CN116468282A - 一种隧道突涌水风险等级评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种隧道突涌水风险等级评估方法，包括获取引起隧道突水的风险因素作为隧道突水因素，对获取的隧道突水因素进行分类筛选以及对比，筛除作忽略考虑的风险因素并确立风险等级评价体系，优化穆迪图表并计算风险因素主观权重和客观权重，构建单因素未确知测度函数和未确知测度矩阵，以及判别风险等级并对风险等级评价指标进行重要性排序；本发明采用穆迪组合图表对德尔菲法结果进行反馈，以对比因素间重要性替代具体数值赋分，综合考虑风险发生概率与风险损失的影响，以此来确立风险等级评价体系，来判断风险等级并对指标进行重要性排序，解决了部分风险因素无法定量进行对比的问题，提高了隧道突涌水风险等级评估的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道风险等级评估技术领域，尤其涉及一种隧道突涌水风险等级评估方法。
背景技术
我国城市地铁建设正在高速建设发展中，隧道施工安全问题是一个困扰已久的重要问题，其中突水突泥以其人员伤亡大、经济损失大的特点显然已成为隧道施工的重要致灾因素，若不针对此因素进行预测防治，所引发的工程事故会带来重大经济损失，人员伤亡，并对施工造成重大影响。
目前，在针对隧道突水突泥的风险问题上已有大量研究成果，其中大量运用了层次分析法，熵权法，德尔菲法等，但是，在确立风险等级评估体系问题上，多数风险分析忽视了风险损失，还需进行进一步研究。
不仅如此，在风险权重的计算中也存在着较强的主观性，对权重值的准确性存在一定程度上影响，在风险等级评价过程中，普遍存在着评价内容复杂，专家对风险因素赋分存在主观性较强，一致性较差等问题，在层次分析法中，采用互反判断矩阵，对权重产生了放大效应，从而导致最终的风险等级评估结果不够准确，因此，本发明提出一种隧道突涌水风险等级评估方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种隧道突涌水风险等级评估方法，解决现有的针对隧道突水突泥的风险等级评估方法忽视了风险损失，缺少风险概率与损失结合的综合考虑，以及在风险等级评价过程中，普遍存在着评价内容复杂，专家对风险因素赋分存在主观性较强，一致性较差，并导致风险等级评估结果不够准确的问题。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种隧道突涌水风险等级评估方法，包括以下步骤：
步骤一：先在隧道施工前期的地质勘查阶段，获取隧道及其周围环境的工程地质与水文地质环境数据参数作为地质勘察资料，再根据地质勘察资料、专家经验以及类比相似隧道工程，得出容易引起隧道突水的风险因素作为隧道突水因素；
步骤二：先将步骤一中得到的隧道突水因素分为一级因素和二级因素，接着将隧道突水因素按照一级因素分类进行筛选，再由专家从风险概率和风险后果方面对二级因素进行对比并作出专家反馈；
步骤三：先应用穆迪组合次序表对步骤二中的专家反馈信息进行处理，以穆迪组合次序表形式进行反馈并构建穆迪图表，再综合风险概率与风险后果评分总和对二级因素进行排序，筛除对隧道工程影响过小并作忽略考虑的风险因素，然后由剩余因素确立风险等级评价体系；
步骤四：先采用orness测度优化步骤三中构建的穆迪图表，并计算各个专家的权力系数，再分别计算一级风险因素及其子级风险因素主观权重，接着使用熵权法确定各风险因素客观权重值，并计算一级风险因素及其子级风险因素客观权重；
步骤五：先采用综合赋权法对步骤四中计算得到的主观权重和客观权重进行组合并计算综合权重，再构建单因素未确知测度函数，并根据各因素评价值得出单因素未确知测度矩阵，然后由单因素未确知测度矩阵计算单因素未确知测度向量；
步骤六：先根据步骤五中的单因素未确知测度向量计算结果，使用置信度准则判别风险等级，最后根据风险等级判别结果结果对风险指标进行重要性排序。
进一步改进在于：所述步骤一中，计算勘察得到的数据参数的COV变异系数值来判断勘察结果是否有效，若COV值大于0.8则无效，并重新进行勘察，COV变异系数的计算公式为：
