（道路与铁道工程专业论文）基于差异进化算法和非线性有限元的隧道围岩参数反分析.pdf

p a r a m e t e ri n v e r s i o no ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c kb a s e do n d i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h ma n dn o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n t s at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y w a n gj u n x i a n g ( h i g h w a ya n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a n ga n n a n j u n e2 0 1 1 舢9m 5m 6 删6趵 肼叫舢y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文：基王差显鲎丝篡选塑韭绫丝直醒丞的隧道囤鲞叁麴厦 盆扳：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个 人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密叫( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名： 一名：嬲 日期：黝7 障多月刃日 中文摘要 摘要 由于隧道所处的地质体具有高度的复杂性和非确定性，加之所受荷载及边界 条件较为复杂，计算所需参数难以准确的给出等，使得无论是理论解析法还是数 值解析法在计算上难以达到理想的结果。位移反分析可以有效地解决“参数不准 的瓶颈，而得到中外隧道工程界的广泛关注。 本文基于非线性有限元理论和岩土弹塑性理论，在本构方程的求解上采用了 新型的算法一返回映射算法( r e t u r nm a p p i n ga l g o r i t h m ) ，自主开发研制了返回映射 非线性有限元程序。并将有限元计算程序嵌入到差异进化算法之中，自主开发了 智能位移反分析程序( 即e e o s 反分析程序) 。为便于前后处理，还进行了两个接口 的程序编制，一是编制程序将a n s y s 软件划分的网格，转化为有限元计算程序的 前处理文件；二是将有限元计算的应力等结果，转化为t e c p l o t 软件可以执行的输 入数据，进而可以图形的形式直观显示模拟结果。 通过较多算例对开发的e e o s 反分析程序进行测试，数值计算结果与解析解 较为一致。对反分析程序中的差异进化算法中的控制参数进行了比较，得出参数 对反演结果和收敛速率影响的规律，为合理的d e 参数选择提供了依据。 将开发的e e o s 反分析程序应用于在建的大连地铁工程。首先进行现场监测 点的布设和施工中的数据监测，对特定断面的地表沉降，洞周收敛和拱项下沉等 进行分析，然后采用e e o s 反分析程序进行围岩参数的反分析，最后基于反演参 数进行隧道开挖模拟，获得未来各开挖步围岩塑性区及应力、变形的演化，对实 际工程起到重要的指导作用。 关键词：差异进化算法；非线性有限元；返回映射算法；位移反分析；程序开发 英文摘要 a b s t r a c t a sh i 曲d e 孕e ec o m p l e x i t ya n du n c e r t a i n t yo fg e o l o g i c a lo ft h et u n n e l ，i ts u f f e r e d l o a d sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n si sm o r cc o m p l e x ，a n di t i sd i f f i c u l tt oc a l c u l a t et h e r e q u i r e dp a r a m e t e r sa c c u r a t e l y m a k i n gb o t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i so rt h en u m e r i c a l a n a l y s i sm e t h o di sd i f f i c u l tt oa c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s ，d i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i s c a ne f f e c t i v e l ys o l v et h eb o t t l e n e c ko f ”p a r a m e t e r sa r en o ta l l o w e d ”，a n dg a i nt h ew i d e a t t e n t i o ni nt u n n e le n g i n e e r i n g b a s e do nt h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n dg e o t e c h n i c a le l a s t i c p l a s t i ct h e o r y ， u s ean e wa l g o r i t h m r e t u r nm a p p i n ga l g o r i t h m ( r e t u r nm a p p i n ga l g o r i t h m ) i nt h e c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n s d e v e l o p ean o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tp r o g r a mi n d e p e n d e n t l y a n d t h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a mi se m b e d d e di n t od i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h m ，d e v e l o p e a ni n t e l l i g e n td i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i sp r o c e d u r e s ( i ee e o sp r o c e d u r e s ) f o rb e f o r e a n da f t e rt h et r e a t m e n t ，p r o g r a mt h et w oi n t e r f a c e sf o rt h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t p r o g r a m ，f i r s t ，t r a n s f o r md i v i d e dg r i do ft h ea n s y s i n t oaf i n i t ee l e m e n tp r o g r a mf o r p r e p r o c e s s i n gd o c u m e n t sb yp r o g r a m m i n g , s e c o n d ，t r a n s f o r m t h ef i n i t ee l e m e n tr e s u l t s o ft h cs t r e s si n t ot h ep e r f o r m e dd a t ae n t r yi nt e c p l o ts o f t w a r e ，a n dt h e nd i s p l a yt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sg r a p h i c a l l y , i tm a k e t h er e s u l t sm o r ei n t u i t i v ea n ds t r a i g h t f o r w a r d t h en u m e r i c a lr e s u l t sa n da n a l y t i c a ls o l u t i o ni sa l m o s tc o n s i s t e n ta c c o r d i n gt o m a n ye x a m p l et e s to ne e o sb a c ka n a l y s i sp r o g r a m c o m p a r i n g t h ec o n t r o lp a r a m e t e r s o ft h ed i f f e r e n te