（地质工程专业论文）隧道围岩位移智能反分析研究与工程实践.pdf

隧道围岩位移智能反分析研究与工程实践 摘要 用现有方法确定隧道围岩参数和初始地应力存在很多不足，位移反分析法 可望解决这些不足，但是也存在着这样那样的问题，尤其是未能很好解决优化 的问题，还有效率不高且运用复杂，难于用于工程普及的问题。 本文针对以上不足，以实际公路隧道工程为背景，以现场监控量测资料为 依据，对基于进化b p 神经网络的智能位移反分析法进行了研究，建立了一个 基于m a t l a b 神经网络工具箱的隧道围岩位移智能反分析系统。该系统充分 利用了b p 人工神经网络对非线性函数强大的映射能力、自学习能力和推广能 力，并采用贝叶斯规则化法对系统进行改善，泛化能力得到了提高。为保证系 统训练样本与实际情况相符，且具有均衡分散性和整齐可比性，本文利用三维 快速拉格朗日有限差分程序对隧道分布开挖初衬时围岩变形进行了模拟，模拟 结果基本与实际情况相符，然后采用正交设计法安排试验构造了系统的训练样 本。对网络的训练和检验表明，系统反演精度可达9 0 以上。最后通过一个工 程实例验证了所建立的隧道围岩位移智能反分析系统的适用性，取得一定的经 济效益。 关键词：隧道工程位移反分析b p 人工神经网络 r e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tb a c k a n a l y s i so ft u n n e l s u r r o u n d i n gr o c kd i s p l a c e m e n ta n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e a b s t r a c t n o wt h e r ea r es o m es h o r t c o m i n g si nt h em e t h o d st og a i nt h ep a r a m e t e r so f t u n n e ls u r r o u n d i n gr o c k i ti sb e l i e v e dt h a td i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i sm e t h o dc a n s o l v et h ep r o b l e m ，b u tt h e r ea r es t i l ls o m ed e f e c t si ni t ，f o re x a m p l e ，n o ts o l v i n gt h e o p t i m i z a t i o np r o b l e m ，a n dt h em e t h o d si si n e f f i c i e n ta n da r es od i f f i c u l tt ob eu s e d t h a ta r en o tf e a s i b l ei ne n g i n e e r i n g a i m i n ga tt h ea b o v ep r o b l e m s ，t h ed i s s e r t a t i o nf o u n d san e t w o r ko fi n t e l l i g e n t b a c k a n a l y s i s o ft u n n e l s u r r o u n d i n g r o c k d i s p l a c e m e n t w h i c hi sb a s e do n a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) t o o l b o xo fm a t l a b ，a c c o r d i n gt o r o a dt u n n e l sa n d o n s i t em e a s u r e dd a t at h en e t w o r ki sb a s e do nb pa r t i f i c i a ln e u r a in e t w o r kw h i c h h a sp o w e r f u ln o n l i n e a rf u n c t i o n sm a p p i n ga b i l i t i e s ，a u t ol e a r n i n g a n d g e n e r a l i z a t i o na b i l i t y b a y e s i a nr e g u l a r i z a t i o n m e t h o di su s e dt o i m p r o v et h e n e t w o r k sg e n e r a l i z a t i o na b i l i t y ，i no r d e rt oe n s u r et h a tt h en e t w o r k st r a i n