其中，σ为该组数据参数的标准差，μ为该组数据的平均数。
进一步改进在于：所述步骤二中，一级因素包括围岩特征、水文条件和施工设计因素，二级因素包括不良地质、地层岩性、接触带类型、岩层产状、地形地貌、岩溶发育程度、围岩级别、地下富水性、渗透系数、降雨量、季节因素、隧道埋深、开挖方式、超前地质预报、开挖支护和施工组织管理。
进一步改进在于：所述步骤四中，采用orness测度进行优化时，假设有t个权力系数，然后对t个权力系数进行优先级排序，假设优先级排序为Z1＞Z2＞…＞Zt，其中Zt指第t个权力系数，＞符号表示排列顺序，＞符号左边权力系数优先级大于右边权力系数，记权利系数t的取值为qt，即q1≥q2≥...≥qt成立。
进一步改进在于：所述步骤四中，采用orness测度优化穆迪图表的具体步骤如下：
A1、假设n个专家参与风险因素权重评价，则第i个专家所拥有的权利系数qi的计算公式为：
其中，qi的取值范围为[0，1]；
A2、各个参数值权重系数根据非线性约束的优化模型确定，在orness测度已知的情况下，以orness测度作为约束条件求解目标函数的最大值，具体公式如下：
借用上述公式计算得出各个参与评价的专家的权力系数，任意一个专家得到的权力系数不大于其他专家得到的权力系数之和，即q1≤q2+q3+...+qi+...+qt，q2≤q3+q4+...+qi+...+qt，...，qt-1≤qt；
A3、参与评价的专家对所有指标进行两两对比，假设专家i对指标Ai与Aj重要性进行对比，若Ai重要性大于Aj，则专家i对aij赋值为1，aij赋值为0，则n名专家对j个指标进行两两对比，与专家权重系数结合进行汇总得到总评价值，组成判断矩阵，计算公式为：
其中，n为专家数量，j为指标数量；
A4、将判断矩阵中第i行向量相加求和，得到行向量之和ait，各因素权重值的计算公式为：
其中，wi为因素i的主观权重值。
进一步改进在于：所述步骤四中，采用熵权法确定各风险因素客观权重值的具体步骤为：
B1、假设评价指标有n个，评价对象有m个，得到评价矩阵如下：
R＝(rij)n×m
并采用如下公式进行标准化：
其中，
B2、定义第i个指标的熵的计算公式为：
其中，时，fijlnfij＝0；
则客观权重的计算公式为：
其中，ui为客观权重。
进一步改进在于：所述步骤五中，综合权重计算公式为：
其中，Wi为第i个评价指标的综合评价权重，wi为第i个评价指标的主观权重值，ui为第i个评价指标的客观权重值。
进一步改进在于：所述步骤六中，判别风险等级时将隧道风险等级划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级，分别对应重大风险、较大风险、一般风险和较低风险。
本发明的有益效果为：本发明采用穆迪组合图表对德尔菲法结果进行反馈，以对比因素间重要性替代具体数值赋分，综合考虑风险发生概率与风险损失的影响，以此来确立风险等级评价体系，解决了常规AHP法计算主管权重时，互反判断矩阵带来的放大效应，并且无需反复验证判断矩阵一致性，以orness度为优化目标，优化专家权数，提高赋权科学性，再通过熵权法确定工程的风险因素的客观权重值，并将所得到的主观权重值与客观权重值进行组合计算综合权重，利用得到的结果判断风险等级并对指标进行重要性排序，解决了部分风险因素无法定量进行对比的问题，提高了隧道突涌水风险等级评估的准确性，使施工方可以根据未确知测度评定等级确定该施工区段风险等级，及时制定相应方案，有助于减少施工事故发生，减少施工损失以及提高施工的科学性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的风险等级评估方法流程示意图；
图2是本发明实施例中的围岩级别单因素未确知测度指标示意图；
图3是本发明实施例中的隧道埋深单因素未确知测度示意图；
图4是本发明实施例中的岩溶发育程度示意图；
图5是本发明实施例中的降雨量示意图；
图6是本发明实施例中的渗透系数度示意图；
图7是本发明实施例中的地下富水性示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动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。
