（地质工程专业论文）基于bp神经网络的隧道围岩稳定性分类的研究与工程应用.pdf

基于b p 神经网络的隧道围岩稳定性分类的研究与工程应用 摘要 本文首先对国内外围岩稳定性分类的研究动向和进展做了简单介绍 由于隧道围 岩是受各种性质的结构面切割丽形成的地质综合体 影响隧洞围岩稳定性的因素众 多 其关系很难用一个精确的数学关系式来描述 属于高度非线性映射问题 而人工 神经网络 a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 简称a n n 具有大规模信息的并行处理能力 非线性映射能力 高度的容错和鲁棒性 自适应及推理泛化能力等优良特征 通过学 习和记忆 建立输入和输出变量之间的非线性关系 本文以人工神经网络方法为理论 应用m a t l a b 神经网络工具箱建立了隧道围岩稳定性分类的b p 神经网络模型 并应用 该模型对淮南洞山隧道围岩进行稳定性分类 结果表明 模型的精度较高 可满足工 程实际要求 本文应用m a t l a b 神经网络工具箱建立了隧道围岩稳定性分类的b p 神经 网络模型 解决了复杂的编程过程为以后的围岩稳定性分类提供了参考和一种简便的 方法 关键词 围岩稳定性分类b p 神经网络m a t a l b 神经网络工具箱 t h e s a f e t yc l a s s i f i c a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k si nt u n n e l s a n di t se n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nb a s e do nb pn e u r a l n e t w o r k a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h er e s e a r c ht r e n da n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h es a f e t ye l a s s i f i c a t i o n o fs u r r o u n d i n gr o c k sa th o m ea n da b r o a di si n t r o d u c e da tf i r s t s i n c es u r r o u n d i n gr o c k si n t u n n e l sa r eg e 0 1 0 9 i c a lc o m p r e h e n s i v eb o d yw h i c hi ss u b j e c t e dt ot h ec u to fv a r i o u s s t r u c t u r a lf a c e sa n dt h e r ea r em a n ya f f e c t i n gf a c t o r s i ti sv e r yh a r dt od e s c r i b ei t s r e l a t i o n s h i pb yo n ee x a c tm a t h e m a t i ce x p r e s s i o na n di tb e l o n g st oah i g h d e g r e en o n l i n e a r m a p p i n gp r o b l e m a n da r t i f i c i a ln e u m ln e t w o r kh a st h ec a p a c i t yo fp a r a l l e lm a n a g i n gt h e c o s m i c a li n f o r m a t i o n n o n l i n e a rm a p p i n ga b i l i t y h i g h d e g r e ee r r o rt o l e r a n c e s e l f s u i ta n d r e a s o n i n ge x t e n s i v ec a p a c i t ya n do t h e rg o o dc h a r a c t e r i s t i c s b ys t u d y i n ga n dr e m e m b e r i n g t h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i po ft h ei n p u ta n do u t p u tv a r i a b l ei se s t a b l i s h e d a n di nt h i sp a p e r