（岩土工程专业论文）铁路隧道与溶洞安全距离预测模型研究.pdf

北京交通人学碗：l 学位论文中文摘要 中文摘要 本论文课题来源于铁道部科技研究开发计划项目“万宜铁路岩溶地区隧道灾 害预测预报技术与结构搜计的研究”。 铁路隧道与溶洞的安全距离如何合理确定将直接影响丁程造价、施t 难度及 工程f = ：；| 后安全运营等诸多因素，因而是一个相当棘手的综合性士木工程技术难 题，幽内外该领域的学术界尚少有人涉及，至于隧道与溶洞的安全距离的系统研 究成果更是罕见t 文献报道。过去，对铁路隧道与溶洞的安全距离的工程设计往 往是半经验的，相对来巍，1 程实例甚多，而理论研究甚少。 本论文旨在建立可用于铁路隧道与溶洞之间安全距离的数学预测模型，为在 岩溶地区修建铁路隧道提供一种科学的评价方法。豁于溶涧与隧道的相对位置关 系复杂，影响安全距离的因素较多，本文只从施工安全角度出发，并只针对溶洞 位于隧道乖下方、正侧方和正上方时的三种特殊情况进行研究。采用因子对目标 函数影响的优化分析思想，将岩体设定为各向同性均质的弹塑性连续介质体，首 先在假定考虑的各种不同工况及场地条件下的若干种施工设计模型下，建立尽可 能逼近实际问题的有限元法数值分析模型进行大量的数值模拟试验，研究隧道拖 下所引起的岩体应力和塑性区的变化特性，确定隧道与溶洞安全距离的可能影响 因素。在此基础上，着眼于确保施工安全、节减工程造价，详细讨论各项影响斟 素对隧道与溶洞之间安全距离的影响规律，并且遴选隧道与溶洞的安全距离的主 要影响因子；接着，采取多元回归分析和支持向量机方法分别建立溶洞位于隧道 顶、底、侧三种情况下，能够综合体现各主要影响因子共同作用的隧道与溶洞安 全距离数学预测模型；最后，引用某岩溶隧道工程算例，对所建立的数学预测模 型进行了可靠性与有效性检验。 沦文分别基于多元回归分析和支持向量机最终获得的两种隧道与溶洞安全 距离数学预测模型，都可以充分考虑各主要影响因子的联合作用，精度较高，且 各有特点，经工程算例检验具有较好的精度与实用价值，可以为岩溶暗河地段隧 苎室奎望查兰堡：! ：兰垫堕苎! 兰塑茎 道施工时隧道与溶洞安全距离的初步设计施工提供一定的理论依据，此外论文的 t 作方法及技术路线也可以为同类其它工程问题的研究提供一定的借鉴。 关键词：岩溶隧道，有限元，安全厚度，支持向量机，预测模型 北京交通大学顼 ：学位论文 英文摘螫 a b s t r a c t t h i st h e s i ss u b j e c ts t e m sf r o mt h es c i e n t i f i cr e s e a r c hf u n dp r o j e c to f m i n i s t r yo f r a i l w a y s h o wt op r o p e r l yd e t e r m i n et h es a f ed i s t a n c eb e t w e e n r a i l w a yt u n n e la n d k a r s t c a v ei sas y n t h e s i sc i v i le n g i n e e r i n gp r o b l e m r e l a t i n gt ot h ee n g i n e e r i n gc o s t ， e x e c u t i o na n d o p e r a t i o n i ti sl e s st o u c h e do n t h i sf i e l di nd o m e s t i ca n do v e r s e a s a c a d e m e ，a n dm o r er a r e l yr e p o r t e di nt h ef o r mo fs y s t e m i cr e s e a r c hf r u i t so nt h ek a r s t c a v e p r o b l e m i n t h ep a s t ，t h ed e s i g ni sh a l f e x p e r i e n c e d ，a n di sm o r ei ne n g i n e e r i n g c a s ea n df e wi nt h e o r yr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , t h ew o r ki so nt h ef o r e c a s t i n gm o d e lo ft h es a f ed i s t a n c eb e t w e e n r a i l w a yt u n n e la n dk a r s tc a v e b e c a u s et h er e l a t i v ep o s i t i o nr e l a t i o nb e t w e e n k a r s t c a v ea n dt u n n e li sc o m p l i c a t e d ，a n dt h ep a p e ra i m sa tl o o k i n gf o rt h er e g u l a r c o