一种基于模糊数学理论的TBM施工风险评价方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于模糊数学理论的TBM施工风险评价方法及系统，用于评价复杂地质条件下TBM施工风险，涉及施工风险评价技术领域。根据层次分析法选取影响TBM施工风险的主要因素，构建TBM施工风险评价指标及体系；基于模糊数学分析方法确定各个评价指标的隶属函数和权重，从而基于模糊数学理论给出了综合评价值的定义和确定方法，建立TBM施工风险的分级标准，最后输入各评价指标的数据，得到合理、正确的TBM施工风险评价结果，从而减少风险事故的发生。进一步将评价结果和案例库进行比对，结合最新案例和工程进行案例库的更新、扩展，使智能系统的评价结果更加精准。智能系统的评价结果更加精准。智能系统的评价结果更加精准。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模糊数学理论的TBM施工风险评价方法及系统


[0001]本专利技术涉及施工风险评价
，特别涉及一种基于模糊数学理论的TBM施工风险评价方法及系统。

技术介绍

[0002]随着目前城市化进程的加快、国民经济的快速发展，国家修建了大量的交通、水利、矿山等重大工程，在这些工程中隧道的修建是必不可少的。因此，近年来，TBM(Tunnel Boring Machine)的使用越来越频繁。近5年在建铁路隧道2500条，其中特长隧道75条，埋深超过800m以上的长大隧道接近30座。未来5年，已规划了500余座待建的铁路隧道，隧道总长达到近万米，千米以上隧道占大多数。其中，特长隧道有122座，长达超过1760km；而隧道埋深在800～900m的隧道长度总计将达到1000km以上。
[0003]在进行隧道施工时，使用TBM会有明显优势，但由于施工规模大、时间跨度长、资金成本高、周边环境复杂、人员素质要求高、工序繁杂、部门交流性强、科技含量高等特点，因而在施工过程中，对于TBM施工的相关风险预测、管理、处理将会面临更多、更复杂的不确定性因素，加之这些因素具有随机性，相互之间相互影响又相互联系，从而更是增加了事故发生的可能，严重影响TBM的施工安全
[0004]在面对复杂地质环境时，TBM施工常遭遇各种不良地质段，诸如：断层破碎带、富水裂隙带、泥化夹层等。另外，在面对高应力时，也会遭遇包括岩爆、突涌水、高地温及有害气体等不良问题。因此，全国各地在利用TBM进行相关的隧道施工时，会经常发生风险事故。
专利
技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题，在于提供一种基于模糊数学理论的TBM施工风险评价方法及系统，基于层次分析法构建评价指标体系，通过模糊数学理论构建隶属函数和权重矩阵，然后计算得到合理、正确的TBM施工风险评价结果，从而减少风险事故的发生。
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了基于模糊数学理论的TBM施工风险评价方法，包括：
[0007]步骤10、根据影响TBM施工风险评价的影响因素之间的逻辑关系及层次结构指标构建准则层指标和指标层指标，每一所述准则层指标对应一个及以上指标层指标；
[0008]步骤20、利用模糊数学理论分别构建所述指标层指标的模糊隶属函数，用于计算每一指标层对应其准则层指标的隶属度；
[0009]步骤30、根据层次分析法分别构建所述指标层指标的判断矩阵，然后计算单层次指标权重和总层次指标权重；
[0010]步骤40、根据标准划分复杂地质条件下TBM施工风险等级所对应的数值区间，采用模糊综合评价法，根据隶属度和总层次权重计算施工风险值，然后得到对应的TBM施工风险等级；
[0011]步骤50、将隧道的数据输入各评价指标进行风险评估，得到TBM施工风险等级，即
评价结果；
[0012]其中，步骤20和步骤30不分先后。
[0013]进一步地，所述步骤10中，准则层指标包括周边环境指标、地质条件指标、不良地质指标、施工管理指标、施工设计指标、施工操作指标以及设备自身指标；所述周边环境指标对应的指标层指标包括TBM下穿既有道路、地下管线变形以及临近建筑物；所述地质条件指标对应的指标层指标包括岩石单轴抗压强度以及岩体完整性系数；所述不良地质指标对应的指标层指标包括地下水突涌、岩爆、断层破碎带、隧道渗水、隧道塌方以及岩层断裂；所述施工管理指标对应的指标层指标包括施工管理水平；所述施工设计指标对应的指标层指标包括隧道埋深以及系统通风量；所述施工操作指标对应的指标层指标包括刀盘贯入度、注浆压力以及刀盘转速；所述设备自身指标对应的指标层指标包括装机总功率以及刀具直径。
[0014]进一步地，所述步骤20中，指标层指标的模糊隶属函数具体包括：
[0015]TBM下穿既有道路隶属函数：
[0016]地下管线变形隶属函数：临近建筑物隶属函数：D表示隧道直径；
[0017]岩石单轴抗压强度隶属函数：
[0018]岩体完整性系数隶属函数：
[0019]地下水突涌隶属函数：
[0020]岩爆隶属函数：
[0021]断层破碎带隶属函数：
[0022]隧道渗水隶属函数：
[0023]隧道塌方隶属函数：
[0024]岩层断裂隶属函数：
[0025]施工管理水平隶属函数：
[0026]隧道埋深隶属函数：系统通风量隶属函数：A表示开挖断面面积；
[0027]刀盘贯入度隶属函数：其中，S
a
表示最优贯入度下限，S
b
表示最优贯入度上限；
[0028]注浆压力隶属函数：
[0029]刀盘转速隶属函数：装机总功率隶属函数：L表示TBM直径；
[0030]刀具直径隶属函数：
[0031]TBM直径隶属函数：