t h eb pn e u r a ln e t w o r km o d e lo fs a f e t ye l a s s i f i e a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k si se s t a b l i s h e db y m f 日a bn e u r a ln e t w o r kt o o l b o xb a s e do nt h et h e o r yo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km e t h o d a n dt h em o d e li sa p p l i e di n t ot h es a f e t ye l a s s i f i c a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k so fd o n g s h a n g t u n n e li nh u a i n a n a n dt h er e s u l ts u g g e s t st h a tt h ep r e c i s i o no ft h em o d e li sh i g l la n dm e e t s t h er e q u e s to fp r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o j e c t i nc o n c l u s i o n t h eb pn e u r a n e t w o r kr o o d e lo f s a f e t yd a s s i f i c a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k si se s t a b l i s h e db vm a a bn e u r a ln e t w o r k t o o l b o xa n dt h i sp a p e r s r o v i d e sar e f e r e n c e da n de a s ym e t h o df o rt h ef u t u r es a f e t y c l a s s i f i c a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k sb ys o l v i n gt h ec o m p l e xp r o g r a m m i n gc o u r s e k e y w o r d s t h es a f e t yc l a s s i f i c a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k s t h eb pn e u r a ln e t w o r k m a t i a bn e u r a ln e t w o r kt o o l b o x 图1 1 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图5 1 插图清单 围岩弹塑性应力状态 2 淮南市洞山隧道位置图 8 应力状态与围岩强度包络线关系图 1 9 岩石强度尺寸效应示意图 1 9 应力圆a 左移成a 2 2 时间因素对围岩强度的影响曲线 2 3 单个神经元模型图 2 6 典型传递函数 2 7 b p 网络结构 2 8 作用函数 2 8 b p 学习算法框图 3 0 围岩稳定性分类系统的b p 神经网络 3 5 神经网络训练程序流程图 3 6 网络训练过程中的误差记录 3 6 隧道围岩稳定性分类的程序流程图 3 7 各种围岩类别所占比例饼图 3 9 表1 1 表1 2 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表5 1 表5 2 表5 3 表格清单 岩石质量指标 5 公路隧道围岩分级 6 不同岩石物理力学参数表 1 6 各种结构面抗剪强度参数 1 7 围岩的变形破坏的形式及其与岩石性质及结构的关系 1 8 围岩受地质构造影响程度等级划分 2 1 不同断面形状下围岩应力表 2 3 围岩稳定性分类标准 3 2 网络输出值代表的围岩级别 3 2 围岩分类神经网络学习样本 3 3 归一化处理后的围岩分类神经网络学习样本 3 4 神经网络检验结果 3 7 洞山隧道围岩分类结果 3 8 各种围岩类别所占比例表 3 9 隧道围岩分级一览表 4 5 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 亡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 