基于变权重模糊综合评价的偏压隧道施工安全评价方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010245988.3 (22)申请日 2020.03.31 (71)申请人 青岛理工大学 地址 266000 山东省青岛市市北区抚顺路 11号 (72)发明人 张拥军南博文聂闻唐世斌 刘思佳刘德金宋宸王盛 马强强高明 (74)专利代理机构 青岛中天汇智知识产权代理 有限公司 37241 代理人 袁晓玲 (51)Int.Cl. G06Q 10/06(2012.01) G06N 7/02(2006.01) G06Q 50/08(2012.01) (54)发明名称 基于变权重模。

2、糊综合评价的偏压隧道施工 安全评价方法 (57)摘要 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。

3、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。 权利要求书2页 说明书7页 CN 111445156 A 2020.07.24 CN 111445156 A 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。

4、、 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； 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； 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， 所述偏转角度为测量地层与水平方向的偏转角度。

5、， 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， 为地层侧压力系数； h为隧道埋深； 为偏转角度； 为偏压角度。 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， 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。 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。

6、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,., xn)， 因素常权变量状态变权向量Si(X)(S1(x),S2(x),.,Sn(x)， 则变 权向量wi(x1， x2， .xn)， 由因素常权向量和状态变权向量Si(X)的Hadamard乘积确定， 变权 向量wi(x)公式为： 权利要求书 1/2 页 2 CN 1114。

7、45156 A 2 其中， 由层次分析法计算得出的常权量， 为否定水平， 0 1； 为惩罚水平， 和 的 取值在计算过程中根据具体情况设定， xij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。 5.根据权利要求4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， 和 的取值为： 0.5， 0.3。 6.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。

8、级。 7.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 级安全(3.0G 4.0)、 级较安全(2.0G3.0)、 级较不安全(1.0G2.0)、 级不安全(0G1.0)。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111445156 A 3 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 0001 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 0002 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。

9、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。 0003 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。

10、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。

11、， 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 0004 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。 0005 本发明的技术方案是： 0006 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： 0007 步骤一， 考虑各指标监测的可操作性以及对隧。

12、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 说明书 1/7 页 4 CN 111445156 A 4 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。

13、原则； 0008 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； 0009 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； 0010 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； 0011 步骤四， 根据评价等级综合判定偏压隧道施工安全等级。 001。

14、2 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。 0013 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。 0014 进一步的， 。

15、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。 0015 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： 0016 0017 其中， 为地层侧压力系数； h为隧道埋深； 为偏转角度； 为偏压角度。 0018 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。

16、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。 0019 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： 0020 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； 0021 根据因素空间理论， 设因素状态变量X(x1,x2,.,xn)， 因素常。

17、权变量 说明书 2/7 页 5 CN 111445156 A 5 状态变权向量Si(X)(S1(x) ,S2(x) ,.,Sn(x)， 则变权向量wi(x1， x2， .xn)， 由因素常权向量和状态变权向量Si(X)的Hadamard乘积确定， 变权向量wi(x)公 式为： 0022 0023 0024其中， 由层次分析法计算得出的常权量， 为否定水平， 0 1； 为惩罚水平， 和 的取值在计算过程中根据具体情况设定， xij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。 0025 进一步的， 根据具体特征设定， 和 的取。

18、值为： 0.5， 0.3。 0026 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。 0027 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 级安全 (3.0G4.0)、 级较安全(2.0G3.0)、 级较不安全(1.0G2.0)、 级不安全(0G 1.0)。 0028 本发明的有益效果： 0029 (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。

19、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。 0030 (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。 0031 (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 。

20、0032 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。 0033 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。 0034 实施例 说明书 3/7 页 6 CN 111445156 A 6 0035 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： 0036 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。

21、的分级标准， 具体如下表1所示： 0037 0038 0039 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 0040 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。

22、间水井位高度。 0041 构造判断矩阵： 在上述层次结构模型的基础上， 采用19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aij， 则因素j与因素 i比较的标度为1/aij， 从而构造相应的判断矩阵； 0042 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； 说明书 4/7 页 7 CN 111445156 A 7 0043 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。

23、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； 0044 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Aij的值为各列的和， Aij为原矩阵对应位置上的数值， Bij为新 的矩阵对应位置上的数值； 0045 对判断矩阵每一行进行求和， 即得出特征向量； 0046计算评价指标权重， 计算公式：其中Bj为特征向量值的总和， Bj为特征 向量对应位置的值， Wi为指标对应的权重； 0047 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 max为最大特征值， A为判断矩阵， W为权重向量， 。

24、Wi为对应特征的 权重， n为特征个数； 0048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，max为最大特征根， n为特征个数； 0049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。 0050 对于19阶的判断矩阵， RI的取值见下表2： 0051 N123456789 RI000.580.901.121.241.321.411.45 0052 当CR0.1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。 0053 评价指标权重初始值结果如下表3所示： 005。

25、4 说明书 5/7 页 8 CN 111445156 A 8 0055 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wa0.3， 0.3， 0.2， 0.2。 0056 根据一级权重值计算得底层指标权重总排序矩阵为： 0057 0058 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。 0059 按照偏压隧道安全评价评判指标。

26、进行等级划分， 将等级划分数据进行归一化处 理， 0060 Nn11， n12， n21， n22， n23， n24， n31， n32， n41， n42 0061 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： 0062 0063 0064其中：由层次分析法计算得出的常权量， 为否定水平， 0 1； 为惩罚水平， 和 的取值在计算过程中根据具体。

27、情况设定。 针对该问题具体特征， 取 0.5， 0.3。 根据 常权向量计算得出状态变权向量。 0065 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， 0066 wb1b1， b2； wb2b3， b4， b5， b6； wb3b7， b8； wb4b9， b10 0067 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。 0068 确定单因素评。

28、价矩阵： 0069 多个评价者分别对每个指标层因素xij作评价， 统计结果， 建立指标层的指标Ci对 评语集合V的隶属向量Rci， Rci(rci1， rci2， rci3， rci4)， i1， 2， .10； 0070 由隶属向量Rci即可建立准则层各因素的单因素评价矩阵Rbi。 0071 一级模糊综合评价： 0072 由单因素Rbi与其相应的变权重向量wbi， 可得出准则层的各因素Bi对评语集合V的 隶属向量为 0073 RbiwbiRbi； 说明书 6/7 页 9 CN 111445156 A 9 0074 二级模糊综合评价： 0075 将一级模糊综合评价结果Rbi视为单因素评判集， 。

29、由Rbi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； 0076 0077 模糊向量单值化： 0078 分别给评语集v1、 v2、 v3、 v4赋值为4、 3、 2、 1， 则： 0079 0080 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： 0081 等级安全程度安全评分 安全3.0G4.0 较安全2.0G3.0 较不安全1.0G2.0 不安全0G1.0 0082 对偏压隧道安全状态等级划分如下表5所示： 0083 0084 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。 说明书 7/7 页 10 CN 111445156 A 10 。