一种盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价方法和系统

摘要

本发明属于隧道技术领域，具体涉及一种盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价方法和系统。评价方法包括以下步骤：基于历史隧道盾构施工项目的施工数据，构建盾构开挖过程中地表的安全评价模型；基于层次分析法，构造各个安全风险因素的判断矩阵，并确定各个安全风险因素的权重；基于所述隶属度函数和各个安全风险因素的权重，对目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的安全风险因素构造评判矩阵，并进行模糊综合评判；基于模糊综合评判的评判结果，根据最大隶属度原则，确定目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中地表沉降的安全风险等级。本发明的方案可以准确和定量地评价盾构开挖过程中地表沉降的安全性。

说明书

技术领域

本发明属于隧道技术领域，具体涉及一种盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价方法和系统。

背景技术

盾构开挖掘进过程中进行地表沉降安全性评价对合理选择施工工艺、控制灾变具有重要意义，盾构掘进施工是反复多次的“卸荷-加载”的过程，这一过程打破了周围土体的原有平衡，造成了地层土体的损失，土体将会发生应力释放和移动，进而导致地表及周边建筑物的变形，因此，对盾构穿越运营铁路的掘进施工扰动产生的变形进行评价很有必要，而且越来越多的地下工程开展工程安全风险评估工作。钱七虎院士肯定了工程风险评估的作用与重要性，对我国当前安全风险评估存在问题提出了宝贵的建议。目前风险评估方法主要包括：专家调查法和层次分析法、WBS方法和故障树法、地面沉降评估理论与方法、模糊隶属曲线法、贝叶斯网络风险评估等。汪益敏等利用层次分析法确定了某省境内3条典型国省道运营期地表技术状况评价因素和权重参数，并与规范法进行比较分析，认为利用层次分析法可以更客观、更详细地反映公路运营期地表的病害情况和各类技术状况；胡群芳等运用层次分析法，将熵权法和标度法结合起来确定各个影响指标的权重，确立了一套评估公路隧道结构安全等级的理论体系；何冠洁等结合层次分析法(AHP)确定指标权重，建立了溃坝环境影响评价的可变模糊集评价模型，并以沙河集水库大坝作为工程实例进行了验证。

综上所述，虽然风险评估法已经在基坑、边坡和巷道工程中获得了广泛的应用，其评价结果的可靠性得到了普遍认可。目前关于盾构施工引起的地表沉降评价方法包括模糊综合评价、机器学习和人工神经网络等方法。然而，盾构施工引起的地表沉降影响因素复杂，目前上述评价方法的可靠性和适用性都存在安全评价因素不合理、模型计算精度低和可靠性差等局限性。

因此，需要提供一种针对盾构开挖过程中地表沉降的安全性定量评价，以解决上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价方法和系统，旨在能够准确和定量地评价盾构开挖过程中地表沉降的安全性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价方法，所述评价方法包括以下步骤：

步骤S10，基于历史隧道盾构施工项目的施工数据，构建盾构开挖过程中地表的安全评价模型，其中，所述安全评价模型包括安全风险因素、安全风险等级和与安全风险等级对应的隶属度函数；

步骤S20，基于层次分析法，构造各个安全风险因素的判断矩阵，并确定各个安全风险因素的权重；

步骤S30，基于所述隶属度函数和各个安全风险因素的权重，对目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的安全风险因素构造评判矩阵，并进行模糊综合评判；

步骤S40，基于模糊综合评判的评判结果，根据最大隶属度原则，确定目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中地表沉降的安全风险等级。

可选地，步骤S10中，安全风险因素分为三层次，其中，第一层次因素包括内因和外因，第二层次因素包括隧道位置、隧道尺寸、支护压力和摩擦力，第三层次因素包括盾构直径与隧道埋深比、隧道距离建筑物的距离的倒数、隧道直径、注浆压力、掌子面压力、千斤顶推力、摩擦系数。

可选地，步骤S10中，安全风险等级包括四个安全风险等级，与四个安全风险等级相对应的隶属度函数A

其中，δ

可选地，步骤S20具体为，基于层次分析法，采用1-9标度法对各个安全风险因素构造判断矩阵，取其最大特征值对应的特征向量作为权重。

可选地，步骤S20中，第一层次因素中，内因和外因的权重分别0.6和0.4；第二层次因素中，隧道位置和隧道尺寸分别为0.667和0.333；支护压力和摩擦力分别为0.8和0.2；第三层次因素中，盾构直径与隧道埋深之比、隧道距离建筑物的距离的倒数、隧道直径的权重分别为0.4、0.6和1，注浆压力、掌子面压力、千斤顶推力和摩擦系数的权重分别为0.4、0.3、0.3和1。

