（岩土工程专业论文）骡坪隧道施工监测及其围岩参数的智能反分析研究.pdf

西华大学硕士学位论文 骡坪隧道施工监测及其围岩参数的 智能反分析研究 岩土工程专业 研究生刘蒙蒙指导教师刘保县( 教授) 、刘新荣( 教授) 摘要 隧道工程信息化动态设计与施工的观念已经越来越被人们所接受和采用， 如何正确给定隧道围岩的计算力学参数，直是个比较棘手的问题，位移反分 析方法为围岩参数的获取提供了一条比较有效的途径。本文以重庆市巫奉高速 公路的骡坪隧道为研究载体，以现场监控量测资料为依据，建立了个基于 m a t l a b 神经网络工具箱的隧道围岩参数的智能反分析系统，并将之应用于实 际工程中，对同类隧道工程的设计、施工、监测都具有重要的指导意义。 本文的主要内容与研究成果有： l 、根据骡坪隧道的工程概况、工程地质条件、水文地质条件及该隧道的主 体工程设计方法等内容，着重分析总结了骡坪隧道实施监控量测的必要性、量 测方案的设计、量测频率的确定以及量测数据的处理与应用，并根据现场的实 际情况合理地制定了监控量测实施方案；通过对骡坪隧道动态施工过程的现场 监控量测，获得其在开挖过程中的第手量测数据，掌握隧道在开挖过程中围 岩和衬砌的应力和变形的变化情况，应用回归分析等数学方法找出围岩位移的 内在变化规律，确定围岩变形收敛趋于稳定的时间和最终的总变形量，为二次 衬砌提供合理的支护时机。 2 、针对隧道工程的特点，分析了隧道围岩位移的各种影响因素，初步确定 隧道围岩的待反演参数，利用a n s y s 数值模拟软件建立合理的隧道围岩参数反 演验证模型。 3 、着重分析概括了神经网络、神经元的概念及其所具有的特性、人工神经 西华大学硕士学位论文 元的模型：然后重点研究了神经网络的学习行为和学习算法，神经网络模型的 分类。通过分析研究b p 网络的程序设计流程和设计方法，总结了b p 网络的不 足及其相关的改进措施。 4 、设计不同的反演参数初始值弹性模量e 和泊松比弘，采用正交设计、均 匀设计方法和a n s y s 数值模型对其进行分组模拟试验，利用b p 人工神经网络 对非线性函数强大的映射能力、推广能力和自学习能力，构造了人工智能算法 的学习样本和测试样本与现场量测数据进行对比分析，得到反演参数的最优 解。 5 、在已确定反演参数的基础上，将所有参数代入建立的隧道围岩参数验证 模型中，正演模拟计算得到的拱顶下沉和水平收敛位移值基本匕与现场实际量 测值相符合。进而可对未开挖处隧道围岩变形的收敛值进行预测，为后续隧道 工程的设计、施工和监控量测提供依据。 关键词：隧道工程，监控量测，神经网络，位移反分析 l l 西华大学硕士学位论文 t h el u op i n gt u n n e lc o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n ga n d i n t e l l i g e n tb a c ka n a l y s i so fr o c kp a r a m e t e r s c a n d i d a t e ：l i um e n g m e n g s u p e r v i s o r s ：p r 0 l i ub a o x i a na n dl i ux i n r o n g t h et h o u g h to f i n f o m m l i o n - b a s e dd e s i g na n dc o n s m l c t k mi nt u n n e le n g i n e e 她 h a v eb e e n 越倪m c db yp e o p l ea n da d o p t e d 瑚a n dm 哦h o wt og e tt h er i g h tl o c k p a r a m e t e rh a sa l w a y sb e e nat h o m yp r o b l e mf o ral o n gt i m e t h a tu s i n gb a c k a n a l y s i sm e t h o dt og e tt h er o c kp a t m n e t e ri sp r o v i d e da m o r ev a l i dp a t h b a s e do nt h e l u o p m gt u n n e lo fw u f e n gh i g h w a yi nc h o n g q m g 嘶t o t h ec a r r i e ro fs t u d y , t ot h e 9 淡舶时n m 嗣双l n 通d a t aa st h eb a s i s , a n dt oe s t a b l i s hai n t e l l i g e n tb a c ka n a l y s i ss y s t e mo f s m m u m t i n gr o c kp a r m n e t e 稿b a s e do i lt h em a t i a bn e u r a ln e t w o r kt o o l b o x , i ti s a p p l i e dt oa