一种复杂地质条件下双模盾构适应性“信息熵”评价方法

摘要

本发明提出一种复杂地质条件下双模盾构适应性“信息熵”评价方法，首先，根据熵权法确定影响双模盾构施工适应性因素的权重；其次，基于海明贴近度方法计算各指标与最优(差)方案指标的贴近度、与理想指标间的距离及指标评价参考值；最后结合数理统计方法分析双模盾构施工适应性。本评价方法能够根据实际工程进行适当调整，权重的计算方法有较多选择空间，而且能够克服现有方法的局限性，提高评价结果的客观性与准确性，适用于盾构隧道施工适应性研究。

说明书

技术领域

本发明专利属于隧道双模盾构施工安全领域，特别涉及一种基于复杂地质条件的双模盾构适应性的评价方法。

背景技术

随着城市地铁发展的逐步深入，盾构法在地铁修建工程中的应用越来越广泛，盾构施工遇复合地层情况日益增多，国内对隧道施工安全性与时效性的要求也更加严格。在隧道施工中通常会涉及到对不同地质情况的地层进行施工，采用盾构法施工时，按照地层的硬度划分，盾构的掘进模式分为两种，一种是适用于硬岩掘进的TBM模式，另一种是适用于软岩掘进的EPB模式。在复杂地层施工过程中为适应不同地层，需要更换不同模式的盾构方式，TBM-EPB的双模转换盾构方式应运而生，实现了在软硬地层的交界面处进行掘进模式的转换，这种双模盾构转换的掘进方式可以减少刀盘刀具的消耗并且有效提高掘进效率，大大缩减工期。为了安全、有效、经济的解决复杂地层条件下盾构掘进姿态控制、对周围环境的影响控制以及软硬互层硬岩破岩等施工关键问题，需要对双模盾构的适应性进行分析。

目前，关于盾构施工适应性的研究主要采用层次分析法综合模糊评价方法或根据实际施工监测数据采用对比分析、曲线拟合及统计回归等方法进行分析，进而确定盾构施工的适应性，但使用这些方法分析具有一定主观性或只能反映单因素间关系。采用层次分析法综合模糊评价方法进行适应性评价，需要专家根据经验、洞察力等对同一层次要素进行两两比较，判断各要素的相对重要性，然后进行权重计算，偏向主观判断；根据实际监测数据采用对比分析方法，详细对比不同地质段和不同模式段的掘进参数变化、能源消耗情况等，得出相比于单模式盾构，双模盾构在复合地层条件下的适应性；曲线拟合及统计回归方法利用现场采集的数据，对盾构掘进效能与刀盘推力、刀盘扭矩等因素间的关系进行分析，得出回归分析曲线，该曲线只能反映掘进效能与刀盘推力之间的关系或掘进效能与刀盘扭矩间的关系，无法确定刀盘扭矩与刀盘推力对掘进效能影响程度的大小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对复杂地层隧道盾构施工，盾构掘进模式转换适应性的“信息熵”评价方法，从而确定双模盾构施工在复杂地层的适应性，提高工程的安全性与经济性。为达到上述目的，本发明的基础方案如下：

