CN110646854A - 一种基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道施工信息处理技术领域,公开了一种基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法及系统,以各地质因素作为评价因子建立第一级综合评价,根据评分确立各不良地质体存在的可能性大小;采用TRT长距离探测,并将TRT分析图像以及一级地质综合评价作为二级综合评价的评价因子建立二级综合评价,根据评分进一步确认不良地质体的性质及位置;采用地质雷达对重点位置进行补测,并采用地质雷达HHT信号分析法,分析不良地质体的规模、位置及形态。本发明将模糊层次分析法应用到综合超前地质预报中,以更加客观、有效的方式进行隧道预报工作,从而得到准确的预报结论,更好的为隧道施工提供支持。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工信息处理技术领域,尤其涉及一种基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法及系统。
背景技术
目前,最接近的现有技术:
为了更加有效地掌握隧道施工期间掌子面前方的地质情况,实现减少或杜绝施工期地质灾害、保障生产安全的目的,隧道超前地质预报应运而生。超前地质预报起源于上世纪50年代,经过近70年的发展,人们先后发明了多种超前地质预报技术,总的来说可分为两类:地质分析法及物探类分析方法。
目前国内超前地质预报技术普遍存在预报手段单一、地质调查深度及力度不够、人员专业素质参差不齐等问题,具体体现在进行地质调查时没有深入研究各地质要素间的内在联系,只是单一的列出各种地质现象,另外,地质与物探的综合物探法结合方式较为单一片面,未将地质调查与物探方法紧密结合在一起,常常紧靠物探当方面解译,而得出一些违背地质约束的结论。
模糊层次评价法:是一种综合利用模糊评价法、专家打分法、层次分析法的综合评估方法。其在使用中,首先要将问题层次化,根据问题的性质和所要达到的目的建立目标集、对象级、因素集和评价集,然后计算评价因素相对于评价对象的权重值,生成评判矩阵,再通过适当的模糊算子进行综合评估,以客观的评分来分析灾害存在的可能性大小,该方法在地质灾害风险评估领域有很多较为成功的应用,是一种较为成熟可靠的方法。
HHT信号分析技术是1998年由NASA(National Aeronautics and SpaceAdministration,美国国家航空航天局)的HUANG等提出的。HHT方法与建立在先验性谐波基函数上的傅里叶变换和建立在小波基函数上的小波变换不同,它依据数据本身的时间尺度特性进行分解,是当前国际上公认的最新的时频局部化分析方法之一。该方法消除了人为因素的影响,克服了传统方法中用毫无意义的谐波分量来表示非平稳、非线性信号的缺陷,并可得到极高的时频分辨率,具有良好的时频聚集性。已被广泛应用于潮汐、地震信号、结构分析、语音信号、故障诊断、图像处理等领域的信号分析与处理。
超前地质预报的手段方法众多,可概括为两类:地质分析法及物探法。目前,综合超前地质预报被行业内所认可,因为每种的预报手段的优缺点各有不同,利用不同的预报手段进行预报时可以相互验证、相互补充、相互约束,可在一定程度上起到降低多解性、提高探测可靠性的作用,从而改善超前预报质量及可靠性。目前,综合超前地质预报方法可归结为:长短结合、地质与物探结合、不同物探方法结合。
综上所述,现有技术存在的问题是:
(1)目前现有的综合超前地质预报方法处于1+1=2甚至小于2的状态,即只是简单的用不同的预报方法来验证结论,并未对预报方法进行改善,同时在做预报结论时大多依靠工程师的经验判断,无法客观的分析,使得很难保障预报结论的准确性。
(2)现有的地质调查常常只是对地质情况简单的定性调查,并未深入分析各地质体内在的联系,更没有将地质调查结论与物探方法有机结合。