参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7，本实施例提供了一种隧道突涌水风险等级评估方法，包括以下步骤：
步骤一：先在隧道施工前期的地质勘查阶段，获取隧道及其周围环境的工程地质与水文地质环境数据参数作为地质勘察资料，再根据地质勘察资料、专家经验以及类比相似隧道工程，得出容易引起隧道突水的风险因素作为隧道突水因素；
计算勘察得到的数据参数的COV变异系数值来判断勘察结果是否有效，若COV值大于0.8则无效，并重新进行勘察，COV变异系数的计算公式为：
其中，σ为该组数据参数的标准差，μ为该组数据的平均数；
步骤二：先将步骤一中得到的隧道突水因素分为一级因素和二级因素，接着将隧道突水因素按照一级因素分类进行筛选，再由专家从风险概率和风险后果方面对二级因素进行对比并作出专家反馈；
其中一级因素包括围岩特征、水文条件和施工设计因素；
二级因素包括不良地质、地层岩性、接触带类型、岩层产状、地形地貌、岩溶发育程度、围岩级别、地下富水性、渗透系数、降雨量、季节因素、隧道埋深、开挖方式、超前地质预报、开挖支护和施工组织管理
步骤三：先应用穆迪组合次序表对步骤二中的专家反馈信息进行处理，以穆迪组合次序表形式进行反馈并构建穆迪图表，再综合风险概率与风险后果评分总和对二级因素进行排序，筛除对隧道工程影响过小并作忽略考虑的风险因素，然后由剩余因素确立风险等级评价体系；
步骤四：先采用orness测度优化步骤三中构建的穆迪图表，并计算各个专家的权力系数，再分别计算一级风险因素及其子级风险因素主观权重，接着使用熵权法确定各风险因素客观权重值，并计算一级风险因素及其子级风险因素客观权重；
采用orness测度进行优化时，假设有t个权力系数，然后对t个权力系数进行优先级排序，假设优先级排序为Z1＞Z2＞…＞Zt，其中Zt指第t个权力系数，＞符号表示排列顺序，＞符号左边权力系数优先级大于右边权力系数，记权利系数t的取值为qt，即q1≥q2≥...≥qt成立；
假设n个专家参与风险因素权重评价，则第i个专家所拥有的权利系数qi的计算公式为：
其中，qi的取值范围为[0，1]；
各个参数值权重系数根据非线性约束的优化模型确定，在orness测度已知的情况下，以orness测度作为约束条件求解目标函数的最大值，具体公式如下：
为保证评价体系的公平，借用上述公式计算得出各个参与评价的专家的权力系数，任意一个专家得到的权力系数不大于其他专家得到的权力系数之和，即：
q1≤q2+q3+...+qi+...+qt
q2≤q3+q4+...+qi+...+qt
...
qt-1≤qt；
参与评价的专家对所有指标进行两两对比，假设专家i对指标Ai与Aj重要性进行对比，若Ai重要性大于Aj，则专家i对aij赋值为1，aij赋值为0，则n名专家对j个指标进行两两对比，与专家权重系数结合进行汇总得到总评价值，组成判断矩阵，计算公式为：
其中，n为专家数量，j为指标数量；
将上述判断矩阵中第i行向量相加求和，得到行向量之和ait，各因素权重值的计算公式为：
其中，wi为因素i的主观权重值；
采用熵权法确定各风险因素客观权重值的具体步骤为：
假设评价指标有n个，评价对象有m个，得到评价矩阵如下：
R＝(rij)n×m
并采用如下公式进行标准化：
其中，
定义第i个指标的熵的计算公式为：
其中，时，fijlnfij＝0；
则客观权重的计算公式为：
其中，ui为客观权重；
步骤五：先采用综合赋权法对步骤四中计算得到的主观权重和客观权重进行组合并计算综合权重，再构建单因素未确知测度函数，并根据各因素评价值得出单因素未确知测度矩阵，然后由单因素未确知测度矩阵计算单因素未确知测度向量；
由于各种赋权方法求得的权重具有相同的重要性，把某一指标用主、客观赋权法得到的两个权数相乘，然后将该指标的主客观权重值进行归一化处理得到综合权重，计算公式为：
其中，Wi为第i个评价指标的综合评价权重，wi为第i个评价指标的主观权重值，ui为第i个评价指标的客观权重值；
步骤六：先根据步骤五中的单因素未确知测度向量计算结果，使用置信度准则判别风险等级，最后根据风险等级判别结果结果对风险指标进行重要性排序，实现隧道突水风险等级评价；
