一种岩溶隧道塌方灾害风险综合评估方法及系统与流程

1.本发明涉及塌方灾害领域，具体涉及一种岩溶隧道塌方灾害风险综合评估方法及系统。


背景技术：

2.高可溶性岩石在我国分布广泛，面积多达365万km2，占我国领土面积的1/3以上。在地表水、地下水的溶蚀、侵蚀作用下，高可溶性岩石区域产生了诸如岩溶漏斗、岩溶洼地、天窗、岩溶洞穴等岩溶景观，其对周围隧道工程的影响主要表现在隧道施工中易引起岩溶塌方现象。
3.总结国内大量岩溶隧道塌方事故，其形成机理可概述为：岩溶隧道中存在大量较大的孔洞，当隧道在开挖过程，应力重新分布破坏原有结构受力平衡，关键岩层失稳破坏。地下水位的下降也会使原有孔洞中的水排出，导致结构受力发生变化。由隧道塌方的发生机理可知，隧道塌方的发生主要受水文地质条件、地形地貌、地层岩性和地质构造等条件的制约。而目前对于考虑上述影响因素的岩溶隧道塌方灾害风险评估，传统专家评分法主观性大、常导致权重预测与实际情况相矛盾，其他现有风险评估方法则大多仅依靠单一或个别指标来评估风险程度，评估结果实用性不足。
4.因此，为切实保障岩溶隧道施工安全、弥补已有岩溶隧道风险评估方法的短板，科学合理制定统一风险评估指标及建立综合风险评估体系，是当下亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种岩溶隧道塌方灾害风险综合评估方法及系统解决了现有技术主观因素大、评价结果实用性不足的问题。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种岩溶隧道塌方灾害风险综合评估方法，包括以下步骤：
7.s1、通过对岩溶隧道塌方案例调研，构建岩溶隧道塌方风险评估体系及对应层次结构；
8.s2、建立各层次结构的判断矩阵，计算综合权重向量并检查各判断矩阵的一致性，检验判断矩阵合理性；
9.s3、根据评估指标进行风险分级，建立岩溶隧道塌方灾害风险评价集；
10.s4、根据岩溶隧道塌方灾害风险评价集确定风险评估指标隶属度，并形成模糊矩阵；
11.s5、将模糊矩阵和由综合权重向量组成的权重矩阵进行模糊综合评判，得到模糊综合评判集；
12.s6、根据最大隶属度原则，将模糊评判集中最大元素在岩溶隧道塌方灾害风险评价集对应的风险等级作为评价结果，形成岩溶塌方灾害风险综合评估模型。
13.进一步地，岩溶隧道塌方风险评估体系包括准则层和指标层；其中：
14.获取隧道施工中岩溶塌方风险分级为岩溶隧道塌方风险评估体系的目标；
15.准则层包括地质条件指标、自然条件指标、岩溶溶洞特性指标和设计、施工因素指标这四个评价指标；
16.指标层包括构成准则层四个评价指标的具体评估对象；
17.其中地质条件指标包括围岩级别、围岩软化系数和风化程度；
18.自然条件指标包括降雨量和地下水状况；
19.岩溶溶洞特性指标包括溶洞尺寸、溶洞与隧道净距、岩溶填充物特性、溶洞与隧道位置关系；
20.设计、施工因素指标包括隧道埋深、隧道断面、开挖步距、爆破方法适宜性、支护及时性和超前地质预报与监控量测方案合理性。
21.进一步地，步骤s2的具体实现方式如下：
22.s2-1、根据岩溶隧道塌方风险评估体系中各层次的评估指标进行相互比较，对不同的评估指标和具体评估对象的重要性进行相对权重赋值，得到判断矩阵；
23.s2-3、根据判断矩阵计算矩阵特征向量，并进行归一化处理得到各指标和对应层相对应的综合权重向量；
24.s2-4、将准则层和指标层对应的权重向量相乘得到综合权重向量；
25.s2-5、根据公式：
[0026][0027]
cr＝ci/ri
[0028]
得到不同层对应的判断矩阵一致性检验指标ci和检验系数cr；其中，λ
max
为判断矩阵最大特征值；ri为平均随机一致性指标；j为判断矩阵阶数；
[0029]
当矩阵一致性检验指标ci和检验系数cr在设定范围内时，判定矩阵合理，进入步骤s3；否则返回步骤s2-1。
