CN111445156B - 基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法，包括：步骤一，确定偏压隧道施工安全评价指标体系，第一层为目标层，第二层为准则层，第三层为指标层；其中准则层选取偏压程度、围岩特征、隧道特征和水文特征4个评价指标；确定评价指标的分级标准；步骤二，采用层次分析法获得指标初始权重，根据动态指标数据对指标初始权重进行变权重调整；步骤三，基于模糊综合评价对变权重调整后的安全评价指标体系进行等级评价；步骤四，根据评价等级综合判定偏压隧道施工安全等级。该方法将模糊变权层次分析法应用到偏压隧道施工安全评价中，以更加客观有效的方式进行偏压隧道施工安全评价，从而得到更加安全的施工方法。

Description

基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法

技术领域

本发明属于偏压隧道施工安全评价领域，具体涉及一种基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法。

背景技术

我国是个多山的国家，山岭众多，不可避免的会需要在丘陵山区的斜坡地段修建公路、铁路。随着山区高速公路的快速大规模修建，以及城市地下空间开发，浅埋隧道工程成为一种重要的交通构筑物形式。在山区修建道路，无论是铁路还是公路，很多线路受自然地理环境及其它因素的限制和影响，往往需要穿越山体斜坡地段，而且线路大多以隧道形式贯通山体，在隧道洞口大多存在偏压情况，埋深较洞身段前围岩风化破碎严重，若施工措施选取不当，容易引发坍塌、冒顶等工程事故。

作为具有复杂力学特性的地下工程，隧道本身所处的底层条件和赋存状态千变万化，其力学行为因围岩特性、施工条件、开挖方法及支护形式等的不同而存在较大差异，且受到众多及其复杂的因素影响。采用层次分析法来表征偏压隧道的施工安全稳定性，层次分析法是将定量分析与定性分析结合起来，用决策者的经验判断各衡量目标之间能否实现的标准之间的相对重要程度，并合理地给出每个决策方案的每个标准的权数，利用权数求出各方案的优劣次序，比较有效地应用于那些难以用定量方法解决的课题。但由于偏压隧道其赋存环境的变化等方面包含了众多的不确定性因素，特别是岩土自身固有的空间变异性使得隧道工程稳定性分析应考虑的不确定性因素更加复杂。因此，采用层次分析法进行偏压隧道施工稳定性分析评价将存在较高程度的风险。目前基于常权重的评价方法不能突出处于较差等级的评价指标对评价结果的影响，因此需要考虑随着指标朝不利方向发展而在常权重的基础上修正其评价的权重，避免关键性恶化指标被平均化，从而使评价结果更趋合理。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法，将模糊变权层次分析法应用到偏压隧道施工安全评价中，以更加客观、有效的方式进行偏压隧道施工安全评价，从而得到更加安全的施工方法，更好的为偏压隧道施工提供支持。

本发明的技术方案是：

基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法，包括如下步骤：

步骤一，考虑各指标监测的可操作性以及对隧道结构安全描述的综合周密性，基于影响偏压隧道施工的因素，确定偏压隧道施工安全评价指标体系；评价指标体系分为三层：第一层为目标层，第二层为准则层，第三层为指标层；其中目标层为偏压隧道施工安全，准则层选取偏压程度、围岩特征、隧道特征和水文特征4个评价指标，指标层包括偏转角度、偏压角度、围岩岩性、围岩节理、围岩裂隙、岩体结构面、隧道埋深、隧道洞室跨度、隧区间水井位高度以及地下水出水状态；指标的选取遵循以下原则：科学性原则、相对完备性原则、简洁性原则、相对独立性原则、可操作性原则以及层次性原则；

根据现有的安全等级划分方法、相关规范以及隧道受力和变形控制标准确定评价指标的分级标准；

步骤二，采用层次分析法获得准则层和指标层中各单项评价指标的指标初始权重，各单项评价指标的判断标准为：基于理论分析、专家评分来确定各单项评价指标；在偏压隧道发生变化时，采用测量、监测方式获取偏压隧道施工安全评价指标体系的动态指标数据；根据动态指标数据对指标初始权重进行变权重调整；

步骤三，基于模糊综合评价的方法对变权重调整后的安全评价指标体系进行等级评价，获得评价等级；

步骤四，根据评价等级综合判定偏压隧道施工安全等级。

层次分析法是将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多准则的若干层，通过定性指标模糊量化方法算出层次排序和总排序，以作为目标、多方案优化决策的系统方法。

