一种隧道围岩大变形评估方法技术

本发明专利技术涉及一种隧道围岩大变形评估方法，通过构建完善的隧道大变形评价指标体系对各评价指标定量化、并对各评价指标赋予合理的组合赋权权重，使得能够引入理想点和欧式距离函数构建大变形理想点评价模型、或引入未确知测度理论和置信度准则构建大变形未确知测度评价模型，来综合该里程段所有评价指标对该里程段在隧道大变形评价指标体系中的对应大变形等级进行综合评估，该隧道围岩大变形评估方法对隧道每个里程段的围岩大变形的预测精度更高，工程实用性强。根据评估得到的隧道围岩所有里程段与该里程段所属的大变形等级，采取更加有利于提高隧道围岩稳定性的开挖方式及支护结构措施，从而能够降低隧道围岩出现大变形灾害的危险性等级和比例。灾害的危险性等级和比例。灾害的危险性等级和比例。

【技术实现步骤摘要】
一种隧道围岩大变形评估方法


[0001]本专利技术涉及铁路、公路隧道围岩大变形危险性评价
，特别是一种隧道围岩大变形评估方法。

技术介绍

[0002]随着我国铁(公)路网建设重心逐步西移，西部山区隧道多向深埋长大趋势发展，围岩大变形地质灾害的发生频率也越来越高。严重的大变形会引起边墙开裂甚至造成支护结构挤压性变形破坏等，严重影响隧道工程的施工安全、工期以及工程造价。开展围岩大变形灾害评估研究并合理地进行危险性等级划分，可为预防隧道大变形灾害的发生、减少施工损失及安全运营提供科学依据和技术支持，是深埋长大隧道建设中亟待解决的关键难题。
[0003]目前常用的围岩大变形判据有围岩强度应力比、岩体质量分级、隧道围岩相对变形量等方法。上述大变形预测方法和判据大多只考虑一到两个主控因素的影响或服务于隧道建设的不同阶段，很难全面反映复杂条件下围岩大变形产生的作用机理。此外，需要特别指出的是，相对变形量是累进性变形和时间效应的直观体现，但是在隧道选线设计阶段其适用性较差，取而代之可以用统计分析和模拟方法来进行初步的预测研判。然而，由于隧道工程地质条件的复杂性以及大变形评价系统的多变量、强干扰等特点，现有的大变形危险性评价方法还远不能满足深部隧道工程勘察设计及施工建设的需要。
[0004]大量理论研究和工程实践表明，隧道大变形和岩石性质、围岩级别、地应力、断层、地下水等影响因素密切相关，然而现有的大变形预测方法和判据很少有考虑这些因素对隧道围岩大变形的影响，导致隧道围岩大变形精度较低。根据文献调研，中国专利申请号201910812353.4的专利申请文件公布了一种适用于勘察设计阶段的隧道围岩大变形分级方法，上述方法综合考虑隧道最大主应力、岩性、岩体完整性系数、断层、地下水等多种地质因素影响，将地应力、断层、地下水等地质因素进行定性研究，极大地拓宽了围岩大变形研究的广度，取得了相应的研究成果，然而由于隧道工程地质条件的复杂性以及大变形评价系统的多变量、强干扰等特点，上述大变形评价方法依赖于专家经验和主观赋值，评价结果主观性较强，工程实际应用时一定程度上取决于从业人员的专业知识，对从业人员要求较高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于：针对现有技术在勘察设计阶段，对围岩大变形做评价的评价方法虽然综合考虑了隧道最大主应力、岩性、岩体完整性系数、断层、地下水等多种地质因素影响，极大地拓宽了围岩大变形研究的广度，但其存在依赖于专家经验和主观赋值，评价结果主观性较强，评价结果准确性难以保证，在工程实际应用时较大程度上取决于从业人员的专业知识，导致对从业人员要求较高的问题，提供一种隧道围岩大变形评估方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种隧道围岩大变形评估方法，包括以下步骤：
[0008]S1、基于围岩大变形的y个具有共性特征的影响因素，构建隧道大变形评价指标体系，隧道大变形评价指标体系包括k个大变形等级、m个分别与y个影响因素一一对应的评价指标、以及每个大变形等级对应的m个评价指标的定量化评价值范围；然后根据隧道工程地质勘察成果获得隧道每个里程段的所有评价指标的评价值，然后将所有里程段同一评价指标的评价值采用权重确定方法计算得出整个隧道的对应评价指标的主观权重和客观权重，再引入距离函数获得整个隧道的每个评价指标的组合赋权权重；
[0009]基于理想点法并采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数，构建隧道围岩大变形理想点评价模型；或基于未确知测度理论及计算规则并采用置信度准则进行大变形危险性评价，构建隧道围岩大变形未确知测度评价模型；