[0030]
进一步地，岩溶隧道塌方灾害风险等级评价集包括低风险、中等风险、高风险和极高风险四个等级。
[0031]
进一步地，步骤s4的具体实现方式如下：
[0032]
s4-1、计算岩溶隧道塌方灾害风险不同等级不同具体评估对象的隶属度函数；
[0033]
s4-2、根据隶属度函数计算隶属度向量，将同一风险等级对应的隶属度向量作为矩阵的同一列，得到大小为15行4列的矩阵，即模糊矩阵r。
[0034]
进一步地，步骤s4-1的具体实现方式如下：
[0035]
s4-1-1、判断具体评估对象是否为定性指标；如果是，隶属度函数采用矩形隶属度函数其中，ui表示岩溶隧道塌方灾害风险等级，i＝1,2,3,4；分别表示低风险、中等风险、高风险和极高风险四个等级；u表示具体评估对象；否则进入步骤s4-1-2；
[0036]
s4-1-2、判断具体评估对象是否为溶洞尺寸和溶洞与隧道净距；如果是，则根据溶洞尺寸的实测数据、岩溶隧道塌方灾害风险等级和隧道直径大小，采用matlab软件确定溶洞尺寸的不同等级的隶属度函数；根据溶洞与隧道净距、隧道直径和岩溶隧道塌方灾害风
险等级，采用matlab软件确定溶洞与隧道净距的不同风险等级的隶属度函数；否则进入步骤s4-1-3；
[0037]
s4-1-3、确定低风险等级下隶属度函数：
[0038]
根据公式：
[0039][0040]
得到低风险等级围岩软化系数隶属度函数μ
a1
(x)；其中，x为围岩软化系数；π为圆周率；
[0041]
根据公式：
[0042][0043]
得到低风险等级降雨量隶属度函数μ
a1
(y)；其中，y为降雨量；
[0044]
根据公式：
[0045][0046]
得到低风险等级下隧道埋深隶属度函数μ
a1
(b)；其中，b表示隧道埋深的长度；
[0047]
根据公式：
[0048][0049]
得到低风险等级下岩溶填充物特性隶属度函数μ
a1
(c)；其中，c表示岩溶填充物特性；
[0050]
确定中等风险等级下隶属度函数：
[0051]
根据公式：
[0052][0053]
得到中等风险等级下围岩软化系数隶属度函数μ
a2
(x)；
[0054]
根据公式：
[0055][0056]
得到中等风险等级下降雨量隶属度函数μ
a2
(y)；
[0057]
根据公式：
[0058][0059]
得到中等风险下的隧道埋深隶属度函数μ
a2
(b)；
[0060]
根据公式：
[0061][0062]
得到中等风险下岩溶填充物特性隶属度函数μ
a2
(c)；
[0063]
确定高风险等级下隶属度函数：
[0064]
根据公式：
[0065][0066]
得到高风险等级下围岩软化系数隶属度函数μ
a3
(x)；
[0067]
根据公式：
[0068][0069]
得到高风险等级下降雨量隶属度函数μ
a3
(y)；
[0070]
根据公式：
[0071][0072]
得到高风险等级下隧道埋深隶属度函数μ
a3
(b)；
[0073]
根据公式：
[0074][0075]
得到高风险等级下岩溶填充物特性隶属度函数μ
a3
(c)；
[0076]
确定极高风险等级下隶属度函数：
[0077]
根据公式：
[0078][0079]
得到极高风险等级下围岩软化系数隶属度函数μ
a4
(x)；
[0080]
根据公式：
[0081][0082]
得到极高风险下降雨量隶属度函数μ
a4
(y)；
[0083]
根据公式：
[0084][0085]
得到极高风险下隧道埋深隶属度函数μ
a4
(b)；
[0086]
根据公式：
[0087][0088]
得到极高风险下岩溶填充物特性隶属度函数μ
a4
(c)。
[0089]
进一步地，步骤s5的具体实现方式如下：
[0090]
s5-1、根据评估指标综合权重向量得到权重矩阵w＝[w1,w2,...wm]；
