一种隧道光面爆破综合质量评价方法与流程

1.本发明属于隧道工程施工技术领域，具体涉及一种隧道光面爆破综合质量评价方法。


背景技术：

2.隧道钻爆法施工凭借其地质适应能力强、开挖成本低、施工方便灵活等优点，是目前我国隧道的主要开挖方法。光面爆破是当前隧道钻爆开挖中主要的施工技术，它既能减小隧道围岩损伤范围，控制超欠挖量，又能使隧道开挖轮廓光滑平整，保证围岩的完整性和自身承载能力。尽管如此，由于地质条件的复杂性，炸药破岩的不确定性，爆破设计不合理，爆破操作不当、管理不善等一系列原因，导致隧道光面爆破不理想。这不仅会增加施工成本、延长工期，而且会引起围岩局部应力集中，围岩整体稳定性下降。因此，爆破质量的准确评价对于提高开挖质量、指导后续开挖作业、加快工程建设进度、提高建设质量和经济性具有至关重要的意义。
3.然而，在钻爆法施工作业中，各个工序衔接紧密，且由于不同施工人员之间操作习惯不一致，导致爆破质量评价存在极大的难度。现有爆破质量评价方法采用抽样测量超欠挖量的方式进行评价，这种评价方法一方面难以达到准确的评价效果，另一方面未考虑爆破断面的不平整度、爆破进尺对爆破质量的影响，故而不能形成有效的爆破质量评价体系用于指导钻爆法施工作业。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种隧道光面爆破综合质量评价方法，能够解决现有爆破质量评价方法采用抽样测量超欠挖量的方式进行评价，这种评价方法一方面难以达到准确的评价效果，另一方面未考虑爆破断面的不平整度、爆破进尺对爆破质量的影响，故而不能形成有效的爆破质量评价体系用于指导钻爆法施工作业的问题。
5.为了解决上述问题，本发明提供了一种隧道光面爆破综合质量评价方法，具体包括以下步骤：
6.步骤1：结合实际工程确定隧道光面爆破质量综合评价的影响因素；
7.步骤2：根据步骤1中所确定的安全因素、质量因素和经济因素分别获取对应的评价指标；
8.步骤3：采用层次分析法建立评价模型，并对步骤1中三个影响因素的权重及步骤2中不同影响因素下各评价指标的权重进行计算；
9.步骤3.1：建立层次结构模型；
10.步骤3.2：基于层次结构模型，构造判断矩阵；
11.步骤3.3：基于判断矩阵利用归一法求出单层次权重；
12.步骤3.4：将求解后的单层次权重向量的，计算得到单层次权重向量的最大特征值和单层次权重向量的一致性指标c.i.值；
13.步骤3.5：根据c.i.和r.i.值，求解c.r.值进行一致性检验，并判断c.r.值是否小于0.1，若小于0.1，即满足一致性检验，若大于0.1，即重复步骤3.2至步骤3.4；
14.步骤3.6：满足一致性检验后，计算得出13个指标的权重；
15.步骤4：针对步骤2中得到的13个评价指标分别按其评价指标分数中的需要进行采集的数据进行采集并计算分数；
16.步骤5：针对步骤4中得到的各评价指标分数，计算隧道光面爆破质量综合评价最终得分，并对照质量评价评级表对隧道光面爆破质量进行评级。
17.可选的，步骤1中隧道光面爆破质量综合评价影响因素具体包括安全因素、质量因素和经济因素；
18.步骤2中的评价指标为安全评价类指标、质量评价类指标和经济评价类指标；
19.其中，安全评价类指标包括爆破震动距离、爆破飞散物距离、爆破空气冲击波超压值，质量评价类指标包括平顺度、炮孔痕迹保存率、爆破进尺、隧道超欠挖值、岩渣块度，经济评价类指标包括材料成本、人工成本、机械成本、运输成本、间接成本。
20.可选的，步骤3.1具体包括：根据隧道光面爆破质量综合评价3个指标维度和13个因素建立层次结构模型，该层次结构模型分为三层，分别为目标层、准则层和子准则层，其中隧道光面爆破质量综合评价为目标层、3个指标维度为准则层、13个具体指标为子准则层。
21.可选的，步骤3.2具体包括：构造出一个准则层关于目标层的判断矩阵以及三个子准则层关于准则层的矩阵，一共四个判断矩阵，
