CN112434914A - 一种基于风险决策的隧道围岩多源信息融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风险决策的隧道围岩多源信息融合方法，综合考虑了隧道围岩强度、围岩不连续面数目、围岩不连续面粗糙度系数、围岩不连续面张开度、围岩不连续面迹长、隧道涌水量等多项隧道围岩质量指标以及获取这些数据信息的多种测试方式；对于每项指标，将在多源信息中各选取一种测试方式进行组合，基于最小风险的贝叶斯决策理论，对每个组合进行风险评估，确定一种风险最低的多源信息组合作为隧道围岩质量评价信息，并为后续设计施工提供参考依据。该方法全面考虑基于各种测试手段获得多源信息存在的不确定性因素，得出一种风险最低的信息组合作为隧道多源信息融合的最优结果，适用于岩石隧道工程的围岩多源信息融合。

Description

一种基于风险决策的隧道围岩多源信息融合方法

技术领域

本发明涉及围岩工程技术领域，尤其涉及一种基于风险决策的隧道围岩多源信息融合方法。

背景技术

在山岭隧道工程中，围岩强度、围岩不连续面数目、围岩不连续面条件和隧道地下水情况等隧道围岩质量指标均会对隧道围岩的质量评价、隧道工程的设计施工产生较大的影响。由于现代隧道围岩测试方法多样化，针对一种围岩信息通常有多种测试方法，这些测试方法所得到的数据信息的精度和准确性各不同，会导致对隧道围岩质量评价时出现一定的可靠性风险。因此在降低风险的基础上对隧道围岩的多源信息进行融合对山岭隧道工程的设计施工具有较为重要的意义。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于风险决策的隧道围岩多源信息融合方法，通过基于最小风险的贝叶斯决策，对多源围岩测试的数据信息进行融合，评估到风险最低的一种隧道围岩数据信息组合，为山岭隧道工程的设计施工提供可靠依据。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于风险决策的隧道围岩多源信息融合方法，具体方法如下：

(1)分别用不同的测试方法获取研究区域多项隧道围岩质量指标；

其中隧道围岩质量指标包括围岩强度信息、不连续面数目信息、不连续面条件信息和地下水信息的数据值；不连续面条件信息包括围岩不连续面粗糙度系数、不连续面张开度和不连续面迹长；

具体方法如下：

(1.1)获得多源围岩强度信息的方法如下：

(1.11)通过m次点荷载测试获得围岩的点荷载强度I_s(50)，并取m次试验标准差，根据如下公式将点荷载强度换算为围岩强度：

UCS₁＝22I_s(50)

UCS₁表示通过点荷载测试获得的围岩强度，并用S_UCS1表示点荷载测试获得的围岩强度的标准差；

(1.12)通过m次施密特锤测试获取围岩强度UCS₂，并取m次试验标准差，用S_UCS2表示施密特锤测试获取围岩强度的标准差；

(1.2)获得围岩不连续面数目信息的方法如下：

(1.21)通过m次现场素描调查获取不连续面数目N₁，取m次试验标准差，并用S_N1表示现场素描调查获取不连续面数目的标准差；

(1.22)通过m次数字照相技术识别不连续面数目N₂，取m次试验标准差，并用S_N2表示现场素描调查获取不连续面数目的标准差；

(1.23)通过m次激光扫描技术识别不连续面数目N₃，取m次试验标准差，并用S_N3表示激光扫描技术识别不连续面数目的标准差；

(1.3)获得围岩不连续面条件信息的方法如下：

(1.31)通过m次数字照相技术提取不连续面信息获得围岩不连续面粗糙度系数JRC₁、不连续面张开度h₁和不连续面迹长l₁，并对每一项数据取m次试验标准差，用S_JRC1、S_h1和S_l1分别表示数字照相技术提取不连续面粗糙度系数JRC₁、不连续面张开度h₁和不连续面迹长l₁对应的标准差；