[0091]
s5-2、根据公式：
[0092][0093]
得到模糊综合判断集b；其中，m表示权重矩阵因子数即指标因素个数，m＝1,2,
…
,15；n表示风险等级的个数，n＝1,2,3,4；r表示模糊矩阵的元素，bk表示模糊评价集的第k个元素。
[0094]
提供一种岩溶隧道塌方灾害风险综合评估系统，其包括岩溶隧道塌方风险评估体系构建模块、合理性判断模块、溶隧道塌方灾害风险评价集构建模块、模糊矩阵构建模块、模糊综合评判模块，以及综合评估模块；其中：
[0095]
岩溶隧道塌方风险评估体系构建模块，用于通过对岩溶隧道塌方案例调研，构建岩溶隧道塌方风险评估体系及对应层次结构；
[0096]
合理性判断模块，用于建立各层次结构的判断矩阵，计算综合权重向量并检查各判断矩阵的一致性，检验判断矩阵合理性；
[0097]
溶隧道塌方灾害风险评价集构建模块，根据评估指标进行风险分级，建立岩溶隧道塌方灾害风险评价集；
[0098]
模糊矩阵构建模块，用于根据岩溶隧道塌方灾害风险评价集确定风险评估指标隶属度，并形成模糊矩阵；
[0099]
模糊综合评判模块，用于将模糊矩阵和由综合权重向量组成的权重矩阵进行模糊综合评判，得到模糊综合评判集；
[0100]
综合评估模块，用于根据最大隶属度原则，将模糊评判集中最大元素在岩溶隧道塌方灾害风险评价集对应的风险等级作为评价结果，形成岩溶塌方灾害风险综合评估模型。
[0101]
本发明的有益效果为：
[0102]
(1)本发明基于国内大量岩溶塌方灾害事故的分析，建立了两级评估指标，层层递进且科学系统，具有评估体系全面、评估指标参数易于获取、评估流程易于操作的优势。
[0103]
(2)本发明采用矩阵一致性方法对判断矩阵的合理性进行检验，排除了人为主观因素的错误干扰，同时本发明采用隶属度函数确定各指标因素对其分级的隶属度，定量地描述了各指标的客观属性。
[0104]
(3)本发明利用模糊综合评价法，可以根据工程条件合理评判出岩溶隧道塌方灾害风险等级，实现了对岩溶隧道塌方灾害风险的定性评价。依托本发明评估结果，现场施工可以及时有效地作出相关风险等级对应的工程措施，大大提高了岩溶隧道施工安全性与经济性。
附图说明
[0105]
图1为本发明流程图；
[0106]
图2为本发明的岩溶塌方风险因素层次分析模型。
具体实施方式
[0107]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0108]
如图1所示，一种岩溶隧道塌方灾害风险综合评估方法，包括以下步骤：
[0109]
s1、通过对岩溶隧道塌方案例调研，构建岩溶隧道塌方风险评估体系及对应层次结构；
[0110]
s2、建立各层次结构的判断矩阵，计算综合权重向量并检查各判断矩阵的一致性，检验判断矩阵合理性；
[0111]
s3、根据评估指标进行风险分级，建立岩溶隧道塌方灾害风险评价集；
[0112]
s4、根据岩溶隧道塌方灾害风险评价集确定风险评估指标隶属度，并形成模糊矩阵；
[0113]
s5、将模糊矩阵和由综合权重向量组成的权重矩阵进行模糊综合评判，得到模糊综合评判集；
[0114]
s6、根据最大隶属度原则，将模糊评判集中最大元素在岩溶隧道塌方灾害风险评价集对应的风险等级作为评价结果，形成岩溶塌方灾害风险综合评估模型。
[0115]
步骤s2的具体实现方式如下：
[0116]
s2-1、根据岩溶隧道塌方风险评估体系中各层次的评估指标进行相互比较，对不同的评估指标和具体评估对象的重要性进行相对权重赋值，得到判断矩阵；
[0117]
s2-3、根据判断矩阵计算矩阵特征向量，并进行归一化处理得到各指标和对应层相对应的综合权重向量；
[0118]
s2-4、将准则层和指标层对应的权重向量相乘得到综合权重向量；
[0119]
s2-5、根据公式：
[0120][0121]
cr＝ci/ri