解决上述技术问题的难度:隧道地质情况往往较为复杂,勘察难度大,成本高,物探方法又具有多解性的通病,另外,两种方法都非常依靠工程师的经验判断。如何将地质调查定性分析转为客观评价的定量分析并且与物探手段建立内在约束、联系,将两种地质预报手段有机结合,形成更为准确的预报方法是目前超前地质预报的难题之一。
解决上述技术问题的意义:利用模糊层次分析法,将地质调查与物探手段以定量判断的方式有机结合,最大程度的消除人为主观因素的影响的同时提高了预报的准确性。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法及系统。
本发明是这样实现的,一种基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法,包括以下步骤:
步骤一,以隧道为单位,对隧区地质进行调查,根据洞内外地质调查结果分析隧区地质情况,以各地质因素作为评价因子建立第一级综合评价,根据评分确立各不良地质体存在的可能性大小;
步骤二,采用TRT长距离探测,并将TRT分析图像以及一级地质综合评价作为二级综合评价的评价因子建立二级综合评价,根据评分进一步确认不良地质体的性质及位置;
步骤三,采用地质雷达对重点位置进行补测,并采用地质雷达HHT信号分析法,分析不良地质体的规模、位置及形态。
进一步,步骤一中,隧区地质调查的方法包括洞外地质调查,具体为:
地层岩性调查:沿着隧道延伸方向对自然露头剖面进行地层岩性的调查,实地绘制地质剖面图,并结合地层柱状图全面了解地层的岩性、厚度及产状等特征;
地形地貌调查:沿着隧道延伸方向对隧区的地形地貌进行调查,重点在于隧道上方是否存在山坳状的汇水地形,对于山高林密的区域可采用Google Earth及ArcGIS进行辅助分析,全面的了解隧区地形地貌分布情况;
区域构造调查:对隧区的地质构造情况进行全方位的调查,特别是断层、节理及褶皱此类对隧道施工有着重大影响的地质构造;
水文特征调查:水文特征调查分为地表水及地下水调查两大部分,地表水调查即隧区地表水系分布,水系特征;地下水调查通过抽水试验、隧区水井水位高度等调查处隧区地下水水位线及渗透系数。
进一步,步骤一中,隧区地质调查的方法进一步包括洞内掌子面分析,具体为:
对隧道开挖掌子面揭露的地质特征进行素描,包括:岩性、岩石坚硬程度及破碎程度、节理裂隙类型、特征及发育程度、地下水出露情况。
进一步,步骤二中,以地质调查结果及TRT图像分析结果为基础建立两级模糊层次评价体系包括:
根据地质调查结果划分隧道预报重点段,并进行一级综合评价,具体步骤如下:
a.建立对象集O{O1,O2....On},即各种不良地质体类型;
b.建立因素集U{U1,U2....Un},针对各种不良地质体的地质影响因素;
c.建立权重集W{W1,W2....Wn},针对各不良地质体的影响因素设置权重矩阵,且保证矩阵满足一致性系数CR﹤0.1的要求,然后计算出权重集;
d.建立评价集R{R1,R2....Rn},针对各不良地质体的影响因素建立模糊评分表,计算评分向量R;
e.计算一级综合评价得分,根据公式B=W·RT计算出各不良地质体的得分,此分数代表不良地质体存在的可能性大小,数值越大表示存在的越大。
进一步,步骤二中,完成一级综合评价的目标,得出各不良地质体存在的可能性大小,并以数值的形式表示,然后,将此评价结果作为二级综合评价的一个因素,参与二级评价,最终确定不良地质体的类型;二级综合评价的步骤为包括
a.建立对象集O{O1,O2....On},即各种不良地质体类型;
b.建立因素集U{U1,U2....Un},即地质因素、TRT图像分析因素;
c.建立权重W{W1,W2....Wn},建立地质因素、TRT图像分析因素的权重矩阵,并计算出权重集,同样要保证矩阵满足一致性系数CR≤0.1的要求;
d.建立评价集R{R1,R2....Rn},针对地质因素、TRT图像分析因素建立模糊评分表,并计算计算评分向量R;
e.计算二级综合评价得分,根据公式B=W·RT计算出各不良地质体的得分,并依据最大隶属原则,确定出不良地质体类型。
