CN103093400A - 一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程风险评价领域，具体为一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法。其主要包括如下步骤：步骤一，构建评价指标体系；步骤二，构建评价指标的标准可拓云模型；步骤三，通过主客观赋权法计算得到评价指标的权重矩阵；步骤四，通过云关联度计算待评对象的关联度矩阵，并结合评价指标权重值通过加权平均法得出待评对象的安全评价等级；步骤五，衡量安全评价等级的可靠性。本发明结合了云模型与可拓理论的优点，为不同安全等级的邻近建筑物的保护控制提供有效决策支持建议。

Description

一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法

技术领域

本发明属于工程风险评价领域，具体为一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法。

背景技术

隧道施工必然会对周围土体产生一定的扰动，从而引起土体变形和地表沉降，尤其是对邻近建筑物的安全影响表现较为明显。当地层移动和地表变形超过一定的限度时就会造成地面沉陷及周边建筑物损害等事故，造成严重经济损失和不良的社会影响。尤其对于城市地下隧道工程，一般都穿越城市中心地带，因建筑物密集、施工场地狭小、地质情况复杂、地下管网密布、交通繁忙受到限制，更需要严格控制隧道施工对邻近建筑物的损害。因此，开展隧道施工对邻近建筑物的安全性分析及其评价对于邻近建筑物的保护控制具有十分重要的意义。

现有的综合评价方法大体上可以归纳为以下三类：基于模糊数学理论的方法，如模糊层次分析法；基于概率统计学原理的方法，如密切值法、事故树分析法等；基于人工智能算法的评价方法，如神经网络、支持向量机、遗传算法及粗糙集方法等。概括而言，这些评价方法各具特色，对隧道施工环境中邻近建筑物的安全分析与评价起到了重要的参考借鉴作用。但是，受历史综计数据的不完整性、专家知识的局限性、经验评判与表达的不确定性等因素影响，评价指标的分级划分具有较大的模糊性与随机性，现有研究成果大多未能给出其有效合理的表示，在一定程度上降低了评价结果的可信度。

云模型是一种定性知识描述与定量数值之间不确定性的转换模型，它把模糊性和随机性有机结合起来，实现了定性概念与其定量表示之间的不确定性转换，能够有效表达人类知识中关于定性概念的模糊性和随机性，在知识表示、数据挖掘及智能控制领域已经得到了有效运用。云模型的知识表达和不确定性推理为隧道施工环境中邻近建筑物的安全分析与评价提供了新的思路。与此同时，可拓理论将模糊集合的[0,1]区间拓展到(-∞,+∞)的实数轴上，评价客观，计算简便，且能够直接利用原始数据，省去了数据的归一化处理过程，避免了可能出现的信息丢失。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法，其结合了云模型与可拓理论的优点，为不同安全等级的邻近建筑物的保护控制提供有效决策支持建议。

为实现上述技术目的，本发明提供的方案是：一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法，包括如下步骤。

步骤一，构建评价指标体系。融合地铁隧道施工标准规范、设计施工手册及科技文献等先验知识及工程实践经验，总结归纳隧道施工对周围环境（尤其是邻近建筑物）的安全影响规律，构建包含代表隧道相关参数、水文地质因素、建筑物因素及管理因素四个准则层的综合评价指标体系。

所述隧道参数包括隧道埋深、覆跨比及地层损失率；所述水文地质因素包括摩擦角、压缩模量、粘聚力及泊松比；所述建筑物因素包括建筑结构、历史价值、建筑物完好现状及邻近关系；所述管理因素包括施工难度、管理水平及监控量测水平。

步骤二，构建评价指标的标准可拓云模型。根据评估指标的数据来源与性质不同，利用可拓理论对各评估指标的原始数据进行等级划分；同时结合云模型全面考虑评估指标分级界限的随机性和模糊性，引入熵E _n和超熵H _e构建各指标的标准可拓云模型。

步骤三，通过主客观赋权法计算得到评价指标的权重矩阵。集成主观的层次分析法和客观的熵权法，利用公式                                                求得评估指标的综合权重。其中，表示通过层次分析法得到各项评估指标的权重值，

