（地球探測與信息技術(shù)專業(yè)論文）基于模糊ahp的隧道圍巖分級方法研究.pdf

摘要 近年來隧道圍巖的分級方法己被廣泛應(yīng)用于工程的設(shè)計與施工 中。而我國目前較常用的分級方法有工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)、r m r 法 和q 系統(tǒng)分類法等。這些方法均足同定評估岡素、固定評分方式，其 基本精神即在于將影響巖體質(zhì)量的備項因素以簡單的描述再加以計 量化進(jìn)行評分和分級，因此其評分過程存在著許多不確定性和主觀 性。 針對目前巖體分級方法存在的缺點，在對層次分析法( 即a h p 法) 的基本理論和模糊算法的研究基礎(chǔ)上，提出基丁二模糊a h p 的巖體分級 算法，并編程實現(xiàn)該算法。在該算法中，視巖體分級為群體決策問題， 首先運用層次分析法建立巖體穩(wěn)定性的階層架構(gòu)，然后引入模糊理論 進(jìn)行問卷處理和各因素權(quán)霞值的計算，以符合真實情況下的不確定 性，最后通過物探手段和地質(zhì)調(diào)查確定各因素的得分值，用迭代法算 出總評分即可進(jìn)行圍巖分級。 論文的第四章詳細(xì)介紹了將模糊a h p 法應(yīng)用于關(guān)口埡隧道圍巖 分級的過程，結(jié)果顯示此方法比原r m r 法的分級結(jié)果更接近實際情 況，從而驗證了將模糊d i p 法應(yīng)用于圍巖分級的可行性和優(yōu)越性。 關(guān)鍵詞：隧道，圍巖分級，模糊理論，層次分析法，t s p 2 0 3 系統(tǒng) a b s t r a c t t h er o c km a s sc l a s s i f i c a t i o nc o n c e p th a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yo n e n g i n e e r i n gd e s i g n a n dc o n s t r u c t i o no ft u n n e lf o ra l o n g t i m e a t p r e s e n t ，t h er o c km a s sc l a s s i f i c a t i o ns y s t e m sf r e q u e n t l yu s e di nc h i n e s e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e a r et h es t a n d a r do fe n g i n e e r i n gr o c km a s s c l a s s i f i c a t i o n 、r m ra n dqs y s t e m t h e r a t i n go ft h e s em e t h o d si s e x p e c i a l l yf o c u s e do n c o n s t a n tr a t i n g p a r a m e t e r sa n dt h ef o r mo fg i v i n g s c o r e s ot h e r ei sn od o u b tt h a ti tw i l le x i s tal o to fi n d e t e r m i n a t e da n d s u b j e c t i v ef a c t o r si nt h ep r o c e s so fr a t i n g i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m ，t h i sr e s e a r c hv i e w st h er o c km a s s c l a s s i f i c a t i o na sag r o u pd e c i s i o np r o b l e m ，a n da p p l i e st h ef u z z yl o g i c t h e o r yo nw e i g h t i n gc a l c u l a t i o n so ft h ec r i t e r i o n t h e nd e t e r m i n e st h e s c o r so fe a c he a c hr a t i n gp a r a m e t e rb yt h ew a yo ft s p 2 0 3s y s t e ma n d g e o l o g yi n v e s t i g a t i o n t h ef u z z ya 呻m e t h o dn o to n l yd e n o t e st h eg r o u p o p i n i o n sc l e a r l yb u ta l s oc a ne f f e c t i v e l yc h a n g et h ew e i g h t i n go fe a c h r a t i n gp a r a m e t e rf r o mt h ev a r i a t i o no f g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s c h a p t e r4o ft h i st h e s i sh a si n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no ft h er o c k m a s sr a t i n gm e t h o dd e v e l o p e di nt h i sr e s e a r c hi nt h eg u a nk o uy a t t m n e l t h er e s u l to ft h i ss t u d ys h o w st h a