TBA法的地下厂房围岩力学参数位移反分析

以大连地铁一号线学苑广场—海事大学区间过河段隧道工程为背景,基于一种新型优化算法——差异进化算法进行隧道围岩力学参数反分析,提出以位移值为指标的差异进化位移反分析方法及实现过程,并将反演得到的围岩力学参数应用到过河段隧道工程开挖方案比较及稳定性分析,验证了复杂地质条件下该方法的可行性和有效性.结果表明,该方法在复杂地质条件下具有较好的可行性,且对选取隧道施工方案、保证隧道安全具有一定的指导意义.同时,所得围岩力学参数也可进一步应用于其他类似工程的相关研究.

随着科技的进步和施工技术的不断革新,使得在复杂地质条件下进行隧道工程建设成为可能,姜路岭隧道位于国道g214线共和至玉树(结古)段上,为高海拔地区炭质页岩隧道.隧道全线岩性主要为青灰色、灰黑色泥粉质炭质页岩与板岩互层,节理裂隙很发育,岩体极破碎,呈碎片状及板片状,取原状岩样进行室内试验极其困难,围岩力学参数难以获取,使得隧道围岩稳定性分析和支护结构设计基础资料匮乏.本文将根据岩体天然密度和含水率将岩样进行室内重塑,通过室内直剪压缩试验的方法获得岩体力学参数,经压缩模量换算可获取弹性模量取值范围,借助数值反分析的手段获得弹性模量的准确取值,为类似工程设计提供必要的基础数据.

由于应力重分布和开挖扰动等因素,对于地下洞室开挖面附近的岩体,其力学特性会有一定程度的劣化,称之为岩体力学参数的开挖损伤效应.本文结合正交试验设计、粒子群优化算法、支持向量机模型等原理,建立了考虑开挖损伤效应的lssvm-pso反分析模型;以某水电站地下厂房为例,针对现场变形监测成果进行了位移反演分析,得到了损伤区范围与弱化程度.将开挖损伤区范围作为待反演参数,通过位移反分析得到损伤区范围是一次新的尝试,可为类似工程研究提供借鉴.

结合现场实践,基于差分法和人工神经网络建立了新的围岩力学参数反分析方法。进行了硐室模型简化;针对不同力学参数,用flac差分程序进行求解,得出相应的神经网络分析样本;用人工神经网络对围岩力学参数进行了学习训练,并进行了网络结构及参数优化;利用现场实测位移值,对围岩力学参数进行了反分析,与现场实测值对比表明其满足误差精度要求,证实了反分析方法的正确性和可靠性。

综合考虑大型地下洞室群施工现场的开挖进度信息、支护进度信息及新出露的地质信息,建立能够实时更新且反映工程实际进度的三维全尺度数值仿真模型,结合均匀设计和人工神经网络技术,基于c#.net＋python混合编程技术对通用数值软件abaqus进行二次开发,提出大型地下洞室群施工期围岩力学参数实时动态反演分析方法。以黄登水电站为例,对其地下洞室群施工期围岩力学参数进行实时反演。结果表明：各施工分期测点计算位移与实测位移随施工期的曲线变化规律一致,实测值与计算值吻合度较高,第五期的平均误差仅为5.5%,得到较好的反演结果,验证了此法的合理性和可操作性。

目的为解决各种传统位移反分析方法的反分析模型复杂、求解难度大等问题,基于matlab的二次开发语言m语言,编写了用于位移反分析的bp神经网络源程序.针对传统bp网络收敛速度慢的缺点,采用优化算法及归一化方法来加快网络的训练速度.方法隧道开挖模拟采用flac-3d数值方法作为正演工具,结合正交设计法和bp神经网络等程序,建立了用于位移反分析人工神经网络方法,并应用该方法对某隧道围岩力学参数进行了反演.结果反演结果表明,所建立的位移反分析的人工神经网络方法具有模型简单、求解快捷等优点,且其精度亦能达到工程应用要求,因而可以在工程实际中推广应用.结论人工神经网络有着良好的非线性信息存储能力和自适应性,利用人工神经网络中的bp算法反演隧道围岩力学参数,在实际应用中是完全可行的,可以为工程所需的计算参数提供参考,对隧道围岩稳定性评价及信息化设计具用实际意义.

