，选择最优解依据公式(6)进行归一化处理：

获得归一化后的矩阵R＝(r_ij)_m×n

2)定义熵值

假设一个决策过程中存在m个指标，n个待评对象，依据熵权法定义第i个指标的熵H_i为：

式中当f_ij＝0时,令f_ijlnf_ij＝0。

3)定义熵权

获得评价指标熵值H_i后，定义指标的熵权即指标客观权重e_i：

其中0≤e_i≤1，

最终获得熵权法计算的评价指标的客观权重e_i(e₁,e₂,e₃......e_m)。

(3)权重组合

步骤三中为保证两种方法得到的权重值之间的差异程度与对应的分配系数的差异程度相一致，引入距离函数f(x)，表示各指标权重的差异程度，使用公式(8)～(9)计算两种权重的分配系数α，β。

设组合权重为W_i，组合权重值为两者线性加权：

W_i＝αw_i+βe_i (9)

为了使主客观权重差异程度与分配系数差异程度一致，应使距离函数满足：

f(w_i,e_i)＝(α-β)² (10)

式中α，β分别为两种权重的分配系数，为使不同权重之间差异程度和分配系数之间的差异程度一致，令两式相等，并加以约束条件：

α+β＝1 (11)

综上所述，联立方程组，令：

通过联立式(8)～(11)获得两种计算方法获得的权重。将所获得的分配系数代入公式(8)，即可获得最终权重W_i。

步骤四构造理想点法评价函数

步骤四中将盾构施工隧道开挖面风险评估指标区分为正指标和逆指标两类，正指标随指标值的增大，塌方风险等级越大，逆指标则相反。假定盾构施工隧道开挖面风险评价指标呈单调变化的趋势，确定每个风险评价指标的正理想点和反理想点；

盾构施工开挖面风险评估指标为正指标时，正理想点与反理想点为：

盾构施工开挖面风险评估指标为逆指标时，正理想点与反理想点为：

其中r_i为第i个评价指标值，f_i(a)、f_i(b)分别为第i个评估指标对应的正理想点和反理想点。

步骤四中理想点评价函数即为指标到正理想点和反理想点的距离。指标的解距离正理想点越近，距离反理想点越远，解就越优，在n维空间内的定义为：

||f(x)-f^*(+)||→min，||f(x)-f^*(-)||→max

构建用来定义判断评估指标到正理想点与反理想点的距离的理想点评价函数，理想点评价函数最常采用的是闵可夫斯基(Minkowski)距离，一般采用欧氏距离来定义评价指标到正理想点和反理想点的距离。(以下为采用欧氏距离来定义的方法，具体方法可视具体情况而定)：

第i个风险指标值与其正理想点间的距离可表示为：

第i个风险指标值与其反理想点间的距离表示为：

其中，x_imax和x_imin为各指标值域的上下限。

步骤五：计算理想点贴近度，对评价对象风险等级进行评估。

评价指标与对应的理想点贴近度的计算公式为T＝D2/(D1+D2)

其中D₁D₂分别为评价指标距正理想点与反理想点的距离。

通过理想点贴近度的计算，对评价对象的风险等级评估，风险评估等级为计算贴近度较高的等级。计算待测区段等级隶属度确定评价区段施工过程开挖面稳定性等级。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法，其特征是：包括以下步骤：

基于盾构施工开挖面失稳机理，确定开挖面稳定性评价指标；

将开挖面稳定性分为多个等级，建立各等级空间并确定每个评价指标在各等级量化的区间；

采用组合赋权法计算各稳定性评价指标的组合权重，作为评价指标对评价结果影响的评判依据；

采用理想点法构建理想点评价函数，以表示待评价对象对各等级的隶属程度，计算待测区段在评价体系每个等级的等级隶属度，确定评价区段施工过程中开挖面稳定性等级。

2.如权利要求1所述的一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法，其特征是：获取泥水盾构施工案例与事故相关资料，结合泥水平衡盾构相关资料，分析盾构施工开挖面失稳机理，确定盾构施工开挖面稳定性影响因素。

3.如权利要求1所述的一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法，其特征是：评价指标包括隧道埋深、覆跨比、内摩擦角、土层粘聚力、地层天然含水率、掘进速度和土体渗透能力。

4.如权利要求1所述的一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法，其特征是：采用层次分析法计算评价指标主观权重，采用熵权法计算评价指标客观权重，并根据两种权重差异程度计算评价指标最终的组合权重。

5.如权利要求4所述的一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法，其特征是：层次分析法计算评价指标主观权重的具体过程包括以下步骤：

以不同标度对各指标进行重要性排序，构造判断矩阵，采用最大特征值法判断矩阵求得最大特征值及对应的特征向量，获得评价指标的重要性排序。

6.如权利要求4所述的一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法，其特征是：使用熵权法确定指标权重包括以下步骤：

进行数据归一化；

定义各指标的熵值，定义各指标的熵权；

利用距离函数表示各指标权重的差异程度，计算权重的分配系数，构成组合权重。

7.如权利要求1所述的一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法，其特征是：将盾构施工隧道开挖面风险评估指标区分为正指标和逆指标两类，正指标随指标值的增大，塌方风险等级越大，逆指标则相反；假定盾构施工隧道开挖面风险评价指标呈单调变化的趋势，确定每个风险评价指标的正理想点和反理想点；

或，根据风险指标值与对应的正理想点和/或反理想点的距离，得到理想点评价函数。

8.一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价系统，其特征是：包括：

评价指标构建模块，被配置为依据盾构施工开挖面失稳机理，确定开挖面稳定性评价指标，将开挖面稳定性分为多个等级，建立各等级空间并确定每个评价指标在各等级量化的区间；

权重配置模块，被配置为采用组合赋权法计算各稳定性评价指标的组合权重，作为评价指标对评价结果影响的评判依据；

稳定性计算模块，被配置为采用理想点法构建理想点评价函数，以表示待评价对象对各等级的隶属程度，计算待测区段在评价体系每个等级的等级隶属度，确定评价区段施工过程中开挖面稳定性等级。

9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法。

10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的一种水下隧道盾构施工开挖面稳定性评价方法。