tt h er o c km a s sc l a s s i f i c a t i o nb y f u z z ya 腫m e t h o d i sm o r ea c c u r a t e dt h a nt h er a t i n gb yr m rm e t h o d k e yw o r d s ：t u n n e l ，r o c km a s sc l a s s i f i c a t i o n , f u z z yl o g i ct h e o r y , a h p m e t h o r d ，t s p 2 0 3s y s t e m 玎 原創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的學(xué)位論文足本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標(biāo)注和斂謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲 得中南大學(xué)或其他單位的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我共同工作的 同志對本研究所作的貞獻(xiàn)均已在在論文中作了明確的說明。 作者簽名： 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)說明 本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán) 保留學(xué)位論文，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的 全部或部分內(nèi)容，可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文；學(xué)校 可根據(jù)國家或湖南省有關(guān)部門規(guī)定送交學(xué)位論文。 作者簽名：名三牟一導(dǎo)師簽名 日期：叢年月衛(wèi)日 中南大學(xué)碩 論文 第一章緒論 1 1 研究背景與目的 第一章緒論 巖體分級是對巖體質(zhì)量和穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價的一種簡單迅速的基本方法， 是地下工程設(shè)計必不可少的一部分，也是礦山建設(shè)投資的黿要依據(jù)；是現(xiàn)場進(jìn)行 科學(xué)管理與正確評價經(jīng)濟效益的有力工具，也是研究地下工程穩(wěn)定性的必要基 礎(chǔ)。巖體分級一直是巖石工程研究領(lǐng)域中的一個重要課題。進(jìn)行巖體分級時，不 僅需要地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、數(shù)學(xué)力學(xué)理論，還需要專家的個人知識。正確確定巖 體的級別具有重要的現(xiàn)實意義。 而對于隧道圍巖分級方案是國內(nèi)外眾多學(xué)者專家和工程建設(shè)昔一直關(guān)注的 課題。近二十年來，國內(nèi)外圍巖分級研究取得了迅速發(fā)展，一改過去單一因素， 單一指標(biāo)和定性劃分為主的分級方法，朝著多因素、多指標(biāo)、定性評價與定量評 價相結(jié)合的方向發(fā)展1 ：1 。 我們對巖體進(jìn)行分級的最終目的足為了進(jìn)行圍巖的穩(wěn)定性分析，其主要足依 據(jù)巖體的結(jié)構(gòu)特征。由于圍巖分級能充分反映巖體本身的地質(zhì)特征，因而巖體的 質(zhì)量評估能有效地用f 圍巖的穩(wěn)定性分析。隧道圍巖的分級有以下的幾項意義： 1 ) 尋找出巖體特性的最關(guān)鍵影響因素；2 ) 為認(rèn)識各等級的巖體提供一個平臺： 3 ) 把一處遇到的巖體特征及工程經(jīng)驗和另一處進(jìn)行對比研究；4 ) 為工程設(shè)計提 供一種定量資料，并具有一定的指導(dǎo)作用；5 ) 為工程師與地質(zhì)工作者之間的交 流提供一個基礎(chǔ)；6 ) 能夠?qū)鷰r質(zhì)量與穩(wěn)定性有效地結(jié)合起來，繼【面根據(jù)圍巖 的質(zhì)量提出比較合理的圍巖支護(hù)方案、措施，是當(dāng)i ； f 隧道工程地質(zhì)的一個研究方 向。 目前國內(nèi)較常用的分級方法主要有r m r 法( r o c km a s sr a t i n g ，簡稱r m r 法) 、q 系統(tǒng)分級法及我國9 4 年頒布的國標(biāo)工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)。由于前兩種 方法在處理過程中是使用固定的評分方式，所以無法表現(xiàn)出細(xì)微資料之間的差 異，因此其評分過程中存在著許多不確定性和主觀性。以莢國學(xué)者 b i e n i a w s k i ( 1 9 7 3 、1 9 7 4 、1 9 7 6 、1 9 7 9 、1 9 8 9 ) 的地質(zhì)力學(xué)分級法( g e o m e c h a n i c s c l a s s i f i c a t i o ns y s t e m ) 為例i ，i ，其評估因素有6 個，各項參數(shù)的權(quán)重足固定比例 的。以其對隧道工程評分為例，其中完整巖石的強度占o(jì) 1 5 分、r q d ( r o c k l； _ ；llirilrii 中南人學(xué)傾l 論定 第一章緒論 q u a l i t yd e s i g n a t i o n ) 占3 2 0 分、節(jié)理間距占5 2 0 分、節(jié)理狀，各占o(jì) 3 0 分、 地下水狀況占o(jì) 1 5 分、節(jié)理走向與傾向占- 1 2 o 分，分別將此6 項的評分總和 得到一巖體的總評分值( r m r ) ，然后再依據(jù)各個斷面的r m r 得分值將一區(qū)段 的巖體進(jìn)行評估分級，再由此分級結(jié)果選定隧道的支護(hù)類型。