22.矩阵a-b是准则层对目标层的判断矩阵，矩阵b
1-c、b
2-c、b
3-c均是子准则层对准则层的判断矩阵，公式如下：
[0023][0024][0025]
[0026][0027]
可选的，步骤3.3具体包括：采用方根法计算各个指标判断矩阵的n维特征向量，方根法就是对判断矩阵按行元素求积，在开n次方，计算公式如下：
[0028][0029]
其中，为每项指标的权重，a
ij
为判断矩阵中的元素；
[0030]
然后将n维特征向量标准化得到权重向量，即可得到权重，计算公式如下：
[0031][0032]
其中，为每项指标的权重，wi为归一化的权重。
[0033]
可选的，步骤3.4计算一致性指标c.i.值，公式如下：
[0034][0035][0036]
其中，λ
max
为最大特征值，n为指标个数，aw为为判断矩阵
×
标准化后的权重，wi为归一化的权重，c.i.为一致性指标。
[0037]
可选的，步骤3.5计算c.r.值的公式如下：
[0038][0039]
其中，c.r.为一致性比例值，c.i.为一致性指标，r.i.为平均随机一致性指标。
[0040]
可选的，将b
1-c、b
2-c、b
3-c单层次权重向量组合为13行
×
3列的矩阵，并与a-b权重向量相乘，即得出13个指标的权重。
[0041]
可选的，步骤4具体包括：各指标计算公式及数据测量方式均是按照对隧道爆破质量综合评价影响由大到小排序。
[0042]
可选的，步骤5具体包括：对得到的结果进行分析，根据各指标的权重和赋值，得出隧道光面爆破质量综合评价得分；其中，将隧道光面爆破质量综合评价分为优秀、良好、合格、较差、差和极差6个等级，隧道光面爆破质量综合评价得分计算公式如下：
[0043][0044]
其中，s为隧道爆破质量综合评分，wi为为排序第i个指标的权重，pi为为排序第i个
指标的得分。
[0045]
有益效果
[0046]
本发明的实施例中所提供的一种隧道光面爆破综合质量评价方法，根据实际隧道爆破施工过程中较为关心的安全因素、质量因素及经济因素为前提，隧道光面爆破质量综合评价采取安全评价指标、质量评价指标和经济评价指标3个方面，依据隧道光面爆破质量综合评价涉及问题及相应指标，建立2个层次、3个单元、13项指标的多因素二级结构质量综合评价指标体系，层次分析法是将一个决策事件分解为目标层、准则层和子准则层层次分析法应用过程中，第一步是层次结构模型的构建。第二步构造判断矩阵，第三步为层次单排序及其一致性检验，这步即为对指标定权，第四步为层次总排序及其一致性检验，不将标准值设定为固定值可以避免由于固定值引起的不适用的情况，将标准值选定在一个区间可增加评价模型的普适性，根据总分计算公式计算隧道光面爆破最终得分，隧道光面爆破质量综合评级参考质量评价评级表。将不同分数段的得分进行分级，可以将得分相近的归为一类，相比数字更好理解爆破质量的优劣。进而解决了现有爆破质量评价方法采用抽样测量超欠挖量的方式进行评价，这种评价方法一方面难以达到准确的评价效果，另一方面未考虑爆破断面的不平整度、爆破进尺对爆破质量的影响，故而不能形成有效的爆破质量评价体系用于指导钻爆法施工作业的问题。
附图说明
[0047]
图1为本发明实施例的隧道光面爆破综合质量评价方法的流程图；
[0048]
图2为本发明实施例的隧道光面爆破质量综合评价模型图；
[0049]
图3为本发明实施例的层次分析法求各指标权重的流程图；
[0050]
图4为本发明实施例的评价等级表。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0052]
如图1至图4所示，根据本发明的实施例，一种隧道光面爆破综合质量评价方法，其特征在于，请参照图1，具体包括以下步骤：
[0053]
步骤1：结合实际工程确定隧道光面爆破质量综合评价的影响因素；
[0054]