i n g s a m p l e sa r ei na c c o r d a n c ew i t hr e a l i t y a n dh a v eu n i f o r md i s p e r s i v i t ya n d s y m m e t r i c a lc o m p a r a b i l i t y ，t h e d i s s e r t a t i o ns i m u l a t e st h e s u r r o u n d i n g r o c k d i s p l a c e m e n to fe x c a v a t i n gt u n n e lw i t he a r l yl i n i n gb yf a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so f c o n t i n u a p r o g r a m t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o na c c o r dw i t hf a c t ，t h e nm a k e e x p e r i m e n t sw i t ho r t h o g o n a ld e s i g na n dg a i nt r a i n i n gs a m p l e s t h er e s u l tp r o v e s t h a tt h ep r e c i s i o no fb a c ka n a l y s i sc a nr e a c ha b o v e9 0 a tl a s t ，a ne n g i n e e r e x a m p l ev a l i d a t e st h en e t w o r k sa p p l i c a b i l i t y w h e ni ti sa p p l i e dt ot h ep r a c t i c a l e n g i n e e r i n g ，ac e r t a i ne c o n o m i cp e r f o r m a n c ei so b t a i n e d k e y w o r d s ：t u n n e le n g i n e e r i n gd i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i s b pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 插图清单 图3 1i i 类围岩衬砌结构断面图 图3 2 三维快速拉格朗日程序的块体单元模型b r i c k 和 圆柱形隧道模型r a d c y cl i n d e r 图3 3 高速公路隧道模型三维网格 图3 4 公路隧道初衬喷锚支护模型 图3 5 最大不平衡力随计算时步变化曲线 图3 6 隧道分布开挖过程中r = 0 面上的三个不同点的位移历史 图3 7 横断面竖直应力分布云图 图3 8 横断面剪应力分布云图 图3 9 横断面水平应力分布云图 图3 1 0 横断面最大主应力分布云图 图3 1 1 横断面竖直位移分布云图 图3 1 2 横断面水平位移分布云图 图3 1 3 隧道围岩位移矢量图 图3 1 4 开挖后塑性破坏区分布图 图4 1 单个神经元模型图 图4 2s i g m o i d 函数和双曲正切函数的图形 图4 3 单层神经元网络模型结构 图4 4 三层前馈网络 图4 5 两层b p 网络 图4 6 网络误差曲线图 图4 7 二层b p 网络示意图 图4 8 隧道围岩位移智能反分析系统的b p 神经网络 图4 9 神经网络训练程序流程图 图4 1 0 网络训练过程中的误差记录 图4 1 l 用t r a i n b r 训练网络的误差记录一 图4 1 2 隧道位移智能化反分析程序流程图 图5 1 河坑隧道地理位置图 1 2 n h ” m 体 他 博 伸 拍 嬲 勰 凹 儿 弱 ” 弛 粥 们 甜 轮 5 2 水平收敛、拱顶下沉测点布置示意图 5 3 拱顶下沉测试方法示意图， 5 4 拱顶下沉随量测时间的变化曲线 5 4 水平收敛随量测时间的变化曲线 5 6 二层b p 预测网络示意图 5 7 网络训练的误差性能曲线1 5 8 水平收敛的仿真结果 5 9 网络训练的误差性能曲线2 5 1 0 拱顶下沉的仿真结果 钉 铝 铋 如 ” ” 记 图图图图图图图图图 表格清单 表3 1 公路隧道各类围岩初衬砌设计指标 表3 2 试验模型中支护参数的取值， 表3 _ 3 正交表厶2 ( 2 “) 表3 4i i ( v ) 类( 级) 围岩各试验因素及对应的水平 表3 5i i i ( i v ) 类( 级) 围岩各试验因素及对应的水平 表3 , 6i v ( m ) 类( 级) 围岩各试验因素及对应的水平 表3 7 实验各因素的符号及其单位 表3 8i i ( v ) 类( 级) 围岩模拟试验方案及结果 表3 9i i