CN104133985A - 隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明涉及一种隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法，评价步骤为：(1)建立风险评价指标体系及其分级标准；(2)构造评价指标的单指标属性测度函数；(3)确定风险区间评价指标的权向量；(4)确定评价指标的测量值区间，计算其单指标属性测度值；(5)根据综合属性测度向量，采用置信度准则进行属性识别。本发明有效考虑了隧道及地下工程地质条件的复杂性和风险的不确定性，不仅可以确定隧道及地下工程中灾害风险等级，还可以给出工程灾害各风险等级的发生概率，从而更好的实现工程灾害风险的定量评价。

Description

隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法。

背景技术

隧道及地下工程涉及交通工程(铁路、公路隧道)、水利水电工程(输水隧洞、地下厂房)等重要工程领域，逐渐成为国家重大基础设施工程建设的重要组成部分，而随着国家“十二五”等战略科技发展的规划，重大工程建设的重心正逐渐向地形地质极端复杂的西部山区转移，建设过程中面临着“大埋深、长洞线、高应力、强岩溶、高水压”等极端地质条件的巨大挑战，加之施工前期的地质勘查工作难以查清隧洞沿线的工程地质和水文地质条件，导致在隧道施工中将面临诸多严重的地质灾害，诸如突水、涌泥、岩爆、塌方、瓦斯突出等，造成重大的经济损失和惨重的人员伤亡。如何准确评价隧道及地下工程的灾害风险，已逐渐成为隧道及地下工程开发中面临的关键技术问题之一。

国内风险分析与评估方面的研究工作现处于发展阶段。20世纪90年代，同济大学、天津大学等以国内一些大型地下工程项目为依托，对风险管理理论及应用等方面进行了探索性研究，迈出了国内土木工程风险管理的第一步。90年代中后期，国内学者将结构可靠度分析方法引入地下工程中，充实了工程风险管理内容，进一步补充与完善了风险管理理论。21世纪初，工程界和学术界对工程领域的风险管理研究非常重视，隧道及地下工程领域风险管理理论逐步细化，在风险评估模式，预测预警与控制决策等几个方面得到快速发展，并取得了不少研究成果。

然而，目前关于隧道及地下工程工程的风险研究还不太完善，基本停留在定性分析或者半定量分析阶段，仍然需要做大量的工作。当前所采用的风险评价理论与方法普遍存在一个问题：在进行隧道及地下工程灾害的风险分析过程中，风险评价指标的取值往往是一个确切值，忽略了地下工程地质条件的复杂性和风险本身的不确定性，而且大多数模型只能定性或半定量给出灾害风险等级，无法给出灾害等级对应的发生概率。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法，本发明采用综合赋权法确定评价指标的权重，既可考虑灾害工程实例数据因素，又可根据现场情况对评价指标进行动态调整，降低了专家主观性对评价结果的影响。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法，包括以下步骤：

步骤一：根据诱发地质灾害发生的主要因素建立风险评价指标体系，根据风险评价指标体系中的评价指标与灾害发生概率和发生次数之间的隶属函数或表征关系，确定出风险评价指标的分级标准及其分级标准对应的分级标准矩阵；

步骤二：根据步骤一中的分级标准矩阵构造评价指标的单指标属性测度函数；

步骤三：采用综合赋权法确定风险区间评价指标的权向量；

步骤四：利用单指标属性测度函数针对测量值区间的下限和上限分别进行计算确定评价指标的测量值区间，计算综合属性测度向量；

步骤五：根据综合属性测度向量，采用置信度准则进行属性识别。

所述步骤一中，针对隧道及地下工程中的某一种地质灾害，获得诱发地质灾害发生的主要因素，遴选出典型影响因素构成风险区间评价指标体系；统计分析出评价指标与灾害发生概率和发生次数之间的隶属函数或表征关系，从而确定出风险评价指标的分级标准及其分级标准对应的分级标准矩阵。