[0122]
得到不同层对应的判断矩阵一致性检验指标ci和检验系数cr；其中，λ
max
为判断矩阵最大特征值；ri为平均随机一致性指标；j为判断矩阵阶数；
[0123]
当矩阵一致性检验指标ci和检验系数cr在设定范围内时，判定矩阵合理，进入步骤s3；否则返回步骤s2-1。
[0124]
岩溶隧道塌方灾害风险等级评价集包括低风险、中等风险、高风险和极高风险四个等级。
[0125]
步骤s4的具体实现方式如下：
[0126]
s4-1、计算岩溶隧道塌方灾害风险不同等级不同具体评估对象的隶属度函数；
[0127]
s4-2、根据隶属度函数计算隶属度向量，将同一风险等级对应的隶属度向量作为矩阵的同一列，得到大小为15行4列的矩阵，即模糊矩阵r。
[0128]
步骤s4-1的具体实现方式如下：
[0129]
s4-1-1、判断具体评估对象是否为定性指标；如果是，隶属度函数采用矩形隶属度
函数其中，ui表示岩溶隧道塌方灾害风险等级，i＝1,2,3,4；分别表示低风险、中等风险、高风险和极高风险四个等级；u表示具体评估对象；否则进入步骤s4-1-2；
[0130]
s4-1-2、判断具体评估对象是否为溶洞尺寸和溶洞与隧道净距；如果是，则根据溶洞尺寸的实测数据、岩溶隧道塌方灾害风险等级和隧道直径大小，采用matlab软件确定溶洞尺寸的不同等级的隶属度函数；根据溶洞与隧道净距、隧道直径和岩溶隧道塌方灾害风险等级，采用matlab软件确定溶洞与隧道净距的不同风险等级的隶属度函数；否则进入步骤s4-1-3；
[0131]
s4-1-3、确定低风险等级下隶属度函数：
[0132]
根据公式：
[0133][0134]
得到低风险等级围岩软化系数隶属度函数μ
a1
(x)；其中，x为围岩软化系数；π为圆周率；
[0135]
根据公式：
[0136][0137]
得到低风险等级降雨量隶属度函数μ
a1
(y)；其中，y为降雨量；
[0138]
根据公式：
[0139][0140]
得到低风险等级下隧道埋深隶属度函数μ
a1
(b)；其中，b表示隧道埋深的长度；
[0141]
根据公式：
[0142][0143]
得到低风险等级下岩溶填充物特性隶属度函数μ
a1
(c)；其中，c表示岩溶填充物特性；
[0144]
确定中等风险等级下隶属度函数：
[0145]
根据公式：
[0146][0147]
得到中等风险等级下围岩软化系数隶属度函数μ
a2
(x)；
[0148]
根据公式：
[0149][0150]
得到中等风险等级下降雨量隶属度函数μ
a2
(y)；
[0151]
根据公式：
[0152][0153]
得到中等风险下的隧道埋深隶属度函数μ
a2
(b)；
[0154]
根据公式：
[0155][0156]
得到中等风险下岩溶填充物特性隶属度函数μ
a2
(c)；确定高风险等级下隶属度函数：
[0157]
根据公式：
[0158][0159]
得到高风险等级下围岩软化系数隶属度函数μ
a3
(x)；根据公式：
[0160][0161]
得到高风险等级下降雨量隶属度函数μ
a3
(y)；
[0162]
根据公式：
[0163][0164]
得到高风险等级下隧道埋深隶属度函数μ
a3
(b)；
[0165]
根据公式：
[0166][0167]
得到高风险等级下岩溶填充物特性隶属度函数μ
a3
(c)；
[0168]
确定极高风险等级下隶属度函数：
[0169]
根据公式：
[0170][0171]
得到极高风险等级下围岩软化系数隶属度函数μ
a4
(x)；
[0172]
根据公式：
[0173][0174]
得到极高风险下降雨量隶属度函数μ
a4
(y)；
[0175]
根据公式：
[0176][0177]
得到极高风险下隧道埋深隶属度函数μ
a4
(b)；
[0178]
根据公式：
[0179][0180]
得到极高风险下岩溶填充物特性隶属度函数μ