而我國的工程巖體 分級標(biāo)準(zhǔn)是一個半定性、半定量，定性與定量相結(jié)合的分級方法【i ) ，其進(jìn)行定性 分級過程中臼j 樣存在著許多不確定性和主觀性的問題。 基于現(xiàn)有的各種分級方法的缺陷，本文將引入層次分析法1 4 1 和模糊理論l q 于 巖體的分級方案研究中，提出一種新的隧道巖體分級方法，以期能彌補現(xiàn)有分級 方案的不足之處。此方法仿照r m r 法用評分的方式進(jìn)行分級，將巖體分級況為 多屬性決策問題，利用階層分析方式整理巖體評估因素彼此i 日j 的結(jié)構(gòu)關(guān)系，并應(yīng) 用模糊理論處理問卷結(jié)果以及評判岡素，以符合真實情況下的不確定性。 特別聲明：由于在我國巖體分級標(biāo)準(zhǔn)中提到，在巖體分級中考慮到需要區(qū) 分的是穩(wěn)定程度的不同，具有量的差別，是有序的；“分類”一詞通常指的是屬 性不同的類型的區(qū)分，如按地質(zhì)成因巖石可分為巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖等，是 無序的。面“級”是“等級”的意思，有量的概念，一般將有“量”的劃分稱為 “分級”。因此，本論文中涉及到使用“分類”一訓(xùn)的地方部政用“分級”一詞， 而不用以往比較流行的“分類”一詞。 1 2 研究內(nèi)容 本文研究的主要目的足提出一套更加科學(xué)合理的隧道圍巖巖體分級方法。參 照我國的工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)和國外的r m r 巖體分級法，首先利用層次分析 方式建立隧道圍巖質(zhì)量評估構(gòu)架，引入模糊理論處理專家群體意見，并用幾何平 均法算出備項影響因素的權(quán)重值，最后以演算原則加權(quán)計算得到圍者質(zhì)量的總評 分值，根據(jù)總評分值呵得到圍巖的分級結(jié)果。以下是本論文各章節(jié)內(nèi)容的簡要介 紹： 第一章為緒論，主要說明本論文的研究背景、目的和內(nèi)容。 第二章介紹目前國內(nèi)外巖體分級方法的發(fā)展情況。2 1 節(jié)敘述國外巖體分級 方法的發(fā)展歷程及各種巖體分級法的演進(jìn)情形，并詳細(xì)介紹了目前國內(nèi)引用較多 的r m r 法、q 系統(tǒng)分類法。2 2 節(jié)主要介紹我國的巖體分級方法的發(fā)疑概況， 并針對現(xiàn)階段比較科學(xué)且應(yīng)用較多的我國工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)作一詳細(xì)介紹。 通過前兩節(jié)的介紹，在2 3 節(jié)總結(jié)出現(xiàn)有的這些分級方法存在的缺陷，為本論文 2 中南大學(xué)碩p 論貯第一審緒論 研究方法的提出提供依據(jù)。 第三章中提出把模糊a h p 法應(yīng)用于巖體分級中，以期能解決2 3 節(jié)提出的 現(xiàn)有分級療法存在的缺點，這章是本研究的藿點。主要足把層次分析法、模糊理 論兩種療法進(jìn)行有機的結(jié)合使其能有效的應(yīng)用于巖體分級中。3 1 節(jié)先簡單介紹 層次分析法( a h p 法) 的基本原理及其應(yīng)用領(lǐng)域；3 2 節(jié)介紹相關(guān)的模糊理論基礎(chǔ)： 3 3 節(jié)則足詳細(xì)介紹了模期a h p 法的步驟，并用一個簡單的計算實例加以說明。 第四搴詳細(xì)介紹模糊a h p 法在關(guān)口埡隧道中的應(yīng)用情況，并將此方法最后 的分級結(jié)果跟原r m r 法的分級結(jié)果與實際情況比較分析，發(fā)現(xiàn)此方法的分級結(jié) 果更接近實際情況，準(zhǔn)確率為8 5 。證明了此方法在隧道圍巖分級中的可行性 和科學(xué)性。 第五章時本文的研究進(jìn)行總結(jié)，并對下一步的研究工作提出建議。 ； ；l-i-r-l 中南大學(xué)碩十論文 第二章巖體分級的發(fā)展概況 第二章巖體分級的發(fā)展概況 針對不同類型巖石工程的特點，根據(jù)影響巖體穩(wěn)定性的各種地質(zhì)條件和巖石 物理力學(xué)特性，將工程巖體分成穩(wěn)定程度不同的若干級別的過程稱為工程巖體分 級。隧道工程與一般的地面結(jié)構(gòu)在力學(xué)機制上極不相同( 圖2 - i ) 。在力學(xué)分析過 程中常遇到現(xiàn)地應(yīng)力不易評估；巖體的材料組成模式不易評估；巖體與隧道支撐 系統(tǒng)間相互制約關(guān)系不易確知；水對巖體材料力學(xué)行為影響不易確知；巖體的力 學(xué)參數(shù)不易獲得等問題。因此傳統(tǒng)上山嶺隧道的設(shè)計大都應(yīng)用所謂的巖體分級系 統(tǒng)，將隧道沿線周圍巖體依其質(zhì)量的優(yōu)劣加以評估分級，再參考以往的工程實例 進(jìn)行各個地段的支撐系統(tǒng)設(shè)計，包括支持構(gòu)件及開挖程序，這也就是所謂的經(jīng)驗 設(shè)計法嘲。 圖2 - l 隧道工程的力學(xué)分析示意圖 巖體分級系統(tǒng)在隧道工程所扮演的角色，除了提供隧道工程界一種簡單迅速 的巖體等級評估方法并據(jù)以進(jìn)行經(jīng)驗設(shè)計外，更建構(gòu)了一種隧道工程界的共同語 言，讓隧道工程師能據(jù)此進(jìn)行雙向溝通，迅速了解各隧道周圍巖體的基本屬性。 4 中南大學(xué)硼卜論史第：章巖體分級的蹙醚概況 2 1國外巖體分級方法的發(fā)展概況 q 國外工程巖體分級研究經(jīng)歷了一個世紀(jì)的發(fā)展歷程。