i ( i v ) 类( 级) 围岩模拟方案及结果 表3 1 0i v ( i i ) 类( 级) 围岩模拟方案及结果 表3 1 1 训练样本 表4 1 不同隐层单元数的网络训练结果 表4 2 网络检验样本 表4 3 网络检验结果1 表4 4 网络检验结果2 表5 1 河坑隧道基本情况 表5 2 河坑隧道围岩分类情况 表5 3 水平收敛与拱顶下沉量测频率一 表5 4y k l 7 9 + 2 6 5 量测断面水平收敛及拱顶下沉实测结果 表5 5 河坑隧道y k l 7 9 + 2 6 5 断面输入数据及位移反分析结果 表5 6 隧道分布开挖模拟运算结果与实测值比较 加 加 m 丝 控 筋 m 拍 ” “ 鸵 “ 卯 们 观 跎 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金鲤王些盔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。 学位论文作者签字：张、洛帆签字日期：”p f 年占月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a b 王些盔堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒目b 王些盘 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名：附、诌咀 签字日期：砌6 年5 月 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：另丑 ；中 签字日期：埘年j 月j 二日 电话 邮编 致谢 本文是在导师王道轩副教授的精心指导下完成的。导师在完成自己繁重的 科研和管理工作的同时，在本人论文选题、调研、撰写以及定稿过程中给予了 大量的指导，并在生活上关怀备至，使我能够顺利完成学业。在我攻读硕士学 位期间，导师严谨求实的治学态度、渊博的知识以及严肃认真的生活态度给我 留下了深刻的印象，我不仅从导师身上学到了专业知识，而且学到了很多为人 处世的道理，这些对我以后的学习和工作将受益终生。在论文完成之际，我谨 向尊敬的导师表示忠心的感谢和深深的敬意。 衷心感谢王国强教授、崔可锐教授、葛晓光教授、刘东甲副教授、谭晓慧 副教授等老师在我攻读硕士学位期间学习和生活上的帮助，感谢在论文撰写和 答辩过程中，您们给予的教导与帮助。 感谢师兄张洪涛硕士、师弟班凤其硕士在我三年的攻读硕士学位期间生活 上和学习上给予的各种帮助，论文的顺利完成离不开您们的帮助和努力。 感谢北京交通大学的乔春生教授、张志刚博士和李继波硕士，您们不仅为 我提供了实习的机会，而且在我论文选题和论文撰写过程中都给予了无私的帮 助，论文得以顺利完成同样凝聚着您们的心血。 特别要感谢孙钧院士，百忙之中，在本人论文的撰写过程中给予的建议和 帮助，您对后辈的关心与爱护让我们终身受益不尽。 最后，特别感谢家人给予我精神上和物质上的支持和鼓励，没有您们的支 持，就不会有我的今天。 陈海明 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 问题的提出 随着我国国民经济持续、稳定、快速的发展，随着以监控量测和喷锚支护 技术为核心的新奥法日渐深入人心，我国的隧道工程的建设日新月异。这些类 型日益增多、规模日益加大、难度与日俱增的隧道工程给岩体力学带来了前所 未有的机遇的同时，也向我们这些建筑或者地质工作者提出更高的要求，带来 了更加严峻的挑战。其中最大的难点之一就是，如何确定岩土体的力学参数。 我们知道，岩土体的力学参数对隧道工程的设计、施工、分析具有举足轻 重的意义，影响到隧道工程的安全、经济和使用。但是，用现有方法确定的岩 体的力学参数与实际情况有很大出入，无法满足理论研究和工程实践对其精度 的要求，这主要是因为现有的确定方法存在着明显不足，试验条件跟岩体的实 际受力环境差别较大。所以，“参数不准”已成为岩土体力学理论分析与数值模 拟的“瓶颈”问题【l 】。如何通过简单可行的方法准确地得到岩体的力学参数， 成为目前岩土体力学研究的重点和热点之一。 隧道工程( 包括交通隧道、矿山平巷、水工隧道、坑道等岩石地下工程) ， 尤其是公路隧道作为克服地形或高程障碍物的特殊结构物，它改善了公路线型、 提高行车速度、缩短里程、节约燃料、节省时间和保护生态环境，对加快我国 的经济建设步伐有着重要的意义。随着交通建设的发展，特别是高等级公路建 设的发展，隧道已被广泛的应用于公路建设。但是，时至今日隧道工程的设计 施工仍然主要依靠工程类比的经验方法，而且是要跟自然界最复杂的介质一一 岩体打交道，围岩参数给不准制约了隧道工程( 支护) 设计及稳定性评价的准 确性，影响了隧道工程的正常安全施工和运营， 大量研究表明，位移反分析有望解决这个问题【2 。”。但是，现有的位移反分 析法确定岩体的力学参数存在着这样那样的问题，尤其是未能很好解决优化的 问题，还有效率不高且运用复杂，难于工程普及的问题。因此，研究和建立一 个能较好实现优化和工程推广的智能位移反分析法，是目前亟待解决的问题。 