水工隧洞围岩力学参数反演及施工三维仿真硕士学位论文.pdf

分类号：t v 6 7 2 密级：公丌 单位代码： ! q q 璺鱼 学号：2 0 0 8 2 1 5 水工隧洞围岩力学参数反演及施工三 维仿真 t h ei n v e r s e a n a l y s i st or o c k m a s sp a r a m e t e r sa n d3 df i n i t e e l e m e n t a n a l y s i so f c o n s t r u c t i o np r o c e s sf o rh y d r a u l i c t u n n e l 学位申请人： 指导教! j 币： 学科专业： 学位类别： 授予单位： 答辩日期： 李楠楠 郄志红教授 农业水土工程 工学硕士 河北农业大学 二。一一年六月六日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑兰垦盔些盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：夸7 l 确楠签字同期： 节1 1 年6 月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰堡垒些盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑主垦盔些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 夸确确 导师签名： 签字日期： y 1 1 年6 月电日 签字日期 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 年f 月 沙日 幽 摘要 随着国民经济和科技的快速发展，我国加大了对基础工程的投资，隧道工程亦越 来越受到重视。对于隧洞工程，其所处的围岩物理力学参数的选取是否合理将直接影 响到工程设计与施工的可靠性与安全性。尤其是地质条件比较复杂隧洞，由于岩土体 具有很大的模糊性、不确定性、随机性，岩土体参数的确定是摆在实际工程前的一大 难题。目前，隧洞项目围岩力学参数一般要通过现场测试，而现场测试不仅难以进行 而且不同地段区别很大；大量研究及实例表明，利用隧洞施工中实际观测的位移及应 力变化，来反演围岩的实际物理力学参数，是能够得到较为理想的岩土体参数的。 本文依托湾子隧洞施工项目，结合现场观测隧洞围岩变形资料，利用粒子群算法 调用有限元计算软件a n s y s 的方法对工程区围岩的力学参数进行了反演，在此基础之 上，对隧洞丌挖、喷锚支护及二次衬砌进行了三维仿真计算。主要工作内容包括： ( 1 ) 简要介绍了a n s y s 软件的原理和方法，选取6 + 8 9 0 6 + 9 2 0 段建立有限元平面 模型及三维模型。 ( 2 ) 提出了基于粒子群算法调用a n s y s ( p s o _ a p d l ) 的反演计算方法，利用自编的 c 语言调用a p d l 命令流对隧洞围岩弹性模量进行反演计算。此方法中利用粒子群算 法强大的全局寻优能力，可有效解决反分析中求导困难以及优化收敛于局部极值点的 问题。 ( 3 ) 在反演计算中，反演隧洞围岩弹性模量的同时，又对单元弱化系数进行了反 演。文中应用单元弱化理论来模拟在隧洞开挖过程中的围岩“反转作用力”，以简化 有限元计算模型，减少计算中的人为错误。 ( 4 ) 建立了隧洞施工的三维有限元仿真模型，将反演所得围岩参数再代入模型， 对各开挖、喷锚、衬砌施工步进行模拟，通过分析各施工步中围岩及衬砌的位移、应 力的变化情况，获得其发展规律，并对隧洞二次衬砌初设尺寸进行了安全校核。 ( 5 ) 总结了本文的研究工作，分析了研究的不足之处，并对今后的研究重点进行 了展望。 关键词：a n s y s ；粒子群算法；反演计算；三维仿真 t h ei n v e r s ea n a l y s i st or o c k m a s sp a r a m e t e r sa n d3 df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f c o n s t r u c t i o np r o c e s sf o rh y d r a u l i ct u n n e l a u t h o r ：l in a n n a n s u p e r v i s o r ：q i ez h i h o n g m a j