CN110705795A - 基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法 - Google Patents

基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法，步骤一、建立隧道涌突风险等级评价指标体系，建立隧道涌突风险等级标准及各评价指标的定量判定标准；步骤二、建立隧道涌突风险模糊评价模型；步骤三、以隧道掌子面前方某段的综合超前地质预报技术的探测结果为输入值，重复步骤一，将各值带入步骤二中的隧道涌突风险模糊评价模型中，得到隧道涌突风险等级预测模型，以该模型得到的隧道掌子面前方某段的涌突风险等级，作为预测评价隧道掌子面前方某一范围的涌突风险等级。采用本发明中的方法，根据隧道掌子面的涌突风险等级评价结果和综合超前地质预报技术，解决隧道掌子面前方的涌突风险等级预测问题。

Description

基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测 方法
【技术领域】
本发明属于隧道工程评价技术领域，尤其涉及基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法。
【背景技术】
由于山区复杂的地质条件，活跃的地质构造，多样性的岩土类型，造成隧道施工地质灾害影响突出，尤其是涌突灾害，严重影响施工人员的生命财产安全和隧道施工的正常推进。因此，对隧道掌子面涌突风险等级进行评价以及预测隧道掌子面前方的涌突风险等级已经成为隧道施工关键技术。
近年来，随着超前地质预报技术的快速发展，TSP、地质雷达法、瞬变电磁法、超前钻探法、地质调查法等技术在隧道施工过程中得到广泛应用，为了进一步发挥综合超前地质预报技术在预防隧道涌突灾害方面的作用，本发明提出了一种基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法。
【发明内容】
本发明的目的是提供基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法，根据隧道掌子面的涌突风险等级评价结果和综合超前地质预报技术，解决隧道掌子面前方的涌突风险等级预测问题。
本发明采用以下技术方案：基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法，该模糊预测方法如下：如图1所示：
步骤一、建立隧道涌突风险等级评价指标体系，建立隧道涌突风险等级标准及各评价指标的定量判定标准：
设定隧道涌突风险等级A，选择相互独立的围岩坚硬程度A1、岩体完整程度A2和掌子面渗漏水状态A3影响因素作为准则层评价指标，隧道涌突风险等级A作为目标层指标，建立隧道涌突风险等级评价指标体系；
步骤二、建立隧道涌突风险模糊评价模型：
步骤2.1.确定隧道涌突风险等级评价指标体系中各评价指标的权重；
步骤2.2采用集对分析法构造可变模糊集理论的相对差异函数，将步骤2.1中的各评价指标权重代入相对差异函数中，得出隧道涌突风险等级评价指标值对于其各等级判定标准区间的相对隶属函数；
步骤2.3根据各评价指标权重和相对隶属度函数，并将步骤一中的隧道涌突风险等级以及评价指标的定量判定标准带入，得到隧道掌子面的涌突风险等级；
步骤三、以隧道掌子面前方某段的综合超前地质预报技术的探测结果为输入值，重复所述步骤一，将各值带入步骤二中的隧道涌突风险模糊评价模型中，得到隧道涌突风险等级预测模型，以该模型得到的隧道掌子面前方某段的涌突风险等级，作为预测评价隧道掌子面前方某一范围的涌突风险等级。
进一步地，在步骤2.1中，采用乘积标度法确定各评价指标的权重，具体为：将不同的评价指标两两比较，并将比较的结果设置为两个等级，当评价指标的重要性相同时，权重比值为1：1；重要性不同时，重要性大的和小的评价指标的权重比值为1.354：1；各评价指标的权重分别为：围岩坚硬程度ω1、岩体完整程度ω2和掌子面渗漏水状态ω3；则围岩坚硬程度、岩体完整程度、掌子面渗漏水状态的权重为ω1：ω2：ω3＝1.354：1：1.3542＝1.354：1：1.833，归一化后，围岩坚硬程度A1、岩体完整程度A2、掌子面渗漏水状态A3的权重为ω1，：ω2，：ω3，＝0.323：0.239：0.438。