1 2 位移反分析法的研究现状 1 2 1 位移反分析法及其分类 固体力学的正分析( 问题) 是指在物体的几何形状、材料性质及外界荷载已 知的情况下，求解物体内部的应力分布与变形特征；而所谓反分析法就是以现 场量测到的、反映系统力学行为的某些物理信息量( 如位移、应变、应力或荷载 等) 为基础，通过反演模型( 系统的物理性质模型及其数学描述，如应力与应变关 系式等) 推算得到该系统的各项或某些初始参数( 如初始应力、本构模型参数和 几何参数等) 的方法。 反分析的目的不仅仅在于对工程范围内的岩土体的初始地应力和力学特性 参数的估计，更重要的是同现场监控量测技术及工程稳定性分析相结合，对工 程的可靠度做出合理的评价和符合实际的预测，并对施工中的工程进行支护参 数和方案的反馈设计等，使数值解答能有效地用于工程决策j 。 根据现场量测到的信息不同，岩土工程反分析可以分为应力反分析法、位 移反分析法和应力( 荷载) 与位移的混合反分析法。由于位移信息量测较应力信 息量测更经济、简单，且精度较高，因此，位移反分析法应用最为广泛。 所谓位移反分析法就是利用现场量测的位移信息来反演工程系统的力学参 数及其地质背景的初参数( 即工程区域内的力学参数、初始地应力等) 的方法。 位移反分析法按照其计算的方法不同可分为解析法、数值法( 有限元法、 边界元法等) 和图谱法。解析法概念明确、计算速度快，但只适宜求解简单几何 形状和边界条件下的线弹性和线粘弹性的问题。数值法则主要用于解决复杂岩 土体工程中的非线性问题。图谱法简单易用，但是只能适用于弹性介质的位移 反分析。 神经网络在反分析中的应用可以分为两类：一是采用神经网络的系统辩识 理论，根据岩土体工程力学正分析的理论和方法，先建立系统输入和输出的正 分析求解样本，再用神经网络对样本进行系统的逆辩识学习，从而得到反分析 的解。另一是利用正分析得到的学习样本，建立结构正分析的近似分析器，在 优化求解过程中实现结构的实时分析。 1 2 2 国外位移反分析的研究现状 9 】 自1 9 7 2 年k a v a n a g h 等提出反算弹性模量的有限元法【1 0 】以来，反分析方法 发展很快。1 9 7 6 年h a d k i r s t e n 在约翰内斯堡( j o h a n n e s b u r g ) 召开的岩石工程 勘测学术讨论会上提出由实测岩体变形来反分析岩体弹性模量e t 1 。1 9 7 7 年 g m a i e r 【l2 】等人则从模型识别角度进行位移反分析的探讨。位移反分析的重要早 期研究者之一，樱井春辅( s s a k u r a i ) 1 3 1 等人在1 9 7 9 年德国亚琛( a a c h e n ) 召开的第三届岩土工程数值法国际讨论会上发表论文，不仅提出了平面应变问 题的弹性问题位移反分析和弹塑性问题位移反分析，而且将之作为地下工程辅 助设计的一种技术。意大利米兰技术大学的g g i o d a 教授【1 4 也是位移反分析的 重要早期研究者。他在弹塑性问题的位移反分析方面作了大量工作。他先后用 了单纯形法、拟梯度法和鲍威尔( p o w e l l ) 法等优化方法进行反演，并取得了 不少成果。 1 2 3 我国位移反分析的研究现状吲 我国关于位移反分析的研究开始于上世纪7 0 年代末，基本上与国际同步。 国内学者在位移反分析方面的研究，在理论研究和工程实际应用方面等都做出 了独特的贡献。 ( 1 ) 弹性问题位移反分析 由于弹性问题位移反分析的实用价值最大，且理论简明和方法可行，因此 这类反分析首先得到了发展。 中国科学院地质研究所于1 9 7 8 年就开始了位移反分析的研究，是国内较早 从事位移反分析研究的单位之一。杨志法提出了富有特色的平面应变问题的有 限元图谱法【1 5 】一一图解位移反分析法，并与水电部东北勘测设计科学试验所合 作在国内首次将该法成功地用于甘肃“引大入秦”工程的试验洞，确定了该洞围 岩的弹性模量e 和与洞轴线垂直的水平地应力分量p 。据此和以后的研究，杨志 法、王思敬、刘竹华提出了三维问题的有限元图谱法一一图解位移反分析法和 三维问题有限元图谱法一一e 、p 双值位移反分析法0 6 。 在这类课题的研究中，同济大学地下建筑与工程系做了较多的工作，取得 了一系列的成果。1 9 8 5 年，杨林德等发表了论文【1 7 j ，提出了初始地应力位移反 分析计算的有限单元法的计算原理，包括弹性问题计算的基本关系式，以及弹 塑性问题计算的数值处理法等。1 9 8 5 年，杨林德、黄伟等又发表了论文“初始 地应力位移反分析计算的有限单元法”，建立了平面应变弹性问题和弹塑性问题 反演计算的有限单元法的具体计算法，给出了程序编制的框图和算例验证。 西安矿业学院的刘怀恒、王芝银、李云鹏在上世纪八、九十年代，在位移 反分析方面也取得了很好的成果【1 8 1 9 1 。 另外，严克强等于1 9 8 7 年提出了有限元一无界元耦合法位移反分析法【2 0 1 ， 并成功地应用于北京十三陵抽水蓄能电站。关于有限元一无界元耦合法位移反 分析问题，黄佳胜等1 9 8 7 年还进一步提出了有限元一无界元耦合图谱一一e 、p 双值反分析法。 ( 2 ) 粘弹性问题位移反分析： 粘弹性问题位移反分析的原理和方法是另一个研究热点，在研究方法上解 析法和数值法并驾齐驱，均取得很大成果。 1 9 8 2 年山东矿业学院的陈子荫、吕爱钟发表了解析法粘弹性问题位移反分 析的论文1 2 ”。 薛琳、杨志法、王思敬、郄玉亭、罗有仁等对粘弹性问题解析法位移反分 析进行了较系统的研究，就m a x w e l l 体、k e l v i n 体、h k 模型、p o y t i n g t h o m s o n 体和b u r g e 模型的解析法位移反分析问题发表了一系列论文【2 2 2 4 1 。 ( 3 ) 弹塑性问题位移反分析： 弹塑性问题位移反分析的研究在我国开展得也较早。杨志法等于1 9 8 5 年发 表的论文就讨论了采用单纯形等方法的弹塑性位移反分析【25 1 。郑颖人等在1 9 8 6 年和1 9 8 7 年论述了应变空间中的弹塑性位移反分析问题 2 6 】。1 9 8 9 年1 9 9 1 年冯 紫良等研究了很有特色的位移余差反分析f 27 1 。杨林德等6 1 、袁勇等【2 8 2 9 1 、王芝 银等【l 州都提出有关弹塑性问题位移反分析的很好研究成果。 值得一提的是，自7 0 年代起，我国著名学者孙钧教授等在这一领域也做了 大量研究，已经建立的计算方法包括地下洞室的弹性计算法、弹塑性计算法、 粘弹性计算法和弹粘塑性计算法等。其中不仅有有限元法，而且有边界元法： 不仅有平面问题的计算法，而且有空间问题的计算法。程序软件不仅可用于洞 周地层的应力分析，还可同时考虑衬砌结构与锚喷支护的作用。如果对这些方 法的成就进行综合评价，可知迄今为止地下结构的数值计算法已经发展为较为 完整的计算理论。 1 3 课题的来源、目的、意义及本论文的主要研究内容 1 3 1 课题的来源 本课题来自生产实践一一安徽省2 0 0 8 年重点建设项目、发展“两山一湖” ( 黄山、九华山和太平湖) 的重点项目、世界银行贷款重点项目一一铜( 陵) 黄( 山) 高速铜汤段隧道监控量测项目。从中选取了1 6 标段比较有代表性的隧道一一河 坑隧道的监测数据作为本课题基本资料。河坑隧道右线：k 1 7 9 + 2 1 9 k 1 8 0 + 2 9 5 ，全长1 0 7 5 m ：左线：k 1 7 9 + 4 1 0 k 1 8 0 + 2 1 0 ，全长8 6 5 m 。隧道围岩 主要是以页岩为主，围岩类型i i 类类。 1 3 2 课题的目的及意义 由上文所述可知，目前的位移反分析各有其不足之处：主要是解的稳定性 差，反演参数较多时收敛速度慢、效率低，运用复杂难以普及到工程实践中去 等。 课题的目的是通过隧道围岩位移智能化反分析的研究，用隧道施工过程中 监控量测的围岩位移( 水平收敛和拱顶下沉) 进行反分析，确定围岩的初始地 应力和岩体的部分力学参数，进而根据数值分析方法的结果对隧道围岩稳定性 做出合理的评价和符合实际的预测。使得现场量测结果更加有效地为隧道工程 的施工决策提供科学依据。 课题的意义就在于研究一种高效的、易于运用于工程实践当中去的隧道围 岩位移智能反分析系统，从而为岩土体力学参数的确定提供一种有效的方法， 为岩土体力学理论与实践的结合充实了新内容。 1 3 - 3 本文主要研究内容 本论文主要研究的内容有以下几个方面： ( 1 ) 学习并介绍了位移反分析法的研究现状，指出了目前的位移反分析法确 定岩体力学参数的原理、优势和不足，提出建立隧道围岩位移智能反分析系统 的必要性和可行性。 ( 2 ) 在分析隧道工程的特点的基础上，介绍了隧道围岩位移智能反分析系统 的基本概念和思想，指出了本次研究的假设和前提条件，确定了可以通过隧道 围岩位移反分析反演的参数。 f 3 ) n 用功能强大的岩土工程软件一一三维快速拉格朗日有限差分程序建 立了隧道正演分析力学模型，对隧道分部开挖初衬过程中围岩的变形进行了模 拟。然后利用正交设计法进行分组模拟试验，并把试验结果作为隧道围岩位移 智能化反分析系统( b p 神经网络) 的训练样本。 ( 4 ) 利用m a t l a b 的神经网络工具箱建立了改进的b p 神经网络模型，即隧 道围岩位移智能化反分析系统，用训练样本和检验样本分别对网络进行训练和 检验，结果表明反演精度可达9 0 以上。 ( 5 ) 介绍了河坑隧道工程概况，将隧道围岩位移智能反分析系统用于该隧道 一个断面围岩的力学参数和侧压力系数的反演，得到成功，验证了隧道围岩位 移智能反分析系统的正确性和实用性。 1 3 4 论文特色及创新之处 ( 1 ) 利用m a t l a b 的神经网络工具箱建立的隧道围岩位移智能化反分析系 统，反演精度可达9 0 以上，简单高效的反演方法很适合推广到工程实践中去。 ( 2 ) 采用三维快速拉格朗日有限差分程序，对隧道分布开挖和初衬进行了变 形模拟，充分考虑了围岩变形的时空效应，模拟结果跟实际情况基本一致，从 而保证了训练样本的正确性。 ( 3 ) 对b p 神经网络进行了优化，提高了其收敛速度，减小了其陷于局部最 小的可能性，实践证明是可行的。 