诱发地质灾害发生的主要因素为：地层岩性、不良地质、地下水位、地形地貌、岩层产状、可溶岩与非可溶岩接触带、层面与层间裂隙等。

所述步骤二中，根据分级标准矩阵，构建各评价指标的属性测度函数以计算单指标属性测度。

所述步骤三中，采用综合赋权法确定评价在指标的权重，以反映指标对评价对象的重要程度；综合赋权法权向量由客观权向量和主观权向量加权求和得到。

所述步骤四中，评价指标的测量值为一个区间，单指标属性测度计算时，分别针对测量值区间的下限和上限进行计算；每个评价指标测量值区间的下限和上限分别对应一个行向量；针对每个评价指标，从中任选一个作为新的矩阵的行向量，计算该矩阵的综合属性测度。将测量值代入单指标属性测度函数公式中，计算得到的结果为评价指标的测度。

所述步骤五中，汇总计算得到的综合属性测度，求其各风险等级对应的综合属性测度的平均值，采用置信度准则进行属性识别分析，得到评价对象的风险等级；然后，采用置信度准则计算每一种组合下的风险等级，统计分析各风险等级所占的比例，从而获得地质灾害等级对应的发生概率。

所述步骤一中，设风险区间评价指标体系中风险评价指标因素共有m个，风险等级划分为n个等级，则评价指标分级标准矩阵A表示如下：

式中，A中每一行元素均应满足a_i0<a_i1<…<a_in，或a_i0>a_i1>…>a_in；i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n。

所述步骤二中，设隧道及地下工程灾害的风险划分为5个等级，即矩阵A中n＝5；构造评价指标的单指标属性测度函数；b_ij、d_ij可由下式计算得到：

$b_{\mathrm{ij}}=\frac{a_{\mathrm{ij}-1}+a_{\mathrm{ij}}}{2}---\left(2\right)$

d_ij＝min{|b_ij-a_ij|，|b_ij+1-a_ij|}    (3)

式(1)中j满足j＝1，2，…，n；式(2)中j满足，j＝1，2，…，n-1，μ_ij为第i个评价指标的测量值t具有属性C_j即风险等级的大小，a_ij-1、a_ij分别为矩阵A中第i行第j-1列、第j列元素，b_ij、b_ij+1、d_ij是为构造单指标属性测度函数引入的参数。

所述步骤三中，综合赋权法权向量由客观权向量P和主观权向量Q加权求和得到：

ω＝ψ₁·P+ψ₂·Q＝ψ₁·[p₁，p₂，…，p_m]+ψ₂·[q₁，q₂，…，q_m]   (4)

ψ₁+ψ₂＝1     (5)

式中，ψ₁、ψ₂为客观权重与主观权重的分配权值，由专家信心指数法获得；ω为评价指标的权向量，p₁，p₂，…，p_m为评价指标的客观权值，q₁，q₂，…，q_m为评价指标的主观权值。

客观权向量采用频数统计法对典型工程案例进行统计获得：

$p_i=(N_i/N)/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(N_i/N)---\left(6\right)$

式中：N为典型工程案例的总数；n为评价指标的总数；N_i为评价指标频数；p_i为评价指标所占频率，即客观权值。

主观权向量通过层次分析法采用1～9标度方法构造判断矩阵计算获得：

$q_i={\left(\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{\mathrm{ij}}\right)}^{1/m}/\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{\mathrm{ij}}\right)}^{1/m}---\left(7\right)$

${\mathrm{\&lambda;}}_{\max }=\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\left(\mathrm{Aq}\right)}_i/q_i)\right)/m---\left(8\right)$

$\mathrm{CR}=\frac{\mathrm{CI}}{\mathrm{RI}}=\frac{({\mathrm{\&lambda;}}_{\max }-m)/(m-1)}{\mathrm{RI}}---\left(9\right)$

式中，A为判断矩阵；λ_max为判断矩阵的最大特征值，CI为一般一致性指标；RI为平均随机一致性指标；CR为随机一致性比率。判断矩阵须满足一致性检验要求，即CR<0.1。q_i为评价指标的主观权值，P_ij为判断矩阵中第i行所有元素的乘积。

所述步骤四中，评价指标的测量值为一个区间，如下式所示：

I_i＝[t_id，t_iu]    (10)