c t u a lp r o j e c t ss i m i l a r 幻t h ed e s i g n , c c m s u u c t 两m 伪血喇n 吕h a s i m p n mg u i d i n gs i 舭 1 1 km a i nc o n t e n ta n dr e s e a r c hr e s u l to f t h i sa l t i d ea r c ： f n s t l y , t h i sp a p e ri n t n x t u o x lt h e 锄i g i 璀啦s i t u a t i o n , m g u g e r 崦g e o l o g i c a l c o n m t i o n s , h y d r o g e o l o g y c o n d i t i o no f t h ei e o p i n gt u n n e li nd e t m 3 , a n dt h es u b j o do f t m m e l 伽i g i 衄e c l j l 唱d e s i g nm a h o d s e t c a 傩啦d i l l gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h e r e a s o n a b l e m o n i t o r i n gn k a 瓯h 朔叽e mi m p l e m e n t a t i o np l a n ,弧r o e g h t h es i t e m 讲i i 刚l 塔m e a s u r e m e n to fl u o p i n gt u n n e l sd y n a m i c0 0 噬灯咖ip r o c e s s , o b t a i n t h ef i r s t - h a n d e n td a t ao nt h ee x c a v a t i o np r o c e s s , m a s t e rt h ec h a n g mo ft h e 铷珊硼i l d i i l gr o c k , s t r e s sa n dd e a n o fl i n i n go nt h et u n n e le x c a v a t i o np r o c e s s , u s i n gt h er e g r e s s i o na n a l y s i so f m a t h e m a t i c a lm e t h o dt of i n dt h ei n n e rd i s p l a c e m e n t v a r i a t i o n , d e t e r m i n et h es t a b l et i m ea n dt o t a ld e f o r m a t i o no fd i s p l a c e m e n t c o n v e r g e n c e , , p r o v i d e a r e a s o n a b l e 鲫p p o nt i i i 圮衙o c 哪枷i l 孚 i i ! 西华大学硕士学位论文 s e c o n d l y , b a s e d0 1 1t h ec h a r a c t e l f i s t j c so ft u n n e l 伽l g i i 均醯l 吕a d i s c u s s i o nw a s m a d eo i lt h ev a r i o u sf a c t o r si n f l u e n c i n g 伍印l a 四m e l 吐o fm n n e js u n o u n d i n gn x 耋, p 陀l i m i n a r h y d e 耙i m i n e df i l ei n v e 糕i o np a 珊n 肋骶0 ft u n n e ls u n o u n d h l gl 毗 e s t a b l i s ha r e 盆s o n a b l e 弹啁m 咖黯i n v e 勰i o nw 蒯m o d e lo fs u _ , m u n d m gr o c kb y u s i n g a n s y sn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o d c , t h ec o n ( = c p to f n e u r o l 憾a n di t sc h a m c t e r t 呶t h em o d e lo fa r t i f i c i a ln e ；m m kt h e nm a i n l y r e c o m m e n d st h el e a m i n gb e h a v i o ra n dl e a r n i n ga i g o l i t h m so fn e u r a ln e t w o r k , t h e d 纽鹦i 配a 缸面o fn e u r a ln e t w o r km o d