早期的巖體分級法主要 目的是為了對隧道或地f 建筑工程附近的巖層進(jìn)行工程地質(zhì)的客觀計量，用以評 定坑道或洞宅的穩(wěn)定性、選擇如何支撐與設(shè)計、決定施工方法，確定開挖機械等。 巖體中除了完整巖石還包括各種結(jié)構(gòu)面如層理、劈理及常見的常理、裂隙等軟弱 面，這些巖體結(jié)構(gòu)控制著巖體變形、巖體破壞、和巖體力學(xué)性質(zhì)。如地下洞窀周 圍巖體的坍塌，地基和壩體的變形和滲漏，各種類型的巖質(zhì)邊坡破壞，自然山坡 崩塌和位移，地衷塌陷變形等機制都受巖體結(jié)構(gòu)的控制，因而造成巖體力學(xué)性質(zhì) 相當(dāng)復(fù)雜不易分析。因此i ； 人結(jié)合過去施工案例，專業(yè)經(jīng)驗的累積與分析，不斷 發(fā)展了巖體分級法。 以前的巖體分級稱為巖體分類，大部分都是以單一的巖石強度作為分類指 標(biāo)，2 0 世紀(jì)3 0 4 0 年代，地下和地面工程巖體分級研究具有代表性的分級方法 有前蘇聯(lián)中m 薩瓦連斯分類、太沙基分類、h b 波波分類、h h 馬斯洛夫 分類。5 0 6 0 年代，有勞弗爾分類、前蘇聯(lián)混凝上重力壩設(shè)計規(guī)范提出的壩基 巖體分類、美國迪爾( d e e r ) 的r q d 分類等，其分類特點多偏藿于單指標(biāo)的定 性或定量分類。 進(jìn)入7 0 年代后，大量學(xué)苔開展了一輪新的巖體分類方法研究熱潮，并迅速 取得了突破性的進(jìn)展。如美國w i e k h a me ta 1 的r s r 分類法( 1 9 7 2 ) 、美國 b i e n i a w s k i 的r m r 分類法( 1 9 7 3 ) 、挪威b a r t o n 的n g i qs y s t e m ( 1 9 7 4 ) 、法國 隧道協(xié)會( a f t e s ) 分類法( 1 9 7 5 ) 等。這些分類法多數(shù)足根據(jù)經(jīng)驗的定性分析， 但由于反映了巖體的地質(zhì)構(gòu)造特征、巖體的結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、風(fēng)化狀況、地下水情況 以及洞室埋深等，因此在評定隧道或洞室的穩(wěn)定性、選擇如何支撐與設(shè)計等方面 得到了廣泛的應(yīng)用。 現(xiàn)代的巖體分級中，引進(jìn)了巖體力學(xué)的基本概念和數(shù)理統(tǒng)計方法，如考慮仞 始地應(yīng)力、隧道周邊的位移鼉以及量測信息等，使得巖體分類逐漸由定性向定量、 由單因素( 單指標(biāo)) 向多因素( 或多指標(biāo)) 方向發(fā)展。具有代表性的地下工程巖體分 類有莢國威克海姆和賈克伯的巖石結(jié)構(gòu)評價( r s r ) 分類、日本地質(zhì)協(xié)會的新爽法 巖體分類( 1 9 7 9 ) 、挪威學(xué)者巴頓( b a r t o n ) 修正的n g i qs y s t e m ( 1 9 9 0 ) 、莢國學(xué) 者比尼威斯基( b i e n i a w s k i ) 更新的r m r 分類法( 1 9 8 9 ) 。后兩種分類方法在國外 應(yīng)用廣泛，并與先進(jìn)的新奧法施工技術(shù)相結(jié)合。發(fā)展也日趨完善。 中南大學(xué)幀p 論定 第幸?guī)r體分繳的筏畦概況 現(xiàn)今世界各國已繹提出的多種不同的巖體分級方法主要還是應(yīng)用f 隧道工 程中，其起源及應(yīng)用范圍如下表( 2 1 ) 所示。表中綜合評估了目前因外廣泛采 用的巖體分級方法。 喪2 - 1 付界各國巖體分類系統(tǒng)的演進(jìn) 宕體分類名稱 原創(chuàng)始行硬年代創(chuàng)始國家 府明范圍 1 巖體荷重法 ( r o c kl o a d ) t e r z a g h i ，1 9 4 6 美國隧道鋼支保i ：法 2 自穩(wěn)時間 l a u f f e r ，1 9 5 8 澳洲隧道開挖 ( s t a n d u pt i m e ) 3 新奧i + 法 p a c h e re ta l ，1 9 6 4澳洲隧道開挖 4 巖白品質(zhì)指標(biāo)( r ) d e e re ta 1 。1 9 6 7 美固 巖心、隧道開挖 5 r s r 概念 w i c k h a me ta 1 1 9 7 2美國隧道開挖 6 r m r 系統(tǒng)b i e n l a w s k i ，1 9 7 3 南i e隧道、采礦、 ( 地質(zhì)力學(xué)分類法) ( 最后一次修正，1 9 8 9 )美國邊坡基礎(chǔ) w e a v e r ，1 9 7 5南i f 剁裂 l a u b a c h e r ，1 9 7 7南非采礦i 稃 0 li v i e r ，1 9 7 9南非飆化 6 h o s ea n dr a j u ，1 9 8 1印度采煤 m o r e n ot a i i o n 。