一种基于模糊数学的隧道掘进支护参数优化方法与流程

本发明属于工程建筑，具体涉及一种基于模糊数学的隧道掘进支护参数优化方法。

背景技术：

1、在隧道掘进支护参数的优化设计中，隧道的评价指标有很多，一般选择拱顶沉降位移、锚杆内力、喷射混凝土的von-mise应力作为安全性评价指标，单位隧道长度初期支护造价和月进尺量作为经济型评价指标。现有的隧道掘进支护参数优化设计方式是基于工程经验和实际工程的要求进行设计，选择结构受力较好的设计方案，这种方法的缺点是：过于依赖经验，且较单一的研究支护参数对结构安全性方面的影响而忽略了经济性方面的影响，不能较好的确保设计方案的经济性施工。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于模糊数学的隧道掘进支护参数优化方法解决了现有隧道支护参数过于依赖经验进行优化的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于模糊数学的隧道掘进支护参数优化方法，包括以下步骤：

3、s1、确定隧道掘进支护参数，对隧道掘进支护参数取第一数量的参数值，利用正交试验对参数值进行组合，得到若干隧道掘进支护参数的参数值组合；

4、s2、将所有隧道掘进支护参数的参数值组合代入隧道三维有限元地层-结构模型，计算得到不同参数组合时的拱顶沉降位移、锚杆内力、喷射混凝土范式等效应力、单位长度初期支护造价和月进尺；

5、s3、将拱顶沉降位移、锚杆内力、喷射混凝土范式等效应力、单位长度初期支护造价和月进尺作为评价指标建立层次分析模型，得到评价指标的权重向量；

6、s4、计算每个评价指标的隶属度得到隶属度矩阵，根据隶属度矩阵与评价指标的权重向量得到多指标综合评价隶属度向量，所述多指标综合评价隶属度向量包括若干隧道掘进支护参数的参数值组合下的第一综合隶属度；

7、s5、对若干隧道掘进支护参数的参数值组合下的第一综合隶属度进行极差分析，得到每个掘进支护参数的最优水平，建立每个掘进支护参数取最优水平的三维有限元地层-结构模型，得到优化后的隧道掘进支护参数的参数值组合下的第二综合隶属度；

8、s6、判断优化后的隧道掘进支护参数的参数值组合下的第二综合隶属度是否大于最大的第一综合隶属度；

9、若是，则将优化后的隧道掘进支护参数的参数值组合作为最优参数，完成隧道掘进支护参数优化方法；

10、若否，则增加第一数量的数值，并返回s1。

11、进一步地：所述s1中，隧道掘进支护参数包括进尺、锚杆纵向间距和喷射混凝土厚度。

12、进一步地：所述s3包括以下分步骤：

13、s31、将拱顶沉降位移、锚杆内力、喷射混凝土范式等效应力、单位长度初期支护造价和月进尺作为评价指标建立层次分析模型的指标层，并确定层次分析模型的准则层和目标层，完成层次分析模型的建立；

14、s32、根据层次分析模型建立准则层的判断矩阵，得到准则层的权重向量；

15、s33、根据准则层的权重向量建立准则下的指标层判断矩阵，得到指标层的权重向量；

16、s34、根据指标层的权重向量得到评价指标的权重向量。

17、进一步地：所述s31中，准则层包括安全性准则和经济性准则，安全性准则下的评价指标包括拱顶沉降位移、锚杆内力、喷射混凝土范式等效应力，经济性准则下的评价指标包括单位长度初期支护造价和月进尺。

18、进一步地：所述s4中，计算拱顶沉降位移的隶属度μ1的隶属度函数具体为：

19、

20、式中，a1为拱顶沉降位移；

21、计算锚杆内力的隶属度μ2的隶属度函数具体为：

22、

23、式中，a2为锚杆内力；

24、计算喷射混凝土范式等效应力的隶属度μ3的隶属度函数具体为：

25、

26、式中，a3为喷射混凝土范式等效应力；

27、计算喷射混凝土范式等效应力的隶属度μ4的隶属度函数具体为：

28、

29、式中，a4为单位长度初期支护造价；

30、计算喷射混凝土范式等效应力的隶属度μ5的隶属度函数具体为：

31、

32、式中，a5为月进尺。

33、进一步地：所述s4中，得到多指标综合评价隶属度向量b的表达式具体为：

34、b＝rω

35、式中，r为隶属度矩阵，ω为评价指标的权重向量；

36、其中，b＝(bi)，bi为第i个隧道掘进支护参数的参数值组合下的第一综合隶属度。

37、本发明的有益效果为：

38、(1)本发明提供了一种基于模糊数学的隧道掘进支护参数优化方法，运用正交试验方法设计多种不同掘进支护参数的工况，利用有限元软件计算每个工况的评价指标，进而使用层次-模糊分析法建立层次分析模型，计算各参数组合工况下的综合隶属度，再对综合隶属度作极差分析，在不同掘进支护设计参数中寻求最优解。

39、(2)本发明建立多指标模糊综合评判体系，开展多隧道掘进支护参数优化分析，同时考虑了安全性、经济性两方面的评价指标，同时对多个隧道掘进支护参数变量进行优化分析，确保设计方案中的设计参数为最优。

40、(3)本发明对于实际隧道支护参数优化设计而言，其可操作性和可设计性强，弥补了现有隧道支护参数过于依赖经验进行优化的问题，能同时考虑安全性和经济性两方面的因素，同时对多个设计参数变量进行优化分析，确保设计方案中的设计参数为最优。

技术特征：

1.一种基于模糊数学的隧道掘进支护参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于模糊数学的隧道掘进支护参数优化方法，其特征在于，所述s1中，隧道掘进支护参数包括进尺、锚杆纵向间距和喷射混凝土厚度。

3.根据权利要求1所述的基于模糊数学的隧道掘进支护参数优化方法，其特征在于，所述s3包括以下分步骤：

4.根据权利要求3所述的基于模糊数学的隧道掘进支护参数优化方法，其特征在于，所述s31中，准则层包括安全性准则和经济性准则，安全性准则下的评价指标包括拱顶沉降位移、锚杆内力、喷射混凝土范式等效应力，经济性准则下的评价指标包括单位长度初期支护造价和月进尺。

5.根据权利要求1所述的基于模糊数学的隧道掘进支护参数优化方法，其特征在于，所述s4中，计算拱顶沉降位移的隶属度μ1的隶属度函数具体为：

6.根据权利要求1所述的基于模糊数学的隧道掘进支护参数优化方法，其特征在于，所述s4中，得到多指标综合评价隶属度向量b的表达式具体为：

技术总结
本发明公开了一种基于模糊数学的隧道掘进支护参数优化方法，属于工程建筑技术领域，解决了现有隧道支护参数过于依赖经验进行优化的问题，本发明运用正交试验方法设计多种不同掘进支护参数的工况，利用有限元软件计算每个工况的评价指标，进而使用层次‑模糊分析法建立层次分析模型，计算各参数组合工况下的综合隶属度，再对综合隶属度作极差分析，在不同掘进支护设计参数中寻求最优解。本发明建立多指标模糊综合评判体系，开展多隧道掘进支护参数优化分析，同时考虑了安全性、经济性两方面的评价指标，同时对多个隧道掘进支护参数变量进行优化分析，确保设计方案中的设计参数为最优。

技术研发人员：高进,汪洋,阳翼繁,杜佳骏,晏启祥
受保护的技术使用者：成都建工路桥建设有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17