n s t r u c t i o ng u i d e l i n e ，t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ho nt h r e es i t u a t i o no ft h ek a r s tc a v e ： u n d e rt u n n e l ，o ns i d eo f t u n n e la n da b o v et u n n e l t h eo p t i m i z a t i o na n a l y s i si d e ao f f a c t o r sa f f e c t i n gt h et a r g e tf u n c t i o ni sa d o p t e d a i m i n g a tt h ee x e c u t i o np r o c e s s ，t h es o i l i sa s s u m e dt ob e h o m o g e n e o u s ，p l a s t i c ，c o n t i n u o u s ，i s o t r o p yt h r o u g h o u t t h ef i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a la n a l y s i sm o d e li sf o u n d e dt os i m u l a t et h ea c t u a lp r o b l e mo nt h e c o n d i t i o n so fd i t t i ：r e n tc a s e sa n dv a r i o u ss i t e sa s s u m e da tf i r s t ，t os t u d yt h es t r e s sa n d t h e p l a s t i cs t r a i ni ns o i lp r o d u c e db y t h et u n n e l e x c a v a t i o n o nt h eb a s i so f i t ，t h el a w b e t w e e n s i n g l ef a c t o ra n d t h es a f ed i s t a n c eb e t w e e nt u n n e la n dk a r s tc a v ei ss t u d i e d p a r t i c u l a rt of i n do u t t h ee f f e c tc h a r a c t e r i s t i co f v a r i o u sf a c t o r sa f f e c t i n gt ot h es a f e d i s t a n c ea n ds i n g l eo u tt h em a i na f f e c t i n gf a c t o r so nt h es a f ed i s t a n c eb e t w e e nt u n n e l a n dk a r s tc a v e ，i no r d e rt oi n s u r ee x e c u t i o ns e c u r i t ya n de c o n o m i z e c o s t t h e n ，t o c o n s i d e rt h ef a c to f t h et u n n e ll o c a t e di nc o m p l e xg e o l o g ye n v i r o n m e n to f v a r i o u s a f f e c t i n gf a c t o r sc o e f f e c t i n g ，s t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o d a n ds v ma r e 北京变通犬学硕t 学位论文 英文摘要 a d o p t e d t oo b t a i nt h ef o r e c a s t i n gm a t hm o d e l so nt h es a f ed i s t a n c eb e t w e e nt u n n e la n d k a r s tc a v ew h i c ha r ec a p a b l eo f s y n t h e t i c e m b o d y i n g t h ec o m b i n a t i o na c t i o no f a l l m a i n a f f e c t i n gl h c t o r s a tl a s t ，t h er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo f t h em o d e l i sv e r i f i e db y ac a l c u l a t i o ne x a m p l eo fk a r s tt u n n e