1 9 8 2曲班牙隧道開挖 k e n d o r s k ie ta 1 ，1 9 8 3 美國 硬巖采礦 7 r m r 系統(tǒng)延伸研究 n a k a oe ta 1 ，1 9 8 3日本隧道i 稃 s e r a f i m 1 9 8 3葡萄牙基礎(chǔ) 6 0 n z a l e z ，1 9 8 3 曲班牙煤礦岸向巖栓 u n a l ，1 9 8 3美國 采礦 r o m a n a ，1 9 8 5曲班牙邊坡穩(wěn)定 n e a n ，1 9 8 5 美國煤礦探采 s a n d b a k ，1 9 8 5美國 采礦 s m i t h 1 9 8 6美國挖泥 v e n k a t e s w a r l u ，1 9 8 6印度挖泥 8 o - s y s t e mb a r t o ne ta 1 ，1 9 7 4 挪哦邊坡穩(wěn)定 k i r s t e n ，1 9 8 2 挪威隧道、坑窀 9 q - s y s t e m 延伸研究 k i r s t e n 1 9 8 3 南非深開挖 l o 強度大小 f r a n k l i n ，1 9 7 5南作隧道開挖 ( s t r e n 窖t h s i z e ) 1 1 地質(zhì)力學(xué)基本描述i s r m ，1 9 8 l 美國一般l 稃 6 j_j j 1 中南大學(xué)碩十論定第章告體舒級的茂眭i 傍 況 1 2 u n i f i e d | c l a s s i f l o a t i o n i 1 1 i a m s o n 1 9 8 4莢國一般i 程 目| ； 困內(nèi)應(yīng)用的巖體分級方法是承襲國外的分級系統(tǒng)，其中應(yīng)用較多的是 r m r 法和q 系統(tǒng)分類法。 一、r m r 巖體分類系統(tǒng) 美國學(xué)者比尼威斯基( b i e n i a w s k i ) 在1 9 7 3 年提出，最初根據(jù)4 9 個隧道案例 的調(diào)查所提出，整個系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)年的案例增加修i f ，其修正演迸如下表2 2 所示： 表2 - 2 跚r 分類法的演進(jìn)( b i e n i a w a s k i 1 9 8 9 ) 評分網(wǎng)子 1 9 7 31 9 7 41 9 7 51 9 7 6 1 9 8 9 巖自強度 l o1 01 51 51 5 r q d 1 62 02 02 02 0 不連續(xù)面間距 3 03 03 0 3 03 0 節(jié)理寬度 5 節(jié)理連續(xù)性 5 地f 水l o1 0l o1 0 1 5 風(fēng)化情況 9 不連續(xù)面狀況 1 53 02 53 0 隧道走向及傾向 1 5 弱面走向及傾角與 3 1 5o 1 20 1 2 0 1 2 隧道的關(guān)系 1 9 8 4 年b i e n i a s w k i 與n e w m a n 增加6 2 個煤礦案例，在1 9 8 4 年到1 9 8 7 年期 閫又陸續(xù)增加了7 8 個隧道和礦坑案例，使得r m r 分類法共包含了3 5 1 個背景 案例，案例的種類包括了隧道、洞窟、礦坑、邊坡及基礎(chǔ)等。其所使用的因素分 別為單軸抗壓強度、巖體質(zhì)量指標(biāo)r q d 、節(jié)理間距、節(jié)理面性狀、地下水條件 及節(jié)理產(chǎn)狀等六項因素，前五項因素為r m r 法的基本評估因素，經(jīng)過權(quán)重相加 后，其總評分為1 0 0 分，并等距分為五個等級，再經(jīng)過第六項節(jié)理產(chǎn)狀修正改巖 體的r m r 值( r o c k m a s sr a t i n g ) ，以考察巖體不連續(xù)面方位對巖石工程的影響， 并使r m r 分類法能夠應(yīng)用于隧道工程、基礎(chǔ)工程與巖石邊坡工程。雖然r m r 分類法評分使用方便，但是常被認(rèn)為過于簡化，對于巖體的實際情況并不能充分 7 中南大學(xué)碩t 論定 第：章巖體舒級的發(fā)喂暾倪 反應(yīng)；應(yīng)用于巖石邊坡方面，則是因為其不連續(xù)面形態(tài)的影響因素修正不明確， 使得不被普遍使用。因而相關(guān)的案例累積也不多。對fr m r 法的詳細(xì)評分系統(tǒng) 如下表所示： 表2 - 3r 躲巖體評分系統(tǒng)【” 巖白點前載指致 ) 1 0 4 1 02 4 4 l 2 以犖脈強懂為準(zhǔn) 強度 l 單壓強度 2 5 01 0 0 2 5 05 0 4 1 0 02 5 5 0 5 2 5 1 5 l ( 1 l p a ) 評分1 51 274210 r q d 值( ) 9 0 4 1 0 07 5 9 05 0 7 5 2 5 5 0 2 0 06 0 4 2 0 0 2 0 4 6 0 6 2 0 6 3 評分2 01 51 085 裂開血很柑裂開血必髭 裂開血稍輯l裂開由稍粗 糙節(jié)理小連厚度小于裂開面臭泥厚度大于 節(jié)理狀態(tài)通。為張開， 糙裂開寬度糙裂開寬度 5 m 或裂開5 哪或裂開寬度大于 4 l m 兩壁輕 0 7 50 7 5 0 5 5 0 5 5 o 。3 50 3 5 0 1 5 0 7 5 0 7 5 0 5 50 5 5 o 3 50 3 5 o 1 5 9 0 k ，+ 3 0 ，代r 。= 9 0 k ，+ 3 0 2 、當(dāng)k ， 0 0 4 r c + o 4 ，代k ，= 0 0 4 r c + o 4 b 按計算所得的b q 值分級見表2 7 ( 分為5 級) 表2 7 巖體蘑本質(zhì)竄分級 ( 2 - 2 ) ( 3 ) 結(jié)合工程情況，計算巖體基本質(zhì)肇指標(biāo)修正值 b q ，并按袁2 7 的指 標(biāo)值確定本工程的工程巖體級別。 一 b ( 2 - - - s ( 2 1 0 0 ( k 。+ k 2 + k ，) ( 2 3 ) k ，k 2 ，k 3 的值，可分別按照表2 - 8 、2 - 9 、2 - 1 0 確定。無衷中所列情況時， 修正系數(shù)取零， b q 值出現(xiàn)負(fù)值時，應(yīng)按特殊問題處理。 