[0032]上述所有隶属函数中，x为评价指标的对应数据。
[0033]进一步地，所述步骤30具体包括：
[0034]将准则层指标和指标层指标按九标度法分别构建对应的判断矩阵A＝{a
ij
}
n
×
n
；其中，a
ij
为按九标度法得到的标度值，n为判断矩阵阶数；
[0035]通过下式进行层次单排序及一致性检验：
[0036]CI＝(λ
max
‑
n)/(n
‑
1)
[0037]CR＝CI/RI
[0038]其中，CI为一致性指标；RI为随机一致性指标；CR为随机一致性比率；λ
max
为最大特征值，其中RI取值如下表所示：
[0039]n345678910RI0.580.901.121.241.321.411.451.49
[0040]当CR<1时满足一致性检验，各层的单层次权重即为其判断矩阵的最大特征值对应的特征向量；
[0041]基于单排序权重计算指标层元素U
i
对于目标层A的总排序权重，并根据下式进行总排序一致性检验：
[0042][0043]其中，m表示评价指标个数；
[0044]判断矩阵A中各元素的权重为w
t
(t＝1，2，3，
…
，n)，且满足指标权重w
t
>0，根据一致性矩阵的定义，如果A为一致性矩阵，则应满足以下等式：
[0045][0046]则有：
[0047]a
ij
w
ij
＝w
i
；
[0048][0049]根据上式可知，当其左端的值越小，判断矩阵的一致性越高；当等号成立时，则完全一致。
[0050]进一步地，所述步骤40中，采用模糊综合评价法，根据隶属度和总层次权重计算施工风险值，具体包括：
[0051]假设评价目标集O＝(O1,O2,...,O
n...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊数学理论的TBM施工风险评价方法，其特征在于，包括：步骤10、根据影响TBM施工风险评价的影响因素之间的逻辑关系及层次结构指标构建准则层指标和指标层指标，每一所述准则层指标对应一个及以上指标层指标；步骤20、利用模糊数学理论分别构建所述指标层指标的模糊隶属函数，用于计算每一指标层对应其准则层指标的隶属度；步骤30、根据层次分析法分别构建所述指标层指标的判断矩阵，然后计算单层次指标权重和总层次指标权重；步骤40、根据标准划分复杂地质条件下TBM施工风险等级所对应的数值区间，采用模糊综合评价法，根据隶属度和总层次权重计算施工风险值，然后得到对应的TBM施工风险等级；步骤50、将隧道的数据输入各评价指标进行风险评估，得到TBM施工风险等级，即评价结果；其中，步骤20和步骤30不分先后。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤10中，准则层指标包括周边环境指标、地质条件指标、不良地质指标、施工管理指标、施工设计指标、施工操作指标以及设备自身指标；所述周边环境指标对应的指标层指标包括TBM下穿既有道路、地下管线变形以及临近建筑物；所述地质条件指标对应的指标层指标包括岩石单轴抗压强度以及岩体完整性系数；所述不良地质指标对应的指标层指标包括地下水突涌、岩爆、断层破碎带、隧道渗水、隧道塌方以及岩层断裂；所述施工管理指标对应的指标层指标包括施工管理水平；所述施工设计指标对应的指标层指标包括隧道埋深以及系统通风量；所述施工操作指标对应的指标层指标包括刀盘贯入度、注浆压力以及刀盘转速；所述设备自身指标对应的指标层指标包括装机总功率以及刀具直径。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤20中，指标层指标的模糊隶属函数具体包括：TBM下穿既有道路隶属函数：地下管线变形隶属函数：临近建筑物隶属函数：D表示隧道直径；岩石单轴抗压强度隶属函数：
岩体完整性系数隶属函数：地下水突涌隶属函数：岩爆隶属函数：断层破碎带隶属函数：隧道渗水隶属函数：隧道塌方隶属函数：岩层断裂隶属函数：施工管理水平隶属函数：隧道埋深隶属函数：系统通风量隶属函数：A表示开挖断面面积；
刀盘贯入度隶属函数：其中，S
a
表示最优贯入度下限，S
b
表示最优贯入度上限；注浆压力隶属函数：刀盘转速隶属函数：装机总功率隶属函数：L表示TBM直径；刀具直径隶属函数：TBM直径隶属函数：上述所有隶属函数中，x为评价指标的对应数据。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤30具体包括：将准则层指标和指标层指标按九标度法分别构建对应的判断矩阵A＝{a
ij
}
n
×
n
；其中，a
ij
为按九标度法得到的标度值，n为判断矩阵阶数；通过下式进行层次单排序及一致性检验：CI＝(λ
max
‑
n)/(n
‑
1)CR＝CI/RI其中，CI为一致性指标；RI为随机一致性指标；CR为随机一致性比率；λ
max
为最大特征值，其中RI取值如下表所示：n345678910RI0.580.901.121.241.321.411.451.49当CR<1时满足一致性检验，各层的单层次权重即为其判断矩阵的最大特征值对应的特征向量；基于单排序权重计算指标层元素U
i
对于目标层A的总排序权重，并根据下式进行总排序一致性检验：
其中，m表示评价指标个数...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹金武，王佳程，杜广召，田雨，龙广山，廖帅，姚金瑞，龙赞贤，罗才松，徐云山，周亚来，
申请(专利权)人：中铁十一局集团有限公司中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，
类型：发明
国别省市：