本发明涉及土木工程隧道工程
技术领域：
，尤其涉及一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法。
背景技术：
：目前，工程中对既有隧道病害的评价方法相对单一，主要采用传统的模糊综合评价法，该方法并不能解决评价指标间相关造成的评价信息重复问题，同时计算复杂，对指标权重矢量的确定主观性较强。同时，模糊综合评价过程对各被评价对象的指标信息量考虑不够，有可能影响评价结果的区分度，即当指标集个数凡较大时，在权矢量和为1的条件约束下，相对隶属度权系数往往偏小，权矢量与模糊矩阵r不匹配，结果会出现超模糊现象，分辨率很差，无法区分谁的隶属度更高，甚至造成评判失败。纯粹的层次分析法可用于对无结构特性的系统评价以及多目标、多准则、多时期等的系统评价。可拓学(extenics)是以物元理论和可拓集合理论为基础的研究和解决矛盾问题的特有方法理论，是以基元为逻辑细胞建立解决矛盾问题的形式化工具。与经典数学和模糊数学相比，它的本质区别在于，extenics面向的是问题本身，而不是面向数据或者空间形式。相较于对数据要求严格的数学处理方法，extenics的应用范围更广。技术实现要素：为了解决克服现有评价技术的不足，并提供一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法；主要包括以下步骤：s101：基于层次分析法，构建既有隧道衬砌结构病害的评价指标体系；s102：采用专家打分的方法构造所述评价指标体系中各类评价指标的判断矩阵；s103：根据所述判断矩阵，计算所述评价指标体系中各类评价指标的权重向量，并进行一致性检验；s104：基于可拓学理论，确定既有隧道衬砌结构病害评价物元及评价等级；s105：根据所述评价等级，建立既有隧道衬砌结构病害评价的经典域、节域和评价物元；s106：建立所述评价指标体系中各类评价指标和所述评价等级的关联函数，并计算关联度；s107：根据所述关联度，确定既有隧道衬砌结构病害评价等级。进一步地，步骤s101中，所述评价指标体系包括：目标a：既有隧道衬砌结构病害评价；所述目标a下包括3类指标，即3个准则：施工准则b1、自然环境准则b2和工程地质准则b3；所述施工准则b1包括6类评价指标：施工工艺及技术c1、场地勘察与量测c2、施工器械及使用材料c3、后期运营及维护c4、施工组织设计c5、作业人员教育培训c6；所述自然环境准则b2包括3类评价指标：地形与地貌c7、气候与气象c8、潜在自然灾害c9；所述工程地质准则b3包括4类评价指标：围岩级别c10、岩层产状c11、地质构造c12、不良地质条件c13。进一步地，步骤s102中，采用专家打分的方法构造所述评价指标体系中各类评价指标的判断矩阵；具体包括：采用1-9标度法对目标a、准则b1、准则b2和准则b3下的评价指标两两比较来确定基础数据，量化两评价指标间的相对重要性，并通过专家打分得到既有隧道衬砌结构病害评价目标a下的三类指标两两比较重要程度，进而得到目标a对应的判断矩阵；所述基础数据为各判断矩阵中的元素；采用类似方法分别得到准则b1～b3的判断矩阵。进一步地，步骤s103中，根据所述判断矩阵，计算所述评价指标体系中各类评价指标的权重向量，并进行一致性检验；具体包括：采用方根法分别计算所述目标a、准则b1、准则b2和准则b3对应的判断矩阵的特征向量，得到c1～c13共13个评价指标的权重向量，最后将所述的13个评价指标的权重向量进行归一化处理和一致性检验，得出权重向量w＝(w1,w2,...,w13)t，wi为第i个评价指标ci的权重值，wi越大，则评价指标ci对隧道衬砌结构病害的影响程度越大，i＝1,2,…,13；其中，若所述一致性检验不通过，则需要重新通过专家打分构建判断矩阵，计算新的权重向量。进一步地，步骤s104中，基于可拓学理论，确定既有隧道衬砌结构病害评价物元及评价等级；具体为：确定既有隧道衬砌结构病害评价研究为物元r，其下的13个所述评价指标划分为5个评价等级：u1,u2,…,u5；则评价指标集c＝{c1,c2,…,c13}，评价等级集u＝{u1,u2,…,u5}；结合历史数据，确定既有隧道衬砌结构病害打分范围为[50,100]，由此确定评价等级集u＝{u1,u2,…,u5}＝{轻度，较轻，中度，较重，重度}。