一种基于物元可拓理论的蚀变辉绿岩隧洞塌方风险评价方法及系统与流程

本发明涉及隧洞施工，尤其涉及一种基于物元可拓理论的蚀变辉绿岩隧洞塌方风险评价方法及系统。

背景技术：

1、辉绿岩作为一种浅成侵入的基性岩石，广泛分布于中国西南地区，其产出常呈脉状或岩墙状，矿物成分主要为斜长石和辉石，具辉绿结构。因其受矿物组成及结构构造所决定的硬脆性特征，其在后期的构造动力作用下易发生蚀变改造现象，引起岩体的矿物成分、结构构造发生不同程度的改变。蚀变作用往往造成辉石的绿泥石化和斜长石的高岭石化，也可生成绢云母和伊利石，在一定条件下还会发生蒙脱石化蚀变，同时产生大量节理裂隙，引起结构上的碎裂化和片理化，微观孔隙的发育。相应的蚀变辉绿岩的物理、力学性质也发生不同程度的改变，造成岩体塑性、含水率、膨胀性和可压缩性的增加，岩石密度、重度和纵波速度的降低，单轴抗压强度、变形模量、抗压缩性能等不同程度的降低。蚀变引起岩石的矿物组分、结构构造发生不同程度的变化，从而影响岩石的物理力学性质。尤其是粘土化蚀变岩往往构成工程岩体中的重大地质缺陷。辉绿岩是中国西南康滇地区一种常见的岩体，作为浅成侵入的基性岩，其往往呈脉状或岩墙状产出，矿物成分主要为辉石和基性斜长石，具辉绿结构，导致其具有硬脆性特征，在后期的构造动力作用下易碎裂化，且伴随不同程度的粘土化蚀变，从而劣化岩体的力学性质，如蚀变辉绿岩的变形模量和抗压缩性能明显降低，单轴抗压强度大大低于原岩，岩石密度、纵波速度降低，岩体质量变差。辉绿岩在后期的构造动力下易片理化及碎裂化甚至泥质化，并导致蚀变岩体中微观孔隙发育，工程性质很差。

2、随着我国地下空间工程建设的迅猛发展，长大深埋隧洞与隧道越来越多，在其开挖的过程中，对岩体稳定性问题的研究显得非常重要。目前，尽管国内外学者在引水隧洞围岩稳定性及塌方风险评价问题上进行了大量的研究，但对于隧洞开挖过程中遭遇蚀变辉绿岩带所引起的工程地质问题有待进一步探索和解决。现有的隧道风险评价方法解决了评价结果存在较大的主观性以及准确性低的问题，但是在选取评价指标方面，没有考虑不同蚀变程度的蚀变辉绿岩这一特殊岩体，仅仅考虑了花岗岩的常规性评价指标，是否适用于蚀变辉绿岩塌方风险评价尚不得知。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：如何针对蚀变围岩，填补蚀变岩围岩风险性评估的空白，提高蚀变围岩风险性评价的准确性。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供了一种基于物元可拓理论的蚀变辉绿岩隧洞塌方风险评价方法，包括：

5、将辉绿岩蚀变岩带宽度、辉绿岩蚀变强度指数、地下水状况、出露位置评分、围岩花岗岩蚀变强度指数作为备选评价指标；根据隧道工程地质特征，从备选评价指标中选取指标进行定量化处理；

6、基于定量化处理后的指标，通过层次分析法构建判断矩阵，获得各指标的权重值；

7、基于定量化处理后的指标，利用物元可拓理论进行计算，得出经典域、节域和关联函数；

8、基于各指标的权重值、经典域、节域和关联函数，计算出综合关联度，将最大综合关联度对应的风险等级作为隧洞风险等级，完成隧洞塌方风险评价。

9、作为基于物元可拓理论的蚀变辉绿岩隧洞塌方风险评价方法的一种优选方案，其中：

10、所述从备选评价指标中选取指标进行定量化处理包括：

11、将力学参数与结构参数进行赋权组合，求得花岗岩蚀变程度的定量表达，、越大，表明蚀变程度越强，将辉绿岩蚀变强度指数表示为：

12、 ，

13、将围岩花岗岩蚀变强度指数表示为：

14、 ，

15、其中，为实测岩石饱和单轴抗压强度与无蚀变完整原岩饱和单轴抗压强度的比值；为岩石完整性系数；

16、向量和分别为权重向量，分别取和。

17、作为基于物元可拓理论的蚀变辉绿岩隧洞塌方风险评价方法的一种优选方案，其中：

18、所述从备选评价指标中选取指标进行定量化处理还包括：

19、定义为粘土化指数，表示为：

20、 ，

21、其中，表示蚀变辉绿岩中粘土矿物含量，表示蚀变辉绿岩中斜长石含量，表示蚀变辉绿岩中辉石含量；

22、采用地下水影响评分来反映地下水状况这一指标，干燥、潮湿、滴水、线状流水、股状流水分别在（0~0.3）、（0.3~0.5）、（0.5~0.7）、（0.7~0.9）、（0.9~1）内取值，数值越高，塌方风险越大；