v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mi nt h eb a c ka n a l y s i sp r o g r a m ，o b t a i n i n g t h e i m p a c td i s c i p l i n ea b o u tp a r a m e t e r so nt h ei n v e r t i o nr e s u l t sa n dc o n v e r g e n c er a t e ，w h i c h p r o v i d i n gt h eb a s i sf o rc h o s i n gt h er a t i o n a ld ep a r a m e t e r s u s i n gt h ed e v e l o p m e n tp r o g r a mn a m e de e o si nd a l i a nm e t r oe n g i n e e r i n g ，t h i s p a p e ra n a l y s e st h es u r f a c es u b s i d e n c eo fs p e c i f i cs e c t i o n s ，h o l e sa r o u n dc o n v e r g e n c e a n dv a l u ts i n kb yl a i d i n go n s i t em o n i t o r i n gp o i n t sa n dm o n i t o r i n gt h ec o n s t r u c t i o nd a t a f i r s t l y ；t h e nb a c ka n a l y s i st h ew a l lr o c kp a r a m e t e r sb yu s i n gb a c ka n a l y s i sp r o g r a m e e o ss e c o n d l y ；t h i r d l ys i m u l a t e st h et u n n e le x c a v a t i o no ni n v e r s i o np a r a m e t e r sa n d o b t a i n st h ef u t u r ee v e r ys t e pp l a s t i cz o n e ，s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t t h e s ep l a y sag u i d i n g r o l ei na c t u a le n g i n e e r i n g 英文摘要 k e yw o r d s ：d i f f e r e n t i a le v o l u t i o n ；n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t s ；r e t u r nm a p p i n g a l g o r i t h m ；d i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i s ：p r o g r a md e v e l o p m e n t 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 课题研究目的和意义4 1 3 反分析的国内外研究现状5 1 4 本文主要研究内容和技术路线7 1 5 本章小结9 第2 章差异进化算法和非线性有限元理论。1 1 2 1 差异进化算法1 1 2 1 1 产生初始种群1 2 2 1 2 变异操作1 2 2 1 3 交叉操作1 3 2 1 4 选择操作1 4 2 1 5 适应度函数1 4 2 2 岩土塑性理论1 5 2 2 1 加卸载准则1 5 2 2 2 流动法则1 6 2 2 3 强化法则1 6 2 2 4 强化参数1 7 2 2 5 一致性条件。1 7 2 3 非线性有限元方程组的解法。1 8 2 3 1 割线刚度迭代法1 8 2 3 2 切线刚度迭代法1 9 2 3 3 常刚度迭代法1 9 2 3 4 修正切线刚度法1 9 2 4 返回映射算法( r e t u r nm a p p i n ga l g o r i t h m ) 的原理2 0 2 4 1 弹塑性本构方程2 0 2 4 2 返回映射算法的表达式2 1 2 4 3y o nm i s e s 模型的返回映射算法。