(1.32)通过m次激光扫描技术提取不连续面信息获得围岩不连续面粗糙度系数JRC₂、不连续面张开度h₂和不连续面迹长l₂，并对每一项数据取m次试验标准差，用S_JRC2、S_h2和S_l2分别表示激光扫描技术提取围岩不连续面粗糙度系数JRC₂、不连续面张开度h₂和不连续面迹长l₂对应的标准差；

(1.4)获取隧道地下水信息的方法如下：

(1.41)通过m次降水入渗法测试获得隧道每10m长的涌水量Q₁，并取m次试验标准差，用S_Q1表示降水入渗法测试获得隧道每10m长的涌水量的标准差；

(1.42)通过m次地下水动力学法测试获得隧道每10m长的涌水量Q₂，并取m次试验标准差，用S_Q2表示地下水动力学法测试获得隧道每10m长的涌水量的标准差。

(2)在步骤(1)所述每一个项目指标中分别选取一种测试方法进行排列组合，根据贝叶斯风险决策理论，对每一种排列组合均进行风险评估，得到该组合对应测试方法下的风险值，具体计算公式如下：

其中，R_i,i∈N⁺表示第i种排列组合所得隧道围岩多源信息的风险值；λ'₁为第i种排列组合的围岩强度的风险系数；S_ucs为第i种排列组合的围岩强度信息的标准差；λ'₂为第i种排列组合的围岩不连续面数目的风险系数；S_N为第i种排列组合的围岩不连续面数目信息的标准差；λ'₃为第i种排列组合的围岩不连续面粗糙度系数的风险系数；S_JRC为第i种排列组合的围岩不连续面粗糙度系数标准差；λ'₄为第i种排列组合的围岩不连续面张开度的风险系数；S_h为第i种排列组合的围岩不连续面张开度标准差；λ'₅为第i种排列组合的围岩不连续面迹长的风险系数；S_l为第i种排列组合的围岩不连续面迹长标准差；λ'₆为第i种排列组合的隧道每10m长的涌水量的风险系数；S_Q为第i种排列组合的隧道每10m长的涌水量的标准差；

进一步的，不同测试方法下每一项数据的风险系数的计算方法如下：

(2.1)计算不同测试方法下围岩强度信息的风险系数：

其中，λ'₁为第i种排列组合的围岩强度的风险系数；λ₁为预先设置的围岩强度的先验风险系数；

(2.2)计算不同测试方法下围岩强度信息的风险系数：

其中，λ'₂为第i种排列组合的围岩不连续面数目的风险系数；λ₂为预先设置的围岩不连续面数目的先验风险系数；

(2.3)计算不同测试方法下围岩不连续面粗糙度系数的风险系数：

其中，λ'₃为第i种排列组合的围岩不连续面粗糙度系数的风险系数；λ₃为预先设置的围岩不连续面粗糙度系数的先验风险系数；

(2.4)计算不同测试方法下围岩不连续面张开度的风险系数：

其中，λ'₄为第i种排列组合的围岩不连续面张开度的风险系数；λ₄为预先设置的围岩不连续面张开度的先验风险系数；

(2.5)计算不同测试方法下围岩不连续面迹长的风险系数：

其中，λ'₅为第i种排列组合的围岩不连续面迹长的风险系数；λ₅为预先设置的围岩不连续面迹长的先验风险系数；

(2.6)计算不同测试方法下隧道每10m长的涌水量的风险系数：

其中，λ'₆为第i种排列组合的隧道每10m长的涌水量的风险系数；λ₆为预先设置的隧道每10m长的涌水量的先验风险系数。

其中，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅、λ₆为根据专家经验风险评估预先设置的先验风险系数，且满足关系式：λ₁+λ₂+λ₃+λ₄+λ₅+λ₆＝1；

进一步的，对每一项项目指标预设有效条件；当步骤(1)所述项目指标中的某一种测试方法得到某一项数据信息不符合预设有效条件时，则删除该数据信息，并且在步骤(2)所述风险系数的计算过程中不对该数据进行计算。