e lt h i sa r t i d ei i l 缸o d 峭t h ep r o g r m n m i n g 珥嘲a n dd e s i g nm e t h o d s o fb pm t w o t k , a n dp o i n t so u tt h ed e f i c i e n c ya n dr e l a t e d i m p r o v e m e n t m e a s u r e s o f b p m m v o i k t o d e s i g nd i f f e r e n ti i i 代咖印嘲m e t c l s s u c h 罄e l f l s t i cm o d t l h 塔a n dp o i s s o n s 毗u 幽塔t h 0 雩印l a ld e s i g n , u n i f o r md e s i g nm e t h o d a n da n s y s n u m e l i 脚m o d e l 缸t h eg r o u ps i m u l a t i o n , b a s e d0 1 1t h eb pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kv e i s u sn o n l i n e a r f u n c t i o nw h i c hh a v e p o w e r f u lm a p p i n ga b i l i t y , s 椰a l t z a t ma b 丑i t y a n d 峪k 啊j l 培a b m 嘎伽幔细赡dt h el c 锄i n gs a m p l e sa n dt h e t e s ts p i 册io f 矧劂a li n t e l l i g e n c e 岫尹妇，衄删w i t h 砖f i e l dm e a s u r e m e n td a t a , a n d 醇 t h eo p t i m a ls o l u t i o no f t h ei n v e r s i o n f m a t l y , b a s e do nt h ea t n 终d y d e t e n n i n o di i l w 洳p 哦瞰蚓晒焉a l lt h e p a 瑚嘣炽so fs u n u u n d i n gr o c kp a r a m e t e r si ss u b s t i t u t i o ni nt h ei n v e m i mv e 蒯 m o d e l ，t h ev a u l tc l u w ns e t t l e m e n ta n dh o r i z o n t a la m v e r g e n c ed i s p l a c e m e n tv a l u ei s c a l c u l a t e db yf o n v a r ds h n u i sb a s i c a l l yc o i n c i d ew i t h 弘蜘im e a s m e m e n t v a l u e s t h e nt h ec o n v e r g e n c ev a l u eo ft t m n e l 跚皿伽嘣如gr o c kd e f o r m a t i o nw 蚯d li s i 娃e x c a v a t i o n 跚b e 珥i i d c d ，p r o v i d ea r e a s o n a b l eb a s i sf o rt h el a t e rd e s i g n , a m 或刚咖m o n i t o r i n g m e a s u r e m e n t so f t u n n e l t u n n e l 伽画玳嘶m o n i t o r i n gm 翩鲫i e ；删n e u r a l n e t w o r k , d i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i s i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师刘保县教授的指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他 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。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的。论文成 果归西华大学所有，特此声明。 9 1 月月，f 咔中 z 篆多嚣 和善n 钰铱 签簦槛哗 作导 西华大学硕士学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部 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 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密函适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：卸芬蒙 日期：口p ，7 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题的背景及意义 我国是个山比较多的国家，山地和丘段占国土面职的三分之= 。