o r ：a g r i c u l t u r a lw a t e rs o i le n g i n e e r i n g a b s t r a c t w i mt h es t e a d ya n df a s td e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt e c h n o l o g y , t h e g o v e m m e n te x p a n d st h ei n v e s t m e n tt oi n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o na n dp a y sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nt ot u n n e le n g i n e e r i n g f o rt h et u n n e le n g i n e e r i n g ，i ti sak e yt os e l e c tr a t i o n a l p a r a m e t e ro fr o c kw h i c ht u n n e li s l a i di n ，w h i c hw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h er e l i a b i l i t ya n d s e c u r i t yi nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n a sf o rt h et u n n e ll a i di nm o r ec o m p l i c a t e dg e o l o g i c a l a r e a ，t h er o c k - m a s sa n ds o i l b o d yb e h a v eg r e a tf u z z i n e s s ，u n c e r t a i n t ya n dr a n d o m n e s s ，s o i ti sd i f f i c u l tt oa s c e r t a i np a r a m e t e ro fr o c ka n ds o i le x a c t l y a tp r e s e n t ，w ec a ng a i n p a r a m e t e ro fr o c kw h i c ht u n n e li sl a i di nt h r o u g hs i t et e s t i n g s i t et e s t i n gi sn o to n l yh a r d t oc a r r yo u t ，b u ta l s oh a v eg r e a td i s t i n c t i o ni nd i f f e r e n ta r e a s o nt h eb a s i so fm a s s i v e r e s e a r c h e s ，m a k i n gu s eo ft h ei ns i t em o n i t o r i n gd a t ao ft h er o c k m a s sd i s p l a c e m e n ta n d s t r e s s e sc h a n g et oa n a l y s i st h ea c t u a lr o c k - m a s sp a r a m e t e r sc a ng a i nm o r er a t i o n a lr e s u l t s 1 1 1 i sp a p e rt a k e st h ep r o j e c to fw a n z it u n n e lc o n s t r u c t i o nf o re x a m p l e m a k eu s eo f i n s i t em o n i t o r i n gd a t ao fr o c k - m a s sd i s p l a c e m e n ta n dt h ei n v e r s i o na n a l y s i sm e t h o dt o g a i nt h er o c k - m a s sp a r a m e t e r sw i t hp