也不包含为获得盒目垦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 引l 啕9 i签字日期 莎 叼年肛月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁工些厶堂有关保留 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 允许论文被奄阅或借阅 本人授权金月b 工业左 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 学位论文作者签名 朝i 司 签字日期 口叼年 1 月哆日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 粥名 眵瘸殆 签字日期 毋 7 年i 媚哆日 电话 邮编 致谢 本文是在导师王国强教授的悉心指导下完成的 王老师的敬业精神 渊博 的知识 严谨的治学态度以及丰富的工程实践经验 都使我受益匪浅 同时 研究生生活的三年来 我不仅从导师身上学到了专业知识也学到了很多为人处 世的道理 这将使我以后的学习和工作更加顺利 在此论文完成之际 谨向老 师致以崇高的敬意和衷心的感谢 衷心感谢刘东甲副教授 吴道祥博士 侯超群博士 周盛全硕士在我攻读 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给予的教导 和帮助 感谢在实习和收集资料过程中淮南洞山隧道监控量测组 监理部 现场指 挥部的大力支持和帮助 感谢在论文撰写过程中段军硕士 马海春硕士无私的帮助 我要把最诚挚的谢意献给我的父母 正是他们一直在精神和生活上给予我 最大 最无私的关心和支持 才使我能顺利完成此论文 最后向所有关心 支持和帮助我的老师 同学和朋友表示衷心的感谢 作者 刘 刚 2 0 0 7 年1 2 月 第一章绪论 1 1 前言 随着铁路 公路 水电建设的不断发展 近年来隧道的建设规模和数量日 益增多 长大隧道工程不断涌现 在国外 挪威己修建长达2 4 5 k m 的莱尔河谷 隧道 瑞士也已修建长达1 6 3 k m 的g o t t h a r d 隧道 在我国公路隧道修筑起步较 晚 隧道修筑技术及单洞长度与发达国家相比 还有一定的差距 最近几年 在国家大量投资修建高等级公路的同时 公路隧道修筑规模及数量有较大的发 展 已修建成华蓥由隧道 4 8 k m 二郎山隧道 4 2 k m 大溪蛉隧道 4 1 k i n 尖山子隧道 4 o k m 中梁山隧道 3 1 k m 等特长隧道 国内最长公路隧道陕西 秦岭终南山公路隧道 长1 8 k m 据不完全统计 我国已建成公路隧道1 7 0 0 余座 这些隧道对促进我国国民经济的发展 改善交通运输环境等方面起着重要的作 用 隧道工程施工的基本特点是 地质条件复杂多变 涉及的影响因素众多 施工难度较大 特别是在软弱破碎的岩体中开挖隧道 其施工难度就更大 而 且塌顶和塌方事故发生较多 造成支护困难 造价商 工期长 隧道设计 施 工过程中的核心问题就是对围岩或支护的稳定性进行分析 即地层在开挖隧道 并加以支护过程中的稳定程度 这是一个反映隧道的地质环境 支护结构与施 工方法的综合指标 涉及到了技术 经济 时间的多种因素 对隧道围岩稳定性进行分析评价的前提是首先要通过各种手段确定围岩的 稳定性类别 隧道围岩分类是隧道工程中的重要研究内容 合理的围岩分类 对于客观反映岩体的固有属性 深入认识岩体力学特性和合理选取参数 制订 岩体工程设计和施工方案 采取合理的工程处理措施是十分重要的 由于岩体 的复杂性 围岩分类中存在大量的非确定因素 这大大限制了我们对围岩类别 的认识 因此 围岩分类长期以来都是隧道工程研究中的薄弱环节 目前用于 隧道围岩稳定性识别的方法较多 其原理基本上是采用工程经验类比分析法或 隧道掘进过程中所获得的信息及掘进完成后进行围岩监测所获得的信息来判别 其稳定性 我们知道这两种信息的获得人为因素较大 为尽可能消除判别过程 中人为因素的影响 近年来人们尝试建立b p a r t l 等人工神经网络系统进行围 岩分类 但都需要编程并且计算误差较大 本人在这个研究热点上应用m a t l a b 神经网络工具箱建立改进的b p 人工神经网络系统对围岩进行分类 收到较好的 效果 m a t l a b 是一款强大的工程计算和仿真软件 有丰富的函数库可以节省大 量的编程时间 神经网络工具箱目前应用比较成熟 在工程中有较大的发展空 间 1 2 围岩稳定性分析研究现状 1 2 1围岩稳定性分析方法及分类 一 力学分析方法 从1 9 世纪人类对松散地层 主要是土层 围岩稳定和围岩压力理论进行研 究开始到现在 围岩压力理论主要经历了古典压力理论 散体压力理论及现在广 泛应用的弹性力学理论 