可选地，步骤S30具体为：

基于所述隶属度函数，计算目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的各个安全风险因素对应于四个安全风险等级的隶属度；

基于各个安全风险因素的隶属度和各个安全风险因素的权重，对目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的安全风险因素进行分层次构造评判矩阵，并进行模糊综合评判。

可选地，基于各个安全风险因素的隶属度和各个安全风险因素的权重，对目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的安全风险因素进行分层次构造评判矩阵，并进行模糊综合评判，具体为：

基于目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中的第三层次因素的隶属度，构造第三层次因素的评判矩阵R

根据第三层次因素的评判矩阵R

构造第二层次因素的评判矩阵为R

根据第二层次因素的评判矩阵R

构造第一层次因素的评判矩阵为R＝(B

根据第一层次因素的评判矩阵R和相应权重A，计算得到第一层次因素的模糊综合评判结果B＝AR。

可选地，步骤S40具体为，基于第一层次因素的模糊综合评判结果B，根据最大隶属度原则，确定目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中地表沉降的安全风险等级。

本发明还提出了一种盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价系统，所述系统包括：

构建单元，配置为基于历史隧道盾构施工项目的施工数据，构建盾构开挖过程中地表的安全评价模型，所述地表的安全评价模型包括安全风险因素、安全风险等级和与安全风险等级对应的隶属度函数；

权重确定单元，配置为基于层次分析法，构造各个安全风险因素的判断矩阵，并确定各个安全风险因素的权重；

评判单元，配置为基于所述隶属度函数和各个安全风险因素的权重，对目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的安全风险因素构造评判矩阵，并进行模糊综合评判；

安全风险等级确定单元，配置为基于模糊综合评判的评判结果，根据最大隶属度原则，确定目标盾构施工项目的盾构开挖过程中地表沉降的安全风险等级。

可选地，所述评判单元包括计算子单元和评判子单元，其中，

所述计算子单元配置为基于所述隶属度函数，计算目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的各个安全风险因素的隶属度；

所述评判子单元配置为基于各个安全风险因素的隶属度和各个安全风险因素的权重，对目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的安全风险因素进行分层次构造评判矩阵，并进行模糊综合评判。

有益效果：

本发明的盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价方法，首先基于历史隧道盾构施工项目的施工数据，构建盾构开挖过程中地表的安全评价模型，安全评价模型包括安全风险因素、安全风险等级和与安全风险等级对应的隶属度函数，然后基于层次分析法构建各个安全风险因素的判断矩阵，并确定各个安全风险因素的权重；之后基于上述隶属度函数和各个安全因素的权重，对目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的安全风险因素构造评判矩阵，并进行模糊综合评判，最后基于模糊综合评判的评判结果，根据最大隶属度原则，确定目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中地表沉降的安全风险等级。本发明的技术方案采用层次分析法和模糊综合评判法，并结合目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的数据，对当前盾构开挖过程中地表沉降的安全状况进行定量评价，通过该方法得到的评价结果与实际情况一致，基于此，本发明的方案可以准确和定量地评价盾构开挖过程中地表沉降的安全性，对后续隧道盾构开挖过程提出了针对性的施工建议，对保障工程安全具有重要意义；并且，该方法过程简单，易于实际操作。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为根据本发明的一些实施例提供的盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价方法的流程示意图；

图2为根据本发明的一些实施例提供的盾构开挖过程中地表沉降的安全风险因素；

图3为根据本发明的一些实施例提供的盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价系统的功能框图；

图4为根据本发明的一些实施例提供的盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价系统中评判单元的功能框图。

图中标号：100-构建单元；200-权重确定单元；300-评判单元；310-计算子单元；320-评判子单元；400-安全风险等级确定单元。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价方法和系统，旨在能够准确和定量地评价盾构开挖过程中地表沉降的安全性。

图1为根据本发明的一些实施例提供的盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价方法的流程示意图，如图1所示，本发明的盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价方法，包括以下步骤：

步骤S10，基于历史隧道盾构施工项目的施工数据，构建盾构开挖过程中地表的安全评价模型，安全评价模型包括安全风险因素、安全风险等级和与安全风险等级对应的隶属度函数。