进一步的，结合实际工程，隧道光面爆破质量综合评价的影响因素主要考虑安全因素、质量因素、经济因素三方面。
[0055]
进一步的，根据实际隧道爆破施工过程中较为关心的安全因素、质量因素及经济因素为前提，隧道光面爆破质量综合评价采取安全评价指标、质量评价指标和经济评价指标3个方面。采用这3个指标维度对于隧道爆破施工的安全性、爆破质量的优劣性、爆破成本的经济性进行综合考虑，区别于以往的单因素评价，该方法使得隧道光面爆破质量等到更准确的评价。
[0056]
步骤2：根据步骤1中所确定的三个影响因素分别获取评价指标；
[0057]
进一步的，在评价模型的建立过程中，数据指标的采集工作使用了多种方法，在确
定评价指标的基础上，对各指标的权重进行了明确。依据隧道光面爆破质量综合评价涉及问题及相应指标，建立2个层次、3个单元、13项指标的多因素二级结构质量综合评价指标体系。该体系中的评价指标为实际工程中较为常用的、具有代表性的质量评价指标，综合了多种质量评价方法，因此本质量综合评价指标体系相较于以往更加全面、更为适用。
[0058]
进一步的，请参照图3，针对步骤1中考虑的三个影响因素，分别确定各自的评价指标，其中安全评价类指标包括爆破震动距离、爆破飞散物距离、爆破空气冲击波超压值；质量评价类指标包括平顺度、炮孔痕迹保存率、爆破进尺、隧道超欠挖值、岩渣块度；经济评价类指标包括材料成本、人工成本、机械成本、运输成本、间接成本。如表1所示。
[0059]
表1隧道光面爆破质量综合评价指标体系
[0060][0061]
步骤3：采用层次分析法建立评价模型，并对步骤1中三个影响因素的权重及步骤2中不同影响因素下各评价指标的权重进行计算；
[0062]
进一步的，获取评价指标权重采取层次分析法，层次分析法是将一个决策事件分解为目标层、准则层和子准则层层次分析法应用过程中，大体步骤主要包括四个。第一步是层次结构模型的构建。第二步构造判断矩阵，第三步为层次单排序及其一致性检验，这步即为对指标定权，第四步为层次总排序及其一致性检验。采用本方法的原因是层次分析法具有将复杂问题简单化且计算简单等优点，且被广泛应用在生活中的各个领域，适用性强。
[0063]
请参照图2，步骤3.1：建立层次结构模型；
[0064]
进一步的，根据隧道光面爆破质量综合评价3个指标维度和13个因素建立层次结构模型。该层次结构模型分为三层，分别为目标层、准则层和子准则层，其中隧道光面爆破质量综合评价为目标层、3个指标维度为准则层、13个具体指标为子准则层，具体如图2所示。
[0065]
步骤3.2：基于层次结构模型，构造判断矩阵；
[0066]
进一步的，根据层次模型建立本层对上一层因数的判断矩阵。构造判断矩阵就是通过确定各要素的重要程度，并确定各准则层对上层的权重。矩阵中元素为各要素相互之
间两两比较，要素的重要程度划分为1到9的重要等级，其中1代表重要程度最弱，9代表重要程度最强。
[0067]
进一步的，需要构造出一个准则层关于目标层的判断矩阵以及三个子准则层关于准则层的矩阵，一共四个判断矩阵。其中矩阵a-b是准则层对目标层的判断矩阵，用于确定3个指标维度的权重。矩阵b
1-c、b
2-c、b
3-c均是子准则层对准则层的判断矩阵，其中b
1-c代表3个安全评价类指标对安全维度的判断矩阵，b
2-c代表5个质量评价类指标对质量维度的判断矩阵，b
3-c代表5个经济评价类指标对经济维度的判断矩阵。
[0068][0069][0070][0071][0072]
步骤3.3：基于判断矩阵利用归一法求出单层次权重；
[0073]
进一步的，首先采用方根法计算各个指标判断矩阵的n维特征向量，方根法就是对判断矩阵按行元素求积，在开n次方，计算公式如下：
[0074][0075]
其中，为每项指标的权重，a
ij
为判断矩阵中的元素；
[0076]
然后将n维特征向量标准化得到权重向量，即可得到权重，计算公式如下：