s oi n v o k i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s o n t h i s b a s i s ，s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e dt h et u n n e le x c a v a t i o n ，s h o t c r e t i n g b o l t i n gs u p p o r ta n d s e c o n d a r yl i n i n g i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rh a sd o n ep r i m a r i l yt h ef o l l o w i n gw o r k ： ( 1 ) i n t r o d u c et h ep r i n c i p l e a n dm e t h o do fa n s y ss o f t w a r ei n s h o r t ，c h o s e 6 + 8 9 0 - - 6 + 9 2 0s e c t i o nt oe s t a b l i s ht h ef i n i t ee l e m e n tp l a n em o d e la n dt h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l ( 2 ) t h ei n v e r s i o nm e t h o db a s e do np s oi n v o k i n ga n s y sw a sp r o p o s e d m a k eu s eo f t h ei n v e r s i o na n a l y s i sm e t h o dw h i c hi sb a s e do nm yo w ncl a n g u a g ei n v o k i n ga p d l c o m m a n dt os i m u l a t ea n dc a l c u l a t e t h er o k e m a s s se l a s t i cm o d u l u s t 1 1 i sm e t h o du s e p s o sp o w e r f u lo v e r a l ls e a r c ha b i l i t yw h i c hc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ed i f f i c u l tp r o b l e m so f d e r i v a t i o na n de a s i l yf a l l si n t oal o c a le x t r e m u mp o i n t ( 3 ) t 1 1 i si n v e r s i o nc a l c u l a t i o na l s oi n v e r t e dt h ee l e m e n tw e a k e n i n gc o e f f i c i e n tw h i l ei t i n v e r t e dt h et u n n e lr o k e m a s s se l a s t i cm o d u l u s t h er o k e m a s s “r e v e r s e df o r c e i nt u n n e l e x c a v a t i o ni ss i m u l a t e db yu s i n ge l e m e n tw e a k e n i n gt h e o r yt os i m p l i f yt h ef i n i t ee l e m e n t m o d e la n dr e d u c et h eh u m a ne r r o ri nc a l c u l a t i o n s ( 4 ) at h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sb u i l ti nt u n n e lc o n s t r u c t i o n i n p u t t h ei n v e r s i o na n a l y s i s p a r a m e t e r s