塑性力学理论 实际工程中 隧道开挖后由于卸荷作用 使围岩应力进行重分布 并出现应力集中 如果围岩应力处处小于岩体弹性极限 强度 这时围岩处于弹性状态 反之 围岩将部分进入塑性状态 但局部区域进入 塑性状态并不意味着围岩将发生塌落或失稳 因而研究围岩稳定就不能不考虑 塑性问题 芬纳 f e n n e r 一塔罗勃 t a l o b r ej 和卡斯特奈 k a s t e rh 给出了围 岩的弹塑性应力图形 随着半解析元法以有限厚条法的形式提出 林银飞 郑颖 人 1 将有限厚条法和弹塑性分析结合在一起 提出了弹塑性有限厚条法 采用大 单元内划分小网格的方法判断塑性区范围 在弹性区及塑性区内采用统一的解 析函数级数 以修正常刚度增量法为迭代方法 推导出了塑性系数矩阵及塑性刚 度矩阵 并将其应用于地下工程三维弹塑性围岩稳定性分析中 一 一 一 址冷叉 三三 一毛 t i f t i 爿 暑 力一 l 矗廖j 2 73 4 y 1 2 塑性区 3 4 弹性区 1 一松动区 2 3 承载区 4 一初始应力区 图1 1 围岩弹塑性应力状态 对于深埋隧道 因其埋深大 围岩大都表现出强烈的流变特性 而软弱围岩 其本身就具有明显的流变特性 因此 流变理论逐渐被引用到围岩稳定性分析的 研究中 朱素平等 1 提出了以对数函数描述岩石蠕变的粘弹性模型进行围岩稳 定性的力学分析 日本学者西原在岩石流变试验资料的基础上 建立了能反映岩 石弹一粘弹一粘塑性特性的西原模型 在此基础上 同济大学孙钧 1 通过对围岩 一支护系统受力机理的充分阐述 得出了西原模型在隧道围岩一支护系统中的有 限元解 并对层状节理围岩 含软弱断层 破碎带的围岩分别提出了两个 b i n g h a m 串联模型和四元件的粘弹塑性模型 1 9 5 8 年前苏联学者k a c h a n o v 在研究蠕交断裂时首先提出了损伤的概念 后 经法国学者l e m a i t r e 与c h a b o c h e 1 9 7 7 美国学者k r a j c i n o v a 1 9 8 1 等人利 用连续介质力学方法 根据不可逆热力学原理 建立了 损伤力学 这一学科后 国内外许多学者将其应用于节理岩体的力学分析中 如日本学者k a w a m o t o 及国 内学者孙钧 李术才等 学者李术才采用损伤力学方法得到的加锚节理裂隙岩 体的本构关系及其损伤演化方程来评价此类岩体的稳定性和变形行为 卅 二 数值计算方法 近年来 随着计算机技术的迅猛发展 各种数值计算方法越来越多地被应用 到围岩稳定性的分析中 比如有限差分法 有耀元法 边界元法 离散元法等 有限元法是一种较早 较成熟的岩体数值分析方法 其有限元模型一般有弹性 弹塑性 粘弹性 粘塑性 粘弹塑性等 边界元法是继有限差分法 有限元法 之后发展起来的又一数值计算方法 与有限元法相比 它具有降维的特性以及占 计算机内存小 计算时间省等优点 除有限元法和边界元法外 离散元法是用来计算具有不连续变形性质的节 理岩层的一种新的数值计算方法 它不受节理岩体相对微小位移的限制 即使是 不稳定的围岩 变形可以计算到围岩坍落 三 人工智能方法 隧道围岩岩体工程力学行为及其变形和破坏机理在主 客观两方面相当程 度上都是随机 模糊的 也就是不确定的 且由于获取信息与数据方面的限制和 不完全 不充分 它又是不确知的 因此 尽管力学仍然是求解工程问题必要和 不可或缺的手段 但它己不是唯一的手段 神经网络 遗传算法等人工智能学科 的兴起 为我们解决这类不确定和不确知的工程问题提供了强有力的理论基础 和应用工具 国内外不少学者正是利用这一理论基础 提出了围岩稳定性分 析的新方法 如安红刚 冯夏庭将遗传进化算法与有限元相结合 对大型洞室围 岩稳定性进行最优建模和获得全局最优解 冯夏庭 马平波运用知识发现技术 中的数据挖掘环节 对大量的工程实例数据进行知识发现 找出蕴含于工程实例 数据中的内在关系 进而利用这些关系可对类似条件下的围岩稳定性作出合理 的判断n 5 四 反分析法 自奥地利地质学家l 缪勒提蹦以充分发挥围岩自承能力为基本原理 以锚 喷支护及复合柔性衬砌为主要特征的新奥法旌工以来 改变了过去设计与旌工 的一些传统思路 它依据现场监控量测结果和信息反馈来指导施工和设计 因 此 以现场监控信息为依据 通过反演计算围岩物理力学参数来评价隧道围岩稳 定性的反演分析方法日趋完善 五 围岩分类法 在实际工程的计算与设计中 因围岩分类法简单 明了而被广泛使用 围岩 稳定性分类方法主要有s t i n i 法 f r a n k ii n 法 b i e n i a w s k i 的b m r 法和b a r t o n 等 人的o 法 以及a r i l d p a l m s t r o m 于1 9 9 5 年提出的r m i r o c km a s si n d e x 法 但 此分类方法中包含参数较多 而有些参数难以准确测定 