式中，t_id、t_iu分别为测量值区间的下限值和上限值。单指标属性测度计算时，分别针对测量值区间的下限和上限进行计算，得到t_id、t_iu对应的单指标属性测度矩阵：

U_d、U_u可看作是由m个1×n阶行向量组成的矩阵，共有2m个行向量，即每个评价指标测量值区间的下限和上限分别对应一个行向量u_idj、u_iuj；针对每个评价指标，从u_idj、u_iuj中任选一个作为新的矩阵U的第i行，由此可构建2^m个U矩阵；

设u_ji为矩阵U的第j列，则通过下式可计算矩阵U第j列对应的综合属性测度

u_j＝ω·u_ji＝[ω₁，ω₂，…，ω_m]·[u_j1，u_j2，…，u_jm]^T    (12)

u_j＝[u₁，u₂，…，u_m]    (13)

其中，ω₁，ω₂，…，ω_m为评价指标的权值，u_j1，u_j2，…，u_jm为矩阵U的第j列元素，u₁，u₂，…，u_m为评价等级的综合属性测度。

所述步骤五中，属性识别的目的是由综合属性测度μ_j判断评价对象属于哪一个评价级别C_j。属性识别模型中采用置信度准则：设(C₁，C₂，…，C_n)是属性空间F的一个有序评价集，λ为置信度，且0.5＜λ≤1，一般取0.6～0.7。

若满足

$j_0=\left\{\begin{array}{c}\min \{j:\underset{l=1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{jl}}\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;},1\&le;j\&le;n\},C_1>C_2>...>C_n\\ \max \{j:\underset{l=j}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{jl}}\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;},1\&le;j\&le;n\},C_1<C_2<...<C_n\end{array}\right.---\left(14\right)$

则认为评价对象等级为C_j0级别。μ_jl为第l个等级的综合属性测度。

所述步骤四中，可构建2^m个U矩阵，从而得到2^m个综合属性测度向量，汇总计算得到的综合属性测度2^m个，求其各风险等级对应的综合属性测度的平均值，再利用式(14)进行属性识别分析，得到评价对象的风险等级；然后，利用式(14)计算每一种组合下的j₀取值，同理可得2^m个值，统计分析j₀分别取1，2，3，…，n时各有多少种组合，计算风险等级所占的比例，从而获得地质灾害等级对应的发生概率。

本发明的有益效果：

本发明提供的隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法，其有益之处在于：

(1)可对影响地质灾害的风险因素进行客观的分析，有效的遴选出典型的影响因素构建评价指标体系，降低了次要因素对评价结果的影响；

(2)采用综合赋权法确定评价指标的权重，既可考虑灾害工程实例数据因素，又可根据现场情况对评价指标进行动态调整，降低了专家主观性对评价结果的影响；

(3)评价指标测量值为一个区间，有效考虑了隧道及地下工程地质条件的复杂性和风险的不确定性，可以更好地对工程灾害风险进行评价；

(4)不仅可以确定隧道及地下工程中灾害的风险等级，还可以给出工程灾害各风险等级的发生概率，从而实现灾害风险等级的定量识别。

附图说明

图1是本发明的评价步骤流程图；

图2(a)是单指标属性测度函数计算公式图一；

图2(b)是单指标属性测度函数计算公式图二。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法，包括以下步骤：

(1)建立风险评价指标体系及其分级标准。

针对隧道及地下工程中的某一种地质灾害，***收集国外内相关工程实例资料，并进行归类整理分析，获得诱发地质灾害发生的主要因素，遴选出典型影响因素构成风险区间评价指标体系。统计分析出评价指标与灾害发生概率和发生次数之间的隶属函数或表征关系，从而确定出风险评价指标的分级标准。设风险评价指标因素共有m个，风险等级划分为n个等级，则评价指标分级标准矩阵A表示如下：

式中，A中每一行元素均应满足a_i0<a_i1<…<a_in，或a_i0>a_i1>…>a_in；i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n。