[0077][0078]
其中，为每项指标的权重，wi为归一化的权重。
[0079]
步骤3.4：求解单层次权重向量的最大特征值和一致性指标c.i.值；
[0080]
进一步的，c.i.值越大则说明整个矩阵就越不一致，当c.i.为0时为完全理想的一致矩阵，计算公式如下：
[0081][0082][0083]
其中，λ
max
为最大特征值，n为指标个数，aw为为判断矩阵
×
标准化后的权重，然后再按行进行累加，wi为归一化的权重，c.i.为一致性指标。
[0084]
步骤3.5：根据c.i.和r.i.值，求解c.r.值进行一致性检验，并判断c.r.值是否小于0.1，若小于0.1，即满足一致性检验，若大于0.1，即重复步骤3.2至步骤3.4；
[0085]
进一步的，根据c.i.和r.i.值求解c.r.值进行一致性检验，判断其是否通过。其中r.i.值为平均随机一致性指标，可从表2中查得。c.r.为一致性比例值，是用来检验判断矩阵的合理性，如果该值小于0.1则说明矩阵满足一致性要求，反之则需要调整矩阵以满足要求。计算公式如下：
[0086][0087]
其中，c.r.为一致性比例值，c.i.为一致性指标，r.i.为平均随机一致性指标。
[0088]
表2随机一致性指标r.i.取值表
[0089][0090]
具体计算结果见表3。
[0091]
表3单层次权重及其一致性检验
[0092][0093]
步骤3.6：满足一致性检验后，计算得出13个指标的权重；
[0094]
进一步的，将b
1-c、b
2-c、b
3-c单层次权重向量组合为13(行)
×
3(列)的矩阵ψ，并与a-b权重向量相乘，即得出13个指标的权重。
[0095][0096]
w＝(0.141,0.06,0.099,0.11,0.25,0.055,0.055,0.03,0.106,0.052,0.014,0.014,0.014)
τ
[0097]
根据上式可对隧道光面爆破质量综合评价的13个指标根据权重按照权重从大到小进行排序，可以直观的看出该评价模型中对于隧道爆破质量综合评价影响较为严重的指标，进而可以针对性的对权重较大的指标的相关爆破参数进行调整，以进行最简便的调整以获得更高的爆破质量提升。评价指标重要程度及其权重排序见表4。
[0098]
表4隧道光面爆破质量综合评价指标重要程度排序
[0099][0100]
步骤4：针对步骤2中得到的13个评价指标分别按其评价指标分数中的需要进行采集的数据进行采集并计算分数；
[0101]
进一步的，可采用多种方法获取各评价指标数据，例如人工量测法、全站仪扫描法、图像扫描法、统计分析法等。各指标分数根据各指标分数计算公式进行计算，各指标计算公式中的标准值可选择推荐值，也可根据工程实际情况自行选定。不将标准值设定为固定值可以避免由于固定值引起的不适用的情况，将标准值选定在一个区间可增加评价模型的普适性。
[0102]
各指标计算公式及数据测量方式如下所示；是按照上述表4中隧道爆破质量综合评价影响由大到小的重要程度排序，并按照这个排序进行计算分数。
[0103]
进一步的，(1)炮孔痕迹保存率：炮孔痕迹保存率也叫做炮孔残留率，是指硬质岩和中硬岩在爆破后，轮廓线上能数到的炮孔数占周边孔总数的比例，炮孔痕迹在开挖轮廓面应均匀分布，当炮孔痕迹大于孔长的70％时，按可见炮孔计算。炮痕数量可选择三维断面扫描仪进行扫描分析测量，也可通过人工测量获得炮痕数。
[0104][0105][0106]
其中，p1为炮孔痕迹保存率指标得分，η为炮孔痕迹保存率，ηs为炮孔痕迹保存率标准值，n
残留
——残留炮孔数量，n
周
——周边孔数量。
[0107]
ηs炮孔痕迹保存率标准值取值表
[0108]
岩石类别ηs取值完整岩石0.9较完整和完整性较差的岩石0.6较破碎和破碎岩石0.2
[0109]