l t h ec o m b i n a t i v ee f r c c t so f a l lm a i n a f f e c t i n gf a c t o r sc a nb ec o n s i d e r e di nt h e f o r e c a s t i n gm o d e l o b t a i n e da tl a s ti nt h ep a p e r a n dt h ef o r e c a s t i n gm o d e li st e s t i f i e d t oh a v ef a i r l yp r e c i s i o nb yac a l c u l a t i o ne x a m p l eo fk a r s tt u n n e l ，w h i c hw i l lp r o v i d ea t h e o r yr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g n o nt h es a f ed i s t a n c eb e t w e e nt u n n e la n dk a r s tc a v ea n d o t h e rt u n n e lh a v i n g a n a l o g o u s s i t ec o n d i t i o n ；o i lt h eo t h e rh a n d ，t h em e t h o da n d t e c h n o l o g y r o u t ec a na l s op r o v i d es o m er e f e r e n c ei d e a sf o ro t h e rs i m i l a re n g i n e e r i h g p r o b l e m k e y w o r d s ：k a r s t t u n n e l ，f e m ，s a f e t h i c k n e s s ，s v m ，f o r e c a s t i n g m o d e l 北京交通大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景 本论文课题源于铁道郝科技研究开发计划项目宜万铁路岩溶地区隧道 灾害预测预报技术与结构设计的研究。 我国是一个岩溶分布较广泛的国家，特别是在西南部地区尤为突出。随着我 国西部大开发战略的实旌，以及交通事业的高速发展，往岩溶地区修建隧道工程 将是不可避免的。在我国西南和中南地区修建铁路，通过碳酸盐地层的隧道长度 占有很大比例，且每座隧道几乎都遇到不同程度的岩溶危害问题【。岩溶列铁 路工程的危害很大，诸如岩溶水的侵袭、溶洞项板坍塌及大规模地面塌陷等等是 铁路建设中的一个重要工程等地质问题。岩溶对隧道旌工的影响主要是因为岩溶 水大量涌向隧道，容易使隧道产生涌水、突泥：变形、坍塌，造成地表沉陷，地 下水位下降，影响周围环境。岩溶地基处理不好，就会造成公路铁路断道、桥涵 下沉开裂、建筑物损坏、水库渗漏，影响生产，危及人民生命财产安全。近年来， 凼隧道施工造成的岩溶洞穴失稳、变形、坍塌，给隧道施工及运行过程带来危害 的工程问题比比皆是。尤其是我国在西南、中南岩溶地区铁路建设中，遇到和处 理了大量的岩溶地质问题，积累了较丰富的实践经验和科研成果。然而，由于岩 溶发育条件不仅与岩性和地质构造有关，而且还与水文地质条件和地貌条件密切 相关，岩溶发育情况往往会因地区的不同而出现非常大的差异，所以隧道建设时 还会经常遇到岩溶地质问题，而且有时甚至造成巨大的经济损失和严重的后果。 这方面的教训是非常深刻的，比如，正在建设中的愉怀线圈梁山隧道施工中遇到 的岩溶危害就是个典型的例了，大瑶山隧道的遗留问题至今仍未完全解决1 5 】。 这些都说明要彻底解决岩溶灾害问题，尤其足在大型溶洞和地下暗河地段修建隧 道还需要进行大量试验研究工作，不断积累经验。 目前j 下在修建的宜( 昌) 万( 州) 铁路全长约3 8 6 k m ，芪有隧道1 1 6 座，总 长约2 1 5 k m ，占线路总长的5 2 ，其中大于3 k m 的隧道2 2 座，最长的野三关隧 第1 页 北京交通大学硕。i ：学位论文 第l 章绪论 道长1 3 8 4 1 k i n ，全线约7 0 的隧道位于灰者地区，岩溶十分发育。岩溶发育具 有下列特征：岩溶发育强烈，管道、溶洞、溶隙极发育，岩溶发育不均一，垂向 上岩溶发育分带性明显，且隧道断裂发育，与隧道密切相关。部分隧道位于岩溶 水的垂直循环带和水平带内，岩溶构造十分复杂，补给水源丰富，给设计和施工 带来极大的困难。 岩溶洞穴稳定与否，溶洞、暗河地段隧道与溶洞的距离是否合理不仅直接关 系到铁路建设期间和运营期间的安全，而且直接关系到铁路建设投资大小，故加 强岩溶洞穴稳定性分析评价，采用合理、经济的溶洞处理措施，给出岩溶地段隧 道支护设计原则有着重大的技术价值和经济意义，成为了当前岩溶地段工程建设 中的突出问题。总之，随着越来越多的工程兴建在岩溶地区，研究隧道簏工对岩 溶洞穴稳定性影响和两者间安全距离的评价方法及岩溶隧道分布情况与岩溶洞 穴稳定性关系的一些内在规律，必能为岩溶地段铁路隧道的没计与施工提供一定 的依据和参考，对于我国岩溶地区的隧道设计施工起一定的指导作用。