进一步地，步骤s105中，根据所述评价等级，建立既有隧道衬砌结构病害评价的经典域、节域和评价物元；所述经典域为：轻度(95～100)、较轻(85～95)、中度(65～85)、较重(55～65)和重度(50～55)；准则b1的节域为：准则b2的节域为：准则b3的节域为：所述评价物元为：进一步地，步骤s106中，所述关联函数为：上式中，kj(vi)表示第i个评价指标ci的第j个评价等级vj的关联函数值；vi表示第i个评价指标ci的分数值，根据所述评价物元r获得；v表示5个评价等级的总分区间，即50～100；vj表示第j个评价等级的打分区间；|vj|表示第j个评价等级的打分区间的区间长度；ρ(vi,vj)表示分数vi到打分区间vj的距，计算公式如下：其中，a和b分别为打分区间vj的下限和上限；i＝1,2,…,13；j＝1,2,…,5；关联度计算公式为：上式中，wi为评价指标ci的权重值；kj为第i个评价指标ci的第j个评价等级vj的关联函数值与权重值wi的关联度；n为评价指标ci所对应的准则中的评价指标总数。进一步地，步骤s107中，根据所述关联度，确定既有隧道衬砌结构病害评价等级的方法为：选择所有关联度中值最大的关联度，并将该关联度对应的评价等级作为既有隧道衬砌结构病害评价等级。本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提出的技术方案采用ahp法对实际问题建立评价指标体系和权重分配，在此基础上，结合exteneics理论构建关联函数对评价指标和评价等级进行关联度计算，从而直观的评价实际工程问题。基于层次-可拓(ahp-extenics)分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法，可以使既有隧道衬砌结构病害评价更全面、客观。附图说明下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：图1是本发明实施例中一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法的详细流程图；图2是本发明实施例中一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法的总体框图；图3是本发明实施例中的评价指标体系图。具体实施方式为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。本发明的实施例提供了一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法。请参考图1和图2，图1是本发明实施例中一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法的详细流程图；图2是本发明实施例中一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法的总体框图；所述一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法，具体包括如下步骤：s101：基于层次分析法，构建既有隧道衬砌结构病害的评价指标体系；s102：采用专家打分的方法构造所述评价指标体系中各类评价指标的判断矩阵；s103：根据所述判断矩阵，计算所述评价指标体系中各类评价指标的权重向量，并进行一致性检验；s104：基于可拓学理论，确定既有隧道衬砌结构病害评价物元及评价等级；s105：根据所述评价等级，建立既有隧道衬砌结构病害评价的经典域、节域和评价物元；s106：建立所述评价指标体系中各类评价指标和所述评价等级的关联函数，并计算关联度；s107：根据所述关联度，确定既有隧道衬砌结构病害评价等级。请参阅图3，图3是本发明实施例中的评价指标体系图；既有隧道衬砌结构病害的影响因素较多，可分为工程地质因素、自然环境因素和施工作业因素三大类以及施工工艺及技术、场地勘察与量测、施工器械及使用材料等13个主要因素，据此可建立如图2所示的评价指标体系；所述评价指标体系包括：目标a：既有隧道衬砌结构病害评价；所述目标a下包括3类指标，即3个准则：施工准则b1、自然环境准则b2和工程地质准则b3；所述施工准则b1包括6类评价指标：施工工艺及技术c1、场地勘察与量测c2、施工器械及使用材料c3、后期运营及维护c4、施工组织设计c5、作业人员教育培训c6；所述自然环境准则b2包括3类评价指标：地形与地貌c7、气候与气象c8、潜在自然灾害c9；所述工程地质准则b3包括4类评价指标：围岩级别c10、岩层产状c11、地质构造c12、不良地质条件c13。