t ot h em o d e l ，s i m u l a t et h et u n n e le x c a v a t i o n ， s h o t c r e t i n g b o l t i n gs u p p o r ta n dl i n i n gc o n s t r u c t i o n b ya n a l y z i n g t h e c h a n g e so f d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s so fr o c k - m a s sa n dl i n i n gi ne v e r yc o n s t r u c t i o ns t e pt oa g a i nt h el a w o fd e v e l o p m e n t a tt h es a m et i m e ，t h es e c u r i t yo ft u n n e ls e c o n d a r yl i n i n g ss t r u c t u r a ls i z e w a sv e r i f l e d ( 5 ) t h ep a p e rs u m m a r i e st h ew h o l er e s e a r c h ，a n a l y z e s t h e s h o r t c o m i n g s a n d l i m i t a t i o n so ft h er e s e a r c ha n dp u t sf o r w a r dt ot h em a i nr e s e a r c ha s p e c t si nf u t u r e k e yw o r d s ：a n s y s ；p s o ；i n v e r s ea n a l y s i s ；3 df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 广lilii一1 1 引言一 1 1 研究背景及意义。 1 1 1 隧洞设计理论发展 1 1 2 水i ：隧洞的上稃特点一 1 1 3 水i ：隧洞设计中面临的主要 1 2 本文主要研究内容 2 基于p s o - a p d l 的隧洞j ：科反分析方法4 2 1 反分析理论概述一4 2 2 隧洞r 程优化反分析5 2 2 1 隧洞工程优化反分析的数学原理5 2 2 2 隧洞。r 程优化反分析研究重点6 2 3 基于p s o - a p d l 的反分析方法一6 2 3 1 概述6 2 3 2 基于外部优化( 反分析) 程序( u s e r o p ) 调用的反分析方法6 2 4 粒子群算法7 2 4 1 微粒群算法概述7 2 4 2p s o 算法的基本原理7 2 4 3p s o 算法的计算流程8 2 5 基于p s o - a p d l 的反分析模型的建立8 2 5 1 建立模型的意义8 2 5 2 隧洞反分析模型建立9 2 5 3p s o - a p d l 反分析方法的具体实现1 0 2 ( ；d 、；璃1l 3 隧洞有限元模型的建立以湾子隧洞为例1 2 3 1 一i ：程概况12 3 2 隧洞有限元模型1 2 3 2 1 基本要求和假定12 3 2 2 几何模型说明1 3 3 2 3 喷锚加同区的模拟l3 3 3 隧洞平面模跫的建立1 4 3 3 1 单元类型1 4 3 3 2 材料属性1 4 3 3 3 定义单元属性1 4 3 3 4 有限元网格划分1 4 3 3 5 计算荷载1 5 3 3 6 边界条件。15 3 4 隧洞三维模型的建立1 5 3 4 1 单元类型1 5 3 4 2 单元生成15 3 4 3 边界条件l6 3 5 隧洞模型a p d l 宏文件的创建j 1 6 3 6 ，j 、 墙l7 4 隧洞一l ：程反分析实例18 4 1 ：【：程区域地质概况1 8 4 1 1 地形地貌l8 4 1 2 地质构造一l8 4 1 3 地层岩性18 4 1 4 岩彳i 物理力学性质19 4 2 反分析参数的确定一1 9 4 2 1 等效参数的概念1 9 4 2 2 目标参数的确定方法、原则1 9 4 2 3 压缩待分析参数个数的主要方法l9 4 2 4 参数选择结果一2 0 4 2 5 弱化单元理论2 1 4 3 现场监测2 l 4 2 1 监测点布置一2 l 4 2 2 监测数据归一化处理2 2 4 2 3 目标函数2 2 4 4 反演结果分析2 3 