以围岩不连续面数目信息为例，当现场素描调查得到的数据信息不符合预设有效条件时，则不对该数据进行操作，此时λ'₂的取值有如下两种情况：

进一步的，步骤(2)所述从步骤(1)所述每一个项目指标中各选取一种测试方法得到的数据信息进行排列组合，如第i种排列组合为：施密特锤测试获取围岩强度信息，现场素描调查获取不连续面数目，数字照相技术提取围岩不连续面粗糙度系数，激光扫描技术提取围岩不连续面张开度，激光扫描技术提取围岩不连续面迹长，降水入渗法测试获得隧道每10m长的涌水量，则λ'₁、λ’₂、λ’₃、λ'₄、λ'₅、λ'₆的取值如下：

(3)比较不同组合风险评估所得风险值R_i，取R_i值最低的组合作为该隧道围岩多源信息融合的最优结果，取值公式如下：

R_best＝min{R₁,R₂,...,R_n}

其中，R_best为隧道围岩多源信息的最低风险值。

有益效果：本发明综合考虑了隧道围岩强度、围岩不连续面数目、围岩不连续面粗糙度系数、围岩不连续面张开度、围岩不连续面迹长、隧道每10m长涌水量等多项隧道围岩质量指标，以及获取隧道围岩数据信息的多种测试方式，如点荷载测试、施密特锤测试、现场素描调查、数字照相、激光扫描、降水入渗法测试、地下水动力学法测试等。基于最小风险贝叶斯决策理论，将不同测试方式获得多源数据信息进行组合，并进行风险评估。得出一种风险最低的信息组合作为隧道多源信息融合的最优结果，作为隧道设计施工的依据。本发明的融合方法，操作简便易于理解，有着较强的操作性与良好的实用价值，可适用于大多数山岭隧道工程的围岩多源信息融合。

附图说明

图1是基于风险决策的隧道围岩多源信息融合方法的示意图。

具体实施方式

为了更加清楚的表述本发明专利的目的、技术和优点，下面结合本发明专利具体实施例和附图对本发明专利进行清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅为本发明专利实施例的一部分，并不是所有的实施例，对于基于本发明专利的实施例，但没有做出其他创造性劳动的其他所有实施例，都属于本发明专利保护范围内。

本发明所述的一种基于风险决策的隧道围岩多源信息融合方法，以某山岭隧道工程的围岩为例，具体方法如下：

(1)在工程现场分别用用不同的测试方法获取多项隧道围岩质量指标，其中隧道围岩质量指标包括围岩强度信息、不连续面数目信息、不连续面条件信息和地下水信息的数据值；不连续面条件信息包括围岩不连续面粗糙度系数、不连续面张开度和不连续面迹长；具体方法如下：

(1.1)获得多源围岩强度信息的方法如下：

(1.11)通过20次点荷载测试获得围岩的点荷载强度I_s(50)为8.64，并取20次试验标准差，根据如下公式将点荷载强度换算为围岩强度：

UCS₁＝22×8.64＝190.08MPa，

UCS₁表示通过点荷载测试获得的围岩强度，并用S_UCS1表示20次测试数据的标准差，本例中点荷载测试获得的围岩强度的标准差为S_UCS1＝1.34；

(1.12)通过20次施密特锤测试获取围岩强度UCS₂＝200.45MPa，并取20次试验标准差，用S_UCS2表示20次测试数据的标准差，本例施密特锤测试获取围岩强度的标准差S_UCS2＝2.48。

(1.2)获得围岩不连续面数目信息的方法如下：

(1.21)通过20次现场素描调查获取不连续面数目为12，取20次试验标准差，并用S_N1表示20次测试数据的标准差；本例场素描调查获取不连续面数目的标准差S_N1为0.45；

(1.22)通过20次数字照相技术识别不连续面数目N₂为15，取20次试验标准差，并用S_N2表示测试方法所得数据的标准差；本例数字照相技术识别不连续面数目的标准差S_N2为0.32；

(1.23)通过20次激光扫描技术识别不连续面数目为10，取20次试验标准差，并用S_N3表示测试方法所得数据的标准差；本例激光扫描技术识别不连续面数目的标准差S_N3为0.67。