随着西 部地区高等级公路工程的建设，山区公路隧道不断出现，在公路隧道的建设过 程中，经常会遇到些复杂的工程地质问题，诸如岩溶岩爆、软弱围岩坍塌、 大变形、涌水、涌泥等不良地质现象，由此产生的对复杂地质条件下公路隧道 稳定性研究和施工方法问题日益突出，对这些情况下如何保证工程质量、降低 工程损失等一系列问题亟待解决。 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 道工程的建设方法日新月异。新奥洪l l 是根据施工过程中洞内外的地质调查、 洞内观察、现场监控量测及岩土物理力学实验等施工反馈信息，及时掌握围岩 在开挖过程中的状态和支护结构的稳定状态，进步分析确定围岩的物哩力学 参数，以便及时调整支护参数，确定和修改隧道施工方法和支护方式，从而确 保隧道围岩的稳定和支护结构的安全，并尽可能的降低工程造价。 隧道大多是在岩体中开挖的，而岩体是形成隧道围岩支护系统的主体， 荷载主要来自岩体，主要的结构材料也是岩体。象隧道工利窿瞻样，结构、荷 载与材料三考燃体，难以截然分开的结构物，多数( 特别是锚喷支护) 情 况下的荷载结构模型不能应用，需要用固体力学模型边界条件与力学参数加 以描述。但是，围岩支护系统内部的力学机理不甚清楚；初始地应力与岩体 力学参数逐点变化，都没有可用的理论计算方法，经验估计值的误差又无法确 定；材料陂坏准则也没有公认的纯理论方法；内部围岩性质的变化也无多少规 律性。既需要现场量测，也需要经验判断。因此，岩石力学包含着其他力学领 域根本无须考虑的因素，由地质条件决定隧道选址和轴线走向，初始地应力与 岩体力学参数原位测试等等。显然，隧道工程的复杂程度是地面建筑工程所无 法可比的。 开益增多、规模同益加大、施工难度与同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，也向我们这些岩土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，就是如何比较准确地确定围岩的各物 西华大学硕士学位论文 理力学参数。由于岩体介质的复杂性和施工因素的影响，多数工程用解析法求 解是不大- - i 能的。随着计算机技术在岩体力学和岩土工程中的应用和推广，岩 石力学的数值理论和方法已得到迅速：券搌和应用。然而由于岩体材料的非均质 性和不连续性，岩石力学计算的输入参数往往难以确定。工程中常采用的室内 试验和局部现场试验，也无法全面反映工程区域内的岩体性质，这将造成理论 分析值与实际值相差较大以既场量测位移为基础的位移反分析法闭是确定数 值计算输入参数的有效手段之一。根据隧道工程的现场量测数据和观测资料， 建立整套系统、方便、实用的隧道围岩参数位移反演方法和围岩稳定性分析 方法，将对隧道工程的施工产生显著的技术经济效益，对隧道工程的设计也有 很好的借鉴和指导意义。 本文结合目前正在兴建的杭州至兰州线高速公路上的骡坪隧道工程，对公 路隧道的围岩参数进行较系统的研究。结合隧道的工程实际，利用a n s y s 数 值模拟软件建立合理的隧道围岩参数反演验证模型，采用人工智能算l i 去得到围 岩参数的最优解，进行未开挖处隧道围岩变形收敛值和应力值的预测，为后续 隧道工程的设计、施工和监控量测提供依据。 1 2 位移反分析的历史发展与研究现状 目前，位移反分析主要有以下两个发展方向问：是着眼于提高，主要从 事逆问题的信息理论、非线性反演计算、考虑时空效应的流变反分析以及基于 材料损伤特性的反分析研究等：另则着眼于普及，主要采用简化的计算模型， 解决工程蜘中面临的实际问题。如果位移反分绷有限元够勉界元等数值 计算方法来进行，需要使用者具笮撤强的岩石力学知识、数值计算方法的知识、 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 般不能很好掌握。要使现场量测的围岩位移能最大限度地发挥作用，能为施工 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，构建能在基层单位普及应用的智能型位移反分析计算系统， 具有重要的现实意义。 岩土工程位移反分析方法是伴随着岩土工程的设计、施工的理论和实践 2 西华大学硕士学位论文 逐渐发展起来的地下工程位移反分析自匕个世纪7 0 年代闯世以来，由于它 具有很强的实用性而受到国际岩石力学界的关注。岩土工程位移反分析迄今为 止主要经历了以下6 个重大发展阶删： 维位移反分析的提出与发展 根据工程开挖所测得的围岩位移来反算岩体初始应力场及力学参数的方 法称之为位移反分析方法，这方法是1 9 7 2 年由k a v a n a g h 等( 1 9 7 2 ) 提出反算 弹性模量的有限单元澍删，从此位移反分析方法迅速发展起来。