表示通过熵权法得到各项评估指标的权重值。

步骤四，通过云关联度计算待评对象的关联度矩阵，并结合评价指标权重值通过加权平均法得出待评对象的安全评价等级。利用云关联度公式

计算待评对象的关联度矩阵，并结合评估指标的权重值采用加权平均法得出待评对象的综合安全评价等级K。

步骤五，衡量安全评价等级的可靠性。为消除计算过程中存在的随机不确定性.，通过m次重复运算后求出待评对象的综合安全等级多个结果（K ₁, K ₂, ..., K _m），计算求得综合安全评价等级的期望值

与

，提出采用安全可信度因子衡量评价结果的可靠性。

本发明具有如下优点。

（1）本发明可直接利用原始数据进行客观公正的评价，省去了传统安全性评估中数据归一化处理过程，避免了可能出现的信息丢失与主观性因素干扰，具有计算简捷实用、结果准确可靠等优点，对于城市隧道施工综合安全性评价具有较大的借鉴意义及推广价值。

（2）本发明通过采用多次重复计算消除了综合评估结果中存在的随机不确定性，并提出用可信度因子 来衡量评价结果的可靠性，充分考虑了工程实践不确定的边界条件，符合人们对安全性水平的认知习惯，具有先进性和实用性。

附图说明

图1是本发明的方法步骤示意图。

图2是评价指标体系的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

本实施例提供一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法，以武汉地铁越江隧道沿线邻近建筑物的安全评价为例，如图1和图2所示，包括如下步骤。

步骤一，构建评价指标体系。融合地铁隧道施工标准规范、设计施工手册及科技文献等先验知识及工程实践经验，总结归纳隧道施工对周围环境（尤其是邻近建筑物）的安全影响规律，如图1所示，构建包含代表隧道相关参数、水文地质因素、建筑物因素及管理因素四个准则层的综合评价指标体系。

理论分析和大量工程经验实践证明，所述隧道参数包括隧道埋深、覆跨比及地层损失率；所述水文地质因素包括摩擦角、压缩模量、粘聚力及泊松比；所述建筑物因素包括建筑结构、历史价值、建筑物完好现状及邻近关系；所述管理因素包括施工难度、管理水平及监控量测水平。前述14项评价指标分别划分为5个安全等级“1,2,3,4,5”及其对应的双约束区间[C_min, C_max]。安全级别越高，反映评估指标的安全状况越差，如表1所示。

表1 评价指标安全等级划分及其量值范围

步骤二，构建评价指标的标准可拓云模型。根据评估指标的数据来源与性质不同，利用可拓理论对各评估指标的原始数据进行等级划分；同时利用云模型还原评估指标分类等级约束区间的边界值存在的随机不确定性。通过区间数与正态云模型的转换关系式计算出评估指标云模型的期望值E _x、熵E _n、超熵H _e。各项评估指标的标准正态云模型计算公式如式（1）所示。式（1）中，s为常数，可根据相应评估指标的不确定性的实际情况进行调整，优选0.002。因此得到隧道施工邻近建筑物14个安全性评估指标的标准正态云模型，结果如表2所示，

                            （1）。

表2 评估指标标准正态云模型

步骤三，通过主客观赋权法计算得到评价指标的权重矩阵。通过层次分析法得到各项评估指标

的权重值为

，用来反映了评价专家的主观判断。同时，通过熵权法得到的权重值为，用来反映各评价对象的固有信息。通过公式（2）将两者合并成为一个综合权重值

。全部权重值计算结果构成各项评估指标的权重矩阵W，如式（3）所示，

                      （2），

                  （3）。

步骤四，通过云关联度计算待评对象的关联度矩阵，并结合评价指标权重值通过加权平均法得出待评对象的安全评价等级。待评对象用P表示，p _i  (i=1,2,…n)为待评对象P关于第i项评价指标c _i 的量值，即待评对象各指标的实际值，如式（4）所示。第i项指标实测值p _i 可被视为一个云滴，其与该指标位于第j级安全等级的正态可拓云模型(E _xij,E _nij,H _eij)之间的关联度用q _ij（i=1,2,3…，n；j=1,2,3,4,5）表示，计算公式如式（5）所示。其中，E _nij’为以E _xij为期望值,以H _eij为标准差所产生服从正态分布的随机数。Q表示待评对象的关联度矩阵，如式（6）所示，