以广佛肇高速公路黎壁山隧道为工程实例,建立三维数值分析模型,对隧道的开挖过程分别进行常规数值模拟和动态损伤数值模拟,从应力、位移、塑性破坏区分布特点以及损伤特性等方面进行对比分析.结合监测数据,对比拱顶沉降和周边收敛的监测值与数值模拟值,进一步验证了动态损伤数值模拟的可行性.

综合考虑大型地下洞室群施工现场的开挖进度信息、支护进度信息及新出露的地质信息,建立能够实时更新且反映工程实际进度的三维全尺度数值仿真模型,结合均匀设计和人工神经网络技术,基于c#.net＋python混合编程技术对通用数值软件abaqus进行二次开发,提出大型地下洞室群施工期围岩力学参数实时动态反演分析方法。以黄登水电站为例,对其地下洞室群施工期围岩力学参数进行实时反演。结果表明：各施工分期测点计算位移与实测位移随施工期的曲线变化规律一致,实测值与计算值吻合度较高,第五期的平均误差仅为5.5%,得到较好的反演结果,验证了此法的合理性和可操作性。

以广佛肇高速公路黎壁山隧道为工程实例,建立三维数值分析模型,对隧道的开挖过程分别进行常规数值模拟和动态损伤数值模拟,从应力、位移、塑性破坏区分布特点以及损伤特性等方面进行对比分析。结合监测数据,对比拱顶沉降和周边收敛的监测值与数值模拟值,进一步验证了动态损伤数值模拟的可行性。

基于随机权重粒子群和最小二乘支持向量机方法建立地下洞室力学参数位移反分析模型,利用正交试验和3dec模型确定各水平参数的学习样本,对地下洞室岩体的力学参数进行位移反分析。结果表明:利用支持向量机方法的非线性映射可以实现力学参数的反分析；反演得到主厂房围岩方向的侧压力系数kx,ky为0.453、0.644；三类岩体的弹性模量e3,e4,e5分别为10.15、8.20、2.62gpa；将反演分析的参数带入3dec模型得到的位移与实测位移相对误差较小,验证了反演参数的合理性。

对缓倾角层状岩体中的大型地下厂房施工力学行为进行了综合研究.详细分析了开挖过程中主厂房围岩不同部位(包括顶拱、上下游边墙)的现场监测资料,并借助基于非连续介质理论的离散元程序udec,综合分析了围岩的变形特征、剪位移分布、围岩应力分布、塑性区分布和锚杆轴力分布等岩体力学行为.结果表明,结构面(如软弱夹层、层面和节理裂隙等)是控制围岩变形的主要因素,软弱夹层的存在控制了围岩剪位移、应力和塑性区的分布,是导致锚杆轴力增大的主要因素,实时监测资料和理论计算成果吻合良好.

本文采用自适应神经模糊推理系统(anfis)对公路隧道施工过程中围岩的内聚力、内摩擦角、围岩侧压力系数等力学参数的反演进行了研究;通过数据正交试验以及flac3d正演计算得到数据样本,建立围岩力学参数的anfis结构,同时,对现场围岩位移进行监测,最后将模拟计算结果与检测结果进行比较,结果表明,模拟计算结果与实测数据吻合良好,说明该反演分析方法具有良好的工程适用性,可在工程实践中推广应用。

基于位移反分析的思想,给出一种有效反演岩体力学参数,动态反馈预报变形的方法。首先结合实测位移资料,采用神经网络方法反演主要岩体力学参数,根据反演所得的岩体力学参数模拟施工过程进行计算预报,将预报的变形与实测变形进行比较,若误差较大,则继续反演岩体力学参数,直至反馈预报的位移与实测位移的误差满足要求为止。最后将该方法应用于瀑布沟地下厂房洞室施工仿真分析中,结果表明:该方法能简捷高效获取岩体力学参数,实现位移和应力的适时预报和优化设计,指导施工。

本文以块体理论为基础,预测三峡工程地下厂房围岩存在4个特大型关键块体。在地下电站总体布置为主厂房线20+136方案情况下,1#块体k值仅024～035,不稳定;2#～4#块体k值为1左右,稳定性差或极限平衡状态。调整地下电站总体布置,地下厂房向下游平移20m后,1#块体k值为097～113,稳定性差或极限平衡状态,但易于工程处理;2#块体消失;3#、4#块体k值大于17,较稳定。作者认为在节理发育的脆性围岩体ⅰ、ⅱ类围岩中,应重点定位研究由不连续结构面组成的大型关键块体。一定条件下,通过调整工程布置来避开特大型不良地质体是经济可行的方法。