第二章隧道围岩位移智能反分析的基本思路 在隧道工程的施工过程中，利用监控量测技术得到的围岩位移( 水平收敛 和拱顶下沉) 进行位移反分析，确定围岩初始地应力和岩体的力学特性参数， 进而可以通过有限元等数值分析方法对隧道稳定性做出合理的评价和符合实际 的预测，使得现场监控量测结果能更加有效地用于隧道工程施工决策中去，即 进行隧道围岩位移反分析是非常必要和有意义的。 2 1 隧道工程的特点及其位移反分析的必要性 隧道( t u n n e l ) 是一种修建在地下，两端有出入口供车辆、行人、水流及 管线等通过的工程建筑物 3 0 1 。隧道的种类繁多，可分为交通隧道、水工隧道、 市政隧道、矿山隧道等，每一种隧道还可以细分。 隧道工程等一般地下工程与地面建筑工程和以水电地下厂房为代表的重点 地下工程相比有很大的差异p ”，因此，在隧道围岩力学参数的确定和稳定性分 析中借用地面建筑工程或者水电地下厂房等重点地下工程的分析方法，是不台 理，也是不可取的。这就要求我们抓住隧道工程特点的同时，要注重加强施工 过程中的监控量测并提高其水平，开发出一种基于现场监测数据的位移反分析 系统，对提高隧道工程施工决策水平具有十分重要意义，也是非常必要的。 实践已经证明，在隧道工程的施工过程中，利用监控量测技术得到的围岩 位移进行反分析，确定围岩初始地应力和岩体的力学特性参数，进而可以通过 有限元等数值分析方法对隧道稳定性做出合理的评价和符合实际的预测，使得 现场监控量测结果能更加有效地用于隧道工程施工决策中去，也是可行的1 3 引。 2 2 隧道围岩位移智能反分析的提出 隧道位移反分析是利用隧道开挖与支护过程中的监测数据( 按现行隧道工 程施工、设计规范主要是水平收敛与拱顶下沉) 反求围岩初始地应力和岩体的 ( 部分) 力学特性参数的方法。由于隧道位移反分析中输入的围岩位移值是围 岩一支护系统在开挖影响的时空域内力学变化最直接、最明显的综合性宏观体 现，因此，位移反分析所得的参数能全面地反映岩体的结构力学特性、施工方 法以及隧道工程结构( 洞室埋深、尺寸、形状和支护参数等】对其的影响。它提 供了用较为简单的模型，模拟复杂岩体力学行为的可能性，从而成为隧道工程 设计施工中将理论分析与工程实际相联系的纽带 9 1 ，并有可能将隧道工程设计 及稳定性评价水平由目前的定性阶段提高到定量或者半定性半定量水平。 目前，位移反分析主要有以下两个发展方向：一是着眼于提高，主要从事反问 题的信息理论、非线性反演计算、考虑时空效应的流变反分析以及基于材料损 6 伤特性的反分析研究等；另一则是着眼于普及，主要采用简化的计算模型，解决 工程应用中面临的实际问题 3 3 】。位移反分析目前主要采用有限元或边界元等数 值计算方法来进行，需要使用者具有较强的岩石力学知识、数值计算的知识、计 算机应用能力及综合分析问题的能力，所以基层施工单位的工程技术人员一般 不能掌握。要使现场量测的围岩位移能最大限度地发挥作用，为施工中的隧道工 程进行支护参数和施工方案的反馈修正提供依据，保证隧道工程施工安全、经济 合理，很有必要开发针对隧道工程特点的、能在基层单位得到普及应用的智能 型的位移反分析系统。 针对隧道工程中的这一实际情况和特点，作者构建了隧道围岩位移智能反 分析系统，希望能为位移反分析在隧道工程实践中得到普遍应用做一些探索性 的工作。 隧道围岩位移智能反分析，不同于传统的解析法和数值法反分析，是基于 进化b p ；f * 经网络的位移反分析方法。在运用这种智能位移反分析方法进行隧道 围岩参数反演时，不需要建立隧道围岩支护力学系统的逆辨识模型，而是利用 b p 神经网络模型，该模型通过训练、学习调整网络内部权值而具有拟合系统输 入输出之间的非线性关系的能力。只要具有正确的学习样本，经过训练的神经 网络就可以建立起输入输出之间潜在的映射关系，在现场取得可信的位移量测 资料后不需要反复迭代和试凑，只需要向系统输入量测数据和一些已知参数， 便可以马上输出要反演的隧道围岩参数和初始地应力。另外，神经网络可以连 续进行学习，随着隧道工程实践的进步，可以在原来的基础上增加新的学习样 本，从而使智能位移反分析系统的适用范围得到扩大。 尽管如此，但是只有拥有准确的、符合实际的学习样本，才能使建立的隧 道围岩位移智能反分析系统输出合理、准确、可信的反演参数来。所以，本文 是通过隧道分部开挖初衬模拟正交试验得到训练样本的，保证了训练样本接近 工程实际，又使其具有均衡分散性和整齐可比性，将在下文详细阐述。 2 3 隧道围岩位移的影响因素 2 3 1 一般影响因素 由于隧道围岩一支护系统是一个复杂的巨系统，所以隧道围岩位移的影响 因素有很多，主要有工程地质因素、岩体力学参数、工程结构参数和施工参数 等。 ( 1 ) 影响隧道围岩位移的工程地质因素： 隧道围岩的岩体结构的类型： 地质构造运动对隧道围岩的影响程度； 隧道围岩的风化程度； 隧道围岩节理的发育情况； 隧道址区的水文地质条件。 ( 2 ) 影响隧道围岩位移的岩体力学参数： 隧道围岩的物理力学参数：重度y 、变形模量e 、屈服后的切线模量、 极限强度和残余强度、泊松比u 、内摩擦角妒、粘聚力c 、抗压强度、抗拉强度、 含水率w 、粘滞系数、流变初始应力、岩体的结构效应： 结构面力学参数：法向抗压强度、初始粘结力、残余摩擦角、法向刚度 系数、切向刚度系数。 ( 3 ) 影响隧道围岩位移的工程结构参数： 隧道埋深； 断面情况：形状、跨度、洞高； 支护参数：锚杆参数：锚杆直径、长度、材料强度、间距、行距及数量； 喷射混凝土的性质：厚度、材料强度、密度；仰拱及其结构参数；钢拱架的强 度、间距。 ( 4 ) 影响隧道围岩位移的施工参数： 隧道的开挖方式：全断面法、上下台阶法或导坑法； 爆破方式、药量、循环进尺、超挖、松动圈厚度、光面爆破或者预裂爆 破参数； 支护施作顺序、暴露时间、初喷时间； 支护质量、锚杆抗拔力；施工期间是否发生坍塌，以及发生次数、位置、 最大坍塌高度； 防、排水措施及其对围岩强度的影响等。 2 3 2 影响隧道围岩位移的最主要因素 由上可知，影响隧道围岩位移的因素很多，而且其中许多因素难以量化， 如果要对其一一加以研究并描述，在现有的研究水平下是不可能实现的，其实 也没有必要的。要进行隧道围岩位移反分析，就必须在众多影响因素中找出影 响隧道围岩位移的最主要的因素，才能有可能顺利进行隧道围岩位移反分析。 根据前人研究成果，影响隧道围岩位移的最主要的因素有几何参数：隧道 的埋深、洞形、跨度、洞高；岩体力学参数：岩体的容重、变形模量、泊松比、 内摩擦角、粘聚力、抗压强度和抗拉强度；工程地质因素：围岩类别、水平初 始地应力、铅垂初始地应力或者侧压力系数；喷锚支护参数：喷射混凝土的厚 度、喷射混凝土的强度、锚杆直径、长度、锚杼抗拉强度、锚杆间距、锚杆排 距、一榀钢拱架的横截面积、钢拱架材料的强度设计值、钢拱架排距、仰拱厚 度、仰拱混凝土的强度及锚杆在断面上的布置情况。 2 4 隧道围岩位移反分析计算模型及反演参数的确定 8 位移反分析成功与否的一个重要影响因素就是模型的正确选择。这样就产 生了一个矛盾，即选择的模型越复杂，就越接近隧道围岩的真实力学模型，但 是需要的反演参数就会越多，位移反分析过程中遇到的困难也越大。以连续介 质力学为基础建立起来的反分析模型，需要假设材料的力学性态符合一种模型。 选择的模型不同，反分析的结果会大相径庭。其实，隧道围岩是一种非均质、 不连续、非线性和流变性的材料，要使选择的模型与实际完全吻合，这几乎是 不可能的，也是没有必要的。从工程实用的角度出发，为了实现位移反分析技 术的普及应用，隧道工程界认为在目前实际工程的位移反分析中采用的模型宜 简单，材料本构模型的参数宜少不宜多 9 1 。同时，模型的选择也不是任意的， 模型必须能够反映隧道围岩的主要力学特征。因此，作者通过学习和采纳专家 的经验，本文假定隧道围岩为均匀连续的弹塑性介质，这是因为弹塑性模型能 够反映岩体的主要变形特征，同时通过勘察和试验可以预先得到模型中的一些 参数，保证反演参数不会很多，能够满足通过隧道工程现有条件就能反演出最 主要的参数。 根据目前隧道工程中现场监控量测的实际情况，一般情况下可输入的独立 的隧道围岩位移实测值一般只有两个：洞周水平收敛和拱顶下沉，相应的可辨 识参数也只能有两个，从提高隧道工程实际技术水平的角度出发，如何最充分、 最有效地利用这两个可辨识参数，是一个非常现实和重要的问题。 弹塑性模型的参数有：变形模量e 、泊松比、内摩擦角妒、粘聚力c 和抗 拉强度，同时弹塑性位移反分析的反演参数还有初始地应力分量：盯。、盯。t 、 r 。、f 。f 。，对于平面应变问题，所涉及的初始应力分量减少到三个：正、盯， r 。但是现有的工程条件只能反演其中的两个参数，所以必须通过适当的假设 和通过勘察资料或者试验测得或指定一些参数为已知量。 根据对目前地应力测量资料的总结，地壳浅层岩体绝大部分地应力是以水 平应力为主的三向不等的空间应力场。隧道工程中通常对初始地应力场作水平 地应力场的假定，在非高地应力的一般地区，在垂直于隧道轴线的平面内，通 常假设铅垂地应力等于上覆岩层的重量【34 1 。所以，待辨识的地应力参数只有水 平地应力吒或者侧压力系数k o ( k o = 巩o ；，o v 为铅垂地应力) 。 岩体力学特性参数主要有变形性质参数与强度特性参数，二者都很重要。 由于岩体的非均质、不连续与监测点位置的局限性，现场应力( 应变) 测试难 度大，量测值离散性也大，很难用于判定岩体的稳定性；而岩体变形( 位移) 较易量测，量测值离散性小，也比较容易与岩体稳定性经验判据建立联系。因 此，待辨识的参数通常取变形性质参数。而且岩体的强度特性参数中的内摩擦 角p 和粘聚力c ，较容易通过现场和试验室的试验得到，所以不把它们当成反 演参数，而是作为已知量。岩体变形参数主要有两个，即变形模量e 和泊松比“。 由于地层中的泊松比变化幅度较小，对围岩变形的影响比变形模量e 也小得 9 多，计算模型可以将视为己知数。但是隧道围岩的变形模量e 不易通过试验 得到，试验得到变形模量e 通常也是岩石的变形模量占，而不是围岩( 岩体) 的，这与实际情况有很大差别，所以，待辨识的围岩力学参数确定为变形模量e 。 从数学角度来看，位移反分析是一类反问题。既然是反问题就涉及到解的 存在性和唯一性问题。