(1.3)获取围岩不连续面条件信息的方法如下：

(1.31)通过20次数字照相技术提取不连续面信息获得围岩不连续面粗糙度系数JRC₁为10，不连续面张开度h₁为3.4mm，不连续面迹长l₁为2.3m，并对每一项数据取20次试验标准差，用S_JRC1、S_h1和S_l1分别表示20次测试数据不连续面粗糙度系数JRC₁、不连续面张开度h₁和不连续面迹长l₁对应的标准差；本例数字照相技术提取围岩不连续面粗糙度的标准差为S_JRC1＝0.74，数字照相技术提取围岩不连续面张开度的标准差为S_h1＝0.44，数字照相技术提取不连续面迹长的标准差为S_l1＝0.35；

(1.32)通过20次激光扫描技术提取不连续面信息获得围岩不连续面粗糙度系数JRC₂为8，不连续面张开度h₂为1.8mm，不连续面迹长l₂为2.6m，并对每一项数据取20次试验标准差，用S_JRC2、S_h2和S_l2分别表示三项数据对应的标准差；本例数字照相技术提取围岩不连续面粗糙度的标准差为S_JRC2＝0.47，数字照相技术提取围岩不连续面张开度的标准差为S_h2＝0.23，数字照相技术提取不连续面迹长的标准差为S_l2＝0.42。

(1.4)获取隧道地下水信息的方法如下：

(1.41)通过20次降水入渗法测试获得隧道每10m长的涌水量Q₁为12L/min，并取20次试验标准差，用S_Q1表示其标准差；本例降水入渗法测试获得隧道每10m长的涌水量的标准差为S_Q1＝0.27；

(1.42)通过20次地下水动力学法测试获得隧道每10m长的涌水量Q₂为16L/min，并取20次试验标准差，用S_Q2表示其标准差；本例地下水动力学法测试获得隧道每10m长的涌水量的标准差为S_Q2＝0.46。

(2)在步骤(1)所述每一个项目指标中分别选取一种测试方法进行排列组合，根据贝叶斯风险决策理论，对每一种排列组合均进行风险评估，得到该组合对应测试方法下的风险值，具体计算公式如下：

其中，R_i,i∈N⁺表示第i种排列组合所得隧道围岩多源信息的风险值；λ'₁为第i种排列组合的围岩强度的风险系数；S_ucs为第i种排列组合的围岩强度信息的标准差；λ'₂为第i种排列组合的围岩不连续面数目的风险系数；S_N为第i种排列组合的围岩不连续面数目信息的标准差；λ'₃为第i种排列组合的围岩不连续面粗糙度系数的风险系数；S_JRC为第i种排列组合的围岩不连续面粗糙度系数标准差；λ'₄为第i种排列组合的围岩不连续面张开度的风险系数；S_h为第i种排列组合的围岩不连续面张开度标准差；λ'₅为第i种排列组合的围岩不连续面迹长的风险系数；S_l为第i种排列组合的围岩不连续面迹长标准差；λ'₆为第i种排列组合的隧道每10m长的涌水量的风险系数；S_Q为第i种排列组合的隧道每10m长的涌水量的标准差；

进一步的，不同测试方法下每一项数据的风险系数的计算方法如下：

(2.1)计算不同测试方法下围岩强度信息的风险系数：

其中，λ'₁为第i种排列组合的围岩强度的风险系数；λ₁为预先设置的围岩强度的先验风险系数；

(2.2)计算不同测试方法下围岩强度信息的风险系数：

其中，λ'₂为第i种排列组合的围岩不连续面数目的风险系数；λ₂为预先设置的围岩不连续面数目的先验风险系数；

(2.3)计算不同测试方法下围岩不连续面粗糙度系数的风险系数：

其中，λ'₃为第i种排列组合的围岩不连续面粗糙度系数的风险系数；λ₃为预先设置的围岩不连续面粗糙度系数的先验风险系数；

(2.4)计算不同测试方法下围岩不连续面张开度的风险系数：

其中，λ'₄为第i种排列组合的围岩不连续面张开度的风险系数；λ₄为预先设置的围岩不连续面张开度的先验风险系数；

(2.5)计算不同测试方法下围岩不连续面迹长的风险系数：

其中，λ'₅为第i种排列组合的围岩不连续面迹长的风险系数；λ₅为预先设置的围岩不连续面迹长的先验风险系数；

(2.6)计算不同测试方法下隧道每10m长的涌水量的风险系数：

其中，λ'₆为第i种排列组合的隧道每10m长的涌水量的风险系数；λ₆为预先设置的隧道每10m长的涌水量的先验风险系数。

其中，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅、λ₆为根据专家经验风险评估预先设置的先验风险系数，且满足关系式：λ₁+λ₂+λ₃+λ₄+λ₅+λ₆＝1；