1 9 7 4 年樱井 春辅( 1 9 7 4 ) 用解析法根据围岩蠕变位移计算岩体初始应力和粘弹性参数【1 1 1 。 1 9 7 6 年k i r s t e n ( 1 9 7 6 ) 用有限元法求影响系数代入到解析解中，然后按解析法 确定岩体弹性模型1 2 l 。1 9 8 0 年意大利米兰技术大学的g i 浏d l 通过位移测值来 计算岩体的粘聚力、内摩擦角和初始地应力。1 9 8 1 年杨志法i 崤定平面问题 的剪应力为零，然后用有限元法或利用有限元图谱成果求地应力及弹性模量， 文中有数值法和图解法两种求解模式( 杨志法等，1 9 8 1 ) 非线性、弹塑性位移反分析的发展 1 9 8 3 年樱井春辅用有限元法，根据位移测值求解平面问题的地应力及弹 性模量，文中考虑了衬砌的影响( 樱井春辅等，1 9 8 3 ) 冯紫良、杨林德将地应 力分为均布构造应力和自重应力，用有限元法先求自重应力场产生的围岩位移 的差值反算岩体的均布构造应力。该方法是个通用方法，可用于平面问题和 空间问题，既可用于线弹性，也可用于非线性弹性问题蠊蝈( 冯紫良、杨林德， 1 9 8 3 ) 。1 9 8 4 年久武胜保假定部分空间应力分量为零，用有限元法求解空间问 题的初始应力，该方法也考虑了衬砌的影响( 久武胜保等，1 9 8 4 ) 。1 9 8 5 年杨 林德使用边界元法求解地应力及弹性模星p ( 杨林德，1 9 8 5 ) 冯紫良将位移 表示为岩体力学参数弹性模量e 和地应力的函数，然后根据实澳啦移最小的原 则，同时求出初始地应力和弹性模量睁1 7 l ( 冯紫良，1 9 8 5 ) 。1 9 8 6 年樱井春辅 使用边界元法恨据围岩位移求解平面问题的地应力及弹性模量，文中的主要思 想类似于其1 9 8 3 年提出的有限元解法。 e 维位移反分析的发展 久武胜保针对自己1 9 8 4 年的方法中必须输入衬砌面全节点的位移等方面 的缺点，提出了种新的三维反分析方法( 久武胜保，1 9 8 6 ) ，采用的是有限元 3 西华大学硕士学位论文 法嗍。郑颖入( 1 9 8 动用边界元法和弹塑性本构关系，根据围岩位移反算初始应 力和弹性模型1 9 i 。该方法理论e 可用于二维、三维问题。王建宇( 1 9 8 6 ) 用解析 法和简单的三单元流变模型求解平面问题圆形洞室的初始地应力和流变参数 ( 1 9 8 6 ) 。刘允芳( 1 9 8 7 ) 用复变函数将非圆形洞室变为圆形洞室后按平面线弹性 问题求初始地应力。 粘弹性位移的发展 杨林德( 1 9 8 8 ) 用边界元法和三单元流蒯反求岩体初始应力、瞬时弹性 模量及流变参数鼎。杨志法等人进行粘弹性反分析的系列研究，分别建立了圆 形的洞室、平面应变问题五种常见流变模型的粘弹反分析，空间问题用马克斯 威尔模型的粘弹反分析1 4 协l ( 杨志法等，1 9 8 7 ) 。该文圆形洞室用解析法，平 面问题用有限元法，初始应力的计算利用樱井春辅( 1 9 8 3 ) 法，重点研究流变参 数的反求，使用了单纯形法、回归法等多种方法。空间效应问题使用增加个 系数的方法解决。空间问题的粘弹反分析在利用瞬时位移求应力时，假定只存 在垂直应力和水平应力，其他应力为零，初始应力求出后利用三维程序优选求 出粘滞系数n 由于三维优选的大量彭# e 时，杨志法研究了将平面问题的有限元 图谱秸摊广到三维问题，建立了空间问题的有限元图谱法，可以大大减少计算 工作型阎。 多方法并用的位移反分析 1 9 8 8 年樱井舂辅( 1 9 8 8 建立了推求隧洞围岩塑性区域的力i 法，该力谨漕 先按线弹性问题求出应变分布，然后视应变超过规定的区域为塑性区域。刘怀 恒( 1 9 8 8 ) 针对位移丢失、空间效应问题提出种方法：首先进行曲线拟合，然 后通过外延插值法来预测测点设置以前未能量测到的位移，并考虑空间效应。 吴凯华( 1 9 8 8 ) 则根据灰色系统例( 1 ，1 ) 模型倒时间序列预测开挖前释放的位 移，进而结合罚函数法与边界元混合法直接反算岩体应力分量、g - f # 弹模、等 价泊松比的绝对值。郑颖人( 1 9 8 8 ) 针对用有限元法反算时，弹性模量和泊松比 不能直接从刚度矩阵中提出来而将弹性矩阵分解为两常数阵，使弹性模量e 都 提出来进而同时反算弹性模量e 和侧压力系数k 。冯紫良( 1 9 8 8 ) 提出了一种地 应力估计的优化方法。文中初始应力用常数或线性函数。考虑岩体的非线性和 隧洞开挖前的位移，采用了有限元方法。和再良( 1 9 8 8 ) 分别用线弹性、粘弹性 4 西华大学硕士学位论文 和弹塑性本构关系和有限元法进行天生桥级电站实验洞的反分析，其中，粘 弹性反分析用有限元和三单元流变模型，先通过曲线拟合确定流变参数然后反 求地匮力及弹性模量。该文的曲线拟合公式考虑了每次进尺引起的瞬时弹性位 移的突变。王芝银( 1 9 8 8 ) 用有限元法和三单元流交模型通过短期观测资料反算 地应力和流变参数，使用了单纯形优化方澍7 l 。徐谋进( 1 9 8 8 ) 用解析法反算圆 洞条件下粘弹性平面问题的地应力和流变参数。文中假定弹性位移与掘进进尺 呈某种关系，流变位移与时间和进尺呈某种关系，然后先通过掌子面影响消失 以后的位移定出流变参数，再通过掌子面影响期的位移定出掌子面影响系数。 