一种深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，特别是一种深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法。

背景技术

隧道具有地下工程不可预见性的特点，在建设和运营过程中存在着巨大的风险，国内外在隧道建设和运营过程中发生了许多重大事故，这些事故造成了巨大的人员伤亡和经济损失，产生了严重的不良社会影响，并引发了公众对隧道运输的不安全感。为了确保隧道工程建设目标的顺利实现，项目实施过程中迫切需要进行风险管理，从而提高隧道工程项目施工的安全性，增强其风险防御能力。因此，识别这些风险并通过相应措施减少事故发生频率或减小事故产生的后果，将风险管理相关理论引入隧道地下空间工程已刻不容缓。隧道建设打破了岩体原有的应力平衡状态，极易引起诸如隧道岩体失稳、岩爆和突水等事故，其中塌方事故是隧道中最常见的风险灾害，因此，科学合理的划分隧道塌方风险等级已经成为隧道施工关注的重点内容,而不同的隧道地质环境不一致，制险因子与指标权重各不相同，且传统的隧道围岩稳定性研究方法多存在研究范围大，判断结果精度低等缺陷。

目前，现有的文献《层次可拓模型在隧道施工风险评估中的应用研究》公开了隧道施工风险评估方法，该方法首先选取的评价指标有大气降水、偏压角度、开挖宽度、扁平率、开挖方法、围岩级别、不良地质、地下水、风化程度、超欠挖程度、工作面封闭情况、施工技术水平和管理技术水平这13个指标，接着根据这13个指标构建判断矩阵，应用层次分析法确定评价各个指标的权重值，再将风险等级划分为4个风险等级，不同风险等级划分不同的取值范围，并通过可拓理论进行风险模型的构建，达到隧道施工风险评估的效果。

上述的隧道施工风险评估方法存在以下缺陷：首先，这种技术方案指标权重的确定是通过层次分析法确定的，指标赋值带有主观性，进而导致评价结果也带有主观性；其次，这种评价方法选取指标过多，一些指标对其他隧道并不适用，例如深埋隧道就不适用，尤其当评价区域内不受无地下水、大气降水、偏压等影响时，该评价方法不能准确判定对应隧道的风险等级。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法，本发明所要解决的技术问题是：如何降低隧道风险因素辨识的主观性的同时提高风险预测评估结果的准确性和有效性。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、评价指标包括岩体强度、风化情况、开挖跨度、节理间距、结构面张开度、洞轴线与主要结构面的夹角和断层影响带宽度，根据隧道工程地质特征，选取部分或全部评价指标后通过层次分析法构建判断矩阵，进而获得主观权重值；

步骤2、收集已选取的评价指标的多个数据点，建立熵权数据矩阵，进而获得客观权重值；

步骤3、将上述的主观权重值和客观权重值采用博弈论方法组合层次分析法和熵权法得到最优权重向量集；

步骤4：根据评价指标数值特征划分5个风险等级，并划分对应的经典域和节域以及计算出关联函数公式，构建风险评价可拓模型；

步骤5：根据最优权重值与关联函数公式计算关联度，得出的最大关联度对应的风险等级即为隧道风险等级。

本技术方法的目的是为了评价无地下水影响且地应力影响小的深埋花岗岩隧道塌方风险评价，本发明首先构造层次判断矩阵和案例数据矩阵，应用矩阵运算分别获得主客观权重值，并利用博弈论方法组合层次分析法与熵权法得到的主客观权重的最优化指标权重，其次划分5个风险等级，基于可拓理论划分各个指标风险等级的经典域与节域，计算关联函数并构建风险评价模型，采用多种评价方法组合评价，能够结合多种评价方法的优点，降低风险评价的主客观性，实现了对传统单一评价法的改进，从而提高风险预测准确性，得出更加可靠的评价结果，保证施工安全。

在上述的一种深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法中，在步骤1中，将以选取的评价指标进行归纳分类，对比评估各个评价指标间的相对重要程度，采用1～9标准度并构建层次判断矩阵，根据层次分析法矩阵计算公式获得各个评价指标的主观权重值，并进行一致性检验。

在上述的一种深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法中，在步骤2中，根据隧道现场多个案例的评价数据的提取整理，构建评价指标数值案例的矩阵，并将矩阵中的数据进行无纲量处理，通过熵权法相关计算公式得到评价指标的客观权重值。

在上述的一种深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法中，在步骤1中，使用yaahp层次分析软件计算，可获得层次分析法中各个评价指标的权重值，指标权重值组成的主观权重向量为W

在上述的一种深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法中，在步骤3中，先由层次分析法和熵权法得到评价指标的主观权重值和客观权重值分别组成权重向量集，再根据博弈论方法，实现2个权重向量集的离差极小化，得到组合后的最优权重向量集。

在上述的一种深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法中，在步骤3中，设定组合权重系数ai＝{a

在上述的一种深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法中，在步骤4中，将隧道风险等级划分Ⅰ～Ⅴ个等级，Ⅰ为最低隧道风险等级，Ⅴ级为最高隧道风险等级，确定不同风险等级下各个评价指标的经典域和各个评价指标的节域，再确定待评物元并引入距的概念计算各评价指标的关联函数。

在上述的一种深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法中，在步骤4中，经典域R

在上述的一种深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法中，在步骤5中，根据最优权重值和关联函数公式计算出待评物元与危险等级之间的关联度，关联度数值中的最大值对应的风险等级即为隧道风险等级。

在上述的一种深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法中，在步骤5中，可计算出待评案例与花岗岩隧道各个风险等级i(i＝1,2,3,4,5)的关联度，关联度D