云贵桥地下厂房长80m，宽16m，为白云岩，受区域构造影响，0-40m岩体完整性差，部分为镶嵌碎裂结构，为ⅲ～ⅳ围岩，一次支护均为喷锚，一次支护完成约3个月后，在ⅳ类围岩处出现项拱掉块塌方，并扩散至0-40m整个厂房顶拱均有塌方，塌方高度多为1-2m，最高约3．5m。塌落成分主要为0．4m以下的碎块石、岩屑为主。鉴于地质条件复杂，工况特殊，特此论述探讨。

根据监测资料分析地下厂房洞室群的整体变形量级及空间分布情况。结合地质资料和开挖施工进度,以主厂房为例,从位移量、深度规律、位移速率等方面分析地质因素和施工因素对位移的影响,及二者的相互影响效果。研究结果表明:主厂房变形较大部位集中在岩锚梁部位和下游边墙;上游断层影响效应不明显,下游有无断层部位位移量差异较大,临近部位交叉施工对下游围岩位移影响较大,施工因素强化了地质因素的影响力度;变形是多种因素共同作用的结果,而地质因素和开挖施工是变形产生、发展的主要影响因素;地质条件差的部位变形较大的规律并不完全正确,施工不当的会加大结构面的影响效果,使围岩位移加剧,即使在无结构面的情况下,也会造成围岩大变形;一般断层通过的部位变形表现为\"张开\"位移,变形在穿过结构面部位差异明显。断层对变形的规律也是复杂多样,与其强度和所处位置有很大关系,有待进一步的研究。爆破是开挖施工的主要手段,其技术研究有很高的学术价值和经济意义。

为能及时掌握地下工程围岩的工作性态,确保其安全,验证设计参数和优化施工技术,围岩变形监测对地下工程非常重要。结合某地下厂房工程实例,对施工期围岩变形进行初步分析。

大型地下厂房洞室群施工开挖顺序及围岩稳定分析

以瀑布沟地下厂房施工期围岩变形监测资料为基础,结合施工开挖和地质资料,分别从时间和空间维度分析地下厂房围岩变形特征。

以石黔高速公路白水隧道为例,采用敏感性分析与数值模拟相结合的方法计算出隧道围岩各力学参数的敏感度,确定影响隧道变形的主要力学参数。首先,基于正交试验设计构造bp神经网络的样本,建立待反演参数与围岩变形的非线性映射关系,将现场监控量测实测值作为输入样本,得到围岩力学参数。然后,将反演得到的力学参数代入到数值模拟中,计算出隧道围岩变形值,对比分析实测值与计算值。结果表明,两者误差较小,这说明该方法应用于该工程的可行性。

针对糯扎渡水电站调压井工程区的特点,建立三维仿真模型,根据实测位移分析、bp神经网络和最小残差原理,反演出工程区各岩层弹性模量,并将反演参数导入模型进行三维弹塑性反馈计算.实测位移分析表明,调压井拱顶位移随着开挖方量的增大而增大,最大位移发生在1号调压井与连通上室连接处,最大值1.68mm;反演得到的各岩层弹性模量分别为:微新层24.11gpa,弱风化上层10.13gpa,弱风化下层3.16gpa,强风化层0.20gpa,断层0.62gpa,最小位移残差为16.82mm2;监测和计算的位移、位移增量变化趋势基本一致,说明反演参数可靠;因实际开挖瞬间卸荷,计算位移比监测位移一般要大,最大计算位移为3.22mm;洞室开挖后围岩变形主要朝临空面方向,围岩变形较小,围岩较稳定.

以云南丽香高速公路某隧道为背景,采用位移反分析法对该隧道围岩参数进行了弹塑性反分析,并利用反分析得到的围岩参数进行了有限元弹塑性正分析。通过与实际量测结果进行对比分析,综合比较了不同位移反分析优化方法计算结果的优劣。研究结果表明:采用遗传算法获得的参数反演值进行弹塑性正分析,其结果与实测结果相差较少,平均相对误差为7.33%,可为类似工程反分析的优化方法选取提供参考。