马启超等( 1 9 9 0 ) 用位移回归分析法分析了鲁布革水电站原位试验洞的岩体应 力场。莫海鸿等( 1 9 9 0 ) 对广州从化抽水蓄能电站交通洞试验断面的反分析考虑 了初始地应力场竖向呈线性分布时的反分析方法。高延法等( 1 9 9 0 ) 对煤矿采场 底板位移的反分析中采用了三点最优搜索法得到待定参数的最优解。杨林德等 ( 1 9 9 2 ) 在天荒坪抽水蓄能电站试验洞的位移反分析研究中，对三维问题的反分 析采用了弹性问题的正反分析法，而在二维反分析中采用粘弹性的逆算法。 夕江智能算法的引进 随着神经网络理论的不断发展和完善，以及在各学科、各领域的应用。首 先由张清教授在岩石力学中引入 工神经网络后，东北大学、中科院武汉岩土 力学所、河海大学等科研院所在此方面进行了大量的研究孙道恒等( 1 9 9 6 ) 提出了力学反问题的神经网络分析方法网。李立新等( 1 9 9 7 ) 利用b p 网络模型， 以岩体的粘弹性位移反分析为基础，反演得到岩体粘弹性力学参剩刚( 弹性模 量e 、粘滞系数r l 和侧压力系数a ) 李端有等( 1 9 9 8 ) 提出了基于人工神经网 络的边坡位移反分析方法，取得了三峡永久船闸开挖边坡多介质岩体的宏观等 效弹嵫，并利用各层等效模量进行了有限元正分析计算，预测三峡永久船 闸开j 圣勉坡下开挖阶段的应力及变形发展趋势网。冯夏庭等( 1 9 9 9 ) 提出了进 化神经网络反分析的思想，按j 下交设计方法获得样本进行学习，用遗传算法搜 索最佳网络结构，并用最佳推广预测学习算溯i i 练网络，建立岩土体力学参数 与位移的非线性关系，再用遗传算法从全局空间匕搜索，进行岩体力学参数的 最优辩溯。 葛增杰等( 2 0 0 0 ) 提出了深基坑开挖工程多层土体物性参数识别的b p 算 5 西华大学硕士学位论文 法，求得了各层土体的弹性格强印。高玮、郑颖人等( 2 0 0 0 ) 采用快速遗传算法 进行岩土工程反分析，求得了包括弹性模量、粘塑性参数在内的7 个参剩网。 王卫华等( 2 0 0 1 ) 建立了开采沉陷反分析的神经网络模型，求得了岩体力学参 数，利用反演结果对地表沉陷进行了预测网。周瑞忠刚等( 2 0 0 1 ) 在深基坑支护 位移反分析中，以模拟基坑开挖的有限元程序为正演工具，以b p 网络为反演 工具，将正演过程与反演过程结合起来，根据正演计算结果对神经网络进行训 练，利用训练好的网络对实测位移进行反演，再根据反演结果进行正演计算以 指导下步施工，形成个良性循环。李晓绀l i 等( 2 0 0 1 ) 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和垂直 地应力。邓建辉等( 2 0 0 1 ) 利用b p 网络和遗传算法进行了岩石边坡位移反分析 刚。高玮等( 2 0 0 1 ) 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， 进行位移反分析阎。蒋中明等( 2 0 0 2 ) 结合有限变形理论和人工神经网络理论， 提出了基于神经网络的初始地应力场三维反分析网。郝哲等( 2 0 0 4 ) 基于差分 法、正交设计和人工神经网络建立了新的隧道围岩力学参数反分析方洌网。 1 _ 3 位移反分析研究存在的问题与不足 隧道位移反分析的应用研究，已经取得了许多进展和成果，目前还存在 以下问题： ( 1 ) 位移反分析研究所依据的隧道围岩的位移监测数据目前存在很多问题。监 测的时效性局限，由于公路隧道施工开挖断面般都不大，工人施作空间比较 小，施工中开挖、爆破、喷浆、打锚等工序连接比较紧密，加e 些人为的因 素，施工现场位移监控量测往往滞后于施工开挖工程，不能及时快速地获取到 隧道围岩的初始位移，导致隧道变形监测失去了意义；忽视对监测仪器、监测 桩的保护，要获得最准确的变形参数，就要尽量靠近隧道的掌子面，而施工中 工人( 或机械) 经常忽视对监测仪器的保护，造成监测仪器经常被损坏或扰动、 甚至缺失；变形监测信息不能及时有效的反馈，目前需要从施工、管理体制上 6 西华大学硕士学位论文 解决如何快速把监测信息反馈给各方，使监测成果及时的应用到优化施工工 艺，调整支护参数等方面，缩短工期，降低造价 ( 2 ) 隧道工程进行过智能位移反分析的圈不是很普遍首先，做过围岩变形 监测的隧道工程还是少数，缺少相关的分析处理经验；其次，能够主动应用围 岩变形的量测成果，做过位移反分析研究的工程则更是少得多，可供参考的研 究成果也较少。 ( 3 ) 结构形式复杂，施工难度大的隧道工程，用以往的位移反分析方法进行反 演是困难的，甚至无法进行，对这类工程的位移反分析方法的研究成果和研究 手段也较少。 ( 4 ) 隧道位移反分析网只是表述了从位移到力学参数之间的种映射关系，没 有充分的考虑到两者之间的物理函数关系，有教吠的不确定性，收敛性不好。 但可通过实测值和网络预测值的比较，基本能够得到可信的结果。 目前施工期间监测资料的反馈分析广泛采用工程类比法，但对于大型工 程、重要工程以及地质条件较复杂的工程的些关键技术问题，单靠工程类比 法是不够的。在这些工程中，应尽量采用物理力学模型反馈分析法与有限元法 相结合，这也是当前岩士工程的重要发展方向。另外，虽然初始地应力和地层 特性参数的确定对矿山开采及隧道与地下工程的设计和施工都有重要的意义。 