一种基于复杂地质条件的双模盾构适应性的“信息熵”评价方法，包括：

A、确定影响双模盾构适应性评价指标；

B、基于信息熵评价方法确定各影响因素权重并构造指标加权规范矩阵，确定最优方案指标与最差方案指标；

B1、基于熵权法理论构建评价矩阵；

B2、将评价矩阵X做标准化和无量纲矩阵处理得矩阵R；

B3、对标准化和无量纲处理的矩阵R进行运算，根据运算得出第i个评价指标的熵值E

B4、计算第i个指标的熵权，即该因素权重w

B5、将所求因素权重与矩阵R相乘，构造评价指标加权规范矩阵S；

B6、确定最优方案指标A+与最差方案指标A-，最优方案指标由每个指标加权后的最大值构成，最差方案指标由每个指标加权后的最小值构成；

C、确定各指标与正负理想指标间的贴近度，计算各因素与理想指标间的距离，并确定各指标评价参考值；

D、分析评价实际掘进参数；

E、分析双模盾构施工的适应性情况。

进一步地，所述步骤C中包括：

C1、根据海明贴近度方法计算各个指标与最优方案指标与最差方案指标的贴近度并确定各指标与理想指标间的距离，计算公式如下：

C2、求各指标评价参考值，计算公式为：

N(S,A)：加权规范矩阵数据与方案指标的贴近度；

S：评价指标加权规范矩阵；

S

n：各评价指标待评数据；

A：方案指标；

A

A

A

d

d

c

进一步地，所述步骤E中，根据熵权法、贴近度及数理统计方法相结合的分析结果与工程实际施工监测结果进行对比，分析双模盾构施工的适应性情况。

进一步地，所述步骤D中包括：分析所确定的各指标评价参考值，结合数理统计方法分析评价参考值最大的指标实际掘进参数。

进一步地，所述步骤A中包括结合实际工程地质条件及周边环境等对双模盾构施工过程中盾构机基本掘进参数进行分析，确定用于评价双模盾构适应性的指标。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下：

本发明采用信息熵理论对各评价指标进行分析，能够根据历史数据判各指标对于盾构适应性影响的效用价值。

本发明通过熵权法确定各因素权重，能够反映各指标在实际施工中的离散程度，结合海明贴近度计算方法确定各指标与理想指标的贴近度，进而确定各指标与理想指标间的距离及指标评价参考值，使计算方法更灵活且结果更加直接客观，有效避免了人为因素造成的偏差且精确度较高。

基于信息熵理论的双模盾构施工适应性评价模型的建立，能够适当剔除对确定的评价指标影响较小的因素，结合数理统计方法处理实际掘进数据，使适应性分析更加方便，减少冗余工作量。

附图说明

图1是本发明实施例双模转换盾构施工适应性分析流程图；

图2是本发明实施例留风区间右线120～150环盾构掘进刀盘转速变化曲线图；

图3是本发明实施例留风区间右线210～240环盾构掘进盾构扭矩变化曲线图。

具体实施方式

为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

参考图1，本实施例提出一种基于复杂地质条件的双模盾构适应性的“信息熵”评价方法，包括：

步骤一：确定影响双模盾构适应性评价指标；

本步骤主要结合实际工程地质条件及周边环境等对双模盾构施工过程中盾构机基本掘进参数进行分析，确定用于评价双模盾构适应性的指标。

步骤二：基于信息熵评价方法确定各影响因素权重并构造指标加权规范矩阵，确定最优方案指标与最差方案指标；

步骤三：确定各指标与正负理想指标间的贴近度，计算各因素与理想指标间的距离，并确定各指标评价参考值；

步骤四：分析评价实际掘进参数；

本步骤主要分析所确定的各指标评价参考值，结合数理统计方法分析评价参考值最大的指标实际掘进参数，指根据已求的各指标评价参考值分析各指标的适应性情况，因对于计算得到的指标评价参考值越小，代表该指标的适应性越大，该指标对于综合评价的影响越小，所以选取适应性最小的指标进行分析，即选取评价参考值最大指标的实际掘进参数结合数理统计方法进行整理分析。

步骤五：分析双模盾构施工的适应性情况。具体地，将根据熵权法、贴近度及数理统计方法相结合的分析结果与工程实际施工监测结果进行对比，分析双模盾构施工的适应性情况。

步骤二中基于信息熵评价方法确定各影响因素权重并构造指标加权规范矩阵，确定最优方案指标与最差方案指标，指采用熵权法对客观数据做出准确分析，分别确定影响TBM施工适应性与EPB施工适应性的各评价指标影响权重，结合权重构造评价指标加权规范矩阵并确定最优方案指标与最差方案指标。熵权法步骤如下：