2 2 2 4 4m o h r - c o u l o m b 模型的返回映射算法2 4 2 5 本章小结2 8 目录 第3 章非线性有限元计算程序的编制2 9 3 1 有限元( f e m ) 计算程序的介绍2 9 3 2 有限元计算程序的类结构3 2 3 3 利用a n s y s 的节点和单元文件转换本程序的前处理3 8 3 4 有限元程序计算结果与t e c p l o t 后处理软件接口程序的编制3 8 3 5 有限元程序的模拟结果与解析法结果对比3 9 3 6 有限元程序的模拟计算4 0 3 6 1 地基加载模拟仿真- 4 0 3 6 2 基于强度折减的边坡隧道弹塑性有限元模拟。4 3 3 6 3 隧道弹塑性有限元模拟4 4 3 7 本章小结。4 5 第4 章智能位移反分析程序( e e o s ) 的编制4 7 4 1 智能位移反分析程序原理4 7 4 2 智能位移反分析程序编制流程。4 9 4 3 隧道围岩参数反演算例1 5 0 4 3 1 参数反演模型的建立5 0 4 3 2 变异因子f 和交叉因子c r 的迭代比较5 2 4 3 3 差异策略不同的迭代步比较。5 3 4 4 隧道围岩参数反演算例2 5 5 4 4 1 差异策略的收索迭代比较5 6 4 4 2 控制参数不同的迭代步5 7 4 5 本章小结5 9 第5 章e e o s 位移反分析程序地铁隧道工程中的应用6 1 5 1 大连学海区间地铁隧道工程概况6 1 5 2 监测和信息反馈动态施工6 3 5 3 监测点的布设。6 5 5 4 隧道施工中对监测数据的分析6 6 5 4 1 地表沉降数据分析6 7 5 4 2 洞周收敛和拱顶沉降数据分析6 8 5 4 3 建筑物沉降监测数据分析7 0 5 4 4 管线的沉降监测7 0 5 4 5 爆破震速的监测。7 1 目录 5 5 隧道围岩弹性参数的反演7 2 5 6 荷载结构模型计算结构受力。7 3 5 7 大连学苑广场地铁车站工程概况7 6 5 7 1 大断面地铁车站的参数反分析7 8 5 7 2 地铁车站c r d 法有限元数值模拟8 0 5 7 3 参数强度折减模拟塑性区。8 6 5 8 本章小结一8 7 第6 章结论与展望8 9 参考文献9 1 攻读学位期间公开发表论文9 5 致谢9 i 7 r 研究生履历9 9 基于差异进化算法和非线性有限元的隧道围岩参数反分析 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 9 世纪是长大桥梁发展的时代，2 0 世纪是高层建筑发展的时代，2 1 世纪将是 长大隧道工程发展、大力开发利用地下空间的时代。2 0 世纪8 0 年代，国际隧道协 会提出“大力开发地下空间，开始人类新的穴居时代 的倡议，得到了广泛的响 应，据估计2 1 世纪末，人类约有1 3 将从新“穴居地下 【。 王梦恕院士：“咱们现在整个国家调整城市的拥挤现象非常严重，现在城市 发展不能摊煎饼了，像北京摊到六环了，再往前摊没那么多土地占了，现在要立 体城市，要向底下发展，这是自然规律。 现代城市迅速发展，建设规模不断扩 大，使得城市进入一个崭新的发展阶段，但由于人口急剧膨胀、生存空间拥挤、 城市交通阻塞、土地衰竭严重等一系列问题，这些问题制约城市经济和社会的进 一步发展，成为现代城市可持续发展的瓶颈，在这种情况下，各国除采取综合性 的政治、经济措施外，都日益注重地下空间的开发和利用，地下空间对于城市发 展起着决定性作用。 随着人类对地下空间资源的日益关注，地铁成为人类利用地下空间的一种有 效形式，专家预测未来3 0 年，将是我国城市地铁建设快速发展的黄金时期，也将 是新时期城市规划与建设的重头戏。全国各省都在雄心勃勃的进行规划，热火朝 天地建设地铁，目前有3 3 个城市正规划建设地铁，已有2 8 个城市获得批复。按 照现有规划，2 0 1 0 年我国将建成地铁4 8 0 公里，2 0 2 0 年总里程将达6 1 0 0 公里， 2 0 1 0 至2 0 1 5 年地铁建设投资规划额将达1 1 5 6 8 亿。这是一个前景广阔的伟大事业， 对于提高土地利用效率、缓解地面交通、改善人类居住环境、实现人车立体分流 等都具有十分显著的作用。兴建地铁的前期投资较大，但从城市可持续发展的战 略角度来看，地铁的经济效益、社会效益都是显著的，我们应该对地铁进行合理 的规划，着眼现在，兼顾未来，使地铁真正成为造福子孙后代的重要工程【2 j 。 2 0 1 0 年3 月5 日大连地铁1 、2 号线正式全线开工，1 号线东起海之韵公园， 西至河口，线路长2 5 0 6 公里，设2 0 座车站，是本市东西方向轨道交通骨干线路； 第1 章绪论 2 号线北起南关岭高铁大连北站，南至西安路，西至周水子机场和在建新体育中心， 线路长4 2 5 6 公里，设车站3 0 座，覆盖本市西北部主要功能区和规划新区的环形 轨道交通线路，大连1 、2 号线地铁线路如图1 1 。