对每一项项目指标预设有效条件；当步骤(1)所述项目指标中的某一种测试方法得到某一项数据信息不符合预设有效条件时，则删除该数据信息，并且不对该数据进行计算。

在本例中，根据专家经验和相关规范确定风险系数先验值如下：

综合考虑实际测试数据信息以及专家经验进行风险评估，对风险系数进行修正如下：

对各种组合进行风险评估，结果如下表：

(3)比较不同组合风险评估所得风险值R_i，取R_i值最低的组合作为该隧道围岩多源信息融合的最优结果，取值公式如下：

R_best＝min{R₁,R₂,...,R_n}

其中，R_best为隧道围岩多源信息的最低风险值。

本例共进行96种排列组合的风险评估，经比较后得到最小风险值为0.0840，风险值最低的一种隧道围岩数据信息组合，为山岭隧道工程的设计施工提供可靠依据。其中，风险最低的一种隧道围岩数据信息组合如下表所示：

Claims (4)

1.一种基于风险决策的隧道围岩多源信息融合方法，其特征在于，具体方法如下：

(1)用不同的测试方法获取研究区域多项隧道围岩质量指标；

其中隧道围岩质量指标包括围岩强度信息、不连续面数目信息、不连续面条件信息和地下水信息的数据值；不连续面条件信息包括围岩不连续面粗糙度系数、不连续面张开度和不连续面迹长；

(2)在步骤(1)所述每一个项目指标中分别选取一种测试方法进行排列组合，根据贝叶斯风险决策理论，对每一种排列组合均进行风险评估，得到该组合对应测试方法下的风险值，具体计算公式如下：

其中，R_i,i∈N⁺表示第i种排列组合所得隧道围岩多源信息的风险值；λ'₁为第i种排列组合的围岩强度的风险系数；S_ucs为第i种排列组合的围岩强度信息的标准差；λ'₂为第i种排列组合的围岩不连续面数目的风险系数；S_N为第i种排列组合的围岩不连续面数目信息的标准差；λ'₃为第i种排列组合的围岩不连续面粗糙度系数的风险系数；S_JRC为第i种排列组合的围岩不连续面粗糙度系数标准差；λ'₄为第i种排列组合的围岩不连续面张开度的风险系数；S_h为第i种排列组合的围岩不连续面张开度标准差；λ'₅为第i种排列组合的围岩不连续面迹长的风险系数；S_l为第i种排列组合的围岩不连续面迹长标准差；λ'₆为第i种排列组合的隧道每10m长的涌水量的风险系数；S_Q为第i种排列组合的隧道每10m长的涌水量的标准差；

(3)比较步骤(2)所述不同排列组合下风险评估所得风险值R_i，取R_i值最低的排列组合的测试方法作为该隧道围岩多源信息融合的最优结果，取值公式如下：

R_best＝min{R₁,R₂,...,R_n}

其中，R_best为隧道围岩多源信息的最低风险值；R₁表示第1种排列组合所得隧道围岩多源信息的风险值；R₂表示第2种排列组合所得隧道围岩多源信息的风险值；R_n表示第n种排列组合所得隧道围岩多源信息的风险值。

2.根据权利要求1所述的基于风险决策的隧道围岩多源信息融合方法，其特征在于，步骤(1)所述用不同的测试方法获取研究区域多项隧道围岩质量指标如下：

(1.1)获得多源围岩强度信息的方法如下：

(1.11)通过m次点荷载测试获得围岩的点荷载强度I_s(50)，并取m次试验标准差，根据如下公式将点荷载强度换算为围岩强度：

UCS₁＝22I_s(50)