中南天學(xué)碗十論文第一二蕈巖體分級的篾艟概況 表2 - 8 地卜- 水修正系數(shù)k 贏心 4 5 04 5 0 3 5 l3 5 0 2 5 l( 2 5 0 地f 水出水狀態(tài) 潮濕或點滴狀出水 oo 10 2 o 30 4 0 6 淋雨狀或點滴狀出水，水康小f 等f0 i m p a 0 10 2 0 30 4 60 7 o 9 或單位出水茸1 0 l ( r a i n m ) 淋雨狀或點滴狀出水，水壓大丁等了：0 1 m p a o 20 4 o 60 7 0 91 o 或單位出水茸大于i o l ( m i n m ) 表2 - 9 主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)k 2 注：其它組合是指結(jié)構(gòu)向傾角 6 0 2 1 3 3 2 6 5 i i6 0 5 02 1 l 53 3 2 00 2 0 2 5 2 6 5 2 4 55 0 3 91 5 0 72 0 6o 2 5 o 3 2 4 5 2 2 53 9 2 70 7 0 26 1 30 3 o 3 5 v 2 2 5 2 7 0 2 0 3 5 表2 一1 2 巖體結(jié)構(gòu)面抗剪段峰值強度 ( 2 ) 地下工程巖體自穩(wěn)能力的確定 利用標(biāo)準(zhǔn)中附錄所列的地下工程自穩(wěn)能力( 表2 - 1 3 ) ，可以對跨度等于或小 于2 0 m 的地下工程作自穩(wěn)性初步評價，當(dāng)實際自穩(wěn)能力與表中相對應(yīng)級別的自穩(wěn) 能力不相符時，應(yīng)對巖體級別作相應(yīng)的調(diào)整。 表2 一1 3 地fi 稃巖體自穩(wěn)能力 巖體級別自穩(wěn)能力 l 跨度小f2 0 m ，可k 期穩(wěn)定，偶有掉塊，無塌方 中南大學(xué)碗t 論貯 第：章巖體分級的麓鞋凝況 跨度l o 2 0 m ，町基本穩(wěn)定，局部叮發(fā)生掉塊或小塌方； i i 跨度小?。簂 o m 可k 期穩(wěn)定。偶育掉塊 跨度l o 2 0 r a ，町穩(wěn)定數(shù)h 笆一個月，町發(fā)生小至中塌方； i 跨度5 l o m ，可穩(wěn)定數(shù)月，可發(fā)生局部塊體付移及小至中塌方； 跨度小f5 m ，可摹本穩(wěn)定 ， 跨度人5 m ，一般無自穩(wěn)能力。數(shù)日至數(shù)月內(nèi)u 丁發(fā)生松動變形、小塌方迸i f | 】發(fā)展 為中至大塌方。坤深小時以拱部松動破壞為主，坪深大時。有明顯塑性流動變 形和擠際破壞； 跨度小于f ；1 1 1 可穩(wěn)定數(shù)口躉一個月 v 無自穩(wěn)能力 2 3 傳統(tǒng)巖體分級方法的局限性 綜上所述有關(guān)巖體分級方法的發(fā)展歷程和應(yīng)用范圍的介紹，我們可以看出傳 統(tǒng)巖體分級法的局限性： l 、目前各圈所使用的巖體分級方法( 如r r 法或q 系統(tǒng)) 均是固定評估因 素、固定評分方式，其基本思想在于將影響巖體質(zhì)墾的各項要素以簡單的描述再 加以計量化進(jìn)行評分和分級，無法表現(xiàn)出細(xì)微資料的差異，因此其評分過程存在 著諸多不確定性和主觀性。且種方法的發(fā)展背景和使用范圍并不相同，見表2 一1 4 的說明。 2 、傳統(tǒng)巖體分級療法對于巖石特性方面的評估，如巖石材料種類與礦物組 成等性質(zhì)容易被忽略掉，而現(xiàn)場的巖體強度和解壓后并不相同，會造成評估結(jié)果 與實際情形的不同，有時需要補充適當(dāng)?shù)囊蛩丶右孕拚?1 4 中南大學(xué)碩 論文鎬：常宕體分擐的趁鍵概況 表2 1 4 巖體分類法適應(yīng)背景的比較 閃 南1 f挪曦奧地利 中國人陸f i 本臺灣 予 位十歐旺人陸 位于歐面大陸?zhàn)K，包括為 位于太平洋海位于歐面太陸 扳位于非洲扳位于歐啞夫陸 扳塊b 非洲板地盾及地臺0扳塊隱沒f 歐 扳塊l i 菲律寅 塊塊包括地睛扳塊為地盾 塊碰撞處，為 安定的褶鍛造面人陸扳塊的海扳塊的碰撞 位及地臺與安定及安定的捃墩 活動褶鍛造山 山帶，西南偶界限處，為活線l 。為活動 冒的褶鍍唐山帶造山帶 帶為活動糟鍛造動店山帶造山帶 山帶 地 最占老的先第 最占老的變質(zhì)最占老的變質(zhì)最古老的片麻屜占老的變質(zhì)強占老的“麻 質(zhì)二三紀(jì)變質(zhì)雜巖 雜巖年代一j 達(dá)雜巖年代口i 達(dá)巖年代為5 億5雜巖年代町達(dá) 巖年代約4 億5 毛 年代約8f 萬 3 0 億年前2 8 億年前 千萬年前2 9 億年前f 萬年前 代 年前 自燕山運動f 阿爾卑斯造山6 f 6 百萬年前 地自2f5 百萬自6 百萬年前 最后一次造山自加單東運動運動于6 千5結(jié)柬，喜馬拉 質(zhì) 年前扳塊開始扳塊開始碰 運動于一億年 于2 億5f 萬百萬年前開雅造山運動f 構(gòu) 隱沒，迄今為掩，迄今為活 前結(jié)索年前結(jié)柬始。目前仍為 6 f 6 百萬年前 造 活動造山帶動造山帶 遺山運動開始汔今仍 為造山運動 地 血積1 2 2 萬痂積8 4 萬面積9 6 0 萬 面積3 6 萬 形面積3 8 萬i 鋤2 ， 由積3 7 萬k i n 2 ， k m 2 ，最高峰k 皿2 ，最高峰k m 2 ，最島峰k i n 2 ，最高峰 條最島峰2 4 6 9 m最島峰3 7 7 鈿 3 4 8 2 m 3 7 7 9 m8 8 4 8 m3 9 5 2 m 件 區(qū) 平均年降水量 西部沿岸年降 域平均年降水量 西向坡面年降平均年降水量甲均年降水量2 5 0 0 m ，局部 雨量口，達(dá)2 0 0 0 雨4 6 4 m水量達(dá)8 0 0m r 6 印m 達(dá)1 7 8 8 m地區(qū)達(dá)5 0 0 0 量 6 0 0 0 1 5 中南久學(xué)碩卜論定 第一節(jié)模蝴層次分析法( 模糊a h p 往) 第三章模糊層次分析法( 模糊a i - i p 法) 針對2 3 節(jié)總結(jié)出來的傳統(tǒng)巖體分級方法的局限性本研究將引入層次分析 法( 即a h p 法) 彌補其不足。a h p 法的能夠彈性地增加或減少評估因素，可以 克服傳統(tǒng)分級方法中均是固定了評估因素而忽略了某蝗重要因素這一缺點，另外 透過號家評估的方式可以調(diào)整各因素的權(quán)鶯，可以解決傳統(tǒng)方法中固定評分方式 存在的缺點，減少評估結(jié)果與實際情況之間的差異。