(2)构造评价指标的单指标属性测度函数。

根据评价指标分级标准矩阵A，构建各评价指标的属性测度函数以计算单指标属性测度。

设隧道及地下工程灾害的风险划分为5个等级，即矩阵A中n＝5；可根据如图2(a)-2(b)所示，所示方法构造评价指标的单指标属性测度函数。

图中，μ_ij为第i个评价指标的测量值t具有属性C_j(风险等级)的大小；b_ij、d_ij可由下式计算得到：

$b_{\mathrm{ij}}=\frac{a_{\mathrm{ij}-1}+a_{\mathrm{ij}}}{2}---\left(2\right)$

d_ij＝min{|b_ij-a_ij|，|b_ij+1-a_ij|}    (3)

式(1)中j满足j＝1，2，…，n；式(2)中j满足，j＝1，2，…，n-1。

(3)确定风险区间评价指标的权向量。

采用综合赋权法确定评价在指标的权重，以反映评价指标对评价对象的重要程度。综合赋权法权向量由客观权向量P和主观权向量Q加权求和得到：

ω＝ψ₁·P+ψ₂·Q＝ψ₁·[p₁，p₂，…，p_m]+ψ₂·[q₁，q₂，…，q_m]    (4)

ψ₁+ψ₂＝1    (5)

式中，ψ₁、ψ₂为客观权重与主观权重的分配权值，由专家信心指数法获得。

客观权向量采用频数统计法对典型工程案例进行统计获得：

$p_i=(N_i/N)/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(N_i/N)---\left(6\right)$

式中：N为典型工程案例的总数；n为评价指标的总数；N_i为评价指标频数。

主观权向量通过层次分析法采用1～9标度方法构造判断矩阵计算获得：

$q_i={\left(\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{\mathrm{ij}}\right)}^{1/m}/\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Pi;}}}{P}_{\mathrm{ij}}\right)}^{1/m}---\left(7\right)$

${\mathrm{\&lambda;}}_{\max }=\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\left(\mathrm{Aq}\right)}_i/q_i)\right)/m---\left(8\right)$

$\mathrm{CR}=\frac{\mathrm{CI}}{\mathrm{RI}}=\frac{({\mathrm{\&lambda;}}_{\max }-m)/(m-1)}{\mathrm{RI}}---\left(9\right)$

式中，A为判断矩阵；λ_max为判断矩阵的最大特征值，CI为一般一致性指标；RI为平均随机一致性指标；CR为随机一致性比率。判断矩阵须满足一致性检验要求，即CR<0.1。

(4)确定评价指标的测量值区间，计算其单指标属性测度值。

评价指标的测量值为一个区间，如下式所示：

I_i＝[t_id，t_iu]    (10)

式中，t_id、t_iu分别为测量值区间的下限值和上限值。单指标属性测度计算时，分别针对测量值区间的下限和上限进行计算，得到t_id、t_iu对应的单指标属性测度矩阵：

U_d、U_u可看作是由m个1×n阶行向量组成的矩阵，共有2m个行向量，即每个评价指标测量值区间的下限和上限分别对应一个行向量u_idj、u_iuj；针对每个评价指标，从u_idj、u_iuj中任选一个作为新的矩阵U的第i行，由此可构建2^m个U矩阵。

设u_ji为矩阵U的第j列，则通过下式可计算矩阵U第j列对应的综合属性测度

u_j＝ω·u_ji＝[ω₁，ω₂，…，ω_m]·[u_j1，u_j2，…，u_jm]^T    (12)

u_j＝[u₁，u₂，…，u_m]    (13)

(5)根据综合属性测度向量，采用置信度准则进行属性识别。

属性识别的目的是由综合属性测度μ_j判断评价对象属于哪一个评价级别C_j。属性识别模型中采用置信度准则：设(C₁，C₂，…，C_n)是属性空间F的一个有序评价集，λ为置信度，且0.5＜λ≤1，一般取0.6～0.7。

若满足

$j_0=\left\{\begin{array}{c}\min \{j:\underset{l=1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{jl}}\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;},1\&le;j\&le;n\},C_1>C_2>...>C_n\\ \max \{j:\underset{l=j}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{jl}}\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;},1\&le;j\&le;n\},C_1<C_2<...<C_n\end{array}\right.---\left(14\right)$