步骤S20，基于层次分析法，构造各个安全风险因素的判断矩阵，并确定各个安全风险因素的权重；

步骤S30，基于隶属度函数和各个安全风险因素的权重，对目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的安全风险因素构造评判矩阵，并进行模糊综合评判；

步骤S40，基于模糊综合评判的评判结果，根据最大隶属度原则，确定目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中地表沉降的安全风险等级。

本发明的盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价方法，首先基于历史隧道盾构施工项目的施工数据(也即是隧道盾构施工的经验总结)，构建盾构开挖过程中地表的安全评价模型，安全评价模型包括安全风险因素、安全风险等级和与安全风险等级对应的隶属度函数，然后基于层次分析法构建各个安全风险因素的判断矩阵，并确定各个安全风险因素的权重；之后基于上述隶属度函数和各个安全因素的权重，对目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的安全风险因素构造评判矩阵，并进行模糊综合评判，最后基于模糊综合评判的评判结果，根据最大隶属度原则，确定目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中地表沉降的安全风险等级。本发明的技术方案采用层次分析法和模糊综合评判法，并结合目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的数据，对当前盾构开挖过程中地表沉降的安全状况进行定量评价，通过该方法得到的评价结果与实际情况一致，基于此，本发明的方案可以准确和定量地评价盾构开挖过程中地表沉降的安全性，对后续隧道盾构开挖过程提出了针对性的施工建议，对保障工程安全具有重要意义；并且，该方法过程简单，易于实际操作。

需要说明的是，历史隧道盾构施工项目的施工数据可以是与目标盾构施工项目同一施工隧道的前期盾构施工数据，也可以是不同项目的施工隧道的历史盾构施工项目，在此不作限定，均在本发明的保护范围之内。

本发明具体实施例中，以某市地铁四号线为工程背景，例如某市地铁四号线17标段线路平面区间线路出创新路站后，由北向南敷设，侧穿南郡学府高层、下穿电力管廊、毡匠屯民房后，转向西敷设，穿越雨水管、污水管及五座高铁桥后，至停车场止。由于盾构法施工而引起隧道周围土体的松动和沉陷，它直观表现为沉降或隆起。受其影响隧道附近地区的构筑物将产生变形、沉降或变位，以至使构筑物机能遭受破损或破坏。

获取四号线地下隧道前期盾构开挖过程中的施工数据，并综合分析获取的施工数据，将盾构开挖过程中地表沉降的安全风险因素分为内因和外因两部分，其中，内因可分为隧道位置和隧道尺寸，外因可分为支护压力和摩擦力，隧道位置可分为为隧道盾构直径与埋深比和隧道距离上部建筑物距离；隧道尺寸主要为盾构直径；支护压力可分为注浆压力、掌子面压力和千斤顶推力；摩擦力主要取决于土和盾构机之间的摩擦系数。也即是，如图2所示，安全风险因素分为三层次，其中，第一层次因素包括内因和外因，第二层次因素包括隧道位置、隧道尺寸、支护压力和摩擦力，第三层次因素包括盾构直径与隧道埋深之比、隧道距离建筑物的距离、隧道直径、注浆压力、掌子面压力、千斤顶推力、摩擦系数。

根据图2的安全风险因素建立三级模糊综合评判模型，三个层次的安全风险因素具体为：

第一层次：u＝(u

第二层次：u

第三层次：c

其中，u

进一步地，根据获取的施工数据，将盾构开挖过程中地表沉降的安全风险等级分为安全、较安全、危险、较危险四个安全风险等级，每个安全风险等级对应于每个安全风险因素的控制值，见表1所示。

表1安全风险因素及安全风险等级

进一步地，本发明采用隶属度函数表示盾构开挖过程中地表沉降的安全风险因素对其安全风险等级的隶属程度，隶属度函数越大，表明相应的隶属度越高。本发明具体实施例中，

与四个安全风险等级相对应的隶属度函数A

其中，δ

由表1可知，盾构开挖工程中盾构直径与隧道埋深比的控制值分别为0.3，0.5，1(即δ

本发明具体实施例中，步骤S20具体为，基于层次分析法，采用1-9标度法构造各个安全风险因素的判断矩阵，取其最大特征值对应的特征向量作为权重，并进行一致性检验。其中，第一层次安全风险因素构造矩阵及权重如表2所示，第二层次安全风险因素中内因构造矩阵及权重如表3所示，外因构造矩阵及权重如表4所示。