然而，傳統(tǒng)的a h p 法有一 嚴(yán)重的問題，即是將決策者主觀認(rèn)定的數(shù)值或相對鶯要性的不精確值，當(dāng)作精確 值柬處理，所評估的結(jié)果往往會和現(xiàn)實結(jié)果有差距，故引入模糊理論束解決這個 問題。這兩種方法相結(jié)合就是本研究所提出模糊a h p 法。以下將分三節(jié)分別敘 述a h p 法、模糊理論及模糊a h p 法。 3 1 傳統(tǒng)的n - i p 法【2 1 - 2 5 1 多準(zhǔn)則決策分析是一種在決策過程中能夠直接同時考慮多個準(zhǔn)則因素的一 套分析技術(shù)，其主要的分析過程分為兩大階段( 見下圖3 - 1 、3 - 2 ) 。 復(fù)雜性 的來源 結(jié)果 有助丁= 解決 的稗序 圖3 - l 決策問題復(fù)雜性的來源 1 6 中南大學(xué)碩卜論文第一章模梯嗟次分析法( 模糊a h p 法) 投入岡素 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 斗 ( 決策變數(shù)或可行方案) 產(chǎn)出 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 辛 ( 結(jié)果和衡每尺度) 外在性投入岡素 ( 執(zhí)行環(huán)境中1 決策者能控制的因素) 圖3 2數(shù)暈解釋法的模式階段 由于在決策進(jìn)行中考慮多個因素時有較佳的表現(xiàn)，故被廣泛地用作決策分析 工具，而其中的層次分析法( a r m i y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，簡稱a h p ) 由于理論 簡單且其操作容易，具有將不確定因素比較量化以納入決策過程的特性，同時能 夠拾取多數(shù)專家的意見，故本研究應(yīng)用層次分析方式來建立隧道圍巖的質(zhì)量評估 模式，然后再引入模糊理論處理問卷結(jié)果，以符合實際上不確定性的決策環(huán)境， 希望能夠綜合專家們的專業(yè)知識與數(shù)鼉化評估工具來進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性的質(zhì)量評 分。 3 1 1 h p 概述 層次分析法為美國匹茲堡大學(xué)教授t h o m a sl s a a t y 于1 9 7 1 年為美國國部 進(jìn)行規(guī)劃問題工作時所發(fā)展出來的一套決策工具；并于1 9 7 2 年應(yīng)用于美國國家 科學(xué)基金會分析產(chǎn)業(yè)對國家福利貢獻(xiàn)程度以決定電力配額的研究；而1 9 7 3 年 s a a t y 為蘇丹主持該國運輸系統(tǒng)的號案研究后，今幾年來s a a t y ( 1 9 8 0 ，1 9 9 0 ) 與 其他學(xué)者不斷研究、修正使得層級分析法逐漸地成熟并廣為流行，特別是應(yīng)用于 預(yù)測、評估、判斷、規(guī)劃事務(wù)、資源分配、工程計劃及投資組合等方面都具有不 錯的成效。a h p 主要是經(jīng)由建立階層化、邏輯判斷、分解綜合化的過程，將模 糊不確定的因素轉(zhuǎn)為明確廿丁衡量的評估因子，使得評估的思維更加條理化，以解 決復(fù)雜的決策問題并減少決策錯誤。以下即將a h p 的實際運作方式，分成三個 階段來說明，包括( 1 ) 問題的確定與層次的建構(gòu)；( 2 ) 主觀判斷的辨別與比較； ( 3 ) 綜合。如下表3 1 所示： 1 7 表3 - 1層次分析法( a h p ) 的二大運作階段 階段意義，j ：作重點 輸出結(jié)果 對叫題進(jìn)f jj 解并 題的確定及層級建構(gòu) 鐾：，h y 形式重 層囂葛箍立 層級結(jié)構(gòu) 新綢織 透過評比尺度分辯 評比尺度的應(yīng)用 2 主觀判斷的辨別與比較并且比較出準(zhǔn)! l ! l i 間與局部優(yōu)勢 優(yōu)劣徉度 評比矩陣的建l 上 ，船 誓器囂象鬻a 得裂景警霧蠢篡 整體優(yōu)勢 a h p 屬f 多準(zhǔn)則決策方法，尤其足針對復(fù)雜多重屬性的決策問題上，它提 供一個分析問題的架構(gòu)，見圖( 3 3 ) ，a h p 首先將復(fù)雜且非結(jié)構(gòu)的情況加以分割 為階層次序的屬性，將每一個屬性的相對霞要性給予一個主觀的判斷值，再整合 這些結(jié)果，決定這些屬性的優(yōu)先順序。整個決策的運作程序，是由準(zhǔn)則層 ( c r i t e r i a ) 、次要準(zhǔn)則層( s u b - c r i t e r i a ) ，及決策方案( a l r e r n a t i v e ) 所建構(gòu)的階層 目 決策總目標(biāo) 標(biāo) 層1 準(zhǔn) 決策屬性決策屬性決策屬性 則 層l n 準(zhǔn) 則 決策細(xì)項決策細(xì)項決策細(xì)項 層 ab n i 細(xì)! ； j i i 替代方案替代方案 方替代方案 l 2 案 m 圖3 - 3a h p 標(biāo)準(zhǔn)階層構(gòu)架圖 來做出選擇。在這個過程當(dāng)中，a h p 運用了歸納法與演繹法，先足以曠】納法由 1 8 中南大學(xué)劬卜論艾 第+ 章模糊喏次分析往f 模糊a h p j 杰) 上而下將復(fù)雜的l u 】題分解成有層級關(guān)系的屬性因子，然后再依據(jù)演繹法方式分折 這些屬性因子的特質(zhì)，最后用邏輯概念的方法，整合所有專家評比的結(jié)果，計算 出各膩性日j 的相對權(quán)葦值。 而a h p 發(fā)展當(dāng)仞。