进一步地，在步骤2.2中，采用集对分析法构造可变模糊集理论的相对差异函数。
进一步地，得出所述隧道掌子面的涌突风险等级的过程如下：由隧道涌突风险等级评价指标体系中的指标层出发，选用加权平均模型Ω×R＝Z，对指标层各指标进行模糊综合评价，Ω表示评价指标权重向量，R表示单指标评价矩阵，得到目标层对评语集合的隶属向量Z；由模糊向量单值化和隧道涌突风险等级值，得到评价对象的涌突风险等级值；所述隧道涌突风险等级值如下所示：
涌突风险等级 等级值
涌突极低等 0～20
涌突低等 20～40
涌突中等 40～60
涌突高等 60～80
涌突极高等 80～100
。
进一步地，建立隧道涌突风险等级评价指标体系时，以隧道掌子面的地质调查法结论为输入。
本发明的有益效果是：
(1)以隧道掌子面的地质调查法结论为基础，建立隧道涌突风险等级评价指标体系：基于隧道涌突机理，参照围岩等级评价指标体系，选择相互独立的围岩坚硬程度、岩体完整程度、掌子面渗漏水状态等影响因素作为评价指标，建立隧道涌突风险等级评价指标体系。
(2)确定隧道涌突风险等级及其评价指标的定量判定标准。
(3)基于可变模糊集理论，建立隧道涌突风险等级评价模型，根据隧道掌子面的地质调查法结论对其涌突风险等级进行评价，得出隧道掌子面的涌突风险等级。
(4)以综合超前地质预报技术探测结果为基础，建立隧道涌突风险等级预测模型。
【附图说明】
图1为本发明基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法流程图的示意图。
图2为本发明隧道涌突风险等级评价指标体系图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明实施例公开了基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法，如图1和2所示，该模糊预测方法如下：
步骤一、建立隧道涌突风险等级评价指标体系，建立隧道涌突风险等级标准及各评价指标的定量判定标准：建立隧道涌突风险等级评价指标体系时，以隧道掌子面的地质调查法结论为输入。
设定隧道涌突风险等级A，选择相互独立的围岩坚硬程度A1、岩体完整程度A2和掌子面渗漏水状态A3影响因素作为准则层评价指标，隧道涌突风险等级A作为目标层指标，建立隧道涌突风险等级评价指标体系。
本发明实施例中，述隧道涌突风险等级的划分，是根据我国《工程岩体分级标准》，即GB/T502108-2014中隧道涌突风险各评价指标的分级分类的基础上确定的，选择五级分类方法，将涌突风险划分为五个等级：涌突极低、涌突低等、涌突中等、涌突高等、涌突极高。
隧道涌突风险评价指标的定量判定标准，根据我国《工程岩体分级标准》即GB/T502108-2014，确定围岩坚硬程度、岩体完整程度、掌子面渗漏水状态等评价指标的评价标准，具体评价标准如下表所示：
隧道涌突风险评价指标的定量判定标准
Figure BDA0002226399830000051
步骤二、建立隧道涌突风险模糊评价模型：
步骤2.1.确定隧道涌突风险等级评价指标体系中各评价指标的权重；
乘积标度法是以层次分析法为基础，在诊断评标重要性的两两比较时，不先划分过多的等级，而只设置两个等级，即诊断指标M和N的重要性“相同为1：1”或“稍微大为1.354：1，然后以此为基础进行乘积递进分析。
在步骤2.1中，采用乘积标度法确定各评价指标的权重，具体为：将不同的评价指标两两比较，并将比较的结果设置为两个等级，当评价指标的重要性相同时，权重比值为1：1；重要性不同时，重要性大的和小的评价指标的权重比值为1.354：1。
各评价指标的权重分别为：围岩坚硬程度ω1、岩体完整程度ω2和掌子面渗漏水状态ω3；则围岩坚硬程度、岩体完整程度、掌子面渗漏水状态的权重为ω1：ω2：ω3＝1.354：1：1.3542＝1.354：1：1.833，归一化后，围岩坚硬程度A1、岩体完整程度A2、掌子面渗漏水状态A3的权重为ω1，：ω2，：ω3，＝0.323：0.239：0.438。