步骤一的偏压隧道施工安全评价指标体系分为三层：第一层为目标层，第二层为准则层，第三层为指标层；所述目标层为偏压隧道施工安全；所述准则层包括偏压程度、围岩特征、隧道特征以及水文特征；所述指标层包括偏转角度、偏压角度、围岩岩性、围岩节理、围岩裂隙、岩体结构面、隧道埋深、隧道洞室跨度、地下水出水状态以及隧区间水井位高度。

进一步的，所述指标层的偏转角度和偏压角度隶属于所述准则层的偏压程度；所述指标层的围岩岩性、围岩节理、围岩裂隙及岩体结构面隶属于所述准则层的围岩特征；所述指标层的隧道埋深以及隧道洞室跨度隶属于所述准则层的隧道特征；所述指标层的地下水出水状态以及隧区间水井位高度隶属于所述准则层的水文特征。

进一步的，所述偏转角度为测量地层与水平方向的偏转角度，所述偏转角度由测量和监测直接获得；所述偏压角度由以下公式推导计算得出：

其中，μ为地层侧压力系数；h为隧道埋深；β为偏转角度；α为偏压角度。

进一步的，所述水文特征的调查分为地表水调查和地下水调查两部分，地表水调查即隧区地表水系分布、水系特征；地下水调查即通过抽水试验、隧区间水井位高度调查隧区地下水水位线及渗透系数。

进一步的，所述步骤二根据动态指标数据对指标初始权重进行变权重调整的过程包括：

为减少确定评价指标权重时的主观因素，依据层次分析法对指标层的各指标权重进行初步确定，对因素常权变量做一致化处理，并使用变权理论对各指标权重进行修正，以突显各指标在评价中的均衡性；同时，利用评价指标的实测数据来确定状态变权向量，以体现评价对象在综合评价中的动态参与；

根据因素空间理论，设因素状态变量X＝(x₁,x₂,......,x_n)，因素常权变量

状态变权向量S_i(X)＝(S₁(x),S₂(x),......,S_n(x))，则变权向量w_i(x₁，x₂，....x_n)，由因素常权向量和状态变权向量S_i(X)的Hadamard乘积确定，变权向量w_i(x)公式为：

其中，

由层次分析法计算得出的常权向量，β为否定水平，0<β≤1；a为惩罚水平，a和β的取值在计算过程中根据具体情况设定，x_ij为每个指标层因素；根据常权向量

计算得出状态变权向量矩阵；将调整后的权重向量进行归一化处理，得到新的权重向量。

进一步的，根据具体特征设定，a和β的取值为：a＝0.5，β＝0.3。

进一步的，所述步骤三采用二级模糊综合评价，对变权重调整后的安全评价指标体系进行等级评价，获得评价等级。

进一步的，所述步骤四将偏压隧道施工安全等级划分为四个等级，分别为Ⅰ级安全(3.0<G≤4.0)、Ⅱ级较安全(2.0<G≤3.0)、Ⅲ级较不安全(1.0<G≤2.0)、Ⅳ级不安全(0<G≤1.0)。

本发明的有益效果：

(1)本发明所提供的一种基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法，是基于常权重的评价方法不能突出处于较差等级的评价指标对评价结果的影响，采用一种变权重的方法，为了突出处于较差等级的评价指标对最终评价结果的影响，随着评价指标朝不利方向发展而在变权重的基础上修正其权值，避免关键性恶化指标被平均化，从而使评价结果更趋合理。

(2)本发明在偏压隧道施工安全评价体系中加入偏压程度和水位特征的评价，使偏压隧道安全评价指标体系更加全面和客观。

(3)本发明的模糊综合评价的指标权重采用基于层次分析法的一种变权重方法获得，综合层次分析法的数值模拟的判断方法以及隧道的真实运营情况，将模糊变权层次分析法应用到偏压隧道施工安全评价中，以更加客观、有效的方式进行偏压隧道施工安全评价，从而得到更加安全的施工方法，更好的为偏压隧道施工提供支持。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例

在本具体实施例中，基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法，包括如下步骤：

一、确定偏压隧道施工安全评价指标，并确定偏压隧道安全评价指标的分级标准，具体如下表1所示：

二、采用层次分析法获得上述各单项评价指标的指标初始权重

建立层次结构模型：将与评价结果有关的各个指标因素按照不同属性自上而下地分解为若干层，同一层的因素从属于上一层的因素对上层因素有影响，同时又支配下一层的因素或受到下层因素的所用；最上层为目标层，中间层为准则层，最下层为指标层；目标层为偏压隧道施工安全；准则层包括偏压程度、围岩特征、隧道特征以及水文特征；指标层包括偏转角度、偏压角度、围岩岩性、围岩节理、围岩裂隙、岩体结构面、隧道埋深、隧道洞室跨度、地下水出水状态以及隧区间水井位高度。