弹塑性位移反分析的反演唯一性问题至今还没有得到完 全的解决，吕爱钟等【7 1 研究表明轴对称弹塑性位移反分析中地应力、变形模量 和内聚力不能同时为要辨识的未知量，但对非轴对称弹塑性巷道弹塑性位移反 分析的唯一性至今还没有得到严格的证明。但是，丁德馨等研究表明1 3 5 ，弹塑 性模型力学参数对隧道断面的水平收敛和拱顶下沉的影响度大于i ，可以通过水 平收敛和拱顶下沉量测值反演这些参数。尹蓉蓉、朱合华研究表明在进行弹塑 性位移反分析时，采用莫尔一库仑准则反演结果优于德鲁克一普拉格准则p 。 综上所述，影响隧道围岩位移的最主要、影响最大的两个参数就是初始地 应力侧压力系数k 和变形模量e ，这正是一般情况下隧道位移反分析需要反演 的参数。所以本文就是把变形模量e 和初始地应力侧压力系数凰作为反演的参 数，且采用莫尔一库仑准则进行隧道分布开挖初砌时的弹塑性变形分析的。对 于现有工程现场的条件，反演这两个参数是可以实现的。 第三章隧道开挖初衬弹塑性模拟及其正交试验 神经网络虽然有其智能性，但是，没有好的训练样本去训练它，让它去完 成所期望的任务是不可能的。所以，本章采用功能强大的先进的岩土工程软 件一一三维快速拉格朗日有限差分程序，对隧道分布开挖初衬过程围岩弹塑性 变形进行了模拟分析，采用正交设计法构造试验，以期得到与工程实际情况相 吻合的高质量的训练样本，保证下文建立的隧道围岩智能反分析系统的准确可 l qo 3 1 三维快速拉格朗日有限差分程序简介 岩土工程结构的数值解是建立在满足基本方程( 平衡方程、几何方程、本 构方程) 和边界条件下推导出来的。由于基本方程和边界条件多以微分方程的 形式出现，因此，将基本方程近似改用差分方程( 代数方程) 来表示，把求解 微分方程的问题变成求解代数方程的问题，这就是所谓的差分法。差分法由来 已久，但差分法需要求解高阶代数方程组，只是在计算机的出现以后，才使该 法得以更大范围的实施和发展。 三维快速拉格朗日有限差分程序是二维的有限差分程序的扩展，能够进行 土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。调整三维网 格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型， 在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应地发生变形和移动( 大 变形模式) 。三维快速拉格朗日有限差分程序采用的显式拉格朗日算法和混合离 散分区技术能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩 阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。 3 2 高速公路隧道开挖初衬弹塑性模拟试验 3 2 1 高速公路隧道围岩衬砌结构及分析说明 高速公路隧道围岩衬砌结构断面图如图3 1 所示。铜黄高速河坑隧道围岩 类别为i i 、i i i 和围岩。i i 、m 围岩设有仰拱，而围岩则不设仰拱。各类围 岩隧道衬砌指标如表3 1 所示，其中的数据源于文献 3 7 1 。 为了下文叙述了方便，特做如下说明： ( 1 ) 这里的i i 、i 和围岩分类是按9 4 版公路隧道设计规范划分的， 相当于2 0 0 4 版规范中围岩分类标准的v 类、类和i 类。 oo ooo o o 舅靶鐾o ! ooo 钢筋网示意围 巾8 m m 一 隅 丽 图3 1i i 类围岩衬砌结构断面图 ( 2 ) 本文所进行的隧道开挖初衬模拟，是在隧道开挖及初衬砌以后进行的。 i i 、h i 围岩段隧道采用的是上下台阶法施工，i v 围岩段隧道采用全断面开挖， 对于i i 、i i i l 重l 岩本次试验只设计其上台阶开挖部分的模拟，对于围岩则对其 全断面开挖部分模拟。 ( 3 ) 模拟前未对围岩进行分层，而是将其看作岩石集合体( 岩体) 来对待 的，其稳定性和力学特性可以从其分类或者分级中略见一斑。 昌r 。一 臣 表3 1 公路隧道各类围岩初衬砌设计指标 3 2 2 试验模型的建立 本次试验的目的是对隧道开挖初衬阶段的围岩弹塑性变形进行模拟分析， 分析各影响因素组合下的隧道围岩的位移一一拱顶下沉和水平收敛，为隧道围 岩位移智能反分析系统提供符合实际的训练样本。 本次试验的模型是采用三维快速拉格朗臼有限差分程序提供的圆柱形隧道 模型r a d c y c l i n d e r 和块体单元模型b r i c k ( 图3 2 ) 建立的，隧道模拟试验分析模型 如图3 3 所示。虽然公路隧道断面一般是三点圆构成的，但是为了简单起见。隧 道断面上面部分采用一个1 4 圆，下面部分采用一个1 4 椭圆构成。吕爱钟等人 研究表明【3 8 j ，利用位移反分析确定初始地应力和岩体性质参数时，有限元网格 的划分区域不能太小，当划分范围为1 0 d ( d 为巷道的最大净空尺寸1 以上时， 可以获得非常满意的反算结果。所以为了分析的准确，本次试验模型的下边界 和右边界取大约1 0 倍隧道半径( 5 5 m ) ，上边界取至地表。 a ) b r i c k b ) r a d c y c l i n d e r 图3 2 三维快速拉格