(2)爆破振动距离：隧道内作业面数量较多，不同工序间存在交叉作业，因此隧道光面爆破过程中须验证爆破振动安全允许距离，保证其他作业面在爆破振动的安全距离内，爆破震动安全距离与隧道围岩岩性、炸药一次起爆量有关，可通过工程地质勘察报告及爆破作业报告获取所需信息计算爆破振动安全距离，爆破振动安全距离指标计算公式如下：
[0110][0111]
r＝(k
÷
v)
1/a
×q1/3
[0112]
其中，p2为爆破振动距离指标得分；r为爆破震动安全距离；rw为爆破面至工作面距离；k，a为围岩岩性参数，通过规范《爆破安全规程》(gb6722-2014)可查；v为爆破振动安全允许标准，通过规范《爆破安全规程》(gb6722-2014)可查；q为炸药用量。
[0113]
(3)平顺度：平顺度为隧道相邻两炮孔衔接台阶的最大尺寸，可分为纵向平顺度和横向平顺度。纵向平顺度是指隧道两次爆破形成的接茬错台，主要体现在相邻两循环的开挖轮廓之间不平顺，采用测量设备在开挖轮廓线上按照一定间距量取后一循环与前一循环错台尺寸，再取平均值。横向平顺度实际上是断面平顺度，主要体现在隧道开挖轮廓平整度上，并在隧道超欠挖上得到直观体现。故该项指标仅考虑纵向平顺度。可通过三维断面扫描仪进行测量，或使用尺量法，尺量法需要注意选择多个点位进行测量然后取平均值，平顺度指标得分计算公式如下：
[0114][0115][0116]
式中：p3为平顺度指标得分；σh为纵向平顺度；n为台阶数，li为后一循环与前一循环的错台尺寸。
[0117]
(4)材料成本：材料成本是矿山工程作业中消耗的炸药、导线、起爆器材、安全防护材料的成本。可通过财务报表进行统计，若采用周财务报表取一周内爆破次数的平均值即可。材料成本指标得分计算公式如下：
[0118][0119]
式中：p4为材料成本指标得分；c
mt
为材料成本；c为总成本。
[0120]
(5)爆破空气冲击波超压值：爆破过程中产生的空气冲击波也会对隧道内设备及工程实体产生影响，需对冲击波安全距离进行计算，爆炸冲击波与同段位炸药用量、保护对象与爆炸源的距离有关。可查看爆破作业报告获取爆破总装药量，通过现场调查的方法测
量爆破源至保护对象的距离。爆破空气冲击波超压值指标计算公式如下：
[0121][0122]
δp＝14
×q÷
r3 4.3
×q2/3
÷
r2 1.1
×q1/3
÷r[0123]
式中：p5为爆破空气冲击波超压值指标得分；ps为空气冲击波超压值标准值，取0.2
×
105pa；δp为空气冲击波超压值；q为爆破炸药总药量；r为爆破源至保护对象距离。
[0124]
(6)爆破飞散物距离：开挖面爆破过程中爆破飞散物飞行距离不得超过隧道内仰拱作业区，防止飞散物体破坏已经施工的工程实体。爆破安全距离与飞石初始速度有关，爆破过程中飞石运行轨迹根据抛物线方程计算。由于现场原因，爆破飞散物距离无法直接测量，所以这里将爆破飞石近似看作一个有水平初速度的自由落体运动，进而只需要知道飞石的初速度即可得出飞散物距离，计算公式如下：
[0125][0126][0127][0128]
式中：p6为爆破飞散物距离指标得分；x为爆破飞散物水平距离；rw为爆破面至工作面距离；v为飞石初速度；g为重力加速度；q为单孔最大装药量；ω为最小抵抗线。
[0129]
(7)隧道超欠挖值：超欠挖是以隧道设计开挖轮廓线作为基准线的隧道光面爆破控制断面图。该项指标分为两项考虑，第一项为欠挖值，由于规范规定，隧道施工不应出现欠挖现象，特别注意拱顶、拱墙、墙脚以上1m内断面严禁欠挖。第二项为超挖值，采用两个参数平均超挖值和最大超挖值计算，平均超挖值为超挖断面面积与爆破设计开挖断面周长(不含隧底)的比值，最大超挖值是指最大超挖处至设计开挖轮廓线切线的距离。可通过隧道三维断面扫描仪进行测量，可以通过尺量法进行测量，尺量法需要以隧道的固定点为基点，然后用皮尺或卷起确定基点与断面上若干点的距离，在进行连线计算，计算隧道超欠挖值指标分数的公式如下：