进一步,步骤三将HHT信号分析法运用于地质雷达数据分析中,采用地质雷达补测,在对雷达数据进行分析时,采用HHT分析法,提取出最佳IMF分量及其对应的瞬时幅值、瞬时相位及瞬时频率,并根据这些信息进一步确定不良地质体的形状、规模及位置。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法的基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报系统。
综上所述,本发明的优点及积极效果为:
本发明提出了一种基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法,以地质调查及TRT图像分析作为两个评价层次建立二级模糊层次评价体系,然后以地质雷达进行短距离补测,并采用地质雷达信号HHT分析法来处理雷达数据。本发明丰富了综合超前地质预报的方法,以求得准确、客观的预报结论,动态指导隧道施工,降低施工风险,最大程度的保障一线人员的人生财产安全。本发明所要解决的技术问题
本发明改善目前隧道综合超前地质预报的方法,将模糊层次分析法应用到综合超前地质预报中,以更加客观、有效的方式进行隧道预报工作,从而得到准确的预报结论,更好的为隧道施工提供支持。
本发明在超前地质预报中,最大程度降低人为主观因素的影响,准确、客观的得出预报结论,为隧道施工提供精确的指导,避免隧道地质灾害的发生。
与之前的地质调查方法相比,本发明丰富的地质调查的手段及内容,能给好的为超前地质预报服务;本发明将模糊层次分析法级地质雷达信号HHT分析法应用到超前地质预报中,提高的预报的客观性及准确性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法流程图。
图2是本发明实施例提供的TRT测试震源和检波器的现场布置示意图
图3是本发明实施例提供的TRT分析结果图。
图4是本发明实施例提供的地质雷达分析图。
图5是本发明实施例提供的隧道现场验证照片即隧道开挖出的溶洞实物图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
目前现有的综合超前地质预报方法处于1+1=2甚至小于2的状态,即只是简单的用不同的预报方法来验证结论,并未对预报方法进行改善,同时在做预报结论时大多依靠工程师的经验判断,无法客观的分析,使得很难保障预报结论的准确性。
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法及系统,下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示,本发明实施例提供的基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法包括:
以隧道为单位,对隧区地质进行调查,主要包括洞外调查(地层岩性、地形地貌、区域构造、水文特征),洞内掌子面地质观察,根据洞内外地质调查结果分析隧区地质情况,以各地质因素作为评价因子建立第一级综合评价,根据评分确立各不良地质体存在的可能性大小;然后,采用TRT长距离探测,并将TRT分析图像以及一级地质综合评价作为二级综合评价的评价因子建立二级综合评价,根据评分进一步确认不良地质体的性质及位置,最后采用地质雷达对重点位置进行补测,并采用地质雷达HHT信号分析法,客观分析不良地质体的规模、位置及形态。
①隧区地质调查:
⑴洞外地质调查:
地层岩性调查:沿着隧道延伸方向对自然(人工)露头剖面进行地层岩性的调查,实地绘制地质剖面图,并结合地层柱状图全面了解地层的岩性、厚度及产状等特征;
地形地貌调查:沿着隧道延伸方向对隧区的地形地貌进行调查,重点在于隧道上方是否存在山坳状的汇水地形,对于山高林密的区域可采用Google Earth及ArcGIS进行辅助分析,全面的了解隧区地形地貌分布情况;
区域构造调查:对隧区的地质构造情况进行全方位的调查,特别是断层、节理及褶皱此类对隧道施工有着重大影响的地质构造。
水文特征调查:水文特征调查可分为地表水及地下水调查两大部分,地表水调查即隧区地表水系分布,水系特征(流经区域、水化学特征、补给排特征);地下水调查可通过抽水试验、隧区水井水位高度等调查处隧区地下水水位线及渗透系数;