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 应该说国内外对岩溶灾害的研究也比较重视，但是大都集中在岩溶涌水预测 与治理等工程地质和水文地质的研究方面，针对岩溶地区隧道的设计方法和溶洞 稳定性分析等方面的研究则相对较少，因此，可供借鉴的经验并不多。 国外因隧道岩溶灾害而引起的隧道塌方、涌水、突泥等事故时有发生，如意 大利和瑞士之间的勒奇山隧道因岩溶坍塌死亡2 5 人；同本青函隧道曾4 次遇及 1 1 1 5 2 万m 3 2 天的突水，前后共死亡3 4 人。因此国外对岩溶灾害对隧道建设的影响 也比较重视，作了一些研究6 m 】。尤其在隧道工程规模和埋深比较大，遇到的地 质条件比较复杂情况下的岩溶物探和隧道旌工中掌子面前方地质超前预测预报 方面取得了一些成果，为隧道的科学安全施工和岩溶灾害的防治提供了指导性的 建议。但是对岩溶洞穴稳定性和隧道与溶洞安全距离研究方面的工作却零星见于 报道。 我国在隧道岩溶的处理和隧道邻近或穿越溶洞的结构设计和施工方面已经 第2 页 北京趸通大学坝。l ：掌位论文第1 覃绪论 积累了一些经验，但对于溶洞各种分布形式对岩溶洞穴稳定性和隧道与溶洞安全 距离影响理论研究方丽作的t 作也相对较少，虽找出了一些溶洞分布对围岩结构 变形和应力集中影响的一般性规律，但尚有许多问题需要解决。特别是当隧道穿 越大型岩溶洞穴时，如何采用现场调研和监测以及分析计算确定岩溶洞穴顶板、 底板的稳定程度，以确定是否需要对这些溶洞进行必要的加固处理：当隧道周围 有岩溶洞穴时，为了保证隧道施工安全和长期稳定，必须保证岩溶洞穴的失稳破 坏不会影响到隧道，如何确定二者之间的最小安全距离很有必要研究，这些问题 都成为当前岩溶地区隧道施工中亟待解决的问题。 当前国内对隧道岩溶洞穴顶底板稳定性和安全厚度及隧道围岩稳定性的评 价方法研究多采用有限元数值模拟的方法嘲【”i 。赵明阶等1 6 1 、就运用二：维弹塑 性有限元分析研究了隧道底部、上部、侧部不同大小、不同距离的溶洞分布对隧 道围岩周边变形的影响，得出了溶洞的位置、人小和距离对围岩稳定性的影响规 律。应该说有限元数值模拟可以很好的避免其它模拟试验计算的不便之处，对隧 道开挖问题进行理论分析能达到比较理想的效果。特别是大型商用程序a n s y s 经过三十年的发展，功能丰富、前后处理和图形功能完备，已经被越来越多的应 用与数值模拟计算。 如何合理确定岩溶隧道溶洞顶板的最小安全厚度是个相当棘手的综合性土 木工程技术难题。查阅有关文献资料，迄今为止，困内外该领域的学术界上少有 人涉及隧道与溶洞安全距离问题。过去，对溶洞顶板安全厚度的工程设计往往是 半经验的【1 9 1 2 0 i ，相对来说，工程实例甚多、而理论研究甚少。 2 0 世纪8 0 年代末，曾提出用压力拱理论【2 ”确定顶板安全厚度；而后，又试 阁用边界数值模拟方法f 2 2 1 来解决这一问题。前者在计算压力拱时往往采用的普氏 方法只适用于破碎较强烈的松散岩体，而不能用于完整性较好的岩体，而且也只 能获得围岩松动压力，此外隧道工程实际情况般很难满足压力拱理沦所要求的 前提假设条件：后者是以i 悔界深度作为顶板的安全厚度，不仅偏于保守，而且其 i 临界深度又随着上部荷载、岩土性质与结构及洞穴断面几何形状等不同而变化， 第3 页 韭塞奎望叁堂堡：兰兰丝丝兰釜! 曩丝丝 一般很难确定。 近十多年来，在隧道工程领域，随着岩土力学和与之相关学科理论、计算分 析技术、测试仪器、施工设备及施工工艺等的发展，对隧道围岩土体应力计算与 稳定性分析、衬砌结构一岩体相互作用等进行了一系列深入研究与广泛探讨；但 是，对于隧道与溶洞安全距离的确定仍主要基于以往工程经验并给与较大的安全 储备，而对两者间岩体的安全性虽然有些检测手段，但也只是停留在“观测” 阶段，还不能完全解决工程中的实际问题。至于在隧道开挖施工中，由于“过程” 和“卸载”而引起先期完工衬砌结构的变形，以及包括顶板在内围岩岩体的强度、 位移与变形、地应力重分布规律与传递途径等的研究，尚在争论中求发展。总之， 目前对隧道与溶洞安全距离的合理确定尚缺乏全面的成熟工程经验，理论上还有 待于进一步完善。 长期以来，通常只将围岩岩体的性质与强度，上部建筑物基础的宽度、埋深 和基底压力，以及隧道断面几何形状等几个方面作为影响隧道与溶洞安全距离因 素看待，而很少顾及初始地应力、车辆活载及旋工方式等因素的作用。事实上， 隧道与溶洞安全距离的合理确定涵盖着较强的地区和具体工程特色，应该基于不 同地区的场地稳定性、岩土工程性质、工程地质和水文地质等条件，并结合具体 工况和施工方式等具体情况综合考虑，对各种影响因素进行系统归纳分析，筛选 出关键影响因子，据此方可以合理确定隧道与溶洞安全距离。因此，如何基于地 质工程思想，寻求一种可靠的地质原形，能够同时考虑上述各种影响因素的联台 作用，探讨简单实用、操作性强、工程推广面大的隧道与溶洞安全距离的确定方 法，无疑是此领域研究的未来发展趋势。本论文课题工作力求综合考虑以上多方 面影响因素，研究隧道与溶洞安全距离的预测数学模型，是一项探讨性的研究。 