[0010]S2、将每个里程段的所有评价指标的评价值和整个隧道的所有评价指标的组合赋权权重输入理想点评价模型或未确知测度评价模型，获得对应里程段在隧道大变形评价指标体系的对应大变形等级。
[0011]大变形是指高地应力围岩由于工程开挖或外界扰动导致其内部储存的应变能逐渐释放，临空面围岩发生柔性破坏并最终导致结构失稳的时效变形行为，是一种具有明显时间效应和累进性的塑性破坏。共性特征指隧道围岩大变形共同所有的征象、标志等，会对所有的围岩大变形造成相应的影响。m＝y，影响因素与隧道大变形评价指标体系的评价指标一一对应，每个影响因素对应一个评价指标，影响因素如最大主应力、岩性、岩体完整性系数、断层、地下水等多种地质因素影响等，通过研究分析隧道大变形案例的破坏特征及发生规律，研究分析软岩隧道的岩性条件、应力条件和围岩性质，来选取具有共性特征的影响因素。现有都是将影响因素和大变形等级做一一对应的定性化分析，本申请通过选取y个影响因素，设立对应的m个评价指标，并对大变形类型进行划分k个等级，且对每个大变形等级的m个评价指标进行定量化处理，获得每个大变形等级对应的所有评价指标的定量化评价值范围，能够形成完整的隧道大变形评价指标体系，该隧道大变形评价指标体系能够将影响因素和大变形等级做一一对应的定量化分析，但不同的评价指标之间的相互影响对大变形等级的评估结果的影响并不能直接体现。在构建的隧道大变形评价指标体系下，根据隧道工程地质勘察成果能够获得隧道所有里程段的所有评价指标的评价值，以勘察成果获得的所有里程段的同一评价指标的评价值为基础，基于主观权重确定方法和客观权重确定方法能够对应获得整个隧道的各个评价指标的主观权重和客观权重，将主观权重和客观权重通过距离函数进行耦合并建立组合赋权规则获得整个隧道的各个评价指标的组合赋权权重，解决了单一客观权重或主观权重存在的差异性问题，使得大变形评价指标的权重的确定更加合理、可靠和符合实际工况，为大变形综合评价采用理想点法或未确知测度理论提供了各评价指标在大变形评价中的真实可靠的权重系数。
[0012]本方案可基于理想点法理论及计算规则结合闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数构建了隧道围岩大变形理想点评价模型，该大变形理想点评价模型引入地质勘察成果获得的每个里程段的所有评价指标的评价值和整个隧道的每个评价指标的组合赋权权重，即可得到该里程段分别与k个大变形等级理想点之间的距离，取最小的距离所对应的大变形等级即为该里程段评估所属的大变形等级。通过评估每个里程段在隧道大变形评价指标体系的对应大变形等级，就可以准确的得到隧道不同里程段和该里程段在隧道大变形评价
指标体系的对应大变形等级。其中，采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数来配合理想点法构建了隧道围岩大变形理想点评价模型，来保证大变形评价结果的准确性，是经过多次工程试验的验证得出。或者，本方案可基于未确知测度理论及计算规则并采用置信度准则进行大变形危险性评价，能够构建隧道围岩大变形未确知测度评价模型，通过引入地质勘察成果获得每个里程段的所有评价指标的评价值和整个隧道的每个评价指标的组合赋权权重，也可以准确的评估每个里程段和该里程段在隧道大变形评价指标体系的对应大变形等级。
[0013]本方案通过构建完善的隧道大变形评价指标体系对各评价指标定量化、并对各评价指标赋予合理的组合赋权权重，使得能够引入理想点和欧式距离函数构建大变形理想点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道围岩大变形评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于围岩大变形的y个具有共性特征的影响因素，构建隧道大变形评价指标体系，隧道大变形评价指标体系包括k个大变形等级、m个分别与y个影响因素一一对应的评价指标、以及每个大变形等级对应的m个评价指标的定量化评价值范围；然后根据隧道工程地质勘察成果获得隧道每个里程段的所有评价指标的评价值，然后将所有里程段同一评价指标的评价值采用权重确定方法计算得出整个隧道的对应评价指标的主观权重和客观权重，再引入距离函数获得整个隧道的每个评价指标的组合赋权权重；基于理想点法并采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数，构建隧道围岩大变形理想点评价模型；或基于未确知测度理论及计算规则并采用置信度准则进行大变形危险性评价，构建隧道围岩大变形未确知测度评价模型；S2、将每个里程段的所有评价指标的评价值和整个隧道的所有评价指标的组合赋权权重输入理想点评价模型或未确知测度评价模型，获得对应里程段在隧道大变形评价指标体系的对应大变形等级。2.根据权利要求1所述的隧道围岩大变形评估方法，其特征在于，在步骤S1中，理想点评价模型包括理想点评价指标函数、理想点决策矩阵和理想点评价函数D；理想点评价指标函数为：式中：i＝1、2、