4 4 1 基于p s o - a p d l 反演结果2 3 4 4 2 反演结果稳定性分析2 3 4 5 ，j 、结2 4 5 隧洞开挖与支护的三维仿真分析一2 5 5 1 概述2 5 5 2 仿真模型2 5 5 2 1 设计参数2 5 5 2 2 三维仿真模犁2 5 5 3 隧洞开挖与支护的模拟2 7 5 3 1a n s y s 生夕匕单元的应用2 7 5 3 2 开挖与支护连续施t 的实现2 7 5 4 成果分析2 9 5 4 1 计算参数2 9 5 4 2 开挖过程中位移分析2 9 5 4 3 开挖过程中应力分析3 3 5 4 4 喷锚过程中位移分析3 6 5 4 5 喷锚过程中应力分析一3 9 5 4 6 衬砌完成后位移分析4 2 5 4 7 衬砌完成后应力分析4 3 5 4 8 二次衬砌应力分析4 3 5 6 ，j 、结z m 6 结论与展望4 5 6 1 主要结论一4 5 6 2 展望4 5 在读期间发表论文情况4 8 作者简介4 9 致谢5 0 1 2 0 k m ，为芬兰的佩扬奈引水隧洞，其次为瑞典博尔f j 输水隧洞( 长8 0 k m ) 和日本青函海底铁路隧 道( 长5 4 k m ) ，l o k m 以上的k 隧洞j 二科达数近百条。就我国而言，随着经济发展和社会需求的推 动，特别是改革开放3 0 多年来，水上隧洞建设取得了长足的进展。水工隧洞建设速度明显加快， 据不完全统计，已建隧洞总长度己超过5 0 0 k m ( 包括有压隧洞、无压隧洞、压力钢管道、压力竖井 及斜井等) ，已建长达4 k m 以上的引水发电隧洞2 2 条，多条2 0 k m 至l o o k m 以上长度的引水发电 隧洞在建憎1 。 1 1 1 隧洞设计理论发展 隧洞- t 程的兴建，也促进了其设计理论的蓬勃发展。到目前为i ：，在大量科学试验和工程实 践的基础上，隧洞的设计理论与施工方法的发展已经有百余年的历史。 2 0 世纪2 0 年代以前，主要是古典的压力理论阶段。这类理论认为，作用在支护结构上的压 力是其上覆岩层的重量yh 。那时的隧洞多以砖石材料作为衬砌，采用术支撑和断面分部开挖的 施工方法，当时的设计特点是只考虑衬砌承受同岩的主动荷载而朱考虑同岩对衬砌变形的约束和 由此产生的抗力，冈此，衬砌厚度偏大。其后，随着开挖深度的增加，人们越来越发现古典的压 力理论不符合实际情况，丁是又出现了散体压力理论。这类理论认为，当地卜一犟埋藏深度较大 时，作用在支护结构上的压力不是上覆岩体重量，而只是同岩塌落拱内的松动岩体重鼍。不同学 者在设计隧洞衬砌时采用不同的假设来计算围岩对衬砌变形所产生的抗力。当时的掘进和支护所 用的时间较长，支护与围岩不能紧密相贴。这类理论没有认识到通过稳定同岩，以充分发挥围岩 的白承作用问题。 2 0 世纪5 0 年代以来，喷射混凝土和锚杆被广泛用做初期支护，这种支护在保证围岩稳定的 同时，允许有一定程度的变形，使同岩内部应力得到调整从而发挥其自承作用，因此形成了以岩 石力学为基础的、考虑支护与同岩共同作用的现代支护理论。现代支护理论认为围岩具有白承能 力，围岩作用于支护上的压力不是松散压力，而是阻止围岩变形的形变压力，并将围岩和支护作 为一个统一体，二者组成“围岩一支护”体系共同工作，共同承载岩体应力例。 隧洞的设计理论正在不断发展，各种设计方法都需要不断提高和完善，尤其是能较好反映地 下t 程特点的现场监控设计方法，更迫切需要在近期内形成比较完善的量测体系与计算体系。2 0 世纪6 0 年代中期，随着计算机内存、计算机速度的快速发展与提高，以及岩士本构模型的进展， 隧洞的分析与设计进入了以有限元法为代表的数值分析时代。近年来数值分析有了新进展，无限 元、边界元、离散元、d d a 、流形元以及描述地质结构面的节理单元的发展和应用人大促进了数 值分析方法在隧道j r 程中的应用。尤其是建立在数值分析方法基础上的位移反分析方法的提出， 又将数值分析方法的应用提高到了更高的层次。从发展趋势看，新奥法开创的理论一经验一量测 1 河北农业人学硕十学何( 毕业) 论文 三者相结合的“信息化设计”体现了隧洞结构设计理论的发展方向。 1 1 2 水工隧洞的工程特点 水1 i 隧洞所处的环境与地面【：稃不同，隧洞是处丁复杂地质条件下的水利。i ：程，因此其受力 条什也有其自身的特点，大致可以! j 1 纳成如v j l 点： ( 1 ) 水：1 ：隧洞是在自然状态卜的岩十地质体内开挖的，因此隧洞所处的地质环境对 r ：科结 构设计有着决定性意义。水【隧洞结构荷载取决于所处地区的地应力，但地应力不仅很难测准， 而且难以进行测试，这就使得计算精度受剑影响。