1 3 研究内容 本文以在岩溶地区修建铁路隧道为背景，主要就岩溶地段隧逆开挖对岩溶洞 穴稳定性影响的力学行为、数值模拟等开展一系列的研究，通过大型有限元程序 a n s y s 分析不同溶洞分布情况下隧道开挖过程的力学行为对岩溶洞穴的影响， 第4 甄 北京变通大学硕士学位论文第1 章绪论 从而总结溶洞稳定性与溶洞分布的一些内在规律，研究各种溶洞分布情况下隧道 与溶洞安全距离的评价方法，探讨溶洞、暗河地段隧道的设计指导原则，为岩溶 地段铁路隧道的设计施工提供一定的依据和参考。 本文是定位于工程施工，基丁安全、顺利施工的目的，采用施工模型，研究 隧道施工过程中确定隧道与溶洞安全距离的数学预测模型，研究中心在隧道与溶 洞问的岩体，因而较少涉及衬砌一岩体结构相互作用和隧道结构力学状态问题， 另外地震力也不在考虑之列。由于场地条件、i 二况及施工等各种原因，隧道较远 避绕溶洞势必增大投资，而隧道紧邻溶洞则会对隧道结构的稳定性增加隐患，因 此存在一个寻找最小安全厚度的问题。 如上所述，本论文研究的最终目的是，同时考虑以上各种影响因素的联合作 用，建立隧道与溶洞安全距离的数学预测模型。为此，主要进行以下几项研究工 作： ( 1 ) 在岩溶地区开挖隧道的数值模拟方法研究。具体是建立各种溶洞分布 情况下的有限元计算模型，运用有限元数值计算手段对隧道开挖过程 进行弹塑性有限元分析，了解岩溶地段隧道施工过程中的力学行为特 点；模拟隧道开挖过程中的施工步序，并对模拟结果进行分析。 ( 2 ) 隧道与溶洞之问安全距离的评价指标研究。 ( 3 ) 影响隧道与溶洞之间安全距离的主要因素及其影响规律研究。具体工 作是，基于宜万线隧道的场地条件，在虚拟的各种不同工况及各种地 质条件下，研究隧道开挖过程中围岩应力分布分布特征及塑性区变化 规律，遴选隧道与溶洞安全距离的主要影响因素。 ( 4 ) 各主要影响因素与隧道与溶洞安全距离之间的关系研究，获取各种相 互变化关系曲线及其拟合关系式。 ( 5 ) 隧道与溶洞之问安全距离的数学预测模型研究。在上述研究基础上， 分别采用多元回归分析和支持向量机方法，建立隧道与溶洞安全距离 的数学预测模型，并对两者进行对比分析。 磐5 螬 垄皇塞望盔兰塑主兰垡堡壅 笙! 翌笙笙 ( 6 ) 工程验证。 1 4 研究目的及意义 尽管通过有限元模拟的方法对岩溶地段隧道施工对岩溶洞八稳定性影响和 安全距离研究方面已取得了一定的理论和实践成果，创造出了可观的经济和社会 效益，但是随着生产规模的扩大和国家可持续发展战略的提出，人类面临着开发 自然资源、地下空间和保护环境的双重挑战，对于岩溶洞穴稳定及其数值模拟方 面的不足越来越清楚地呈现在科学工作者的面前。 隧道是交通系统的重要元件。我国又是一个幅员辽阔的发展中国家，本世纪 将在现有的铁路和公路网主干线基础上全面完成铁路复线工程及骨干公路网，这 其中无疑将包括大量的越岭隧道及在岩溶地区的隧道工程。西南部地区岩溶分布 广泛，通过碳酸盐地层的隧道长度占有很大比例，且每座隧道几乎都遇到刁i 同程 度的岩溶危害问题，因隧道施工造成的岩溶洞穴失稳、变形、坍塌。给隧道施- 上 及运行过程带来危害的工程问题比比皆是，而且面临着一个重要的工程问题就是 如何合理选择隧道和溶洞的位置关系，确定两者间的最小安全距离问题。 隧道与溶洞间的安全距离本是隧道：1 二程学中一个传统经典的课题。然而，在 隧道动态施工的环境下及岩溶地区复杂的地质环境下，隧道与溶洞问的安全距离 又是目前一个综合性的土木工程难题。但是，迄今为止，这一问题一宜没有得到 很好解决，其工程设计必要的计算分析尚不能准确得出定量的结果。正因为这样， 最近十几年来，随着西南岩溶地区交通系统陆续兴建，因隧道与溶洞问距离选择 欠合理而引发的各种工程问题或额外增加巨大工程投资的实例时常出现；此外， 经常发生的矿井顶板坍塌事故绝大多数也均是由于预留顶板厚度不足所致。随着 我国西部大开发战略的实施，和西南交通事业的高速发展，解决岩溶地区修建隧 道工程的上述难题将是不可避免，也必将带来极大的经济效益。 综上所述，无论是就工程本身的顺利施工、节减造价及f = i 后正常运营，还是 其它公共安全方面考虑，隧道与溶洞间的安全距离均是亟待深入研究的一个重要 t 程问题。为此，特选定“铁路隧道与溶洞安全距离预测模型研究”作为论文的 第6 嗄 苎塞奎垄查兰堡兰堂丝堡苎兰! 皇堕笙 工作课题，旨在通过有限元数值模拟，并且结合一定的数学处理技术及工程算例 检验等手段，着眼于确保丁程安全、= 符减t 程造价，综合考虑影响隧道与溶洞问 安全距离的主要因素，在研究由于隧道开挖施工触发岩体变形力学形态的基础 上，合理确定隧道与溶洞间安全距离的数学预测模型，为实际工程设计提供一定 的理论依据。 一般来说，就岩溶地区隧道施工而占，怎样合理确定隧道与溶洞安全距离是 事关溶洞稳定的最主要的问题，可以说两者间的距离在一定程度上决定了隧道长 度及埋深，两者距离越小，隧道避绕溶洞的距离就越小，隧道越短，工程造价就 越经济，但是溶洞失稳坍塌的危险性也越大，所以隧道与溶洞安全距离的确定是 很有讲究的。岩溶地段隧道施工中隧道与溶洞安全距离既是安全问题，又是一个 重要的经济要素，故存在一个合理距离的问题。因此，本论文课题研究合理确定 隧道与溶洞安全距离无疑具有十分重要的现实意义；此外，本论文课题的工作方 法及技术路线也将为同类其它工程问题的研究提供一定的借鉴。