则认为评价对象等级为C_j0级别。

步骤(4)计算过程中可构建2^m个U矩阵，从而得到2^m个综合属性测度向量，汇总计算得到的综合属性测度(2^m个)，求其各风险等级对应的综合属性测度的平均值，再利用式(14)进行属性识别分析，得到评价对象的风险等级；然后，利用式(14)计算每一种组合下的j₀取值，同理可得2^m个值，统计分析j₀分别取1，2，3，…，n时各有多少种组合，计算风险等级所占的比例，从而获得地质灾害等级对应的发生概率。

Claims (8)

1.隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：根据诱发地质灾害发生的主要因素建立风险评价指标体系，根据风险评价指标体系中的评价指标与灾害发生概率和发生次数之间的隶属函数或表征关系，确定出风险评价指标的分级标准及其分级标准对应的分级标准矩阵；

步骤二：根据步骤一中的分级标准矩阵构造评价指标的单指标属性测度函数；

步骤三：采用综合赋权法确定风险区间评价指标的权向量；

步骤四：利用单指标属性测度函数针对测量值区间的下限和上限分别进行计算确定评价指标的测量值区间，计算综合属性测度向量；

步骤五：根据综合属性测度向量，采用置信度准则进行属性识别。

2.如权利要求1所述的隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法，其特征是，所述步骤一中，针对隧道及地下工程中的某一种地质灾害，获得诱发地质灾害发生的主要因素，遴选出典型影响因素构成风险区间评价指标体系；统计分析出评价指标与灾害发生概率和发生次数之间的隶属函数或表征关系，从而确定出风险评价指标的分级标准及其分级标准对应的分级标准矩阵。

3.如权利要求1所述的隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法，其特征是，所述步骤二中，根据分级标准矩阵，构建各评价指标的属性测度函数以计算单指标属性测度。

4.如权利要求1所述的隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法，其特征是，所述步骤三中，采用综合赋权法确定评价在指标的权重，以反映指标对评价对象的重要程度；综合赋权法权向量由客观权向量和主观权向量加权求和得到。

5.如权利要求1所述的隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法，其特征是，所述步骤四中，评价指标的测量值为一个区间，单指标属性测度计算时，分别针对测量值区间的下限和上限进行计算；每个评价指标测量值区间的下限和上限分别对应一个行向量；针对每个评价指标，从中任选一个作为新的矩阵的行向量，计算该矩阵的综合属性测度。

6.如权利要求1所述的隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法，其特征是，所述步骤五中，汇总计算得到的综合属性测度，求其各风险等级对应的综合属性测度的平均值，采用置信度准则进行属性识别分析，得到评价对象的风险等级；然后，采用置信度准则计算每一种组合下的风险等级，统计分析各风险等级所占的比例，从而获得地质灾害等级对应的发生概率。

7.如权利要求2所述的隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法，其特征是，所述步骤一中，设风险区间评价指标体系中风险评价指标因素共有m个，风险等级划分为n个等级，则评价指标分级标准矩阵A表示如下：

式中，A中每一行元素均应满足a_i0<a_i1<…<a_in，或a_i0>a_i1>…>a_in；i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n。

8.如权利要求3所述的隧道及地下工程地质灾害风险属性区间评价方法，其特征是，所述步骤二中，设隧道及地下工程灾害的风险划分为5个等级，即矩阵A中n＝5；构造评价指标的单指标属性测度函数；b_ij、d_ij可由下式计算得到：

$b_{\mathrm{ij}}=\frac{a_{\mathrm{ij}-1}+a_{\mathrm{ij}}}{2}---\left(2\right)$

d_ij＝min{|b_ij-a_ij|，|b_ij+1-a_ij|}     (3)

式(1)中j满足j＝1，2，…，n；式(2)中j满足，j＝1，2，…，n-1，μ_ij为第i个评价指标的测量值t具有属性C_j即风险等级的大小，a_ij-1、a_ij分别为矩阵A中第i行第j-1列、第j列元素，b_ij、b_ij+1、d_ij是为构造单指标属性测度函数引入的参数。