构造判断矩阵：在上述层次结构模型的基础上，采用1～9标度法对各级指标相对于上一层目标的重要性进行两两比较；假定因素i与因素j比较的标度为a_ij，则因素j与因素i比较的标度为1/a_ij，从而构造相应的判断矩阵；

层次单排序及一致性检验：根据相邻两层的各判断矩阵，求出最大特征根以及所对应的特征向量，进行一致性检验；各判断矩阵通过一致性检验，可以同时当作该层因素的影响权重，否则需要重新进行构造合理的判断矩阵；

层次总排序及一致性检验：确定某层从最上层开始逐层向下所有因素对于目标层身份可信评价影响权重的判断矩阵，并进行一致性检验；

对评价指标判断矩阵割裂进行求和，对评价指标判断矩阵每一列进行归一化处理；公式如下：

其中∑A_ij的值为各列的和，A_ij为原矩阵对应位置上的数值，B_ij为新的矩阵对应位置上的数值；

对判断矩阵每一行进行求和，即得出特征向量；

计算评价指标权重，计算公式：

其中∑B_j为特征向量值的总和，B_j为特征向量对应位置的值，W_i为指标对应的权重；

对评价指标判断矩阵进行一致性检验，计算评价指标判断矩阵的最大特征根，计算公式：

其中λ_max为最大特征值，A为判断矩阵，W为权重向量，W_i为对应特征的权重，n为特征个数；

计算评价指标判断矩阵的一致性，定义一致性指标

其中CI为一致性指标，λ_max为最大特征根，n为特征个数；

采用一致性比值CR进行判断，

其中CR为一致性比值，CI为一致性指标，RI为平均随机一致性指标。

对于1～9阶的判断矩阵，RI的取值见下表2：

N	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										RI	0	0	0.58	0.90	1.12	1.24	1.32	1.41	1.45

当CR＜0.1时，评价指标判断矩阵的不一致程度在容许范围内，通过一致性检验，此时判断矩阵特征向量作为权向量。

评价指标权重初始值结果如下表3所示：

根据层次分析法计算初始权重，建立二级评价指标体系，确定指标权重值，并对所有底层指标权重进行总排序，根据构造的判断矩阵求得最大特征值，满足一致性检验要求，计算得到一级权重矩阵为w_a＝[0.3，0.3，0.2，0.2]。

根据一级权重值计算得底层指标权重总排序矩阵为：

在偏压隧道施工发生变化时，采用监测、检测方式获取安全评估指标体系的动态指标数据，根据现场检测和计算数据，将现场检测和计算数据按照偏压隧道安全评价评判指标进行等级划分。

按照偏压隧道安全评价评判指标进行等级划分，将等级划分数据进行归一化处理，

N＝[n₁₁，n₁₂，n₂₁，n₂₂，n₂₃，n₂₄，n₃₁，n₃₂，n₄₁，n₄₂]

为减少确定评价指标权重时的主观因素，依据层次分析法对各指标权重进行初步确定，对因素常权变量做一致化处理，并使用变权理论对各指标权重进行修正，以突显各指标在评价中的均衡性；同时，利用评价指标的实测数据来确定状态变权向量，以体现评价对象在综合评价中的动态参与。权值修正函数为：

其中：

由层次分析法计算得出的常权向量，β为否定水平，0＜β≤1；a为惩罚水平，a和β的取值在计算过程中根据具体情况设定。针对该问题具体特征，取a＝0.5，β＝0.3。根据常权向量

计算得出状态变权向量。

将变权调整后的权重向量进行归一化处理，得到新的变权重向量，

w_b1＝[b₁，b₂]；w_b2＝[b₃，b₄，b₅，b₆]；w_b3＝[b₇，b₈]；w_b4＝[b₉，b₁₀]

由于偏压隧道安全评价指标体系是一个三层指标体系，因此采用两级模糊综合评价模型。多级模糊综合评价是从最低层开始逐层向上做出综合评价，直至最高的目标层以得到原问题的综合评价结果。本实施例从指标层出发，先对准则层各因素进行一级模糊综合评价，再对目标层进行二级模糊综合评价。

确定单因素评价矩阵：

多个评价者分别对每个指标层因素x_ij作评价，统计结果，建立指标层的指标C_i对评语集合V的隶属向量R_ci，R_ci＝(r_ci1，r_ci2，r_ci3，r_ci4)，i＝1，2，...10；