步骤s102中，采用专家打分的方法构造所述评价指标体系中各类评价指标的判断矩阵；具体包括：采用1-9标度法对目标a、准则b1、准则b2和准则b3下的评价指标两两比较来确定基础数据，量化两评价指标间的相对重要性(其数值及对应的重要程度关系见表1)，并通过专家打分得到既有隧道衬砌结构病害评价目标a下的三类指标(工程地质、自然环境和施工作业)两两比较重要程度，进而得到目标a对应的判断矩阵；其中，目标a评价指标重要程度判断结果见表2；所述基础数据为各判断矩阵中的元素；表1数值及重要度关系表2目标层评价指标重要程度判断结果同理，通过专家打分可以分别得到既有隧道衬砌结构病害评价准则b1-施工作业中6个因素指标、准则b2-自然环境中3个因素指标、准则b3-工程地质中4个因素指标两两比较重要程度，进而得到b1～b3的判断矩阵；本发明实施例中，目标a和准则b1、准则b2、准则b3的判断矩阵表示如下：步骤s103中，根据所述判断矩阵，计算所述评价指标体系中各类评价指标的权重向量，并进行一致性检验；具体包括：采用方根法分别计算所述目标a、准则b1、准则b2和准则b3对应的判断矩阵的特征向量，得到c1～c13共13个评价指标的权重向量，最后将所述的13个评价指标的权重向量进行归一化处理和一致性检验，得出权重向量w＝(w1,w2,...,w13)t，wi为第i个评价指标ci的权重值，wi越大，则评价指标ci对隧道衬砌结构病害的影响程度越大，i＝1,2,…,13；其中，若所述一致性检验不通过，则需要重新通过专家打分构建判断矩阵，计算新的权重向量。针对某个判断矩阵x，其对应的权重向量的具体计算过程如下：s201：将判断矩阵x的各元素按行相乘得u：其中，ui为矩阵u中的第i个元素；bij为判断矩阵x中的第i行第j列元素，n为判断矩阵x的阶数；i＝1,2,…,n；s202：对矩阵u中的各元素分别开n次方得矩阵u1：s203：将u1中的各元素分别正规化得特征向量ω：上式中，ui为矩阵u1中的第i个元素，ωi为特征向量ω中的第i个权重值；s204：计算判断矩阵最大特征根λmax：上式中，(xω)i表示xω的第i行元素；为验证判断矩阵构造的合理性，需要对评价指标进行一致性检验，具体计算过程如下：s301：计算一致性指标c.i.：s302：计算一致性指标c.r.：式中，λmax为判断矩阵的最大特征根；r.i.为平均随机一致性指标，可查表3确定。表3平均随机一致性指标r.i当随机一致性比例c.r.<0.10时，认为构造的判断矩阵的符合一致性检验，反之不符，需适当调整元素取值,即重新通过专家打分得到各判断矩阵。步骤s104中，基于可拓学理论，确定既有隧道衬砌结构病害评价物元及评价等级；具体为：确定既有隧道衬砌结构病害评价研究为物元r，其下的13个所述评价指标划分为5个评价等级：u1,u2,…,u5；则评价指标集c＝{c1,c2,…,c13}，评价等级集u＝{u1,u2,…,u5}；结合历史数据，确定既有隧道衬砌结构病害打分范围为[50,100]，由此确定评价等级集u＝{u1,u2,u3,u4,u5}＝{轻度，较轻，中度，较重，重度}。步骤s105中，根据所述评价等级，建立既有隧道衬砌结构病害评价的经典域、节域和评价物元；所述经典域为：轻度(95～100)、较轻(85～95)、中度(65～85)、较重(55～65)和重度(50～55)；准则b1的节域为：准则b2的节域为：准则b3的节域为：所述评价物元为：以既有隧道衬砌结构病害评价研究中准则b1-施工作业为例，分别建立5个病害级别的经典域、病害级别总范围的节域和评价物元，具体描述见表4：步骤s106中，所述关联函数为：上式中，kj(vi)表示第i个评价指标ci的第j个评价等级vj的关联函数值；vi表示第i个评价指标ci的分数值，根据所述评价物元r获得；v表示5个评价等级的总分区间，即50～100；vj表示第j个评价等级的打分区间；|vj|表示第j个评价等级的打分区间的区间长度；ρ(vi,vj)表示分数vi到打分区间vj的距，计算公式如下：其中，a和b分别为打分区间vj的下限和上限；i＝1,2,…,13；j＝1,2,…,5；关联度计算公式为：上式中，wi为评价指标ci的权重值；kj为第i个评价指标ci的第j个评价等级vj的关联函数值与权重值wi的关联度；n为评价指标ci所对应的准则中的评价指标总数。步骤s107中，根据所述关联度，确定既有隧道衬砌结构病害评价等级的方法为：选择所有关联度中值最大的关联度，并将该关联度对应的评价等级作为既有隧道衬砌结构病害评价等级。在本发明实施例中，采用1-9标度法构造各层次指标的判断矩阵，以某隧道为例，对各评价指标进行权重计算。将目标层a-b和准则层b1-c，b2-c以及b3-c的判断矩阵及权重分配分别列入表5～表8：表5a-b判断矩阵及权重分配表6b1-c判断矩阵及权重分配表7b2-c判断矩阵及权重分配b2c7c8c9ωi一致性检验c71120.4000λmax＝3.00c81120.4000c.i.＝0c91/21/210.2000c.r.＝0<0.1表8b3-c判断矩阵及权重分配根据表5～表8计算结果可知，隧道衬砌结构病害评价分析中目标层a-b的指标权重ωb＝(0.4938,0.1958,0.3108)t，准则层b-c的指标权重ωc＝(0.3922,0.0319,0.2725,0.1470,0.0704,0.0860,0.4000,0.4000,0.2000,0.3640,0.1956,0.1343,0.3061)t，且各层判断矩阵一致性检验指标c.r<0.1，均满足一致性要求。