UCS₁表示通过点荷载测试获得的围岩强度，并用S_UCS1表示点荷载测试获得的围岩强度的标准差；

(1.12)通过m次施密特锤测试获取围岩强度UCS₂，并取m次试验标准差，用S_UCS2表示施密特锤测试获取围岩强度的标准差；

(1.2)获得围岩不连续面数目信息的方法如下：

(1.21)通过m次现场素描调查获取不连续面数目N₁，取m次试验标准差，并用S_N1表示现场素描调查获取不连续面数目的标准差；

(1.22)通过m次数字照相技术识别不连续面数目N₂，取m次试验标准差，并用S_N2表示现场素描调查获取不连续面数目的标准差；

(1.23)通过m次激光扫描技术识别不连续面数目N₃，取m次试验标准差，并用S_N3表示激光扫描技术识别不连续面数目的标准差；

(1.3)获得围岩不连续面条件信息的方法如下：

(1.31)通过m次数字照相技术提取不连续面信息获得围岩不连续面粗糙度系数JRC₁、不连续面张开度h₁和不连续面迹长l₁，并对每一项数据取m次试验标准差，用S_JRC1、S_h1和S_l1分别表示数字照相技术提取不连续面粗糙度系数JRC₁、不连续面张开度h₁和不连续面迹长l₁对应的标准差；

(1.32)通过m次激光扫描技术提取不连续面信息获得围岩不连续面粗糙度系数JRC₂、不连续面张开度h₂和不连续面迹长l₂，并对每一项数据取m次试验标准差，用S_JRC2、S_h2和S_l2分别表示激光扫描技术提取围岩不连续面粗糙度系数JRC₂、不连续面张开度h₂和不连续面迹长l₂对应的标准差；

(1.4)获取隧道地下水信息的方法如下：

(1.41)通过m次降水入渗法测试获得隧道每10m长的涌水量Q₁，并取m次试验标准差，用S_Q1表示降水入渗法测试获得隧道每10m长的涌水量的标准差；

(1.42)通过m次地下水动力学法测试获得隧道每10m长的涌水量Q₂，并取m次试验标准差，用S_Q2表示地下水动力学法测试获得隧道每10m长的涌水量的标准差。

3.根据权利要求2所述的基于风险决策的隧道围岩多源信息融合方法，其特征在于，步骤(2)中不同测试方法下每一项数据的风险系数的计算方法如下：

(2.1)计算不同测试方法下围岩强度信息的风险系数：

其中，λ'₁为第i种排列组合的围岩强度的风险系数；λ₁为预先设置的围岩强度的先验风险系数；

(2.2)计算不同测试方法下围岩强度信息的风险系数：

其中，λ'₂为第i种排列组合的围岩不连续面数目的风险系数；λ₂为预先设置的围岩不连续面数目的先验风险系数；

(2.3)计算不同测试方法下围岩不连续面粗糙度系数的风险系数：

其中，λ'₃为第i种排列组合的围岩不连续面粗糙度系数的风险系数；λ₃为预先设置的围岩不连续面粗糙度系数的先验风险系数；

(2.4)计算不同测试方法下围岩不连续面张开度的风险系数：

其中，λ'₄为第i种排列组合的围岩不连续面张开度的风险系数；λ₄为预先设置的围岩不连续面张开度的先验风险系数；

(2.5)计算不同测试方法下围岩不连续面迹长的风险系数：

其中，λ'₅为第i种排列组合的围岩不连续面迹长的风险系数；λ₅为预先设置的围岩不连续面迹长的先验风险系数；

(2.6)计算不同测试方法下隧道每10m长的涌水量的风险系数：

其中，λ'₆为第i种排列组合的隧道每10m长的涌水量的风险系数；λ₆为预先设置的隧道每10m长的涌水量的先验风险系数。

4.根据权利要求3所述的基于风险决策的隧道围岩多源信息融合方法，其特征在于，所述预先设置的先验风险系数满足关系式：λ₁+λ₂+λ₃+λ₄+λ₅+λ₆＝1。

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