总之，本论文可 以研究将拥有较广的应用空间，并具有一定潜在的社会及经济效益。 1 5 研究方案及技术路线 考虑本论文课韪研究隧道与其周围溶洞安全距离的数学预测模型涉及面 广，客观制约因素复杂及理论探索一般规律的需要等，所以研究的方案主要采用 如上所述的计算机数值分析的办法，并且结合一定的数学处理技术及算例检验等 手段。这是因为一方面，数值分析作为一种低成本、低消耗、高技术投入的研究 手段，具有理论探索范围广、各种影响因子可控性强、成果外推性好等特点，特 别适用于本论的课题研究；另一方丽，实践虽然具有个例性强等弱点，但是具有 条件真实性好、结果可靠性大及实测参数可信度高等优点，因此数值分析与工程 实例检验的有机结合恰好可以弥补彼此的不足，是研究工作及具有理论探索深入 的特点，又具有实践指导意义较强的优势。 基于一般岩溶隧道的实例，隧道和溶洞的相互作用非常明显，隧道和溶洞的 破坏多是因为随着两者的距离拉近，塑性区扩大、相连、贯通，从而发生失稳破 笔7 蚵 垄塞銮鎏杰兰竺主兰垡堡兰竺! 至堕堕 坏、坍塌。因此，本论文课题研究的关键之一是寻求隧道与溶洞问的临界距离， 采用d r u c k e r - p r a g e r 破坏准则，并结合隧道和溶洞上关键点位移值加以控制。 本论文课题研究隧道与溶洞安全距离的数学预测模型，将通过一定的数据处 理技术把大量的参数模型研究结果处理成隧道与溶涧间距离安全性指标与各种 因子的相关概率统计模型。基于大量的数值试验，组合交叉各类影响因子，研究 隧道工程设计的力学形态。参数研究的主要目的就是要在各种复杂的影响因子 中，去庸存精、删繁就简，筛选出一些关键性的要素，为最终建立隧道与溶洞安 全距离的数学模型提供基础蓝本。 进行各项因子对隧道与溶洞安全距离影响的数值分析的具体做法是这样的， 对某一特定模型，通过逐渐调整隧道与溶洞间岩体的厚度，不断作数值模拟计算， 直至溶洞和隧道周围的塑性区贯通相连，或两者间岩体丌始出现较大剪切破坏 区，此时两者问的距离即为最小安全距离。在计算某个因子对此安全距离影响时， 其他影响因子值保持不变，而这种不变值即是各影响因子的常见值。这样在各个 影响因子的数 种不同组合情况下，可以得到每个影响因子的稳定值及变化值， 据此绘制各影响因子与隧道与溶渝安全距离之间关系越线，研究个影响因子与隧 道与溶洞安全距离之间的关系。同时根据建立的数十组各影响因子与隧道与溶洞 安全距离关系的样本数据，采用多元回归分析和支持向量机回归算法两种方法， 对样本数据分别进行处理，建立各自的隧道与溶洞安全距离预测模型，并通过对 比以求找到较为精确的预测模型。 多元回归分析方法是先研究确定各影响因子与隧道与溶洞安全距离之间的 关系，即通过多次拟合获得每个影响因子与隧道与溶洞安全距离之间关系的函数 式子，& pt = t ( d ) ，t = t ( 詹) ，降，( c ) ，t = t ( 庐) ，t = t ( 占) ，t = - t ( ) ， t - - t ( j ，) ，t = t ( ) ，其中d 为溶洞跨度、尺为溶洞高跨比：c 为岩体粘聚力、 西为内摩擦角、为弹性模量、p 为泊松比、r 为容重、h 为隧道埋深。由于溶 洞存在于上述各种影响因了联合作用的复杂环境中，所以隧道与溶洞安全距离的 数学预测模型必须能够考虑这些影响因子的综合作用，因而在求出每个影响因子 第8 页 些塞奎望查兰婴! 兰丝堕苎釜! 里塑堕 与隧道与溶洞安全距离之间关系的函数式子后，应进一步组合出所有影响因子与 隧道与溶洞安全距离关系的统一式子，即为产( d ，r ，c ，咖，e ，“，) ， 该式为复合函数，可通过多元回归分析得到其具体表达式。 支持向量机是一种新兴的统计学习方法，本文采用m a t l a b 语言编写了基丁 支持向量机回归算法的隧道与溶洞安全距离预测程序，以此束进行预测分析。具 体做法是选用建立的几十组各影响因子与隧道与溶洞安全距离的数据作为学习 样本，利用支持向量机程序对学习样本进行回归，建立隧道与溶洞安全距离与各 影响因子的支持向量机智能预测模趟后，再用所建立的预测模型预测各种情况卜 的隧道与溶洞安全距离。 接着下一步的工作是，利用某隧道工程算例验证这两种隧道与溶洞安全距离 数学预测模型的有效性和可靠性，并且可能需要在对其作适当的修j 下，使之变成 能够满足工程旋工设计需要的决策模型。 综上所述，本论文课豚研究实质上是基于一定的约束条件从一个假定的初 始模型出发，经过反复演算与校核，直至满足各类约束条件。这种方法涵盖了从 一丌始定性的含有经验因素的概念设计到最终量化模型整理的整个过程。所以， 在具体实现技术路线过程中，必须围绕隧道与溶洞安全距离的数学预测模型这一 最终的研究任务。研究工作主要安排以下若干阶段： 第一阶段：初期数值建模。根据已勘明了的宜万线岩溶隧道的地质条件，针 对虚拟的施工设计给定的隧道和溶洞模型，用a n s y s 软件建立尽可能逼近实际 问题的数值模型，并研究有限元模拟隧道开挖可靠性和合理性。 第二阶段：研究隧道与溶洞最小安全距离的确定标准。以何标准来确定两者 间的某个距离就是最小安全距离，即安全厚度的确定原则问题是本论文研究的关 键之一，这也直接决定了此安全距离预测模型的合理性和有效性，本文主要采用 围岩塑性区和隧道与溶洞间岩体的是否发生剪切破坏作为确定隧道与溶洞间最 小安全距离的标准。 