但是，由于当隧道或地下工程埋设较浅时，周围地层中初始地应力值的量级一 般都较小，洞室围岩的稳定性主要取决于工程地质条件，因此这些工程的反馈 分析中初始地应力值经常被忽视 本文的研究成果直接为隧道工程施工建设服务，若有限元理论在地下工 程分析中是正确的，位移反分析结果必然与工程实际情况较接近，因此本文有 着理论和实践双重意义，也为今后位移反分析研究成果在隧道工程中的应用提 供思足各和积累资料。 1 4 本文的研究内容和技术路线 l 、通过对骡坪隧道进行动态施工过程的现场监测，获得其在开挖过程中的 第手量测数据，掌握隧道在开挖过程中围岩和衬砌的应力和变形的变化情 7 西华大学硕士学位论文 况，应用回归分析等数学手段找出围岩位移的内在规律，确定围岩变形收敛趋 于稳定的时间和最终的总变形量，为二次衬砌提供合理的支护时机。 2 、针对隧道工程的特点，拣时了隧道围岩位移的各种影响因素，初步确定 隧道围岩的待反演参数，利用a n s y s 数值模拟软件建立合理的隧道围岩参数反 演验证模型。 3 、设计不同的反演参数初始值弹性模量e 和泊松比，采用正交设计、均 匀设计方法和a n s y s 数值模型对其进行分组模拟试验，构造了人工智能算法的 学习样本和测试样本与现场量测数据进行对比分析，得到反演参数的最优解。 4 、在已确定反演参数的基础e ，可进行未开挖处隧道围岩变形收敛值和应 力值的预测，为后续隧道工程的设计、施工和监控量测提供依据。 8 西华大学硕士学位论文 2 骡坪隧道的工程概况及其围岩的监控量测分析 2 i 骡坪隧道的工程概况 2 1 1 工程概况 巫奉高速公路骡坪隧道为上、下行分离的四车道高速公路特长隧道，a 4 合同段骡坪隧道出口端位于重庆市巫山县骡坪镇风岭村，范围为左线 z k 7 + 1 2 7 2 8 3 z k 9 + 2 9 2 ( 全长2 1 6 4 7 1 7 m ) ，右线y k 7 + 1 5 0 y i l g + 3 3 5 ( 全长 2 1 8 5 m ) ，隧道最大埋深约4 3 钿，属于特长隧道。隧道左线奉节端洞口位于平 曲线上曲线半径为r = 4 0 0 加，前进方向左偏；右线奉节端洞口也位于平曲线 上，曲线半径为r - - 4 8 0 加，前进方向左偏；洞身位于直线上。隧道左线纵坡为 0 9 6 4 、一i 1 的双向坡，隧道右线纵坡为0 9 3 7 、一i i 的双向坡。由 中铁隧道集团二处有限公司承建，如图2 i 所示。 本文的研究以骡坪隧道出口端为工程背景，通过对监控量溅信息进行智 能化反分析得到围岩的力学参数。 f i g 2 1m a p o f l u o p 堍t t m n c l e x i t e n d 幽2l 瑶坪隧道山口端的地形幽 西华大学硕士学位论文 2 1 2 隧道工程地质与水文地质；簧件 骡坪隧道出口位子低中山余i 嘞少顷坡冲沟东侧，上覆残坡积砾石碎石土 层及强弱风化泥灰岩夹灰岩。碎石土层最厚达2 8 0 m ，强风化泥灰岩厚 1 1 0 - - 9 2 0 m ，弱风化泥灰岩夹灰岩揭露厚度2 2 9 4 3 7 3 8 m ，山坡自然坡度 3 0 - - - - 4 0 9 ，山坡临空面方位1 6 2 。，与路线走向约成7 5 斜交。基岩岩层产状 5 。么3 0 。：洞口碎石土覆盖层较薄，0 6 0 z8 0 m 。下伏基岩凤化裂隙铰发育， 岩体较破碎，呈碎裂。裂隙块状结构，完整性较差。围岩纵坡速度v p = 3 8 0 - - 一 1 8 0 0 叽s ，围岩分级为v 级，成洞条件较差，围岩易坍塌。 隧道位于低中山台地及中低山深切谷地斜坡地貌区，隧道穿过低中山山 脊下部。区内最高标高1 0 8 2 0 m ，位于y k ? + 8 8 0 ，最低标高5 8 0 m ，位于隧道进 口，相对高差5 0 2 m ，隧道设计标高6 1 4 3 5 2 - - - , 6 4 9 8 1 7 m ，隧道最大幽采约4 3 5 m 。 隧道走向与山脊走向约成4 0 。斜交。隧道线路区上部地形在d 5 + 4 6 0 - - 一 1 f l ( 5 + 6 0 0 、y k ? + 1 6 0 1 f l ( 7 + 3 l o 、y 船+ 7 0 0 1 f l ( h 1 6 0 较陡，坡度3 0 5 0 。，区内 其他山坡坡度较缓，一般1 0 2 5 。，植被发育，水土保持较好，多生长灌木 和乔木。 。 隧道为越岭隧道，区内地表水系不发育，隧道东端无明显冲沟，隧道西 端有4 条冲沟，除三耀婀f 常年有少量水流外，其他均为季节性冲沟，隧道进口 以东为范家河，平均流量5 0 m ，。地表水主要为大气降水形成的地面径流， 水量受季节性影响变化较大，其自然排泄畅通；隧道进、出口位于山体斜坡位 置，分布标高较高，地表水对隧道施工影响较小；但应注意暴雨期间地表面流 对洞口的冲刷破坏作用，宜采取截流、疏排措施。 隧道地下水为表层残坡积碎石土中的孔隙水及基岩风化带内的裂隙水，水 量大小受裂隙发育程度及季节变化影响，补给来源主要是大气降水下渗补给， 其中t 2 b 3 地层裂隙水较t 2 b 2 发育，前者透水j 眭魄毫5 子，后者透水性较差，为相对 隔水层。