构建单因素未确知测度函数的具体步骤为：
设评价对象X＝{X1,X2,X3......Xn}，评价指标级(风险因素集)为V＝{V1,V2,V3......Vm}，使用xij表示第i个评定对象对指标j的评定测量值，综合考虑将隧道风险等级划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级，分别对应重大风险、较大风险、一般风险和较低风险，在未确知测度模型中，组成与之对应的未确知测度函数的有序评价空间c＝{c1,c2,c3,c4}；
μijk为测量值xij属于评定等级Ck的程度。
μijk需满足以下条件：
(1)非负有界性，具体表现为：
0≤μ(xij∈Ck)≤1
(2)归一性，具体表现为：
μ(xij∈Ck)＝1
(3)可加性，具体表现为：
其中：
i＝1,2,...,n；
j＝1,2,...,m；
k＝1,2,...,s；
针对本实施例中提到的风险指标进行划分归类，分为定性指标与定量指标两部分：
针对定性指标，采用百分制的评价方法划分风险等级，具体划分如下：较小风险(＜60)，一般风险(60-75)，较大风险(75-85)，重大风险(＞85)；
定性指标测度函数为：
采用此直线型分布模型进行单指标未确知测度函数的构造；
针对定量指标进行定量分析，围岩级别单因素未确知测度指标如图2所示，函数表达式为：
隧道埋深单因素未确知测度函数如图3所示，函数表达式为：
岩溶发育程度如图4所示，函数表达式为：
降雨量如图5所示，函数表达式为：
渗透系数度如图6所示，函数表达式为：
地下富水性如图7所示，函数表达式为：
根据上述单因素未确知测度向量计算结果，使用置信度准则判别风险等级，取置信度λ＝0.6，具体的置信度计算公式为：
若k最小取值为3时，k0＞0.6，则该风险因素风险等级为Ⅲ级，对应风险为一般风险；
将4个一级指标横向对比，未确知测度评定等级C1＞C2＞C3＞C4，设A1＝4，A2＝3，A3＝2，A4＝1，则：
Zk＞Zk+1且(未确知重要度公式)
其中为评定对象的未确知重要度，/>为未确知重要度向量，依据/>的大小对评定对象的风险等级进行排序；
对一级指标未确知重要度进行计算，对重要度排序，由此得出各因素风险性大小程度，对风险控制方案有着指导作用。
根据未确知测度评定等级得出施工区段对应风险等级，对风险性较高区段及时采取相应处理方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种隧道突涌水风险等级评估方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：先在隧道施工前期的地质勘查阶段，获取隧道及其周围环境的工程地质与水文地质环境数据参数作为地质勘察资料，再根据地质勘察资料、专家经验以及类比相似隧道工程，得出容易引起隧道突水的风险因素作为隧道突水因素；
步骤二：先将步骤一中得到的隧道突水因素分为一级因素和二级因素，接着将隧道突水因素按照一级因素分类进行筛选，再由专家从风险概率和风险后果方面对二级因素进行对比并作出专家反馈；
步骤三：先应用穆迪组合次序表对步骤二中的专家反馈信息进行处理，以穆迪组合次序表形式进行反馈并构建穆迪图表，再综合风险概率与风险后果评分总和对二级因素进行排序，筛除对隧道工程影响过小并作忽略考虑的风险因素，然后由剩余因素确立风险等级评价体系；
步骤四：先采用orness测度优化步骤三中构建的穆迪图表，并计算各个专家的权力系数，再分别计算一级风险因素及其子级风险因素主观权重，接着使用熵权法确定各风险因素客观权重值，并计算一级风险因素及其子级风险因素客观权重；
步骤五：先采用综合赋权法对步骤四中计算得到的主观权重和客观权重进行组合并计算综合权重，再构建单因素未确知测度函数，并根据各因素评价值得出单因素未确知测度矩阵，然后由单因素未确知测度矩阵计算单因素未确知测度向量；
步骤六：先根据步骤五中的单因素未确知测度向量计算结果，使用置信度准则判别风险等级，最后根据风险等级判别结果结果对风险指标进行重要性排序。