表2第一层评判因素构造矩阵及权重

表3内因构造矩阵及权重

表4外因构造矩阵及权重

由于隧道尺寸仅取决于盾构直径，摩擦力仅取决于摩擦系数，则相应的权重取1；第三层次安全风险因素中，盾构直径与隧道埋深比、隧道距离建筑物的距离的倒数、盾构直径的权重分别取0.4、0.6和1，注浆压力、掌子面压力和千斤顶推力的权重分别取0.4、0.3和0.3。需要说明的是，得到判断矩阵的最大特征值和特征向量后，进行一致性检验，其检验方法如下：

(1)按照下列公式求取一致性检验指标CI：

式中：CI为一致性检验指标；λ

(2)根据表5确定平均随机一致性指标RI。

表5平均随机一致性指标RI

(3)根据下面公式求出一致性比例CR：

根据该公式得到各层评判因素CR值，当CR＜0.1时，即可认为判断矩阵的整体一致性是可以接受的，可以用其特征向量作为权重向量；反之，则需要对构造的判断矩阵进行适当的修正，以使其具有整体一致性。

本发明具体实施例中，步骤S30具体为：

基于所述隶属度函数，计算目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的各个安全风险因素的隶属度；

基于各个安全风险因素的隶属度和各个安全风险因素的权重，对目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的安全风险因素进行分层次构造评判矩阵，并进行模糊综合评判。

下面结合具体施工项目对步骤S30进行详细说明。

某市地铁四号线隧道(即为目标盾构施工项目)的当前盾构开挖过程中所监测的各个安全风险因素数据如表6所示。

表6各个安全风险因素的监测数据

根据表6各个安全风险因素的监测数据和上述各个安全风险等级对应的隶属函数计算得到相应各个安全风险因素的隶属度。比如，盾构直径与隧道埋深比的监测值(M1)为0.4，即δ＝0.4，δ

基于目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中的第三层次因素的隶属度，构造第三层次因素的评判矩阵R

R

R

根据第三层次因素的评判矩阵R

B

B

B

B

构造第二层次因素的评判矩阵为R

根据第二层次因素的评判矩阵R

构造第一层次因素的评判矩阵为R＝(B

根据第一层次因素的评判矩阵R和相应权重A，其中，A＝(0.6 0.4)，计算得到第一层次因素的模糊综合评判结果B＝AR，即：

进一步地，步骤S40具体为，基于第一层次因素的模糊综合评判结果B，根据最大隶属度原则，确定目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中地表沉降的安全风险等级。

具体地，基于第一层次因素的模糊综合评判结果B，地铁四号线项目隧道下盾构开挖过程中地表沉降安全风险等级的模糊子集为：

根据最大隶属度原则，地铁四号线项目隧道下盾构开挖过程中地表沉降安全风险等级对第二等级的隶属度最高(0.7201)，故其安全风险等级为Ⅱ级(即较安全等级)，处于较安全状态。经过现场验证可知，本发明模糊综合评判结果与现场实际情况相符，准确性较高，对后续隧道盾构开挖过程提出了针对性的施工建议，对保障工程安全具有重要意义。

图3为根据本发明的一些实施例提供的盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价系统的功能框图，如图3所示，本发明的评价系统包括：构建单元100、权重确定单元200、评判单元300和安全风险等级确定单元400，其中，构建单元100，配置为基于历史隧道盾构施工项目的施工数据，构建盾构开挖过程中地表的安全评价模型，安全评价模型包括安全风险因素、安全风险等级和与安全风险等级对应的隶属度函数；权重确定单元200，配置为基于层次分析法，构造各个安全风险因素的判断矩阵，并确定各个安全风险因素的权重；评判单元300，配置为基于所述隶属度函数和各个安全风险因素的权重，对目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的安全风险因素构造评判矩阵，并进行模糊综合评判；安全风险等级确定单元400，配置为基于模糊综合评判的评判结果，根据最大隶属度原则，确定目标盾构施工项目的盾构开挖过程中地表沉降的安全风险等级。

进一步地，如图4所示，评判单元300包括计算子单元310和评判子单元320，其中，计算子单元310配置为基于所述隶属度函数，计算目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的各个安全风险因素的隶属度；评判子单元320配置为基于各个安全风险因素的隶属度和各个安全风险因素的权重，对目标盾构施工项目的当前盾构开挖过程中所监测的安全风险因素进行分层次构造评判矩阵，并进行模糊综合评判。

本发明实施例提供的盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价系统能够实现上述任一实施例的盾构开挖过程中地表沉降的安全性评价方法的流程、步骤，并达到相同的有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。