其次，隧洞所处的围岩物理力学参数的选取是 否合理将直接影响到下程设计与施工的可靠性与安全性。项目地质体力学参数一般要通过现场测 试。而现场测试不仅难以进行而且不同地段区别很人，这也使水+ i j 隧洞设计的计算精度受剑影响。 只有止确认识地质环境对结构体系的影响，才能正确进行结构没计隋1 。 ( 2 ) 水下隧洞周围的地质体不仅会对支护结构产生荷载，同时它本身又是一种承载体。作用 在地质体上的原岩廊力是由地质体本身和支护共同来承载的。作用在支护结构上的压力除与原岩 应力有关外，还与地质体强度，采用的施工方法与施上时间，支护的形式与尺寸及断面形状等因 素有关。充分发挥地质体自身的承载力是水工隧洞结构设计的一个根本出发点。 ( 3 ) 作用在支护结构上的荷载受到施t 方法和施工时机的影响。某些情况下，即当所选用的 支护结构尺寸已经满足要求，但由于施作时机和施工方法不当，仍会遭受破坏。冈而水下隧洞结 构设计的另一特点是将受剑施_ l 因素和时间冈素的影响。 ( 4 ) 与地面结构不同，水上隧洞安全与否，既要考虑到支护能否承载，义要考虑闱岩会不会 失稳。这两种原因都能最终导致支护结构破坏。支护结构的承载力可由支护材料强度来判断，但 嗣岩是否火稳至今没有妥善的判断准则，一般都按经验来确定。 1 1 3 水工隧洞设计中面临的主要问题 目前，隧洞的设计理论与工程实践均已取得了长足的进展，但与实际工程设计所需要的定量 要求还相差甚远。可以说隧洞的设计理论远落后于上程实践，其设计理论与方法研究仍处于一个 发展阶段，其中有很多问题需要进一步深入研究： ( 1 ) 隧洞所处的闱岩物理力学参数的选取是否合理将直接影响到工程设计与施工的可靠性 与安全性。项目地质体力学参数一般要通过现场测试。而现场测试不仅难以进行而且不同地段区 别很大，这也使水丁隧洞设计的计算精度受到影响。 ( 2 ) 目前地下洞室施t 广泛采用新奥法。新奥法的最基本观点是通过了解洞室开挖后围岩 的变形形态，适时地设置支护，以便最充分地发挥围岩自身的自承自稳能力，获得最佳的加固效 果。但是，对于各种岩体介质，特别是节理、裂隙发育及遇水膨胀的软弱岩体，怎样确立围岩稳 定的判断，如何评价支护的作用机理，如何确定最佳支护时间等。目前仍有许多问题等待解决， 就其设计方法本身，充其量还只能算是设计原则或指导思想，还没有形成真正可以用于设计的计 算理论与设计准则。 ( 3 ) 基于试验的初始设计仍具有一定程度的盲目性，于是在地下洞室的施丁中引入了信息 2 水t 隧洞同岩力学参数反演及施i ：二维仿真 化施【：的管理方法。信息化施1 ：就是在施【：过程中加强施l ：监测，根据实测数据，通过反演分析， 评价围岩的稳定性，调整施1 j 参数。它是目前地下洞室开挖施一r 实现理论和实践相结合的最有效 的方法。 ( 4 ) 作用在支护结构上的荷载会受剑施i ：方法和施l ：时机的影响，某些情况下，即使所选 用的支护结构尺寸已经满足要求，但由于施作时机和施厂方法不当，仍会遭受破坏。冈此，要对 施作时机和施i t 方法进行优化，以保证施i ：安全。 1 2 本文主要研究内容 本文以河北保定湾子隧洞工程为研究对象，主要进行了如卜- 儿方面研究： ( 1 ) 选取6 + 8 9 0 6 + 9 2 0 段建立a n s y s 有限元平面模型及三维模型，其中平面模型用丁反演计 算，三维模型用于隧洞施上仿真。 ( 2 ) 提出了基于粒子群算法p s o 调用a n s y s 的反分析方法，本论文利用自编的c 语言优化程 序调用a p d l 命令流对隧洞围岩弹性模量进行反演计算。此方法中利用粒子群算法强人的全局寻 优能力，可有效解决反分析中求导凼难以及优化收敛于局部极值点的问题。 ( 3 ) 在反演隧洞围岩弹性模量的同时，又对单元弱化系数进行了反演。文中应用单元弱化理 论米模拟在隧洞开挖过程中的围岩“反转作用力”，即在保证由于应力释放引起的岩体应力变形 一定的前提下，可以通过降低开挖部分岩体的弹性模鼍的方法来模拟岩体在开挖过程中的应力释 放，即采取弱化单元的方法来模拟岩体在开挖过程中的应力释放效果，从而简化有限元计算模型， 减少计算中的人为错误。 ( 4 ) 建立了隧洞施下的三维有限元仿真模型，对各开挖、喷锚、衬砌施工步进行模拟，通过 分析各施t 步中闱岩及衬砌的位移、虑力的变化情况，获得其发展规律，并对隧洞二次衬砌初设 尺寸进行了安全校核。 3 河j 匕农业人学硕十学位( 毕业) 论文 2 基于p s o a p d l 的隧洞工程反分析方法 2 1 反分析理论概述 水下隧洞所处罔岩的物理力学参数的选取是否合理将直接影响剑1 ：程设计与施l ：的可靠性 与安全性。