第三阶段：研究隧道与溶洞最小安全距离的主要影响因素。通过大量的数值 第9 更 苎皇窒望盔兰堡! ：兰丝堡塞笙! 量笪堡 试验，组合交叉各类影响因子，研究各种影响因素对隧道施工中隧道、溶洞、围 岩的力学性状影响筛选出一些影响隧道与溶洞安全距离数学预测模型的主要影 响因子，并通过定的数值分析和拟合技术，将各个影响因子与隧道与溶洞安全 距离之问关系处理成相关曲线，再经过拟合获得每个影响因子与隧道与溶洞安全 距离之问关系的某种函数式子。 第四阶段：采用多元回归分析的办法，组合出所有影响因子与隧道与溶洞安 全距离之间关系的统一式子，即基于多元回归的隧道与溶洞安全距离预测模型。 第五阶段：采用支持向量机回归算法，用m a t l a b 编制基于支持向量机的隧 道与浴洞安全距离预测模型程序，对数据样本进行学习，建立隧道与溶洞安全距 离的支持向量机智能预测模型，以用于预测各种情况下的隧道与溶洞问最小安全 距离。并对两种方法建立的数学预测模型进行系统对比分析。 第入阶段：运用以上思路分别建立溶洞位于隧道正下方、f 侧方和正上方时 的隧道与溶洞安全距离预测模型，并对三种位置得到的研究成果进行对比分析。 第七阶段：利用某岩溶隧道工程算例验证隧道与溶洞安全距离数学预测模型 的有效性和可靠性。 铁路隧道在运营期问，列车振动将会对隧道底板造成一定影响，当隧道周围 存在溶洞时，溶洞本身和溶洞与隧道之间围岩的稳定性都会受到列车振动的不同 程度影响。另外，在溶洞位于隧道下方的条件下，列车通过时还会产生一定的冲 击作用。隧道开挖过程，开挖爆破也会对溶洞及围岩产生较强的振动作用。很显 然，这些都是安全距离的不利因素。本文仅从静力角度进行分析，堑不考虑上述 因素对安全距离的影响。 本论文的设想与轮廓如上所述，实际操作时，主要兼顾工程实践的需要，从 问题的主要方而着手，先作相对简单的，然后逐步深入。 第1 0 页 北京交通大学颧j ：学位论文 第2 章隧道开挖支护的有限元数值模拟 第2 童隧道开挖支护的有限元数值模拟 建立逼近真实、合理可靠的隧道开挖有限元模型，鹰明隧道开挖支护对围岩 变形、应力、塑性区分椎影响的规律，与最终的隧道与溶洞安全距离预测模型的 合理性、准确度密切相关。这项工作实际上是直接针对宜万线岩溶隧道安全旌工 与节减工程投资的需要，基于虚拟的不同工况及各种地质条件，在假定的若干种 施工设计模型下，建立尽可能逼近实际问题的有限元数值计算模型，对由于隧道 施工而引起的围岩变形、应力和塑性区等力学性状进行反复数值仿真分析，以便 在纷繁复杂的安全距离影响因素中筛选出一些主要影响因予为后面隧道与溶洞 安全距离预测模型的建立提供基础蓝本。 2 1 工程概述 本论文课题拟基于宜万线若干受岩溶危害较大的隧道的工程地质勘察资料， 建立有限元模型，研究隧道与溶洞安全距离的预测模型。 宜力线是沿江铁路通道的重要组成部分，线路基本成东西走向。该线位于我 国东部的新华夏系第三隆起带的中南段和长江中下游东西向构造西段延伸部分， 以及两者的交接、复合部位，构造较为复杂，褶皱强烈，区域性大断裂发育，不 良地质普遍；全线地层岩性主要为滨海至浅海相的碳酸盐类岩石，约占全线的 7 0 左右，碳酸盐岩地层分布广，面积大，质纯层厚，同时断裂、褶皱等构造发 育，岩层破碎，岩溶强烈发育，容易引起地面塌陷，基底不稳定。工程地质、岩 溶水文地质条什差异性极大，大量难以预料的工程地质灾害问题，决定了本线 i 程的艰巨性。 宜万线贯通方案全长约3 8 6 k m ，共有隧道1 2 7 座，总长约2 0 0 k m ，占线路总 长的5 2 ，全线约7 0 的隧道位于灰岩地区，岩溶十分发育。本线的长大隧道基 本上均为岩溶隧道，岩溶、岩溶水发育，可能造成突水、突泥等地质灾害。部分 隧道位于岩溶水的垂直循环带和水平带内，岩溶构造十分复杂，补给水源丰富。 给设计和施工带来极大的困难。沿线岩溶较发育的隧道主要有五爪观隧道、八字 第1 l 砸 些堕銮望查兰丝! 兰丝堡塞竺! 翌蹩望茎垫= 兰兰芝竺鱼堡垄墼堕竖垫 岭隧道、野三关隧道、大支坪隧道、马鹿箐隧道、齐岳山隧道等近】2 座隧道。 2 2 铁路隧道与溶洞安全距离的影响因素 沿线主要隧道处在岩溶十分发育的环境之下，但各隧道工程地质、水文地质 条件以及设计施工方案等各有不同，本文并非针对某一隧道，而是旨在建立涵盖 面较广，宜万线各隧道普遍遥用的铁路隧道与溶洞安全距离预测模型。故只能从 总体上考虑窟万线隧道所处的地质环境，抓住影珥句两者问安会距离的丰：要因素， 建立预测模型。本文针对隧道施工过程研究围岩力学性状，研究中心在隧道与溶 洞间的岩体，因而较少涉及衬砌一岩体结构相互作用和隧道结构力学性状问题， 另外地震力、地下水压力也不在考虑之列，而且相对其他恒荷载而占，列车动荷 载对结构安全的影响并不是最主要的，因而未考虑运营期间列车动荷载、冲击力 及混凝土长期蠕变的影响，只简单的将列车活荷载等效成一恒载加在结构上。这 样，隧道与溶洞安全距离的主要影响因素应该包括以下几个方面： ( 1 ) 溶洞形态：溶洞跨度d 、高跨比月； ( 2 ) 围岩物理力学性质参数：劐糙聚力c 、内摩擦角西、弹性模量e 、泊 松比： ( 3 ) 围岩容重j ，； ( 4 ) 隧道埋深珂 综上所述，在下面的有限元模型建立过程中，就主要针对以上8 个因素，运 用a n s y s 软件，编制基于8 因素的参数化有限元隧道开挖模拟命令流，在模型 中充分体现各因素的作用。 