地铁工程线路总长为6 7 6 2 公里， 共设车站5 0 座，工程估算总投资2 8 7 3 8 亿元，每公里投资为4 亿元。 据勘察得知大连地质条件十分复杂，岩层变化较大，局部地区有断层、熔洞 等不良地质条件，部分线路穿越河谷台阶和临海地区，地下水较大，线路大多位 于主干线路下面、地下管线较多、交通疏解困难，图1 2 是大连地区的地质图。在 某些特殊地形、地质条件下，如：浅埋、偏压、严重湿陷性黄土层、膨胀性地层、 原始应力过大的地层等，无相似工程类比或仅凭工程类比尚不足保证设计的合理 性时，宜采用解析法和数值法加以验算，进行综合性分析研究。但无论是解析法 还是数值法都需要用到材料的参数，参数的不确定性，影响到计算结果的准确性， 同时也是制约地下工程发展的主要障碍之一。 图1 1 大连地铁1 、2 号线线路 f i g 1 1d a l i a nm e m o1 , 2l i n e 鬈， 黪铲二 汹i 蓑霞 伴随地铁修建的突飞猛进，如何减少事故发生率，减少灾害损失是亟待解决 的问题，由于自然条件的恶劣以及施工设备的落后，致使在施工过程中以及运营 期间均可能出现大量的工程事故，例如：崩塌、岩爆、涌水、冒项、火灾等，从 而造成巨大的财产损失和人员伤亡【3 1 。在建的大连地铁隧道，已经导致多起安全事 故发生，造成了一定程度上的经济损失。下面是各种因素造成的地铁隧道塌陷事 基于差异进化算法和非线性有限元的隧道围岩参数反分析 故，图1 3 是由于开挖过程中，造成水管的破裂，进而又导致隧道局部坍塌；图 1 4 是由于污水管长期漏水，隧道开挖导致路面塌陷；图1 5 是由于地质条件过差， 隧道开挖中出现的涌泥现象；图1 6 是隧道开挖导致路面下沉过大，出现塌陷。 图1 3 自来水管透水 f i g 1 3w a t e rp i p ef l o o d e d 图1 4 污水及路面塌陷 f i g 1 4w a s t e w a t e ra n dp a v e m e n tc o l l a p s e 图1 5 隧道洞内涌泥图1 6 路面塌陷 f i g 1 5g u s h i n gm u di nt h et u n n e lf i g 1 6p a v e m e n tc o l l a p s e 全国各地如雨后春笋般涌现的地铁工程是一项急需必要得民心为民造福的工 程，面临世界性的金融危机以后，国家靠投资拉动内需，在好的发展机遇的前提 下地铁的建设行程加快了。虽然隧道施工建设面临着众多棘手的难题，但是靠人 类的智慧是完全能够克服和解决的，无论如何要最大限度地确保施工和运营期间 的安全，只有这样全国人民才可以满怀信心地张开双臂，迎接呼啸而来的“地铁 时代 。 第1 章绪论 1 2 课题研究目的和意义 隧道的修筑是在天然的岩体中进行的，但岩体比迄今为止人类熟知的任何工 程材料都复杂，涉及的力学问题是多场( 应力场、温度场、渗流场) 、多相( 气、 固、液) 影响下的地质构造与工程结构相互作用的耦合问题。变形破坏特征是极 其复杂的，且多半是高度的非线性，不确定性，研究对象也在不断地变化。 随着计算机技术的飞速发展，岩土工程的数值理论和方法r 趋成熟，但是各 种理论分析和数值模拟必须以合理的力学参数为基础。无论是由室内试验还是原 位试验测试岩体力学性质的有关参数和初始应力状态费用较高，比较困难，而且 难以反映整个工程范围内的真实情况，确定的力学参数与实际情况都有较大的偏 差，用这样的参数进行数值分析，所得结果与实际情况有较大误差甚至没有多少 参考价值。“参数不准”和“模型不准 已成为岩土工程理论分析和数值模拟的 瓶颈，而反分析方法是解决这一难题的最有效途径之一。f 1 2 0 世纪7 0 年代由k a r a n a g 和c l o u g h 提出位移反分析思想以来，由于其具有很强的实用性和解决问题的独特 性，倍受岩土工程界的关注。 实际工程问题的复杂性，非线性，约束性，多极值，建模困难等问题，寻求 一种具有智能特征的算法已经成为有关学科的一个主要研究目标和引人注目的研 究方向，使最优化问题成为一种迫切的需要。优化方法大多是局部优化和全局的 智能优化，局部优化的局限性在于所给定的初值在真值附近时，得到的优化结果 才具有一定的可靠度；智能优化一般都具有一定的全局优化能力，但离散性较高， 寻优速度慢。其中优化迭代过程常用的方法有：单纯形法、复合形法、变量替换 法、共轭梯度法、罚函数法、p o w e l l 法等，可用于线性及各类非线性问题的反分析， 有很宽的适用范围，其缺点是需给出待定参数的试探值或分布区间等，特别是待 定参数的数目较多时，费时、费工，收敛速度缓慢【4 1 。