第一步：基于熵权法理论构建评价矩阵。若选取评价的指标有m个，待评数据有n个，则n组待评数据和与之相对的m个指标构成m×n评价指标特征值矩阵X，见式(1)：

第二步：将评价矩阵X做标准化和无量纲矩阵处理，得矩阵R，见式(2)：

其中，当r

当r

第三步：对标准化和无量纲处理的矩阵R进行运算，根据运算得出第i个评价指标的熵值E

其中，Pi

第四步：计算第i个指标的熵权，即该因素权重w

第五步：将所求因素权重与矩阵R相乘，构造评价指标加权规范矩阵S，如式(8)所示：

S

第六步：确定最优方案指标A

步骤三中确定各指标与正负理想指标间的贴近度，计算各因素与理想指标间的距离，并确定各指标评价参考值，主要基于海明贴近度计算方法确定各指标与正负理想指标间的贴近度，并根据求得的贴近度计算与理想指标间的距离及指标评价参考值。指标评价参考值确定步骤如下：

第一步：根据海明贴近度方法计算各个指标与最优方案指标与最差方案指标的贴近度并确定各指标与理想指标间的距离，计算公式如式(10)、(11)所示：

第二步：求各指标评价参考值，计算公式如式(12)：

下面结合结合深圳地铁13号线留风区间盾构施工实例进行阐述，本工程地质条件复杂，采用TBM-EPB的双模转换盾构施工方法。在复合地层中掘进时容易出现掘进效能低的问题，经常需要不断调整掘进参数以适应地层条件，因此，选取掘进效能作为评价指标，对推力、扭矩、刀盘转速等三个掘进参数进行适应性分析。本工程盾构机设计额定扭矩为6080kN·m，脱困扭矩为7300kN·m，最大转速可达5.5r/min，最大推力为5060T。整理留风区间右线TBM掘进参数如表1所示，采用熵权法确定各指标权重，步骤如下：

表1为留风区间右线TBM掘进参数

(1)结合收集整理的3个评价指标的31组数据，构建熵权法评价矩阵X。

(2)根据留风区间右线TBM掘进参数表，进行标准化和无量纲处理，得到掘进参数标准化表，进而构建成标准化矩阵R，掘进参数标准化表如表2所示：

表2留风区间右线TBM掘进参数标准化表

(3)根据式(5)与式(6)计算第i因素占该指标比重及熵值E

E

(4)计算各因素权重。根据权重公式(7)计算因素权重，得：

w

(5)根据式(8)将所求因素权重与对应标准化和无量纲处理的矩阵相乘，得到掘进参数加权规范化表，进而构建成加权规范矩阵S，掘进参数加权规范化表如表3所示：

表3为留风区间右线TBM掘进参数加权规范化表

(6)根据表3确定最优方案指标与最差方案指标分别为：

(7)根据式(10)与式(11)计算各指标与最优方案指标、最差方案指标的贴近度以及各指标与正负理想指标间的距离，得到：

N(S,A

N(S,A

d

d

(8)根据式(12)计算指标评价参考值，得：

c

同理，取210～240环EPB掘进参数进行计算分析，可得TBM转换为EPB施工时各因素熵值、权重、评价参考值，分别为：

E

w

c

(9)基于熵权法及海明贴近度计算得出，TBM施工时刀盘转速的评价参考值最大，盾构推力评价参考值次之，盾构扭矩评价参考值最小，即盾构扭矩对TBM施工效能适应性程度最高，刀盘转速适应性最低；EPB施工时盾构扭矩的评价参考值最大，刀盘转速次之，盾构推力评价参考值最小。采用数理统计方法对工程实测TBM施工刀盘转速数据与EPB施工盾构扭矩数据进行处理分析，如图2与图3所示。

本工程盾构机设计的最大转速为5.5r/min，额定扭矩为6080kN·m，脱困扭矩为7300kN·m，由图2与图3可知，在穿越复杂混合地层时，TBM施工时刀盘转速主要集中在3～3.5r/min之间，EPB施工时盾构扭矩主要集中在(1.5～2.5)×10

本发明构建一种基于信息熵理论的双模盾构施工适应性评价模型，首先，根据熵权法确定影响双模盾构施工适应性因素的权重；其次，基于海明贴近度方法计算各指标与最优(差)方案指标的贴近度、与理想指标间的距离及指标评价参考值；最后结合数理统计方法分析双模盾构施工适应性。本发明评价方法能够根据实际工程进行适当调整，权重的计算方法有较多选择空间，而且能够克服现有方法的局限性，提高评价结果的客观性与准确性，适用于盾构隧道施工适应性研究。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。