…
、m，i表示第几个评价指标，f
i*
(+)为第i个评价指标的理想值，f
i
(x)为第i个评价指标的评价值，V
il
和V
iu
分别为第i个评价指标理想区间的最小临界值和最大临界值，f
i*
(+)＝maxf
i
(x)为增长型，f
i*
(+)＝minf
i
(x)为减少型，为区间型；基于式以及隧道大变形评价指标体系能够获取m个评价指标分别在k个大变形等级的理想值，m*k个理想值能够构建成整个隧道所有里程段通用的理想点决策矩阵；采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数来获取理想点评价函数D：式中：D为里程段与理想点的距离，w
i
为组合赋权权重，f
i
(x)为第i个评价指标的评价值，f
i*
(+)为第i个评价指标的理想值，V
iu
为第i个评价指标的最大临界值，V
il
为第i个评价指标的最小临界值；在步骤S2中，将每个里程段的所有评价指标的评价值、整个隧道的所有评价指标的组合赋权权重以及理想点决策矩阵均代入理想点评价函数D中，能够获得对应里程段在隧道大变形评价指标体系中的对应大变形等级。3.根据权利要求2所述的隧道围岩大变形评估方法，其特征在于，获取理想点决策矩阵时，若某个大变形等级的评价指标无法在其评价值范围内取理想点，则在该大变形等级的
评价指标的理想点附近选择一个近似理想点，近似理想点的选取方式是：依据该大变形等级的评价指标的评价值范围情况，修正该大变形等级的评价指标的评价值范围的最小临界值和/或最大临界值，然后再选取近似理想点。4.根据权利要求1所述的隧道围岩大变形评估方法，其特征在于，在步骤S1中，未确知测度评价模型包括：单指标测度函数、单指标测度评价矩阵、多指标综合测度评价矩阵和置信度识别准则模型；在步骤S2中，将每个里程段的所有评价指标的评价值代入单指标测度函数中能够计算对应里程段的所有评价指标的评价值的测度值u
ijp
，然后将对应里程段得到的所有测度值u
ijp
构成对应里程段的单指标测度评价矩阵；通过公式：对单指标测度评价矩阵赋予组合赋权权重能够获得多指标综合测度评价矩阵，式u
jp
中：w
i
表示组合赋权权重；u
ijp
表示第j里程段的第i个评价指标的评价值属于第p大变形等级的程度；u
jp
表示第j里程段属于第p大变形等级的程度；置信度识别准则模型为：式p
j
中，λ≥0.5；将多指标综合测度评价矩阵内数据代入置信度识别准则模型中，通过判断p值满足式p
j
，能够判断第j里程段的大变形等级为p
j
。5.根据权利要求1
‑
4任一所述的隧道围岩大变形评估方法，其特征在于，在所述步骤S1中，y大于或等于7，所有影响因素至少包括围岩洞壁最大主应力σ
max
、岩石抗压强度σ
c
、围岩强度应力比σ
b
/σ
max
、岩石弹性模量E、围岩级别K、地质构造S和地下水W
水
7个影响因素。6.根据权利要求5所述的隧道围岩大变形评估方法，其特征在于，在所述步骤S1中，y＝7，k＝4，隧道大变形评价指标体系包括无大变形、Ⅰ级大变形、Ⅱ级大变形和Ⅲ级大变形4个大变形等级p；其中，p＝1为无大变形，无大变形的相对变形量小于3％，p＝2为Ⅰ级大变形，Ⅰ级大变形的相对变形量为3％
‑
5％，p＝3为Ⅱ级大变形，Ⅱ级大变形的相对变形量为5％
‑
8％，p＝4为Ⅲ级大变形，Ⅲ级大变形的相对变形量大于8％；每个大变形等级的评价指标的定量化评价值范围为：无大变形，σ
max
<20MPa，σ
c
>30MPa，σ
b
/σ
max
>0.50，E>2.0Gpa，K<4，S<4，W
水
<2；Ⅰ级大变形，σ
max
为20
‑
30MPa，σ
c
为15
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋章，周航，王朋，邹远华，张雨露，张广泽，陈仕阔，赵晓彦，王科，李东，徐正宣，常兴旺，冯涛，王彦东，陈建发，龙清亮，沈维，袁传保，于振涛，谢荣强，陈建钢，
申请(专利权)人：中铁二院工程集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：