由于岩土工程的复杂性，它 所涉及的工程地质条件及岩体特性参数是不完全定量的，传统的优化方法是难以 实观的，智能优化反演法体现出其优势。 反分析问题本质上是优化问题，把参数反分析问题转化为一个目标函数的寻 基于差异进化算法和非线性有限元的隧道围岩参数反分析 优问题，并借助优化方法进行数值寻优，可以得到最优值。通过现场量测信息的 分析和判断，进行反分析，用反演的岩体力学参数及原岩应力，再通过正分析进 行数值模拟。从而对围岩或支护安全度作出超前预测，并预测隧道围岩最终状态 是否稳定，完善设计并采用相应的施工对策，对于提高工效、降低成本，保证安 全具有重大的作用。 1 3 反分析的国内外研究现状 目前反分析以形成一个庞大的家族，从数学分析角度来看，反分析可分成解 析法、数值法、半解析法等多种。解析法根据计算方法不同，可分成一般逆算子 法、复变函数法、参数摄动法及变换法等多种，数值法根据所用数值方法不同， 可分成有限元法、边界元法、离散元法等多种，而根据求解方法不同，数值法又 可分成直接法、逆解法及图谱法等3 种；从观测信息角度看，可分成位移反分析、 应力反分析、应变反分析等多种，由于位移量测方便，因此位移反分析应用范围 很广；从已知信息量的多少程度的角度看，分成确定性反分析及非确定性反分析 等两种。确定性反分析以观测信息、材料性质等为确定性量为基础进行计算，而 非确定性反分析则认为这些信息为带有模糊、随机性质的量并采用相应方法进行 计算，更符合岩土力学问题的本质【5 j 。 传统优化算法的确立可以从1 9 4 7 年g b d a n t z i g 提出解决线形规划的单纯形开 始，随后k a m a k a 提出了多项式算法。2 0 世纪7 0 年代岩土工程领域提出了位移反 分析方法，逐步发展起来并取得了令人瞩目的研究成果。1 9 7 1 年k a v a n a g h 等提出 反算弹性固体的弹性模量的有限元法【6 l ；1 9 7 6 年h a d k i r s t e n 提出由实测岩体变 形来反分析岩体弹性模量n1 9 7 7 年g m a i e r 等人提出岩石力学中的模型识别问 题，从模型识别角度进行反分析的研究【8 】；1 9 8 3 年a r a i 采用二次梯度法求解弹性 模量e 和泊松比，的方法【9 1 ，我国关于位移反分析的研究也始于上世纪7 0 年代末， 而且在理论研究和工程应用等方面都作出了独特的贡献，1 9 7 8 年开始了位移反分 析的研究，并取得了实用价值的科研成果，1 9 8 0 年杨志法等人在南湾水库新泄洪 洞的试验洞中根据实测位移进行了参数反演，提出了三维问题的有限元图谱法图 第1 章绪论 解位移反分析法i l o l ；1 9 8 3 年冯紫良，杨林德等提出了初始地应力的位移反分析研 究，并取得了很好的成果；1 9 8 9 年至1 9 9 1 年冯紫良等研究了很有特色位移余差反 分析【1 1 1 。 随着社会的发展，实际问题越来越复杂，经典算法一般都要用到局部信息， 如单个初始点及所在点的导数等，使得经典算法不可避免出现局部极小问题。因 此提出了许多用于全局搜索的智能优化算法，已解决全局优化问题，它集“人的 智能 和“人工智能 于一体，使反分析科学合理、更具实用性。智能优化算法 简便实用、计算精度高、克服了传统算法的诸多不足，具有广阔的应用前景，把 智能位移算法引入反分析之中，产生了飞跃性的突破，推动了反分析法的向前发 展，是位移反分析的一个新的发展方向。 近年来发展起来的智能位移反分析方法有基于人工神经网络的反分析，基于 遗传算法的反分析，基于模拟退火算法的反分析等。1 9 9 1 年k e c 采用神经网络方 法识别地下工程开挖时可能断裂模式1 1 2 l ；1 9 9 9 年冯夏庭根据遗传算法及神经网络 理论初步提出位移反分析的进化神经网络方法；1 9 9 9 年m e u l e n k a m p 采用 k v n b e r g m a r q u a r d t 神经网络识别岩体的抗压强度【1 3 l ；2 0 0 1 年李守巨和刘迎曦等基 于遗传算法，根据巷道开挖后变形收敛资料，建立了岩体初始应力场的反演方法 【1 4 l ；2 0 0 1 年李晓红等通过对岩体力学参数、工程结构参数及位移量测资料b p 网络 模型的学习，得到了隧道围岩稳定性分析所需要的三个重要参数，即等效弹性模 量e 、初始地应力侧压力系数柳铅垂地应力s ，；2 0 0 1 年高玮等提出了岩土力学反 分析的集成智能思想，综合运用专家系统的推理、决策能力，数值计算的定量分 析能力及人工神经网络的直觉思维能力，进行位移反分析；2 0 0 1 年高玮、郑颖人 等将遗传算法进行了改进，建立了快速遗传算法对岩土工程进行了反分析f 1 5 l ；1 9 9 5 年刘鹏程将模拟退火算法与单纯形法相结合，加快了参数反演的收索能力和效率 【1 6 】；2 0 0 3 年张晖将模拟退火算法机制引入到遗传算法，提出了新的全局收索方法， 并验证了有效性【1 7 1 。 