与现有技术相比，本发明的深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法具有以下优点：本技术方法的目的是为了评价无地下水影响且地应力影响小的深埋花岗岩隧道塌方风险评价，本发明首先构造层次判断矩阵和案例数据矩阵，应用矩阵运算分别获得主客观权重值，并利用博弈论方法组合层次分析法与熵权法得到的主客观权重的最优化指标权重，其次划分5个风险等级，基于可拓理论划分各个指标风险等级的经典域与节域，计算关联函数并构建风险评价模型，采用多种评价方法组合评价，能够结合多种评价方法的优点，降低风险评价的主客观性，实现了对传统单一评价法的改进，从而提高风险预测准确性，得出更加可靠的评价结果，保证施工安全。

附图说明

图1是本发明评价指标分类层次关系图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本深埋花岗岩隧道塌方风险评价方法，包括以下步骤：

步骤1

步骤1.1、隧道施工风险主要是隧道拱顶塌方和掉块，制险的评价指标包括岩体强度、风化情况、开挖跨度、节理间距、结构面张开度、洞轴线与主要结构面的夹角和断层影响带宽度，根据隧道工程地质特征，选取部分或全部评价指标；

步骤1.2、将已选取的评价指标进行分类归纳为2类，层次关系如图1所示，具体为岩体及工程设计类和结构面及地质类，岩体及工程设计类包括岩体强度、风化程度和开挖跨度，结构面及地质类包括节理间距、结构面张开度、洞轴线与主要结构面的夹角和断层影响带宽度，对比评估各个评价指标间的相对重要程度，采用1～9标准度，对同一层次的几个因素进行两两对比，分别构建层次判断矩阵，如下表1～表3所示；

表1判断矩阵1

表2判断矩阵2

表3判断矩阵3

步骤1.3、根据层次分析法矩阵计算公式获得各个评价指标的主观权重值，并进行一致性检验，具体为，使用yaahp层次分析软件计算，可获得层次分析法中各个评价指标的权重值和GR值，计算可得GR1＝0，GR2＝0.0088，GR3＝0.0039，均小于0.1，说明矩阵一致性较好，复合要求，评价指标层次分析所得权重值如下表4所示，评价指标权重值组成的主观权重向量为W1＝[0.0704，0.2698，0.1485，0.1314，0.0704，0.0817，0.2277]；

表4层次分析法确定权重值

步骤2

2.1、根据隧道现场多个案例的评价数据的提取整理，构建评价指标数值案例的矩阵，根据7个评价指标，本实施例统计隧道现场的80个案例点，如表5所示，将数据矩阵构成组成熵权法矩阵，案例中n＝80，代表80个数据点，m＝7，对应7个风险评价指标；

表5隧道工程现场80个案例点数据

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步骤2.2、将表格内案例点数据进行无纲量处理，无纲量处理公式为

P

表6熵权法评价指标综合权重值

步骤3

先由层次分析法和熵权法得到评价指标的主观权重值和客观权重值分别组成权重向量集，再根据博弈论方法，实现2个权重向量集的离差极小化，得到组合后的最优权重向量集，如下表7所示。具体为根据将主客观权重值W

表7评价指标最优权重值

步骤4

将隧道风险等级划分Ⅰ～Ⅴ个等级，Ⅰ为最低隧道风险等级，Ⅴ级为最高隧道风险等级，确定不同风险等级下各个评价指标的经典域和各个评价指标的节域，经典域表示各个评价指标隶属在某个危险性等级时的取值范围，节域是指待评案例(对象)某一评价指标的取值范围，再确定待评物元并引入距的概念计算各评价指标的关联函数。具体为：经典域R

根据查阅相关文献，并结合专家与花岗岩隧道地质工作者的意见，7个评价指标在不同风险等级下的取值范围见表8：

表8花岗岩隧道风险评价指标的经典域、节域

步骤5

根据最优权重值和关联函数公式计算出待评物元与危险等级之间的关联度，关联度数值中的最大值对应的风险等级即为隧道风险等级。具体为：将上述步骤计算得到最优权重值带入关联函数进行运算，可计算出待评案例与和花岗岩隧道各个风险等级i(i＝1,2,3,4,5)的关联度。关联度D

相对于单一评价指标权重赋值方法来说，组合评价赋值方法得到危险评价结果的更加准确，更符合深埋花岗岩隧道工程实际。为说明组合评价的效果，分别构建层次分析-可拓理论、熵权法-可拓理论，与本实施例方法的博弈论-可拓理论对比。层次分析-可拓理论采用上述计算中的主观权重值，熵权法-可拓理论采用上述计算中的客观权重值，分别按照可拓理论构建风险评价模型，各个评价模型的评价指标权重值如表9所示：

表9不同风险模型中各个评价指标的权重值

在上述80个案例点外选取其他深埋花岗岩隧道5个案例点，5个案例点基本指标参数如下表10所示：

表10深埋花岗岩隧道案例指标参数

再将5个深埋花岗岩评价指标参数和指标权重带入三种风险评价模型中，进行可拓关联计算，计算结果如表格11所示：

表11不同方法评价结果对比表

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分析表11可知，博弈论-可拓理论与现场实际开挖效果最为贴切，层次分析-可拓理论评价结果较为贴切,熵权-可拓理论对于案例3的评价结果存在与事实相违背的现象。出现这个现象由于熵权法得到的指标权重值中，断层影响带的权重过大，达到了31.01％，当断层影响带宽度为0时，评价结果存在与事实违背的现象。因此，通过3种模型评价方法的对比，发现博弈论-可拓理论与隧道实际开挖效果最为贴近，评价结果也更加准确。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。