⑵洞内掌子面观察
对隧道开挖掌子面揭露的地质特征进行素描,主要包括:岩性、岩石坚硬程度及破碎程度、节理裂隙类型、特征及发育程度、地下水出露情况等。
②以地质调查结果及TRT图像分析结果为基础建立两级模糊层次评价体系:
根据地质调查结果划分隧道预报重点段,并进行一级综合评价,具体步骤如下所示:
a.建立对象集O{O1,O2....On},即各种不良地质体类型;
b.建立因素集U{U1,U2....Un},针对各种不良地质体的地质影响因素;
c.建立权重集W{W1,W2....Wn},针对各不良地质体的影响因素设置权重矩阵,且保证矩阵满足一致性系数CR﹤0.1的要求,然后计算出权重集;
d.建立评价集R{R1,R2....Rn},针对各不良地质体的影响因素建立模糊评分表,计算评分向量R;
e.计算一级综合评价得分,根据公式B=W·RT计算出各不良地质体的得分,此分数代表不良地质体存在的可能性大小,数值越大表示存在的可能性越大;
到此完成一级综合评价的目标,即得出各不良地质体存在的可能性大小,并以数值的形式表示,然后,将此评价结果作为二级综合评价的一个因素,参与二级评价,最终确定不良地质体的类型。二级综合评价的步骤为:
a.建立对象集O{O1,O2....On},即各种不良地质体类型;
b.建立因素集U{U1,U2....Un},即地质因素、TRT图像分析因素;
c.建立权重W{W1,W2....Wn},建立地质因素、TRT图像分析因素的权重矩阵,并计算出权重集,同样要保证矩阵满足一致性系数CR≤0.1的要求;
d.建立评价集R{R1,R2....Rn},针对地质因素、TRT图像分析因素建立模糊评分表,并计算计算评分向量R;
e.计算二级综合评价得分,根据公式B=W·RT计算出各不良地质体的得分,并依据最大隶属原则,确定出不良地质体类型。
根据二级模糊层次分析体系能准确的判断出不良地质体的类型,并且TRT法是一种精度较高的空间探测方式,能够对不良地质体的位置作为较为准确的判断。
③将HHT信号分析法运用于地质雷达数据分析中。
采用地质雷达补测,在对雷达数据进行分析时,采用HHT分析法,提取出最佳IMF分量及其对应的瞬时幅值、瞬时相位及瞬时频率,并根据这些信息进一步确定不良地质体的形状、规模及位置。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例
本发明实施例提供的基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法包括:
1)对隧区地质进行详细调查,查明隧道沿线的地层岩性、地形地貌、区域构造及水文特征,并确立预报重点段;
2)根据地质调查结论建立重点段的一级综合评价体系:
①确定对象集:对象集为算法最终可能的判断结果的集合,即O={O1,O2....On}={断层,破碎带,溶洞,地下水}
②建立因素集:因素集是指会对上述各种不良地质体的发育有关系的各种地质因素,根据上述对象集,可分断层、溶洞、破碎带及地下水建立所对应的因素集U1、U2、U3:、U4:
U1={地层岩性,区域地质条件,地形地貌,隧道埋深}
U2={地层岩性,区域构造,地形地貌,隧道埋深,水文特征}
U3={地层岩性,区域构造,地形地貌,隧道埋深,水文特征}
U4={地层岩性,区域构造,地形地貌,隧道埋深,水文特征}
③建立权重集:针对四种不良地质体类型,建立权重集W{W1,W2,W3,W4},计算出权重向量。即与四种不良地质体相关的地质因素对不良地质体形成发育的所占权重值;根据表1的打分标准对各因素进行两两比较,确定每个因素的重要性,并赋予相对的分值,得出判断矩阵A={aij,i=j=n},判断矩阵A的最大特征值λ所对应的归一化特征向量即为对应影响因素的权重集W{W1,W2,W3,W4},且必须满足矩阵一致性要求,即一致性系数CR<0.1,该判断矩阵才有效。
表1因素相对重要性量化值
其中,一致性系数CR的计算方式:
首先,计算一致性指标CI,其中λ为判断矩阵A所对应的最大特征值,n为因素数,即矩阵的阶数:
CI=(λ-n)/(n-1)
然后,查表(见表2)得出随机一致性指标RI:
表2随机一致性指标RI
n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
RI | 0 | 0 | 0.58 | 0.9 | 1.12 | 1.24 | 1.32 | 1.41 | 1.45 | 1.49 | 1.51 |
最终,根据公式CR=CI/RI,求出一致性系数CR,当CR≤0.1时,矩阵的有效性才得到验证。
针对断层建立的判断矩阵如下表(表3)所示:
表3针对断层所建立的判断矩阵
经过计算各地质因素对于断层发育的权重及W1={0.436,0.086,0.239,0.23},最大特征值λ=4,因此,CI=0,RI=0.9,CR=CI/RI=0≤0.1,满足要求。
④建立评价集:R{R1,R2....Rn},计算出评分向量。根据①中建立的四种对象及相对应的因素集,分别建立四个模糊评分表。根据现场调查中的结论,对各地质因素对各不良地质体存在的可能性做出相应评分,各分数表征的存在概率如表4所示:
表4评分结果及其对应评分
建立断层模糊评分表(见表5):
表5针对断层的模糊评分表
由此可见,R1={2,5,1,1}
⑤计算一级综合评级最终得分,断层得分B1=W1·R1=1.78
⑥重复①~⑤的步骤方法,依次求出剩余对象的评分,即破碎带、溶洞及地下水的评分,求出其余地质评分向量B。
依次为:破碎带1.84、溶洞2.35、地下水1.23至此,完成一级综合评价,即地质综合评价。
3)、结合TRT探测结果建立二级综合评价体系:
采用TRT对已经进行地质评分的重点段落做长距离探测(图2),然后,分析结果图像(图3),分别对四种不良地质体存在可能性评分,然后将上文中求出的地质评分向量列入其中,求取二级综合评分向量。最大以最大隶属原则,四种不良地质体的哪一项的评分最高,则该不良地质体存在的可能性最大。
表6二级因素判断矩阵
TRT图像分析 | 地质调查 | |
断层 | 3 | 1.78 |
破碎带 | 2 | 1.84 |
溶洞 | 4 | 2.35 |
地下水 | 1 | 1.23 |
根据公式B=W·R,计算出各不良地质体的得分并进行归一化后,最终结果依次为:0.27、0.18、0.49、0.06。因此,判断出最有可能存在的不良地质体类型为得分0.49的溶洞。
4)、根据二级综合评价的结果,使用地质雷达进行补测,对雷达数据进行分析时,采用HHT分析法,提取出最佳IMF分量及其对应的瞬时幅值、瞬时相位及瞬时频率,并根据这些信息确定不良地质体的形状、规模及位置(图4)。
下面结合现场TRT测试布置对本发明作进一步描述。
现场TRT测试布置如下所示:
震源和检波器布置参照图2,共安装10个传感器,隧道左右边墙各布置4个,拱顶布置2个。锤击震源点共计12个,隧道左右边墙各六个,勘测范围:高程为665~705米,横向为中心线左右各20米,纵向为120米。其中震源和检波器布置坐标(参照施工测量坐标系)如下表所示:
表7震源和检波器坐标统计表
TRT测试分析结果图如图3所示、地质雷达结果图如图4所示、隧道现场验证照片如图5所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法,其特征在于,所述基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法包括以下步骤:
步骤一,以隧道为单位,对隧区地质进行调查,根据洞内外地质调查结果分析隧区地质情况,以各地质因素作为评价因子建立第一级综合评价,根据评分确立各不良地质体存在的可能性大小;
步骤二,采用TRT长距离探测,并将TRT分析图像以及一级地质综合评价作为二级综合评价的评价因子建立二级综合评价,根据评分进一步确认不良地质体的性质及位置;
步骤三,采用地质雷达对重点位置进行补测,并采用地质雷达HHT信号分析法,分析不良地质体的规模、位置及形态。