j 比外，不同岩性接触面( 层面) 和层间裂隙多为相对含水部位，并可 成为地下水运移过境通道。本隧道进出口在当地侵蚀基准面之e ，地下水可能 丰而不滥。 ( 1 ) 地下水类型及特征 残坡积碎石士孔隙水：该类地层除隧道进出口普遍分布外，其余零星分布， 1 0 西华大学硕士学位论文 厚度较薄，且均位子地雨水位以上，含水甚微，透水性极好。 巴东组第三段泥灰岩裂隙溶隙水：隧道洞身西段吸出口都受陡谚层中，为 可溶性碳酸盐类岩石，具有一定的溶蚀现象，为含水岩层，具强透水性，含水 鞍i 丰富。 巴东组第二段泥羼盼眇岩隔水层：隧道进口及东段处在该层中。谚层为泥 质盼1 伪等夹泥岩。透水性差，为相对隔水层。但局部夹泥z 砭岩具有较好的含水 性。该层在地表较破碎，局部风化强烈，具有定含水和透水性。但厚度小， 水量不大 ( 2 ) 补、排条件及动态特征 区内地下水主要接受大气降水垂直入渗补给；基岩风化裂隙水径流主要受 地形地貌控制，总体顺坡向径流。由于隧道区标高较高，径流条件好。其天然 排泄主要为呈线状、散点状排泄于地形切割较深的冲沟、地貌突变处。此类地 下水受降水及地形控制，分布不均匀，随地形起伏而变化，水位变幅较大。 ( 3 ) 地下水水质 据该地层泉水水样分析结果：p h 值8 鸽，侵蚀性c 0 2o 0 唱l ，总硬度 1 5 5 1 w g l ，矿化度1 8 5 7 m g l ，水化学类型为c 一肘。一h c 0 3 型，属微硬弱碱性 淡水参照 结合区域水文地质条件 综合判断，隧道区地表水、地下水对混凝土无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。 ( 4 ) 地下水影响 隧道区东端( 孤4 + 7 1 0 孤7 + 0 2 0 ) 为泥质岩类，水量较贫乏，接受大气降 水入渗 卜给；隧道水丈也贡条件属简单类型；隧遄侗室具滴水、渗流现象，地 下水对隧道施工影响较小。 隧道区西端( z i ( 7 + 0 2 0 孤9 + 2 9 0 ) 为碳酸盐岑笔岩石，裂隙岩溶水较丰富， 接受大气降水下渗补给，隧道水文地质条件较复杂。隧道洞室会有渗流现象产 生，地下水对隧道影响较大。 2 1 3 露基j 乎隧道工程主体设1 计枇冠 内轮廓设计 隧道断面方案采用分离式路基上、下行分离的双洞断面。隧道断面组成 为：隧道净宽( 0 7 5 + 0 5 + 2 , 3 7 5 + 0 7 5 + 0 y 7 5 = 1 0 2 5m ) ，隧道净高5 0m 。隧 西华大学硕士学位论文 道净空断面的确定不仅要满足隧道建筑限界的要求，还要满足隧道通风、照明、 运营管理设施所占空间及施 巧邑差。同时还应对衬砌结构受力特性、工程造价 等因素进行分析、比较，使采用的净空断面满足功能要求，受力均匀、经济合 理通过对单心圆、扁平三心圆和j 心圆几种断面形式进行综合比较，本次根 据初步设计结构，选择采用断面利用率高、承载能力较好的j 心圆曲墙式衬砌 断面，采用拱部单心半圆，侧墙为大半径圆弧的单曲墙式衬砌。在隧道内侧( 左 侧) 检修道下设置个尺寸为胀7 0 c m 的电缆沟，外侧( 右侧) 设一5 0 + 5 0 c m 的消防沟以及+ 2 0 c m 的圆形路面排水边沟。隧道路面下纵向设置+ 5 。l j m m 的中 心水沟。隧道内任何设备均不得侵入建筑限界。 洞门及明洞衬砌设计 隧道洞门的设计考虑了洞口的地形和地质条件，结合洞口地段徘水要求， 按照“早进洞、晚出洞 的原则，尽量采用小开挖的进洞方案，减少洞口边仰 坡的开挖，保证岩体的稳定性，尽可能保持原地形的绿色植被坡面。 结合本隧道进出口实际地形、地质情况，隧道出口采用重力式端墙洞门， 明洞顶采用方格网植草绿化防护，周围边仰坡采用锚喷防护和框架植草防护。 在隧道洞口施= j 掘中应蛀意从e 到下，边开袭熨n 办护，严缘澎c j ：0 咆，以防对 翅蛾的深层产生松动破坏 为了保证洞口边仰坡在施工和使用期间的稳定，要求明洞衬砌在洞口开挖 完成后应尽快施作，在达到设计强度后及时回填。在进行结构计算时，设计荷 载考虑回填土荷载、结构自重荷载、坡项滚石冲击荷载及施工荷载，仰拱及采 用浆砌片石回填的边墙部分考虑地基弹性抗力明洞应严格按图施工，要求边 墙部浆砌片石回填密竟项部回填土应对称回填，不容许超过设计回填厚度及 设计回填土横坡，以保证结构工作条件与结构设计模式的吻合在进行明洞开 挖过程中，当发现地形、地质条件与设计值相差太大时应及时报哉以便作出 合理的处理对策。 明洞基础要求地基承载能力要求大于3 0 0 k p a ，如果达不到匕述要求应考 虑适当加固边墙及中隔墙基础或者考虑适当换填加固。只有在施作明洞仰拱 ( 达到设计强度) 后才能进行两侧及拱部土体回填。 隧遭愀计 西华大学硕士学位论文 本路段隧道衬砌结构按照施工方式和作用在支护上荷载的不同，分为明洞 衬砌、浅埋段( 包括浅埋偏压) 复合式衬砌和深埋段复合式衬砌。 1 ) 明洞衬砌 隧道明洞根据各隧道洞口的实际情况布置，明洞结构采用c 2 5 钢筋混凝土 结构，其边坡防护采用喷锚防护，回填坡面应尽量与原地形顺接，明洞顶般 采用方格网植草防护。明洞分标准和偏压两种结构形式，分别为s i v a ( 标准明 洞衬砌) 和s 胁( 偏压明洞) 。 2 ) 复合式衬砌 复合式衬砌按照新奥法原理进行设计，以t 黠t