如果判断矩阵的一致性较差，则排序结果的可靠性较低，需要对判断矩阵进行调整。在此基础上，对各指标进行综合权重计算，然后由高到低排序，隧道衬砌结构病害评价指标层次总排序结果见表9。表9层次总排序根据表9排序结果可知，隧道衬砌结构病害评价指标中对隧道衬砌结构病害影响最高的是施工工艺及技术c1，其次是施工器械及使用材料c3，围岩级别c10和不良地质条件c13。根据国家有关行业规定，结合既有隧道衬砌结构病害评价中各项影响因素指标的暴露度、敏感度、适应度的定论和标准，通过专家打分确定既有隧道衬砌结构的病害级别。在判断既有隧道衬砌结构病害程度等级时，不仅包括病害即将发生的可能性，还包括了其发生后所造成的危害程度。根据历史数据，确定既有隧道衬砌结构病害打分范围：50～100，并把既有隧道衬砌结构病害划分为五个种级别，分别描述如下：“轻度”为可接受的病害级别，得分95～100，是病害潜在风险水平最低的等级；“较轻”为允许发生的病害级别，得分85～95，是病害潜在风险水平略高于“轻度”；“中度”为允许发生但需要采取控制措施的病害级别，得分65～85，是病害潜在风险水平适中的等级；“较重”为不可接受的“重度危险”，得分55～65，是风险水平等级较高的等级；“重度”为完全不可接受的“重度危险”，得分50～55，是风险水平等级最高的等级。由此确定病害评价等级u＝{u1,u2,u3,u4,u5}＝{轻度，较轻，中度，较重，重度}。结合隧道衬砌结构病害级别划分，建立工程地质准则b3的经典域ri(b3)：隧道衬砌结构病害打分范围为50～100，建立工程地质准则b3的经典域r(b3)：根据相关规定和标准，对既有隧道衬砌结构病害影响因素指标进行评价打分。指标共涉及13项，根据各指标实际得分，建立隧道衬砌结构病害评价的经典域r：根据extenics关联函数计算公式，将隧道衬砌结构病害单层评价指标关联度kj计算结果汇入表10。表10单层关联度根据表10中c层评价指标关联度和权重分配结果，可依次计算得到隧道衬砌结构病害评价研究中b层和a层评价指标综合关联度，计算结果见表11。表11综合关联度根据表11中综合关联度计算结果，可得到既有隧道隧道衬砌结构病害评价级别。根据案例目标层a的最大综合关联度kmax＝k2＝0.0922，判断隧道衬砌结构病害评价级别是“较轻”，为允许发生的病害级别。本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案采用ahp法对实际问题建立评价指标体系和权重分配，在此基础上，结合exteneics理论构建关联函数对评价指标和评价等级进行关联度计算，从而直观的评价实际工程问题。基于层次-可拓(ahp-extenics)分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法，可以使既有隧道衬砌结构病害评价更全面、客观。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。当前第1页1 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技术特征：1.一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
s101：基于层次分析法，构建既有隧道衬砌结构病害的评价指标体系；
s102：采用专家打分的方法构造所述评价指标体系中各类评价指标的判断矩阵；
s103：根据所述判断矩阵，计算所述评价指标体系中各类评价指标的权重向量，并进行一致性检验；
s104：基于可拓学理论，确定既有隧道衬砌结构病害评价物元及评价等级；
s105：根据所述评价等级，建立既有隧道衬砌结构病害评价的经典域、节域和评价物元；
s106：建立所述评价指标体系中各类评价指标和所述评价等级的关联函数，并计算关联度；
s107：根据所述关联度，确定既有隧道衬砌结构病害评价等级。
2.如权利要求1所述的一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法，其特征在于：步骤s101中，所述评价指标体系包括：目标a：既有隧道衬砌结构病害评价；所述目标a下包括3类指标，即3个准则：施工准则b1、自然环境准则b2和工程地质准则b3；
所述施工准则b1包括6类评价指标：施工工艺及技术c1、场地勘察与量测c2、施工器械及使用材料c3、后期运营及维护c4、施工组织设计c5、作业人员教育培训c6；
所述自然环境准则b2包括3类评价指标：地形与地貌c7、气候与气象c8、潜在自然灾害c9；
所述工程地质准则b3包括4类评价指标：围岩级别c10、岩层产状c11、地质构造c12、不良地质条件c13。