2.如权利要求1所述的基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法,其特征在于,步骤一中,隧区地质调查的方法包括洞外地质调查,具体为:
地层岩性调查:沿着隧道延伸方向对自然露头剖面进行地层岩性的调查,实地绘制地质剖面图,并结合地层柱状图全面了解地层的岩性、厚度及产状等特征;
地形地貌调查:沿着隧道延伸方向对隧区的地形地貌进行调查,重点在于隧道上方是否存在山坳状的汇水地形,对于山高林密的区域可采用Google Earth及ArcGIS进行辅助分析,全面的了解隧区地形地貌分布情况;
区域构造调查:对隧区的地质构造情况进行全方位的调查,特别是断层、节理及褶皱此类对隧道施工有着重大影响的地质构造;
水文特征调查:水文特征调查分为地表水及地下水调查两大部分,地表水调查即隧区地表水系分布,水系特征;地下水调查通过抽水试验、隧区水井水位高度等调查处隧区地下水水位线及渗透系数。
3.如权利要求1所述的基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法,其特征在于,步骤一中,隧区地质调查的方法进一步包括洞内掌子面分析,具体为:
对隧道开挖掌子面揭露的地质特征进行素描,包括:岩性、岩石坚硬程度及破碎程度、节理裂隙类型、特征及发育程度、地下水出露情况。
4.如权利要求1所述的基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法,其特征在于,步骤二中,以地质调查结果及TRT图像分析结果为基础建立两级模糊层次评价体系包括:
根据地质调查结果划分隧道预报重点段,并进行一级综合评价,具体步骤如下:
a.建立对象集O{O1,O2....On},即各种不良地质体类型;
b.建立因素集U{U1,U2....Un},针对各种不良地质体的地质影响因素;
c.建立权重集W{W1,W2....Wn},针对各不良地质体的影响因素设置权重矩阵,且保证矩阵满足一致性系数CR﹤0.1的要求,然后计算出权重集;
d.建立评价集R{R1,R2....Rn},针对各不良地质体的影响因素建立模糊评分表,计算评分向量R;
e.计算一级综合评价得分,根据公式B=W·RT计算出各不良地质体的得分,此分数代表不良地质体存在的可能性大小,数值越大表示存在的越大。
5.如权利要求1所述的基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法,其特征在于,步骤二中,完成一级综合评价的目标,得出各不良地质体存在的可能性大小,并以数值的形式表示,然后,将此评价结果作为二级综合评价的一个因素,参与二级评价,最终确定不良地质体的类型;二级综合评价的步骤为包括
a.建立对象集O{O1,O2....On},即各种不良地质体类型;
b.建立因素集U{U1,U2....Un},即地质因素、TRT图像分析因素;
c.建立权重W{W1,W2....Wn},建立地质因素、TRT图像分析因素的权重矩阵,并计算出权重集,同样要保证矩阵满足一致性系数CR≤0.1的要求;
d.建立评价集R{R1,R2....Rn},针对地质因素、TRT图像分析因素建立模糊评分表,并计算计算评分向量R;
e.计算二级综合评价得分,根据公式B=W·RT计算出各不良地质体的得分,并依据最大隶属原则,确定出不良地质体类型。
6.如权利要求1所述的基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法,其特征在于,步骤三将HHT信号分析法运用于地质雷达数据分析中,采用地质雷达补测,在对雷达数据进行分析时,采用HHT分析法,提取出最佳IMF分量及其对应的瞬时幅值、瞬时相位及瞬时频率,并根据这些信息进一步确定不良地质体的形状、规模及位置。
7.一种实施权利要求1所述基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报方法的基于模糊层次分析法的隧道综合超前地质预报系统。
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