主受肓幾項基本假設(shè)吲( s a a t y ，1 9 8 0 ) ，包括： 1 ) 、一個系統(tǒng)町以彼分解成許多種類與成分，并形成有向性的層次結(jié)構(gòu)： 2 ) 、層次結(jié)構(gòu)中每一層次的要素假設(shè)均有獨立性( i n d e p e n d e n c e ) i 3 ) 、每一層次內(nèi)要素的評比，可由上一層次內(nèi)某些或全部的要素做評準(zhǔn)； 4 ) 、進(jìn)行評比時，可以將絕對尺度轉(zhuǎn)換成比例尺度( r a t i os c a l e ) ：、 5 ) ，各層次內(nèi)要素進(jìn)行成對比較時，可以用正倒值矩陣處理： 6 ) 、偏好關(guān)系滿足遞移特性，優(yōu)劣關(guān)系及強度關(guān)系均成立； 7 ) 、完全具遞移性不容易，因此容許不具遞移性，但要做一致性驗定； 8 ) 、要素問的優(yōu)劣關(guān)系，經(jīng)由加權(quán)法而求得； 9 ) 、任何要素只要出現(xiàn)在階層中，不論優(yōu)劣程度大小，均被認(rèn)為與整個評估 結(jié)構(gòu)有關(guān)。 表3 2a i t p 名目尺度定義及說明f 2 6 1 ，止 ：暗1 1 7 1 定義 說明 l ，等重要 積個比較方案的貢獻(xiàn)度具同等重要性 ( e q u a ii m p o r t a n c e ) 。一。一。一 9 非常蠹要 由足夠讓據(jù)肯定絕對偏好某一方案 以上 數(shù)值 倒數(shù) ，乒項比前項重要時、 合理的假設(shè) ( r e c i p r o c a l so fa b o r e ) 一 訾掣，r a t i o 介卡qa r 裂i 鬻黧問t h 距es c a l e ) 一致性的要靶展開對偶矩陣 尺摩 f s n gf r n l l i ) ?！?1 9 中南欠學(xué)碩i 論定第二節(jié)幞糊層次分析法( 模蝴a h p 往) 在整個a h p 過程中足采用兩兩準(zhǔn)則的黿要性評比方式進(jìn)行，先將爭家填寫 的意見建立對偶比較矩陣，然后計算此矩陣的特征向量作為該階層的優(yōu)勢向量， 算得各個階層的優(yōu)勢向最后。即可得到最后方案的相對優(yōu)先值。而專家進(jìn)行評比 時用a h p 的評估尺度( 如表3 2 所示) ，a h p 在處理認(rèn)知反應(yīng)的評估得分時，則 采取比例尺度( 足由名目尺度得來) 的方式。這些名目尺度足通過心咀學(xué)號家試 驗而來的，由m i l l e r ( 1 9 5 6 ) 發(fā)現(xiàn)人類對于7 種( 或7 4 - 2 ) 以上的事物無法同時 進(jìn)行比較，因此，s a a t y 利用“同等重要”、“稍藿要”、“彼重要”、“極鶯要”、 “絕對鶯要”這五個基本尺度來避免混淆，并增加相鄰兩個基本尺度h j 的折中值， 以得到更好的連續(xù)性與精確度，故a h p 最多有9 各尺度值。而現(xiàn)在陸續(xù)有學(xué)者 針對a h p 尺度進(jìn)行研究，土要是簡化為5 個尺度及語意變數(shù)的引用等等。s a a t y ( 1 9 8 0 ) 建議使用9 個尺度的主要理由是：( 1 ) 人類無法同時對7 種以上的事 物進(jìn)行比較；( 2 ) 在其研究中的三個案例做誤差均方根與中位數(shù)絕對誤差的驗定 實驗后，9 個尺度值有較佳的表現(xiàn)：( 3 ) 人類的區(qū)別能力以等強、稍強、頗強、 極強與絕對強這五個屬性為基礎(chǔ)，為了精確性及連續(xù)性考量，在屬性甘j 加入折中 值?；鵩 以往a h p 的應(yīng)用研究均是采用9 尺度的重要性等級，且s a a t y 也提出 相當(dāng)似的理由。因此本研究選擇了9 個尺度來用于a h p 專家問卷中的評估尺度 評比。 由于a h p 包括了分析、層次構(gòu)架、與整理決策者，規(guī)劃皆或評估決策者對 于該層次構(gòu)架的各部分的分析結(jié)果等特點，具有簡化復(fù)雜問題、量化定性描述等 實用的特性，發(fā)展至今己被廣泛地國外許多領(lǐng)域，諸如經(jīng)濟管理、政治、社會、 工程規(guī)劃等問題上，以表3 3 做一簡單介紹。 表3 - 3 應(yīng)用a h p 分析的相關(guān)研究陟卅 地點 廊用a i t p 分析的領(lǐng)域研究昔 g h o l a m n e z h a d ( 1 9 8 0 ) ，s a a t y ( 1 9 7 9 ) 國 s a a t ya n dg h o l a m n e z h a d ( 1 9 8 1 ) 1 能源政策及資源分派g h o l a m n e z h a da n ds a a t y ( 1 9 8 2 ) 外 s a a t y ，m a ，a n db l a i r ( 1 9 7 7 ) s a a t ya n dm a r i a n o ( 1 9 7 9 ) e m s h o f fa n ds a a t y ( 1 9 8 2 ) h i h n ( 1 9 8 0 ) ，s a a t y ( 1 9 7 7 ，1 9 8 1 ) 2 經(jīng)濟規(guī)劃 i l a m a n u j a na n ds a a t y ( 1 9 8 1 ) s a a t ya n dv a r g a s ( 1 9 7 9 ) e l s a y e da n dh s i a n g ( 1 9 8 2 ) 3 存貨控制與采購f r a z e ll e “9 8 5 ) v a r g a sa n ds a a t y ( 1 9 8 1 ) 4 專案管理 j o h n s o na n dh i h n ( 1 9 8 0 ) 2 0 中南大學(xué)顱卜論文 第 章 鐾糊e 次分析法( 樽蝴a h p 法) 5 彈性制造系統(tǒng) a r b e la n ds ei d m a n n ( 1 9 8