隧道围岩的安全性分级方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及隧道围岩评价技术领域，尤其涉及一种隧道围岩的安全性分级方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着交通基础设施的大规模建设，我国修建了大量的铁路、公路和城市地 铁隧道工程，出于资源和能源开发的需要，矿山隧（巷）道的建设规模也达到了空前的水 平。随着我国交通设施向边远山区的推进与矿山开采深度的加大，带来的突出问题就是围 岩条件变差，围岩稳定性控制逐渐成为核心问题，而隧道工程又对地质条件具有绝对的依 赖性。因此，围岩条件在很大程度上决定了隧道工程的安全性、经济性和工程建设方案。在 隧道工程中，围岩条件的差异性很大，为此国内外普遍采用围岩分级方案进行设计和施工。
[0003] 目前，现有的隧道围岩的稳定性评价方法主要包括：基于隧道开挖后一定空间尺 度围岩的自稳时间及其差异性，对隧道围岩的稳定性进行评价和分级的。
[0004] 上述现有的隧道围岩的稳定性评价方法的缺点为：各种隧道围岩的稳定时间差别 非常之大，有些隧道围岩的自稳时间甚至可以为无限长，对这类围岩理论上是可以不进行 支护的；而有些隧道围岩的自稳时间为零，在工程上表现为随挖随垮，这类隧道围岩的组成 又可能千差万别，对工程影响也不尽相同，但其共性特点就是围岩不具备稳定性，显然该类 围岩的稳定性其实已无实际意义。该类围岩的代表为"复杂隧道围岩"，主要包括软弱、破 碎、松散、复合地层、富水地层以及深埋引起的高地应力地层等。
[0005] 因此，上述现有的隧道围岩的稳定性评价方法不适用于复杂隧道围岩等不具备稳 定性的隧道围岩。
【发明内容】
[0006] 本发明的实施例提供了一种隧道围岩的安全性分级方法，以实现对隧道围岩进行 有效的安全性分级。
[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种隧道围岩的安全性分级方法，包括：
[0008] 根据隧道围岩分级的因素集和评价集建立因素等级评价矩阵R ;
[0009] 根据隧道围岩分级的因素集中各因素对评价对象的影响大小，建立因素权重集 A；
[0010] 对所述因素等级评价矩阵R和所述因素权重集A进行模糊矩阵的合成运算，得到 一级的模糊矩阵，将各个一级模糊矩阵依次排列得到二级模糊矩阵；
[0011] 根据所述二级的模糊矩阵通过最大隶属度法或者加权平均法计算出隧道围岩分 级的评价结果。
[0012] 优选地，所述的根据隧道围岩分级的因素集和评价集建立因素等级评价矩阵R，包 括：
[0013] 建立隧道围岩分级的因素集：U = Iu1, U2,…，un}，所述U是因素集，UiQ = 1，2···， η)代表各因素，η为因素的个数，每个因素按照对评价对象的影响程度分为m个等级=Ui = {un，ui2，…，uim} (i = I，2...，η);
[0014] 建立隧道围岩分级的评价集：V = Iv1, v2, ···，vk}，ViQ = 1，2···，k)代表各评价指 标；
[0015] 将所述因素集中的因素Ui的每个等级对所述评价集中的每个评价指标的影响程 度用隶属度函数表示，将所有的隶属度函数组成所述因素仏的等级评价矩阵R i:
【主权项】
1. 一种隧道围岩的安全性分级方法，其特征在于，包括： 根据隧道围岩分级的因素集和评价集建立因素等级评价矩阵R ; 根据隧道围岩分级的因素集中各因素对评价对象的影响大小，建立因素权重集A ; 对所述因素等级评价矩阵R和所述因素权重集A进行模糊矩阵的合成运算，得到一级 的模糊矩阵，将各个一级模糊矩阵依次排列得到二级模糊矩阵； 根据所述二级的模糊矩阵通过最大隶属度法或者加权平均法计算出隧道围岩分级的 评价结果。
2. 根据权利要求1所述的隧道围岩的安全性分级方法，其特征在于，所述的根据隧道 围岩分级的因素集和评价集建立因素等级评价矩阵R，包括： 建立隧道围岩分级的因素集：U = Iu1, U2,…，un}，所述U是因素集，UiQ = 1，2···，η) 代表各因素，η为因素的个数，每个因素按照对评价对象的影响程度分为m个等级=Ui = {un，ui2，…，uim} (i = 1，2...，η); 建立隧道围岩分级的评价集：V = Iv1, ν2,…，vk}，ViQ = 1，2···，k)代表各评价指标； 将所述因素集中的因素仏的每个等级对所述评价集中的每个评价指标的影响程度用 隶属度函数表示，将所有的隶属度函数组成所述因素仏的等级评价矩阵R i:
〇
3. 根据权利要求1所述的隧道围岩的安全性分级方法，其特征在于，所述的根据隧道 围岩分级的因素集中各因素对评价对象的影响大小，建立因素权重集A，包括： 根据隧道围岩分级的因素集中各因素对评价对象的影响大小，通过设定的权重值计算 方法给隧道围岩分级的因素集中各个因素赋予相应的权重，将各个因素的权重组成的集合 称为因素权重集：A = (B1, a2,…，an); 其中，S1, a2,…，811表不权重，各个因素的权重应满足归一化条件，即： Σα/ =1 〇
4. 根据权利要求3所述的隧道围岩的安全性分级方法，其特征在于，所述的通过设定 的权重值计算方法给隧道围岩分级的因素集中各个因素赋予相应的权重，包括： 采集层次分析法给隧道围岩分级的因素集中各个因素赋予相应的权重，具体计算过程 如下： 1、 根据设定的因素间比较判断标度值对应表，得出隧道围岩分级的因素集中两两因素 之间的比较判断标度值，将所有的比较判断标度值组成判断矩阵：R = (Bij)ηΧη，其中，aij为 因素 i和因素 j比较的标度，η为因素的个数； 2、 计算所述判断矩阵R中每一行元素的乘积Mi,再求％的η次方根 Wi=^T 对向量[示，F2, 做归一化处理，获得特征向量： 刁=[砂;，;，_·.，％] 计算出所述判断矩阵的最大特征值：
3、计算出所述判断矩阵R的一致性指标CI ;
计算出所述判断矩阵R的一致性比值
所述RI为设定的平均随机一致性指标， 当所述CR小于设定的阈值时，则确定所述判断矩阵R具有一致性，将所述特征向量 作为各因素的权重集A ; // = ("丨，"2，.，〃"），5 = ，…，％]。 B1= W !，B2= W 2, *··, Bn= Wn
5. 根据权利要求4所述的隧道围岩的安全性分级方法，其特征在于，所述的因素间比 较判断标度值对应表，包括： 各因素两两比较判断矩阵表
6. 根据权利要求2至5任一项所述的隧道围岩的安全性分级方法，其特征在于，所述的 对所述因素等级评价矩阵R和所述因素权重集A进行模糊矩阵的合成运算，得到一级的模 糊矩阵，将各个一级模糊矩阵依次排列得到二级模糊矩阵，包括： 对某个因素等级评价矩阵Ri和某个因素权重集Ai进行模糊矩阵的合成运算，得到某个 一级的模糊矩阵Bi;
"。"表示模糊矩阵的合成运算，采用M(·，+)算法，"。"的表达式为 t*ik - ^ a ijrijk 将各个一级模糊矩阵&依次排列，得到二级的模糊矩阵B
7. 根据权利要求6所述的隧道围岩的安全性分级方法，其特征在于，所述的根据所述 二级的模糊矩阵通过最大隶属度法或者加权平均法计算出隧道围岩分级的评价结果，包 括： 计算
将所述C作为模糊综合评价集； 当采用最大隶属度法时，利用所述模糊综合评价集C，取最大隶属度(^对应于评价集所 对应的评价指标V1，作为所述隧道围岩的安全性的评价结果Vs;
8. 根据权利要求7所述的隧道围岩的安全性分级方法，其特征在于，所述的根据所 述二级的模糊矩阵通过最大隶属度法或者加权平均法计算出隧道围岩分级的评价结果，包 括： 计算
将所述C作为模糊综合评价集； 当采用加权平均法时，以h为权重，对评价集中各备择元素'_进行加权处理的值作为 所述隧道围岩的安全性的评价结果Vs;
如果评判指标CiB归一化，则
O
【专利摘要】本发明实施例提供了一种隧道围岩的安全性分级方法。该方法主要包括：根据隧道围岩分级的因素集和评价集建立因素等级评价矩阵R；根据隧道围岩分级的因素集中各因素的影响大小，建立因素权重集A；对所述因素等级评价矩阵R和所述因素权重集A进行模糊矩阵的合成运算，得到一级的模糊矩阵，一级模糊矩阵依次排列得到二级模糊矩阵，根据所述二级的模糊矩阵通过最大隶属度法或者加权平均法计算出隧道围岩分级的评价结果。本发明实施例主要针对不具备稳定性的特殊围岩条件，分级指标重点考虑隧道施工影响下的围岩超前变形和破坏状况，安全性可采用围岩变形量、破坏区范围及分布规律来表征，分级指标抓住了复杂隧道围岩的本质特征，从而能够准确、有效地对隧道围岩进行安全性分级。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104657601
【申请号】CN201510052222
【发明人】张顶立, 台启民, 房倩, 宋浩然, 陈立平, 于富才, 孟猛
【申请人】北京交通大学, 中国铁路总公司
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年1月30日