由隶属向量R_ci即可建立准则层各因素的单因素评价矩阵R′_bi。

一级模糊综合评价：

由单因素R′_bi与其相应的变权重向量w_bi，可得出准则层的各因素B_i对评语集合V的隶属向量为

R_bi＝w_bi×R’_bi；

二级模糊综合评价：

将一级模糊综合评价结果R_bi视为单因素评判集，由R_bi可组成二级模糊综合评价的单因素评价矩阵，有相应的权重向量和单因素评价矩阵通过矩阵相乘可得二级模糊综合评价结果-目标因素对评语集合的隶属向量F；

模糊向量单值化：

分别给评语集v1、v2、v3、v4赋值为4、3、2、1，则：

则偏压隧道施工安全的量化等级，即安全等级划分为四个等级，如下表4所示：

等级	安全程度	安全评分
			Ⅰ	安全	3.0<G≤4.0
Ⅱ	较安全	2.0<G≤3.0
			Ⅲ	较不安全	1.0<G≤2.0
Ⅳ	不安全	0<G≤1.0

对偏压隧道安全状态等级划分如下表5所示：

上述说明仅为本发明的优选实施例，并非是对本发明的限制，凡在本发明的内容范围内所做出的任何修改、等同替换、改型等，均应包含在本发明的专利保护范围之内。

Claims (5)

1.基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，确定偏压隧道施工安全评价指标体系，评价指标体系分为三层：第一层为目标层，第二层为准则层，第三层为指标层；其中目标层为偏压隧道施工安全，准则层选取偏压程度、围岩特征、隧道特征和水文特征4个评价指标，指标层包括偏转角度、偏压角度、围岩岩性、围岩节理、围岩裂隙、岩体结构面、隧道埋深、隧道洞室跨度、隧区间水井位高度以及地下水出水状态；确定评价指标的分级标准；

所述偏转角度为测量地层与水平方向的偏转角度，所述偏转角度由测量和监测直接获得；所述偏压角度由以下公式推导计算得出：

其中，μ为地层侧压力系数；h为隧道埋深；β为偏转角度；α为偏压角度；

步骤二，采用层次分析法获得准则层和指标层中各单项评价指标的指标初始权重，在偏压隧道发生变化时，获取偏压隧道施工安全评价指标体系的动态指标数据；根据动态指标数据对指标初始权重进行变权重调整；

调整的过程包括：

为减少确定评价指标权重时的主观因素，依据层次分析法对指标层的各指标权重进行初步确定，对因素常权变量做一致化处理，并使用变权理论对各指标权重进行修正，以突显各指标在评价中的均衡性；同时，利用评价指标的实测数据来确定状态变权向量，以体现评价对象在综合评价中的动态参与；根据因素空间理论，设因素状态变量X＝(x₁,x₂,......,x_n)，因素常权变量

状态变权向量S_i(X)＝(S₁(x),S₂(x),......,S_n(x))，则变权向量w_i(x₁，x₂，....x_n)，由因素常权向量和状态变权向量S_i(X)的Hadamard乘积确定，变权向量w_i(x)公式为：

其中，

由层次分析法计算得出的常权向量，β为否定水平，0<β≤1；a为惩罚水平，a和β的取值在计算过程中根据具体情况设定，x_ij为每个指标层因素；根据常权向量

计算得出状态变权向量矩阵；将调整后的权重向量进行归一化处理，得到新的权重向量；

步骤三，基于模糊综合评价的方法对变权重调整后的安全评价指标体系进行等级评价，获得评价等级；

步骤四，根据评价等级综合判定偏压隧道施工安全等级。

2.根据权利要求1所述的基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法，其特征在于，所述水文特征的调查分为地表水调查和地下水调查两部分，地表水调查即隧区地表水系分布、水系特征；地下水调查即通过抽水试验、隧区间水井位高度调查隧区地下水水位线及渗透系数。

3.根据权利要求1所述的基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法，其特征在于，根据具体特征设定，a和β的取值为：a＝0.5，β＝0.3。

4.根据权利要求1所述的基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法，其特征在于，所述步骤三采用二级模糊综合评价，对变权重调整后的安全评价指标体系进行等级评价，获得评价等级。

5.根据权利要求1所述的基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法，其特征在于，所述步骤四将偏压隧道施工安全等级划分为四个等级，分别为Ⅰ级安全、Ⅱ级较安全、Ⅲ级较不安全、Ⅳ级不安全。