岩土工程作为一门工程实践性极强的学科，其研究中专家经验占有很大的比 基于差异进化算法和非线性有限元的隧道围岩参数反分析 重，尤其在目前已有大量工程实践、专家经验的情况下，在反分析中应用这些宝 贵的经验将会对反分析的发展起着重要作用，而目前的反分析研究尚无一种利用 这些经验的好方法。正如前苏联著名冶金学家伊普巴尔金所说的那样“在实 际工作中积累的经验是创造熔炉中最珍贵的矿石，把这些珍贵的矿石投入到你创 造的勇敢精神火焰中去冶炼，剔出夹杂在里边的渣滓，这样，就将获得最珍贵的 金属”【1 8 】。岩土工程是针对工程实践发展起来的，而岩土工程反分析更是直接针 对工程实践的需要而产生的，因此岩土工程反分析的发展应结合工程实践，为实 践服务。 。 确定岩体力学参数的反分析方法很多，每种方法都有其自身的特点，能解决 某一方面的具体问题；尽管如此位移反分析方法与实际的应用还有很大的差距， 大多数反分析研究只注重理论的完善，而忽略了其实用性，形成了目前反分析声 誉高，信誉低的现象。它是伴随着工程实践而产生的，也必将在工程实际应用中 发展成熟。可以预见位移反分析必将在岩土工程的设计和施工中发挥越来越大的 作用，使岩土工程向着定量化分析过渡。 1 4 本文主要研究内容和技术路线 任何理论归根到底要为实践服务，离开了工程实践，便成为无本之木，无源 之水。二维e e o s 反分析程序开发软件为v i s u a lc + + 6 0 ，采用c + + 面向对象的编 程方法，该程序除了能够对隧道工程进行有限元求解外，还增加了基于差异进化 算法的参数反演求解器，并将其应用于大连地铁隧道实际工程。 ( 1 ) e e o s 反分析程序由两个相对独立的工程组成：一是有限元计算模块 ( f e m ) ；二是差异进化算法模块( d e ) 。根据非线性有限元理论和岩土弹塑性理论在 有限元程序框架上加入了新的本构模型，并进一步开发、完善了程序，其中在本 构计算上采用了返回映射算法( r e t u r nm a p p i n ga l g o r i t h m ) ，大大的加快了求解速 度，节省了花费的时间。差异进化算法模块主要是结合了新型的智能优化算法一 差异进化算法来编制完成的，d e 算法在计算速度和收敛性等方面具有很大的优势， 同时进行了前、后处理的接口程序编制，完成了正演反分析程序。 第1 章绪论 ( 2 ) 通过大量的数值算例验证，证明该程序能准确地完成有限元分析及参数反 演；同时进行了不同控制参数和交叉策略反演迭代对比，得知影响智能位移反分 析程序反演准确性和收敛速度的因素。 ( 3 ) 结合大连地铁隧道的工程实际情况，根据监测和信息反馈动态施工理念， 完成监测点的布置，并进行日常的监控量测，对监测数据进行回归和拟合分析， 利用监测位移反演力学参数，反演的力学参数进行有限元弹塑性模拟，根据数值 计算的位移和应力等对后期施工做出安全预报和指导。从而构成一个封闭系统， 即“现场监测位移反分析一正分析一现场监测 系统。 本文的主要内容和技术路线如图1 7 所示： 论文框架 非线性有限元理论i差异进化算法 非线性方程求解l v o m m i 辫模型 m o h r - c o i m o n 模型 测点布设if 现场采集数据ii 监测数据分析 图1 7 主要研究内容及路线 f i g 1 7m a i ns t u d ya n dr o u t e ， 基于差异进化算法和非线性有限元的隧道围岩参数反分析 1 5 本章小结 本章主要是在目前一个大的地铁隧道修建工程背景的前提下，为了减少施工 事故发生率，减少灾害损失，确保施工和运营期间的生命和财产安全，需要进行 大量的理论分析和数值分析，但是在复杂的地质条件下力学参数不易准确地给出， 而反分析是解决此问题的一个有效手段。介绍了反分析的发展现状，并对本课题 的研究内容和技术路线进行了说明。 第1 章绪论 1 0 基于差异进化算法和非线性有限元的隧道围岩参数反分析 第2 章差异进化算法和非线性有限元理论 2 1 差异进化算法 差异进化算法( d i f f e r e n t i a le v o l u t i o n ，d e ) 是r a i n e rs t o r e 和k e n p r i c e 在1 9 9 5 年提出的一种新型直接全局优化算法，最初的设想是用于解决切比雪夫多项式问 题，后来发现它也是解决复杂优化问题的有效技术【1 9 1 。 