2.根据权利要求1所述的一种隧道突涌水风险等级评估方法，其特征在于：所述步骤一中，计算勘察得到的数据参数的COV变异系数值来判断勘察结果是否有效，若COV值大于0.8则无效，并重新进行勘察，COV变异系数的计算公式为：
其中，σ为该组数据参数的标准差，μ为该组数据的平均数。
3.根据权利要求1所述的一种隧道突涌水风险等级评估方法，其特征在于：所述步骤二中，一级因素包括围岩特征、水文条件和施工设计因素，二级因素包括不良地质、地层岩性、接触带类型、岩层产状、地形地貌、岩溶发育程度、围岩级别、地下富水性、渗透系数、降雨量、季节因素、隧道埋深、开挖方式、超前地质预报、开挖支护和施工组织管理。
4.根据权利要求1所述的一种隧道突涌水风险等级评估方法，其特征在于：所述步骤四中，采用orness测度进行优化时，假设有t个权力系数，然后对t个权力系数进行优先级排序，假设优先级排序为Z1＞Z2＞…＞Zt，其中Zt指第t个权力系数，＞符号表示排列顺序，＞符号左边权力系数优先级大于右边权力系数，记权利系数t的取值为qt，即q1≥q2≥...≥qt成立。
5.根据权利要求1所述的一种隧道突涌水风险等级评估方法，其特征在于：所述步骤四中，采用orness测度优化穆迪图表的具体步骤如下：
A1、假设n个专家参与风险因素权重评价，则第i个专家所拥有的权利系数qi的计算公式为：
其中，qi的取值范围为[0，1]；
A2、各个参数值权重系数根据非线性约束的优化模型确定，在orness测度已知的情况下，以orness测度作为约束条件求解目标函数的最大值，具体公式如下：
借用上述公式计算得出各个参与评价的专家的权力系数，任意一个专家得到的权力系数不大于其他专家得到的权力系数之和，即q1≤q2+q3+...+qi+...+qt，q2≤q3+q4+...+qi+...+qt，...，qt-1≤qt；
A3、参与评价的专家对所有指标进行两两对比，假设专家i对指标Ai与Aj重要性进行对比，若Ai重要性大于Aj，则专家i对aij赋值为1，aij赋值为0，则n名专家对j个指标进行两两对比，与专家权重系数结合进行汇总得到总评价值，组成判断矩阵，计算公式为：
其中，n为专家数量，j为指标数量；
A4、将判断矩阵中第i行向量相加求和，得到行向量之和ait，各因素权重值的计算公式为：
其中，wi为因素i的主观权重值。
6.根据权利要求1所述的一种隧道突涌水风险等级评估方法，其特征在于：所述步骤四中，采用熵权法确定各风险因素客观权重值的具体步骤为：
B1、假设评价指标有n个，评价对象有m个，得到评价矩阵如下：
R＝(rij)n×m
并采用如下公式进行标准化：
其中，
B2、定义第i个指标的熵的计算公式为：
其中，时，fijlnfij＝0；
则客观权重的计算公式为：
其中，ui为客观权重。
7.根据权利要求1所述的一种隧道突涌水风险等级评估方法，其特征在于：所述步骤五中，综合权重计算公式为：
其中，Wi为第i个评价指标的综合评价权重，wi为第i个评价指标的主观权重值，ui为第i个评价指标的客观权重值。
8.根据权利要求1所述的一种隧道突涌水风险等级评估方法，其特征在于：所述步骤六中，判别风险等级时将隧道风险等级划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级，分别对应重大风险、较大风险、一般风险和较低风险。
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Cited By (2)
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| CN117711160A (zh) * | 2024-02-05 | 2024-03-15 | 中铁四局集团有限公司 | 山岭隧道突泥涌水风险动态评估方法、设备、存储介质 |
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2023
- 2023-04-28 CN CN202310477401.5A patent/CN116468282A/zh active Pending
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