根据乘积标度法原理，对综合超前地质预报结论揭示的围岩条件进行数量化。比如以评价指标围岩坚硬程度为例：某一分段，根据“TSP技术”、“超前钻探技术”揭示，如果围岩坚硬程度比掌子面的稍微硬，则其围岩单轴饱和抗压强度为掌子面围岩单轴饱和抗压强度的1.354倍，如果其围岩坚硬程度比掌子面的相同，则其围岩单轴饱和抗压强度为掌子面围岩单轴饱和抗压强度的1倍，如果其围岩坚硬程度比掌子面的稍微软，则其围岩单轴饱和抗压强度为掌子面围岩单轴饱和抗压强度的0.739倍；则当其围岩坚硬程度比掌子面的明显硬，则其围岩单轴饱和抗压强度为掌子面围岩单轴饱和抗压强度的1.833倍，则当其围岩坚硬程度比掌子面的明显软，则其围岩单轴饱和抗压强度为掌子面围岩单轴饱和抗压强度的0.546倍。根据以上计算方法，基于隧道掌子面的地质调查法结论，可以得到某一分段的围岩坚硬程度、岩体完整程度、渗漏水状态等评价指标的指标值。
步骤2.2采用集对分析法构造可变模糊集理论的相对差异函数，将步骤2.1中的各评价指标权重代入相对差异函数中，得出隧道涌突风险等级评价指标值对于其各等级判定标准区间的相对隶属函数。
可变模糊集理论中的模糊可变评价模型为：
Figure BDA0002226399830000061
式中：α为模型优化准则参数，p为距离参数，dg、db分别为参考连续统任一点指标i特征值的相对隶属度
Figure BDA0002226399830000062
和
Figure BDA0002226399830000063
i与左、右几点的广义权距离。在通常情况下，模型中的α和p可有下列4中组合：
Figure BDA0002226399830000064
在步骤2.2中，已知的c＝5个级别的评价标准，构造标准区间矩阵Iab和变动区间矩阵Icd根据涌突风险各级别的评价标准构造标准区间矩阵Iab和变动区间矩阵Icd，同时依据对评价指标i的特征，确定评价指标i对等级h的M矩阵，用可变模糊集理论的相对差异函数公式确定评价指标i对等级h的相对隶属度矩阵，由模糊可变评价模型中的公式得到评价指标i对等级h的综合相对隶属度函数。
步骤2.3根据各评价指标权重和相对隶属度函数，并带入步骤一中的隧道涌突风险等级以及评价指标的定量判定标准，得到隧道掌子面的涌突风险等级。
由于隧道涌突风险等级评价指标体系是一个两层指标体系，因此评价过程采用一级模式进行。步骤2.3中，得出隧道掌子面的涌突风险等级的过程如下：由隧道涌突风险等级评价指标体系中的指标层出发，选用加权平均模型Ω×R＝Z，对指标层各指标进行模糊综合评价，Ω表示评价指标权重向量，R表示单指标评价矩阵，得到目标层对评语集合的隶属向量Z；由模糊向量单值化和隧道涌突风险等级值，得到评价对象的涌突风险等级值；隧道涌突风险等级值如下所示：
涌突风险等级 等级值
涌突极低等 0～20
涌突低等 20～40
涌突中等 40～60
涌突高等 60～80
涌突极高等 80～100
。
分别给评语v1，v2，v3，v4，v5赋以10、20、30、40、50，则模糊向量单值化公式如下：
步骤三、以隧道掌子面前方某段的综合超前地质预报技术的探测结果为输入值，重复步骤一，将各值带入步骤二中的隧道涌突风险模糊评价模型中，得到隧道涌突风险等级预测模型，以该模型得到的隧道掌子面前方某段的涌突风险等级，作为预测评价隧道掌子面前方某一范围的涌突风险等级。
上述综合超前地质预报技术包含TSP技术、地质雷达技术、瞬变电磁技术、超前钻探技术等。隧道涌突风险等级预测模型可针对掌子面前方30m范围内进行预测，并对掌子面前方30m的范围按10m一段施行分段，进行分段预测。推断出隧道掌子面前方某一分段的涌突风险等级，进而预测得到隧道掌子面前方30m范围的涌突风险等级。
本发明实施例中，是根据《工程岩体分级标准》中隧道涌突风险各评价指标的分级分类，选择五级分类方法，将涌突风险划分为五个等级，分别为：涌突极低、涌突低等、涌突中等、涌突高等和涌突极高。
根据我国《工程岩体分级标准》，GB/T502108-2014，确定围岩坚硬程度、岩体完整程度、掌子面渗漏水状态等评价指标的评价标准，评价指标的定量判定标准如下表所示：
Figure BDA0002226399830000081
步骤三、以隧道掌子面前方某段的综合超前地质预报技术的探测结果为输入值，重复所骤一，将各值带入步骤二中的隧道涌突风险模糊评价模型中，得到隧道涌突风险等级预测模型，以该模型得到的隧道掌子面前方某段的涌突风险等级，作为预测评价隧道掌子面前方某一范围的涌突风险等级。