a4
(c)。
[0181]
步骤s5的具体实现方式如下：
[0182]
s5-1、根据评估指标综合权重向量得到权重矩阵w＝[w1,w2,...wm]；
[0183]
s5-2、根据公式：
[0184][0185]
得到模糊综合判断集b；其中，m表示权重矩阵因子数即指标因素个数，m＝1,2,
…
,15；n表示风险等级的个数n＝1,2,3,4；r表示模糊矩阵的元素，bk表示模糊评价集的第k个元素。
[0186]
该岩溶隧道塌方灾害风险综合评估系统包括岩溶隧道塌方风险评估体系构建模块、合理性判断模块、溶隧道塌方灾害风险评价集构建模块、模糊矩阵构建模块、模糊综合评判模块，以及综合评估模块；其中：
[0187]
岩溶隧道塌方风险评估体系构建模块，用于通过对岩溶隧道塌方案例调研，构建岩溶隧道塌方风险评估体系及对应层次结构；
[0188]
合理性判断模块，用于建立各层次结构的判断矩阵，计算综合权重向量并检查各判断矩阵的一致性，检验判断矩阵合理性；
[0189]
溶隧道塌方灾害风险评价集构建模块，根据评估指标进行风险分级，建立岩溶隧道塌方灾害风险评价集；
[0190]
模糊矩阵构建模块，用于根据岩溶隧道塌方灾害风险评价集确定风险评估指标隶属度，并形成模糊矩阵；
[0191]
模糊综合评判模块，用于将模糊矩阵和由综合权重向量组成的权重矩阵进行模糊综合评判，得到模糊综合评判集；
[0192]
综合评估模块，用于根据最大隶属度原则，将模糊评判集中最大元素在岩溶隧道塌方灾害风险评价集对应的风险等级作为评价结果，形成岩溶塌方灾害风险综合评估模型。
[0193]
如图2所示，岩溶隧道塌方风险评估体系包括准则层和指标层；其中：
[0194]
获取隧道施工中岩溶塌方风险分级为岩溶隧道塌方风险评估体系的目标；
[0195]
准则层包括地质条件指标、自然条件指标、岩溶溶洞特性指标和设计、施工因素指标这四个评价指标；
[0196]
指标层包括构成准则层四个评价指标的具体评估对象；
[0197]
其中地质条件指标包括围岩级别、围岩软化系数和风化程度；
[0198]
自然条件指标包括降雨量和地下水状况；
[0199]
岩溶溶洞特性指标包括溶洞尺寸、溶洞与隧道净距、岩溶填充物特性、溶洞与隧道位置关系；
[0200]
设计、施工因素指标包括隧道埋深、隧道断面、开挖步距、爆破方法适宜性、支护及时性和超前地质预报与监控量测方案合理性。
[0201]
在本发明的一个实施例中，本发明中各影响指标分类标准如表1所示。
[0202]
表1岩溶隧道塌方风险主控影响指标
[0203][0204][0205]
本发明中评估指标间的相对重要性依据9标度法确定，构造出各层次评估指标的判断矩阵如表2～表6所示，计算汇总得到岩溶隧道塌方灾害风险评估指标的综合权重值如表7所示。
[0206]
表2判断矩阵az[0207][0208]
经计算，判断矩阵az的最大特征值为归一化特征向量ez＝(0.2389,0.4337,0.2389,0.0885)。经检验cr＝0.008《0.1，满足一致性要求。
[0209]
表3判断矩阵
[0210][0211]
经计算，判断矩阵的最大特征值为归一化特征向量经检验cr＝0.018《0.1，满足一致性要求。
[0212]
表4判断矩阵
[0213][0214]
经计算，判断矩阵的最大特征值为λ＝2，归一化特征向量经检验cr＝0《0.1，满足一致性要求。
[0215]
表5判断矩阵
[0216][0217]
经计算，判断矩阵的最大特征值为归一化特征向量经检验cr＝0.01《0.1，满足一致性要求。
[0218]
表6判断矩阵
[0219][0220]
经计算，判断矩阵的最大特征值为归一化特征向量经检验cr＝0.01《0.1，满足一致性要求。
[0221]
表7指标综合权重值
[0222][0223]