3.如权利要求2述的一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法，其特征在于：步骤s102中，采用专家打分的方法构造所述评价指标体系中各类评价指标的判断矩阵；具体包括：
采用1-9标度法对目标a、准则b1、准则b2和准则b3下的评价指标两两比较来确定基础数据，量化两评价指标间的相对重要性，并通过专家打分得到既有隧道衬砌结构病害评价目标a下的三类指标两两比较重要程度，进而得到目标a对应的判断矩阵；所述基础数据为各判断矩阵中的元素；
采用类似方法分别得到准则b1～b3的判断矩阵。
4.如权利要求3述的一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法，其特征在于：步骤s103中，根据所述判断矩阵，计算所述评价指标体系中各类评价指标的权重向量，并进行一致性检验；具体包括：
采用方根法分别计算所述目标a、准则b1、准则b2和准则b3对应的判断矩阵的特征向量，得到c1～c13共13个评价指标的权重向量，最后将所述的13个评价指标的权重向量进行归一化处理和一致性检验，得出权重向量w＝(w1,w2,...,w13)t，wi为第i个评价指标ci的权重值，wi越大，则评价指标ci对隧道衬砌结构病害的影响程度越大，i＝1,2,…,13；其中，若所述一致性检验不通过，则需要重新通过专家打分构建判断矩阵，计算新的权重向量。
5.如权利要求4的一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法，其特征在于：步骤s104中，基于可拓学理论，确定既有隧道衬砌结构病害评价物元及评价等级；具体为：
确定既有隧道衬砌结构病害评价研究为物元r，其下的13个所述评价指标划分为5个评价等级：u1,u2,…,u5；则评价指标集c＝{c1,c2,…,c13}，评价等级集u＝{u1,u2,…,u5}；
结合历史数据，确定既有隧道衬砌结构病害打分范围为[50,100]，由此确定评价等级集u＝{u1,u2,…,u5}＝{轻度，较轻，中度，较重，重度}。
6.如权利要求5述的一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法，其特征在于：步骤s105中，根据所述评价等级，建立既有隧道衬砌结构病害评价的经典域、节域和评价物元；
所述经典域为：轻度(95～100)、较轻(85～95)、中度(65～85)、较重(55～65)和重度(50～55)；
准则b1的节域为：
准则b2的节域为：
准则b3的节域为：
所述评价物元为：
7.如权利要求6述的一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法，其特征在于：步骤s106中，所述关联函数为：
上式中，kj(vi)表示第i个评价指标ci的第j个评价等级vj的关联函数值；vi表示第i个评价指标ci的分数值，根据所述评价物元r获得；v表示5个评价等级的总分区间，即50～100；vj表示第j个评价等级的打分区间；|vj|表示第j个评价等级的打分区间的区间长度；ρ(vi,vj)表示分数vi到打分区间vj的距，计算公式如下：
其中，a和b分别为打分区间vj的下限和上限；i＝1,2,…,13；j＝1,2,…,5；
关联度计算公式为：
上式中，wi为评价指标ci的权重值；kj为第i个评价指标ci的第j个评价等级vj的关联函数值与权重值wi的关联度；n为评价指标ci所对应的准则中的评价指标总数。
8.如权利要求7述的一种基于层次-可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法，其特征在于：步骤s107中，根据所述关联度，确定既有隧道衬砌结构病害评价等级的方法为：选择所有关联度中值最大的关联度，并将该关联度对应的评价等级作为既有隧道衬砌结构病害评价等级。
技术总结本发明提供了一种基于层次‑可拓分析的既有隧道衬砌结构病害评价方法，包括：基于层次分析法，构建既有隧道衬砌结构病害的评价指标体系；采用专家打分的方法构造所述评价指标体系中各类评价指标的判断矩阵；根据所述判断矩阵，计算所述评价指标体系中各类评价指标的权重向量，并进行一致性检验；基于可拓学理论，确定既有隧道衬砌结构病害评价物元及评价等级；根据所述评价等级，建立既有隧道衬砌结构病害评价的经典域、节域和评价物元；建立所述评价指标体系中各类评价指标和所述评价等级的关联函数，并计算关联度；根据所述关联度，确定既有隧道衬砌结构病害评价等级。可以使既有隧道衬砌结构病害评价更全面、客观。
技术研发人员：吴丹红;吴立;董道军;程瑶;周玉纯;马晨阳;汪煜烽;孙苗
受保护的技术使用者：中国地质大学(武汉)
技术研发日：2020.01.20
技术公布日：2020.06.05