[0130][0131][0132]dmax
＝max(x
i-xs)
[0133]
式中：p7为隧道超欠挖指标得分；为平均超挖值；d
max
为最大超挖值；s
sd
为超挖断面面积；ld为爆破设计开挖面周长；xi为超挖断面点i至隧道圆心距离；xs为与i点对应的设计断面至隧道圆心距离。
[0134]
(8)爆破进尺：爆破进尺为一次起爆后隧道向前的进深长度，主要与炸药单耗、装药直径、炮孔数目、装药系数、炮孔深度等爆破设计参数有关，评价爆破进尺是否符合期望
值。爆破进尺可通过隧道断面扫描仪进行测量，也可通过尺量法测量，但需注意尺量法的选点要均匀分布，最后取其平均值。爆破进尺指标分数可按下式计算：
[0135][0136]
式中：p8为爆破进尺指标得分；d为实际爆破进尺；ds为计划爆破进尺。
[0137]
(9)人工成本：人工成本为参与施工作业的各类工种的工资支出，包括工资、奖金、人员保险等，可通过财务报表进行统计，若采用周财务报表取一周内爆破次数的平均值即可。人工成本指标得分计算公式如下：
[0138][0139]
式中：p9为人工成本指标得分；c
p
为人工成本；c为总成本。
[0140]
(10)岩渣块度：岩渣块度为爆破后洞渣的最大允许直径。可通过尺量法进行测量，可在爆破后测量较大岩块的直径，选取最大值。计算公式如下：
[0141][0142]ds
＝maxd
[0143]
式中：p
10
为岩渣块度指标得分；dm为最大岩渣块直径；ds为岩渣运输设备岩块最佳允许直径；d为岩渣块直径。
[0144]
(11)机械成本：机械成本是施工中使用的各类器材的折旧费用、维修费用、租賃费用、安装拆卸费用，可通过财务报表进行统计，若采用周财务报表取一周内爆破次数的平均值即可。机械成本指标得分计算公式如下：
[0145][0146]
式中：p
11
为机械成本指标得分；cm为机械成本；c为总成本。
[0147]
(12)运输成本：运输费用包括炸药等特殊管制物品的运输、机械运输等费用。此外，还有一些其他损耗，如施工警戒，报废材料清理，这些都会发生资金耗费，可通过财务报表进行统计，若采用周财务报表取一周内爆破次数的平均值即可。运输成本指标得分计算公式如下：
[0148][0149]
式中：p
12
为运输成本指标得分；c
t
为运输成本；c为总成本。
[0150]
(13)间接成本：间接成本是不与项目施工直接发生关系的，服务于工程项目的各种无法直接量化的成本投入。工程项目的间接成本包括：管理费用、设计费用等，比如管理人员工资，施工项目部发生的办公用品、水电费用，异地施工发生的交通费用，餐饮、住宿费用，管理人员的保险费用，辅助人工，可通过财务报表进行统计，若采用周财务报表取一周内爆破次数的平均值即可。间接成本指标得分计算公式如下：
[0151][0152]
式中：p
13
为间接成本指标得分；ci为间接成本；c为总成本。
[0153]
请参照图4，步骤5：针对步骤4中得到的各评价指标分数，计算隧道光面爆破质量综合评价最终得分，并对照质量评价评级表对隧道光面爆破质量进行评级。
[0154]
进一步的，根据总分计算公式计算隧道光面爆破最终得分，隧道光面爆破质量综合评级参考质量评价评级表。将不同分数段的得分进行分级，可以将得分相近的归为一类，相比数字更好理解爆破质量的优劣。
[0155]
进一步的，对得到的结果进行分析，根据各指标的权重和赋值，得出隧道光面爆破质量综合评价得分。根据最终的得分对照评价等级表进行分级，将隧道光面爆破质量综合评价分为优秀、良好、合格、较差、差和极差6个等级。隧道光面爆破质量综合评价得分计算公式如下：
[0156][0157]
式中：s为隧道爆破质量综合评分；wi为排序第i个指标的权重；pi为排序第i个指标的得分。
[0158]
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。