2 3 有限元模型 本文分别研究了溶洞位于隧道底部、侧方、顶部三种位置关系时的情况，结 合宜万线地质勘测和隧道初步设计资料，隧道为单洞双车道，支护结构为曲墙式 带仰拱复合衬砌。本次有限元模拟计算根据实际地质和隧道设计资料等，建立模 拟隧道开挖支护的二维有限元模型。所有的有限元分析均由a n s y s 软件完成。 第1 2 负 北京交通人学碗l ：学位论文 第2 章隧道开挖史护的育限姐数值模拟 2 3 1 有限元数值模拟理论 源于2 0 【i = ! ：纪5 0 年代丁程矩阵分析的有限元法l 2 3 1 是适应于计算机而发展起来 的种高效数值分析技术，在岩土工程中展现出十分广阔的应用前景。尤其是进 入8 0 年代后期，随着计算机技术向大容量、高速度方向飞快发展，有限元法已 经成为研究岩土工程问题的一个强有力手段。绝大多数岩十工程问题几何形状是 不规则的，并且材料往往表现出明显的非线性与不均匀性，所以获取其精确的解 析解往往十分困难，甚至是不可能的，而有限元法分析则可以得到精度满足工程 实践需要的近似数值解。 在本论文课题研究中，采用有限元法数值分析技术求解因隧道) r 挖施：卜出发 的田岩变形场、应力场和塑性区等，并据此讨论岩体中二次地应力重分布规律等， 研究隧道与溶涧安全距离的数学预测模型。下面对平面应变分析有限元法作简要 叙述。 1 ) 单元划分 由于隧道轴线长度远大于其横截面尺寸，因而可以将其简化为平面应变问题 柬分析，这样既可以节省计算时间，并且能够满足工程对精度的要求。采用等参 数四边形单元，认为岩体是等参数四边形单元的集合体，单元之间由节点相互连 接，单元变形满足几何连续性。单元每个节点有两个自由度，即水平方向位移“ 及竖向位移v 。若假定单元位移函数为， l “。g 1 + a 2 s + a 3 t + 0 4 s 。t 1 1 ：= - a i + j + a t t + s f ( 2 - - 1 1 这样，单元内任意一点的场交量、矿与节点变量之间用位移形函数柬联系， 则可以得到， 爰2 9 2 n 3n 4 协 u ( z _ l 矿= 【l 2m 。】似 式中： 第i3 负 北京交通夫学硕士学位论文第2 章隧道开挖曼护的有限无数值模拟 f n i = ( i s ) ( 1 - t ) 4 i 2 = ( 1 + s ) ( 1 一t ) 4 i m = ( 1 一s ) l + f ) 4 l n 4 = ( i + s ) ( 1 + r ) 4 “ = “：“。“。 7 v = v j v 2bv 4 j 7 2 )单元刚度矩阵 f 2 3 1 佗- - 4 ) 岩体单元刚度矩阵给出作用于单元节点力与节点位移之问关系。由虚功原理 可以求得单元剐度矩阵为： 【k 】。= f 【口d 】【b 】咖( 2 - 5 ) 式中：【b 】一应变矩阵，即应变一位移关系矩阼，可以由几何方程q = 劫缸、 。= 驯砂及= o t 砂+ 驯确定； d 】一弹性矩阵，也即应力一应变关系矩阵 【b l 、【d 】矩阵具体表达式如下： h 肛 a 缸 0 o n l 砂 。= 揣2 1 x( 1 + ) 【1 一) o a m 劫 o n i 魂 i l0 1 一“ 生10 1 一p 00 占娑 2 ( 1 - 乒) 式中：e 一岩体弹性模量： 一岩体泊松比 第 4 孤 ( 2 - - 6 ) ( 2 7 ) m 呐如吨m n 。警警 警。警 。堕陟警 眺| 蠢。 盟砂 。盟钞盟(奄 盟玉。 堕毋 北京交通大学硕t 学位论文第2 章隧道开挖支护的有限数值模拟 3 ) 体系总剐度矩阵 采用直接刚度法将单刚矩阵组装成体系总刚度矩阵，并形成如下方程组， 【k 】= 以 ( 2 8 ) 式中： 稠一体系总刚度矩阵； d - 一节点位移向量； 仂一节点荷载向量 4 ) 方程组求解 采用追赶法求解上面的体系方程组。 5 ) 物理方程 平面问题的物理方程给出了岩体单元的应力一应变关系，即为： q 巳 =墨! ! ：竺) ( 1 + ) ( 1 - 2 u ) 1 j l 0 1 一z 生10 1 一 00 坐 2 ( 1 一t ) q v 佗- - 9 ) 2 3 2 模型计算范围确定和边界条件处理 采用有限元数值分析求解隧道开挖对围岩应力、变形的影响，能够在满足所 需精度的前提下对任意断面形状隧道、各向异性与非均质围岩及多个隧道等较为 复杂的实际问题进行处理，可以进行切合实际的综合分析瞄l 。而有限元法数值分 析不是以无限的，而是有限的围岩范围作为研究对象的，所选范围过大虽然精度 较高，但同时也增加电元数量和求解方程的数目以及计算时间；范围过d , 摁l j 会因 边界条件的影响降低计算精度，所以如何合理确定其计算范围就是一个首要的问 题。立足于保障精度的前提，并结合既往同类实际工程的实测及其理论分析结果， 本沦文课题研究有限元法数值分析计算范围的确定原则是这样的：一般情况下， 模型水平方向长度，垂直方向由隧道到底部边界长度，隧道顶部至模型i - 部边界 长度不低于洞跨5 倍，约6 0 m ，当在某单方向存在溶洞时，适当在该方向增加模 第15 甄 苎塞奎垄