本实施例中，对掌子面前方30m的范围按10m一段施行分段，分段基于综合超前地质预报技术对隧道掌子面前方30m范围内的涌突风险进行预测。推断出隧道掌子面前方某一分段的涌突风险等级，进而推断出隧道掌子面前方30m范围的涌突风险等级，从而实现对隧道掌子面前方30m范围的涌突风险等级的预测功能。实现了根据综合超前地质预报技术对隧道掌子面前方涌突风险的评价，解决了依据TSP技术、地质雷达探测技术、瞬变电磁探测技术、超前钻探技术等综合超前地质预报技术的定性探测结论对隧道掌子面前方30m范围内涌突风险的预测问题。

Claims (5)

1.基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法，其特征在于，该模糊预测方法如下：
步骤一、建立隧道涌突风险等级评价指标体系，建立隧道涌突风险等级标准及各评价指标的定量判定标准：
设定隧道涌突风险等级A，选择相互独立的围岩坚硬程度A1、岩体完整程度A2和掌子面渗漏水状态A3影响因素作为准则层评价指标，隧道涌突风险等级A作为目标层指标，建立隧道涌突风险等级评价指标体系；
步骤二、建立隧道涌突风险模糊评价模型：
步骤2.1.确定隧道涌突风险等级评价指标体系中各评价指标的权重；
步骤2.2构造可变模糊集理论的相对差异函数，将所述步骤2.1中的各评价指标权重代入所述相对差异函数中，得出隧道涌突风险等级评价指标值对于其各等级判定标准区间的相对隶属函数；
步骤2.3根据所述各评价指标权重和相对隶属度函数，并将所述步骤一中的隧道涌突风险等级以及评价指标的定量判定标准带入，得到所述隧道掌子面的涌突风险等级；
步骤三、以隧道掌子面前方某段的综合超前地质预报技术的探测结果为输入值，将各值带入所述步骤二中的隧道涌突风险模糊评价模型中，得到隧道涌突风险等级预测模型，以该模型得到的隧道掌子面前方某段的涌突风险等级，作为预测评价隧道掌子面前方某一范围的涌突风险等级。
2.根据权利要求1所示的基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法，其特征在于，在所述步骤2.1中，采用乘积标度法确定各所述评价指标的权重，具体为：将不同的评价指标两两比较，并将比较的结果设置为两个等级，当评价指标的重要性相同时，权重比值为1：1；重要性不同时，重要性大的和小的评价指标的权重比值为1.354：1；
各所述评价指标的权重分别为：围岩坚硬程度ω1、岩体完整程度ω2和掌子面渗漏水状态ω3；则围岩坚硬程度、岩体完整程度、掌子面渗漏水状态的权重为ω1：ω2：ω3＝1.354：1：1.3542＝1.354：1：1.833，归一化后，围岩坚硬程度A1、岩体完整程度A2、掌子面渗漏水状态A3的权重为ω1’：ω2’：ω3’＝0.323：0.239：0.438。
3.根据权利要求1所示的基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法，其特征在于，在所述步骤2.2中，根据涌突风险各级别的评价标准构造标准区间矩阵Iab和变动区间矩阵Icd，同时依据对所述评价指标i的特征，确定评价指标i对等级h的M矩阵，用可变模糊集理论的相对差异函数公式确定评价指标i对等级h的相对隶属度矩阵，由模糊可变评价模型中的公式得到评价指标i对等级h的综合相对隶属度函数。
4.根据权利要求1、2或3所示的基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法，其特征在于，步骤2.3中，得出所述隧道掌子面的涌突风险等级的过程如下：由隧道涌突风险等级评价指标体系中的指标层出发，选用加权平均模型Ω×R＝Z，对指标层各指标进行模糊综合评价，Ω表示评价指标权重向量，R表示单指标评价矩阵，得到目标层对评语集合的隶属向量Z；由模糊向量单值化和隧道涌突风险等级值，得到评价对象的涌突风险等级值；所述隧道涌突风险等级值如下所示：
Figure FDA0002226399820000021
Figure FDA0002226399820000031
5.根据权利要求1所示的基于综合超前地质预报技术的隧道涌突风险等级模糊预测方法，其特征在于，建立隧道涌突风险等级评价指标体系时，以隧道掌子面的地质调查法结论为输入。
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