加之岩体工程力学行为 及其变形 破坏机理的不确定性和不确知性 对此情况 不少学者采用模糊数学 的方法加以处理 日本的铃木昌次等提出了采用模糊回归分析进行岩体分类的 方法 对花岗岩 板岩及片岩地层中隧道围岩分类基准式进行了推导 中国地质 大学的于震平等以渗水结果 r q d 值及r c o 为评定因子 且在假定其评定因子的 隶属函数为正态函数的基础上 对围岩的类别进行了模糊综合评判 铁二院莫君 政等对 v 类围岩的既有n7 座隧道洞口的围岩分类 洞身的埋置深度及施工 安全程度等情况进行统计 得出不同洞身埋置深度对于围岩稳定性的隶属函数 从而推导出围岩稳定性的隶属函数 同济大学黄宏伟等采用模糊数学及层次分 析法 分析了围岩稳定性分类中的不确定因素 提出了工程类比模糊经验法 武 汉科技大学的雷学文等运用人工神经网络理论 建立了围岩稳定性分类的人工 神经网络识别模型 例 1 2 2 围岩稳定性分类方法 隧道的开挖方法 支护形式 衬砌结构类型 位置 施工管理 工期长短 投资多少以及使用中是否出现问题等都与隧道所在区域的地层条件 即它赋存 的地质环境信息和围岩条件相关 因此 一种符合客观实际的 正确的围岩分 类 是对岩体基本特性的客观反映和正确认识的结果 也是进行隧道工程设计 和施工的重要依据之一 目前各类隧道设计规范对围岩分类 分级是一致的 都是以定性的描述为 主 同时为了满足设计计算上的需要也对应提出了各类围岩的物理 力学指标 即以定性描述为主和定量指标为辅的对围岩进行综合评价的分类法 这一分类 法随着现代科学技术的发展已日渐满足不了实际需要 应逐渐向定量为主的方 向发展 随着我国交通事业的大发展 隧道建设规模 数量也在迅速扩大和增 加 这就为这一工作提供了非常有利的客观条件 围岩究竟应如何分类 怎样 由定性描述为主逐渐向定量为主的方向过度 围岩类别作为隧道工程设计的一 项综合参数 其分类方法是工程地质的主要研究内容之一 目前已有好多成果 其方法已从单指标的分类发展为目前多指标分类 1 单一的岩性指标分类阶段 般有岩石的抗压和抗拉强度 弹性模量等物理力学参数 岩石的抗钻性 4 抗爆破等工程指标 2 单一的综合岩性指标分类阶段 美国的r q d 分类法 是以修正的钻孔岩芯采取率为基础 即以5 7 1 5 毫 米或更大直径的金刚石钻用双岩芯管取得的岩芯 弃去其长度小于1 0 厘米的岩 芯段 计算它的总长度与该段钻孔应有的岩芯段长度之比的百分数表示 r q d 1 0 c m 以上岩芯累计长度 单位钻孔长度 1 0 0 1 如表卜1 所示 表1 1 岩石质最指标 此外 还有利用岩体的弹性波传播速度进行分类 其原理是岩体的弹性波 传播速度与岩体的强度和完整性成正比 其指标反映了岩石的力学性质和岩体 的破碎程度的综合因素 3 复合岩性指标分类阶段 目前已有几十种 新澳大利亚隧道方法n a t m r a b c e w i c z 1 9 6 4 岩石构 造评价方法r s r w i c k h a me ta l 1 9 7 2 南非科学和工业委员会 s c l r 的岩体 评价法r m r b i e n i a w s k i 1 9 7 3 挪威岩土工程研究所 n g i 的隧道质量指标q 分类 b a r t o ne ta l 1 9 7 4 考虑节理方向风化作用影响的修正r m r 分类 l a u b s c h e r t a y l e r 1 9 7 6 岩石持人性分类法 0 1 i v i e r 1 9 7 6 结构面间 距 岩块强度双参数分类 f a n k l i n 1 9 7 4 国际岩石力学学会分类 i s r m 1 9 8 1 铁路隧道围岩分类 交通部 1 9 7 5 等是其中的典型代表 特别是r m r 分类和q 分类 由于全面考虑了影响隧道围岩稳定性的众多因素 目前在全世界应用最 广 两种分类的关系可表示为 r m r 9 1 n q 4 4 2 r m r 分类是根据完整岩石的强度q c 或i s r q d 结构面问距 结构面形 态 结构面产状与地下水状况6 个因素 按照裂隙化岩体的r m r 分级指标评分 表对岩体各项指标进行评分 然后将6 项指标得分相加 总分即为岩体质量定 额分r m r 并根据r m r 的大小对岩体进行分级 它强调结构面发育程度及其力 学性状的作用 重视结构面走向与隧道轴线的几何关系对隧道稳定的影响 4 近些年来研究的热点问题 层次类比系统方法 吕小平 1 9 9 3 是把围岩分类的因素分为三种 第一种 为大的地质环境 它主要包括地层 构造 地形等 第二种为围岩的小环境 它包括岩体结构 结构面的发育情况 地下水的分布等 第三种为围岩的物理 力学 水理以及埋深等具体参数 这 三种因素从大到小形成了 个层次递阶关 5 系 下层元素是上层元素的具体表现 上层元素对下层元素产生影响 把用这 种层次关系表征的典型工点集合 