因此，长期以来，隧道围岩力学参数的确定一直是一 程地质学者研究的重要课题。反 分析方法的出现及对同岩变形观测技术的人力应用与推广，为我们指明了一个新的方向。 反分析的理论研究白2 0 世纪6 0 年代就已在国外出现，但由于计算管大，准确的实测资料难 以获得，使其在当时很难应用于实际工程中。近年来，随着有限元等数值方法的发展和计算机容 量及运算速度的飞速提高，反分析已广泛应用在十术丁程、水利t 程、机械j 【程、航空航天t 程、 地质勘探、石油物探以及医疗等领域。 1 9 6 0 年，p h i l i p 哺引提出了求解一维非线性渗流反问题的精确解法；1 9 6 9 年，太沙基提出了 观察设计法( 0 b s e r v a t i o nd e s i g nm e t h o d ) ，利用现场的观测资料修止参数和设计；1 9 7 1 年， k a v a n a g h 等m 1 提出了反算弹性模量的有限元法后，极人地促进了反分析方法的发展；y e h 和n e u m a n 等胁1 8 1 在地下水渗流反分析方面进行了深入研究，y e h 还对渗流反分析方法作了系统总结并预测了 发展方向；村上章应用k a l m a n 滤波有限元方法对混凝十重力坝的弹性模量和泊桑比进行了反演； 樱井春辅等应用隧洞开挖中有限的相对位移，反算岩体的初始应力、弹性模量，取得了可喜的成 果。 与国外相比，我国在工程反分析方面起步较晚，但也取得了不少研究成果，特别是近年米， 随着我国水利水电开发步伐的加快和一批世界级甚至超世界级水利工程的修建以及人规模的病 险i ：程除险加i 乩水一r ：隧洞结构反分析开始引起了人们的普遍重视，使得这方面的研究步伐加快。 在上世纪8 0 年代，郭怀志、马起超9 | 根据实际上程的地应力实测资料，运州有限元数学模 型和回! j = 1 分析方法求解了岩体初始应力场；崔广。涛、练继建等根据测得的结构动力响应值推求了 水流激振的脉动荷载情况堙呲；张镜剑等应用确定性三维有限元模璎和优化方法对拱坝的坝体、 岩基弹模和温度荷载进行了反演分析幢2 1 ；林世胜和中尾健儿在樱井春辅提出的反算法基础上，就 有衬砌隧洞的反问题( 反推山体的初始应力和弹模) 进行了进一步探讨；邓建辉等j 2 墨朋提出了多 介质边坡弹模位移反分析模型和优化算法，并对三峡船闸高边坡位移反分析实例进行了验证；沈 珠江、赵魁芝1 2 毛2 6 1 通过对鲁布革等4 座已建堆石坝的流变参数反分析，确定了从软基到砂卵石的 4 种不同质地堆石料的流变参数，为新建类似工程提供了设计参考；吴中如和陈久宇等幢卜川在水 工建筑物的安全监测和反分析方面做了大量研究工作，提出了有关变形参数、热学参数、断裂参 数、等价摩擦系数、徐变度等的反分析方法；陈国荣、姜弘道等5 1 采用线性逼近法并结合三维有 限元来反演粘弹性流变参数；刘文宝、李述才m 1 分析了测量误差对大坝位移反演结果的影响等等。 反分析方法按照反分析过程可分为直接反分析法和间接反分析法。前者为正分析的逆过程， 计算过程简单，但须先建立求逆公式和编制相应的程序，适用性差。后者为正分析计算的优化逼 近过程，一般通过不断修正未知数的试算值逼近和求得优化解，计算机运作时间虽长，但可利用 原有正算程序进行计算，便于处理各种类型的反分析问题，并可用于各类非线性问题的分析，适 用性强1 3 。其基本原理可参见文献 3 7 ，在此不进行赘述。 4 2 2 隧洞工 目前研究 求参数的值，然后利川止分析方法计算系统响应，采川系统响应计算值与实测值建立目标函数， 并按照一定的收敛准则，使用优化方法对参数值进行优化，直到目标函数值满足收敛准则，此时 对应的参数值即为所求的参数解“。 2 2 1 隧洞工程优化反分析的数学原理 隧道开挖破坏了原来地层中的相对稳定状态，从而引起洞周闱岩体的变形和位移。通过各种 测量手段可测得测点处的相对位移或绝对位移“，o ，其中u = u o ，“2 0 ，“，o ，甜。0 ) 为各测点处的唯一 实测值，当用弹塑性模型进行分析时，首先需要假定地层的初始应力状态矿和材料参数x 。 对于平面问题：盯o = ( q o ，仃，o ，) ，其中o x 0 口，o ，0 ，为地应力的各个应力分量，可以 沿坐标轴变化。材料参数主要包括地层材料的弹性模量e ，泊松比u ，内聚力c ，内摩擦角由， 地层容重y n 及材料屈服后的硬化系数h 等，简记为 x = ( e ，c ，矽，h ) 。 ( 2 一1 ) 通过应用有限单元法的数值模拟，由这些初始数据出发，可以得到各测点处的位移模拟值 u = ( u 3 ，“ - u n ) 7 ( 2 2 ) 式中吩为各测点处的位移模拟值。 模拟值吩与实测值妒的著异用误差函数即目标函数来表达： 当误差e 取得最小极值时，计算用的材料参数即可视为现场材料的参数。这种解决方法写出 一般的数学公式为： m i n 厂( x ) ：m i n 宝( 砰一坼( x ) ) 2 c 2 4 ， x e d 0 i = l 式中：哦= xi 蜀( x ) o ，i = l ，2 ，3 m cr ” f ：d ocr ”实测函数，r ”称为目标函数。 x = ( e ，c ，矽，h ) 7 ：所需要确定的参数，称为设计变量。 g ( x ) o 约束条件，在此处即为地层变形时所应符合的本构模型理论 规则及各种参数的允许范围等等。 5 、，3 2，l 2 、i_， “一甜 ，ji_ 。矧 l i e 河北农业人学硕十学位( 毕业) 论文 2 2 2 隧洞工程优化反分析研究重点 反分析最常用的间接法( 称优化反分析法) 是把参数反分析问题转化为一个目标函数的寻优 问题，直接利川正分析的过程，通过迭代计算，逐次修l e 反演参数的试算值，最后获得“最优解”。 它的缺点在于： ( 1 ) 容易出现迭代过程收敛缓慢、解的稳定性著、易陷入局部极小值等问题，特别是待定 参数的数目较多时，通常不能保证搜索收敛到全局最优解； ( 2 ) 正向计算方法选取是否得当，直接影响剑优化迭代的速度和最优解的可靠性。 鉴于此，本文采用数值方法，通过粒子群算法调用所建a n s y s 有限元隧洞模型，正演计算隧 洞围岩的物理力学参数。此法充分利用了粒子群算法的寻找全局最优解( 即最优边界条什和力学 参数) 的能力，以解决上述正向反分析计算的两个问题。 2 3 基于p s o a p d l 的反分析方法 2 3 1 概述 随着计算机的乜速发展，出现了一批大型的通用结构分析商业软件，这些结构分析软件功能 强大且具有很好的前后处理功能，故而正在得到日益广泛的应用。反问题是与正问题相对应的， 二者密不可分。一般反分析是以正分析采用的模型为基础的( 对于模型的反分析除外) 。因此在 一定情况下，如果正分析采用某个人型的通用的结构分析商业软件，则反分析也应采用同一软件。 本文应用在隧洞| t 程分析领域采用较多的结构分析软件a n s y s 对隧洞j ：程参数进行反演的方法。 关于应用a n s y s 进行结构反分析可以考虑两条途径： ( 1 ) 应用a n s y s 本身提供的参数化设计语言( a p d l ) 及结构优化l ：具。即通过将结构参数 化，然后利用其内部的优化方法对反演量进行优化迭代，搜索出最优解。 ( 2 ) 用户自己开发的优化方法，即外部的优化( 反分析) 程序( u s e r o p ) 代替a n s y s 的内 部优化过程进行优化求解。 本文主要针对a n s y s 外部优化模块方法进行分析。 2 3 2 基于外部优化( 反分析) 程序( u s e r o p ) 调用的反分析方法 在应用u s e r o p 方面，可以通过诸如f o r t r a n 、c 、b a s i c 等高级语言编写外部反分析程序， 程序中采用的反分析方法没有限制( 可以是任一种反分析方法) ，只是在需要调用有限元正向计 算时通过系统访问命令，执行事先用a p d l 编写好的结构分析参数文件，完成一次正向计算，并 返回主调用程序需要的数据。下面以c 语言为例，给出一段示例程序： t e s t c p p # i n c l u d e “s t d i o h # i n c l u d e “p r o c e s s h v o i dm a i n 0 6 水l i n tr e s u l t ： p r i n t f ( “s o l v i n g ”) r e s ult = s y s t e m ( “c ：a n s y t e s t o u t ”) ： p r i n t ( “s o l u t i o nf i n i s h 说明：t e s t e x e 使用a p d l 语言编制的a n s y s 输入文件。a n s y s u l 为a n s y s 产品的特征代码。 需要注意的是：在调用时，需要增加一条判断语句，以确定a n s y s 已经执行完毕。而在c 中相应 的显示数据文件命令为：r e s u l t = ( “n o t e p a do p t o u t ”) 。 本研究中应用c 语