该算法是基于群体智能理论的优化算法，通过群体内个体间的合作与竞争产 生的群体智能指导优化搜索。在搜索成功率和计算效率上有很大的优势，对初始 值无要求、受控变量较少、收敛速度快、对各种非线性函数适应性强、具有并行 运算特性，尤其适应于多变量复杂问题的寻优，不进行编码和解码操作，使用上 大为简化i 刎。 利用d e 算法求解多元函数的极值问题，以其简单的算法理论，快速的收敛速 度和较好的全局搜索能力得到国内外学者的广泛关注，已经在许多领域得到了应 用，如u nyc 等人提出的基于d e 的混合整数规划方法来解非线性规划问题【2 l 】； c h e n g sl 等人提出的基于差异进化算法的线性系统的优化问趔2 2 1 。近些年来国内 很多学者也开始了d e 的研究和应用，譬如浅海海底地声参数反演的差异进化算法 2 3 】；基于差异进化算法的前馈神经网络在大坝变形监测中的应用【冽；c r u t c h l e y 等 利用d e 来寻找非线性电路的直流操作点【2 5 j ；k a p a d i 等利用d e 解决间歇发酵最优 控制和参数选择问题【2 6 j ；j o s h i 等利用d e 解决多传感器融合的最小表达问题，用 于复杂环境下的机器人系统的计划和控制问题【2 7 l ；陈晨等运用d e 对永磁同步电 机进行优化设计，减小了永磁体使用量，抑制了脉动转矩，使电机达到了较高的 性能指标1 2 8 1 ；雍龙泉等求解互补问题的极大熵差分进化算法，提出了求解互补问 题的差分进化算法【2 9 】。 差异进化算法是继遗传算法、蚁群算法、粒子群算法之后又一个新型的全局 优化算法，它主要包括产生初始种群、变异、交叉和选择操作，具体过程如下【刈： 第2 章差异进化算法和非线性有限元理论 2 1 1 产生初始种群 差异进化算法直接将优化问题的解组成d 维解向量，每个解向量是进化的基 本个体。令第g 代种群中向量的个数为p ，第g 代中解向量可以表示为 为矗一“，x 2 ，) ，i 一1 , 2 ，一 n p ，g 表示群体进化的每一代，f 表示个体在群体中的 位置，初始种群的产生采用随机的方法，均匀分布在解空间中： 而1 一# + 屹材( 土y 一) ，f 一1 2 ，a r p( 2 1 ) 其中，r a n d o ，1 之间的随机数，和母分别为变量的上界和下界。 善毫m 。 一堆 - x 2 m t t t 一 一 ￥| i n t l t nx l , a n h u m 图2 1 初始种群的产生 f i g 2 1g e n e r a t ei n i t i a lp o p u l a t i o n 2 1 2 变异操作 在d e 算法中，缩放种群中任意两个目标向量个体之间的差值并叠加到种群中 的第3 个向量个体上，形成新的变量，此过程称为变异。变异操作使用了差异策 略，利用种群中个体间的差异向量对个体进行扰动，实现个体的变异，可根据种 群内个体的分布自动调节差异向量的大小，自适应好。对于第g 代每个目标向量 x i 矗，i = 1 ，2 ，帜每个向量个体包含d 个分量，其变异向量为： v i ，g + 1 - x r l o + f 。似2 归一3 ，g ) ( 2 2 ) 其中，r l , r 2 ，3 h 2 ， n p 中互不相同的随机整数，f 为变异因子，用来调 节向量差异的步长幅值，在0 - 2 内取值，是主要控制参数之一。 基于差异进化算法和非线性有限元的隧道围岩参数反分析 图2 2 在二维解空间上求解u 力+ 1 的过程 f i g 2 2t h ep r o c e s so fs o l v i n gv i , o + l i nt w od i m e n s i o n a ls o l u t i o ns p a c e 2 1 3 交叉操作 交叉操作是为了增加群体的多样性，将目标向量b ，g 与变异向量y 脚+ 。按照如 下规则杂交，生成新的试验向量“加+ 。： u ，g + l ( 砧i f ，g + i ，正1 2 f ，d + i ，? “d f ，g + i ) ( 2 3 ) 其中， 砧声，g + 。一。v p 盯，g ，g + i ，矿( ，口n d 6 ( j ) 歹乒 ，。上，z u 【2 4 ) 其中，r a n d b ( j ) e o ，1 与向量的第个分量对应的随机数；c r o ，1 为交叉因 子；r n b r ( i ) 是与第i 个向量对应的系数，在1 2 ，d 中随机挑选的一个整数，以确 保变异向量吩g 钉中，至少有一个分量被试验向量距i , g + l 采用。 u i 。6 + 1 一 图2 3 d 维向量的交叉操作 f i g 2 3t h e c r