23、将出露位置评分定义如下：出露于顺侧边墙、逆侧边墙、顺侧拱肩、拱顶、逆侧拱肩分别在区间（0~0.3）、（0~0.4）、（0.4~0.7）、（0.7~1）、（0.8~1）内取值，实际出露位置距拱顶越近，取值越接近区间右侧；数值越大，塌方风险越大。

24、作为基于物元可拓理论的蚀变辉绿岩隧洞塌方风险评价方法的一种优选方案，其中：

25、所述基于定量化处理后的指标，通过层次分析法构建判断矩阵，获得各指标的权重值包括：

26、将定量化处理后的评价指标进行归纳分类，对比评估各个评价指标间的相对重要程度，采用1~9标准度并构建层次判断矩阵，根据层次分析法矩阵计算公式获得各个评价指标的权重值，并进行一致性检验。

27、作为基于物元可拓理论的蚀变辉绿岩隧洞塌方风险评价方法的一种优选方案，其中：

28、所述基于定量化处理后的指标，利用物元可拓理论进行计算，得出经典域、节域和关联函数包括：

29、经典域由被评价物元的各个指标和其量值范围组合而成，表示为：

30、 ，

31、其中， r i表示经典域，为隧洞风险所属于的第 i个等级； n代表隧洞风险评价对象， i的取值有1、2、3、4、5，表示风险等级； c j为第 j个风险评价指标，j的取值有1、2、3、.....、m，m表示第m行，是行列式中行数的指代； v ij表示风险等级是 i时 c j的取值范围,其中 v ij=( a ij, b ij)；

32、节域表示为：

33、 ，

34、其中， r p为节域，代表所有评价指标的取值范围； v j代表第 j个评价指标 c j的取值范围，其中 v j=( a j, b j)； n p为隧洞风险待评价对象的取值范围。

35、作为基于物元可拓理论的蚀变辉绿岩隧洞塌方风险评价方法的一种优选方案，其中：

36、所述基于定量化处理后的指标，利用物元可拓理论进行计算，得出经典域、节域和关联函数还包括：

37、关联函数表示为:

38、 ，

39、其中， k i( x j)表示待评价对象 n的各项评价指标与各个评价等级 n p之间的关联函数；表示域内任何一点 x j与经典域之间的距离；表示域内任何一点 x j与节域之间的距离；

40、其中：

41、，

42、。

43、作为基于物元可拓理论的蚀变辉绿岩隧洞塌方风险评价方法的一种优选方案，其中：

44、所述基于各指标的权重值、经典域、节域和关联函数，计算出综合关联度包括：

45、综合关联度计算公式为：

46、 ，

47、其中，  d i( n)表示待评价隧道与隧道各个风险等级 i ( i=1,2,3,4,5)的综合关联度， w j指第 j个指标权重值， k i( x j)表示待评价对象 n的各项评价指标与各个评价等级 n p之间的关联函数；

48、综合关联度最大值与隧洞风险等级相对应，即将综合关联度数值中最大值对应的风险等级 i作为隧洞风险等级。

49、第二方面，本发明实施例提供了一种基于物元可拓理论的蚀变辉绿岩隧洞塌方风险评价系统，包括：

50、定量化处理模块，用于将辉绿岩蚀变岩带宽度、辉绿岩蚀变强度指数、地下水状况、出露位置评分、围岩花岗岩蚀变强度指数作为备选评价指标；根据隧道工程地质特征，从备选评价指标中选取指标进行定量化处理；

51、权重计算模块，用于基于定量化处理后的指标，通过层次分析法构建判断矩阵，获得各指标的权重值；

52、单指标关联度计算模块，用于基于定量化处理后的指标，利用物元可拓理论进行计算，得出经典域、节域和关联函数；

53、风险评价模块，用于基于各指标的权重值、经典域、节域和关联函数，计算出综合关联度，将最大综合关联度对应的风险等级作为隧洞风险等级，完成隧洞塌方风险评价。

54、第三方面，本发明实施例提供了一种计算设备，包括：

55、存储器和处理器；

56、所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如本发明任一实施例所述的基于物元可拓理论的蚀变辉绿岩隧洞塌方风险评价方法。

57、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现所述的基于物元可拓理论的蚀变辉绿岩隧洞塌方风险评价方法。

58、本发明的有益效果：本发明针对蚀变辉绿岩隧道塌方风险评价，首次将矿物组技术引入到岩体蚀变程度判别中，有效弥补了目前还没有定量判别方法的缺陷；判别过程中不仅可以直接获得岩体力学参数，还能得到不同蚀变程度蚀变岩的矿物百分比，可直接应用于工程。测试手段先进，判别方法更具新颖性；本发明对于蚀变程度的额判别属于定量判别方法，摆脱了人为主观性这一缺点，与传统的定性经验方法相比更具科学性、合理性；本发明考虑多种针对蚀变岩的指标进行综合判别，使判别结果更为准确；本发明适用于地下深部多种类型蚀变辉绿岩围岩风险性评价的研究，具有应用广泛的效果。