上述权重集表明，在一级影响因素中，最重要的因素为自然条件，其次分别为地质条件、和岩溶溶洞特性，影响最小的为设计、施工因素；在二级影响因素中，最重要的影响因素为地下水状况，其次分别为围岩软化系数、降雨量、岩溶填充物特性、风化程度和溶洞尺寸等，影响最小的为超前地质预报与监控量测方案合理性。
[0224]
根据事故发生的概率及严重程度，利用风险矩阵法，将隧道施工中岩溶塌方风险评估的风险等级标准确定如表8所示，对隧道施工中岩溶灾害的风险接受准则确定如表9所示。
[0225]
表8风险等级标准
[0226][0227]
表9风险接受准则
[0228][0229]
取溶洞直径为11m和10.1m时，得到的不同风险等级下溶洞尺寸隶属度函数和溶洞和隧道净距隶属度函数；
[0230]
根据公式：
[0231][0232][0233]
得到低风险等级溶洞尺寸隶属度函数μ
a1
(z)和μ
a1
(z')；其中，z为溶洞尺寸；d为溶洞直径，单位为m；z'为溶洞直径为10.1m时的溶洞尺寸；
[0234]
根据公式：
[0235][0236][0237]
得到低风险等级溶洞和隧道净距隶属度函数μ
a1
(a)；其中，a为溶洞直径为11m时溶洞和隧道净距；a'表示溶洞直径为10.1m时溶洞和隧道净距；
[0238]
根据公式：
[0239][0240][0241]
得到中等风险等级下溶洞尺寸隶属度函数μ
a2
(z)和μ
a2
(z')；
[0242]
根据公式：
[0243][0244][0245]
得到中等风险下的溶洞与隧道净距隶属度函数μ
a2
(a)和μ
a1
(a)；
[0246]
根据公式：
[0247][0248][0249]
得到高风险等级下溶洞与隧道净距隶属度函数μ
a3
(a)和μ
a3
(a')；
[0250]
根据公式：
[0251][0252][0253]
得到高风险等级下溶洞尺寸隶属度函数μ
a3
(z)和μ
a3
(z')；
[0254]
根据公式：
[0255][0256][0257]
得到极高风险下溶洞尺寸隶属度函数μ
a4
(z)和μ
a4
(z')；
[0258]
根据公式：
[0259][0260][0261]
得到极高风险下溶洞与隧道净距隶属度函数μ
a4
(a)和μ
a4
(a')；
[0262]
以某段位于岩溶隧道的工程为例，通过结合地勘资料、设计文件与超前地质预报资料等，确定出风险评价因子，见表10。
[0263]
表11 0某段风险评价因子表
[0264][0265]
可得某段施工中岩溶塌方风险评估的隶属度，见表11。
[0266]
表11单因素隶属度评价值
[0267][0268][0269]
得到模糊矩阵r：
[0270][0271]
权重矩阵w：
[0272]
w＝{0.0291,0.1334,0.0764,0.1084,0.3253,0.0709,0.0370,0.1081,0.0229,0.0057,0.0081,0.0229,0.0134,0.0349,0.0035}
[0273]
模糊评价集b：
[0274]
b＝w
×
r＝[0.0138 0 0.4559 0.5303]
[0275]
根据最大隶属度原则，该段施工中岩溶塌方风险评估的结果为ⅳ级，为极高风险，即发生灾害的可能性极大，后果也极为严重。现场施工中隧道右线在开挖至工程位置时，隧道发生岩溶塌方灾害，造成隧道封洞，洞内机具损坏，施工停滞、地表发生塌陷也对附近居民生活造成巨大影响，该施工段表现符合本发明岩溶隧道塌方灾害风险评估结果。
[0276]
本发明建立了两级评估指标，层层递进且科学系统，具有评估体系全面、评估指标参数易于获取、评估流程易于操作的优势；采用矩阵一致性方法对判断矩阵的合理性进行检验，排除了人为主观因素的错误干扰；利用模糊综合评价法，可以根据工程条件合理评判出岩溶隧道塌方灾害风险等级，实现了对岩溶隧道塌方灾害风险的定性评价；提高了岩溶隧道施工安全性与经济性。