                         （4），

                           （5）， 

                           （6）。

结合各安全评估指标的权重矩阵W及待评对象的关联度矩阵Q，通过公式（7）可得到待评对象的综合评价向量B。利用加权平均法得出待评对象的综合安全评价等级K，其计算公式如式（8）所示。其中，

为待评对象处于安全等级j的评价得分值，安全等级1~5对应的分数依次取值为1,2,3,4,5，

                        （7），

                             （8）。

步骤五，衡量安全评价等级的可靠性。待评对象的关联度矩阵Q在计算过程中存在一定的随机性，经过m次重复运算后可求得待评对象的综合安全评价等级呈现多个结果（K ₁, K ₂, ..., K _m）。m值一般按经验可取1000。分别用公式（9）和（10）计算求得综合安全评价等级的期望值

与。其中，

能够代表待评对象综合安全评价等级的平均水平，

是对评估结果分散度的衡量，其值越大评价结果越分散。提出采用可信度因子来衡量评价结果的可靠性，其计算公式如式（11）所示。值越大，表示评价结果的集中趋势越明显，可信度就越大，反之则评价结果的可信度越小，

                       （9），

                     （10），

                                    （11）。

针对武汉越江隧道工程沿线10栋邻近隧道建筑物进行了调查分析，根据前文构建的综合安全评价指标体系，隧道沿线10栋邻近建筑物的评估指标实际值如表3所示。

表 3 武汉越江隧道沿线邻近建筑物的评估指标实际值

根据前述步骤，武汉越江隧道沿线10栋建筑物的综合安全评估等级及其可信度因子的计算结果如表4所示。从风险排序来看，9#、10#建筑物在隧道施工环境中存在的风险相当高，需要引起施工方的足够重视，并采取相应加固措施，制定应急预案及监控预警措施。同时，各栋建筑物综合评价等级结果的可信度因子θ均十分接近1，表明评价结果的可信度较高，进一步证明了本发明所提出的安全评价方法的准确性与可靠性。

表4 武汉越江隧道沿线建筑物综合安全等级及可信度评估结果

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，构建评价指标体系；

步骤二，构建评价指标的标准可拓云模型；

步骤三，通过主客观赋权法计算得到评价指标的权重矩阵；

步骤四，通过云关联度计算待评对象的关联度矩阵，并结合评价指标权重值通过加权平均法得出待评对象的安全评价等级；

步骤五，衡量安全评价等级的可靠性。

2.根据权利要求1所述的一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法，其特征在于：步骤一中所述的评价指标包括隧道参数、水文地质因素、建筑物因素及管理因素。

3.根据权利要求2所述的一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法，其特征在于：所述隧道参数包括隧道埋深、覆跨比及地层损失率；所述水文地质因素包括摩擦角、压缩模量、粘聚力及泊松比；所述建筑物因素包括建筑结构、历史价值、建筑物完好现状及邻近关系；所述管理因素包括施工难度、管理水平及监控量测水平。

4.根据权利要求1所述的一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法，其特征在于：步骤二中所述的标准可拓云模型是利用可拓理论对评价指标进行等级划分，并结合云模型由熵En和超熵He评价随机性和模糊性后界定评价指标分级界限。

5.根据权利要求1所述的一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法，其特征在于：步骤三中所述的主客观赋权法是集成主观的层次分析法和客观的熵权法，利用公式                                                

得到评价指标的综合权重，其中，

表示通过层次分析法得到各项评价指标的权重值，

表示通过熵权法得到各项评价指标的权重值。

6.根据权利要求1所述的一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法，其特征在于：步骤四中所述云关联度的公式为

。

7.根据权利要求1所述的一种隧道施工中邻近建筑物安全性定量评价方法，其特征在于：步骤五具体为通过m次重复运算后求出待评对象的综合安全等级多个结果（K ₁, K ₂, ..., K _m），计算得到综合安全评价等级的期望值

与

，采用安全可信度因子衡量评价结果的可靠性。

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