作为一个工程地质评价模型的基础 按典型 工点的稳定性进行排序或进行聚类分析 再把新工点的稳定性权重与典型工点 的稳定性权重序列或相似序列比较 找出新工点在典型工点序列的相当位置 这样就可根据与新工点相近的典型工点围岩类别以及施工 支护等成功的设计 参数或经验教训作为新工点的设计参数 1 表卜2 公路隧道围岩分级 据 公路隧道设寸规范 j t j0 2 6 2 0 0 4 翼誊 围岩或土体主要定性特征 类别 围岩基本质量指标 b o 或修正的围岩 基本质量指标 b q 坚硬岩 岩体完整 巨整体块或巨厚层状结构 坚硬岩 岩体较完整 块状或巨层状结构 较坚硬岩 岩体完整 块状整体结构 坚硬岩 整体较破碎 巨块 石 碎 石 镶嵌结构 较坚硬岩或较软硬岩层 岩体较完招 块状体或中厚层结构 坚硬岩 岩体破碎 碎裂结构 较软岩或软硬岩互层 且以软岩为主 岩体较完整 较破碎 中薄层状结构 土体 l 压密或成岩状的粘性土及砂性土 2 黄土 q t 如 3 一般钙质 铁质胶结的碎石土 卵石土 大块石土 较软岩 岩体破碎 软岩 岩体较破碎 破碎 极破碎各类 岩体 碎 裂状 松散结构 v 一般第四纪的半干硬至硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的碎石 渤 伽 护可长期自稳 基本稳定 除弹性变形外还有局部块体的位移和掉块 局部块体破坏后 不影响其他部位的稳定性 其他部位无支护可长期自稳 稳定性差 可短期t l 稳 但不能长期自稳 易发生岩层弯折 松弛塌落 脆性破坏等变形破坏 但 次破坏规模不大 不稳定 只能暂时 几小时或几天内 不塌方 但变形一直持续发展 破坏形式可以从局部到整体 从小规模到大规模 很不稳定 不支护无自稳能力 必须超前及时支护 或采取预加固措施 才能保证施工的安全 塌方的规模往往很大 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淮南洞山隧道项目 扩大城市规模 拓展发展空 间 对接长三角地区 增强城市竞争力 构筑 两淮一蚌 重点项耳一一洞山 隧道施工监控量测项目 选中勘察资料 设计资料和施工量测监控数据为课题 的基本资料 洞山隧道左线长9 1 0 m 右线长9 1 3 m 隧道全长1 8 2 3 m 隧道围岩主 要是弱风化石灰岩 弱风化砂质页岩 围岩类型i i 类 1 3 2 课题的目的及意义 通过隧道围岩稳定性分类的研究 对隧道围岩稳定性做出合理的评价 为 现场施工决策提供科学的依据 课题的意义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稳定性分类系统 为岩土力学理论与实践的发展提 供了新内容 1 3 3 本文主要研究内容 本文主要研究内容有以下几方面 1 介绍了隧道围岩稳定性分类的研究现状 指出了其中的不足 提出 建立围岩稳定性分类系统的必要性和可行性 2 介绍了洞山隧道的工程地质概况 3 介绍了影响隧道围岩稳定性的各种因素 各种因素的作用机理 4 介绍了人工神经网络的原理 应用m a t l a b 神经网络工具箱建立隧道 围岩稳定性分类系统 对系统进行训练 检验 5 应用训练好的神经网络系统对隧道围岩进行分类 并对隧道围岩稳 定性进行分析以及施工过程中应该注意的问题 第二章淮南市山南新区洞山隧道工程概况 洞山隧道是淮南市城市总体规划中穿越舜耕山段两条隧道中其中的一条 位于规划的城市干道一一陈洞南路上 如图2 1 中位置 洞山隧道是连接规划 6 0 万人口的山南新城区与北山老城区的主要城市通道之一 洞山隧道的建设是 落实淮南市 东进南扩 城市发展战略的重要举措 是实施淮南跨越式发展 推进城市化进程 建设山水园林城市的重要步骤 洞山隧道建成后将大大地缩 短了淮南市与已开工建设的合淮阜高速公路对接的距离 方便了新老城区的交 通 对淮南市扩大城市规模 拓展发展空间 对接长江三角地区 增强城市竞 争力 构筑 两淮一埠 城市群中心城市地位 全面建设小康社会 构建和谐 淮南起巨大推动作用 洞山隧道工程为左右分离式单向行车隧道 隧道全长约 9 3 0 m 属中隧道 隧道为城市i i 级快速干道 双向四车道 单向行车 设非机 动车道及人行道 设计车速4 0 k m h 隧道净宽 1 4 5 0 m 净高 5 o m 机械通 风 路面设计荷载 公路一一i 级 躞国j 一 一 匦豳 毯j i 辑寰山l u 一一 隧道 落 公路 图2 1 淮南市洞山隧道位置图1 5 0 0 0 0 2 1 隧址区自然条件 2 1 1地理位置及地形地貌 洞山隧道位于淮南市市区南部 距离市区仅1 5 k m 交通便利 隧道为左 右分离式曲线中隧道 隧址地貌单元属江淮波状平原的丘陵区 区内地形微起 伏 分布标高为6 4 2 9 1 6 7 5 7 m 地形总体特征是 中部高 南 北两侧低 东部为一凹口 隧址处于高丘的边坡及丘顶部位 高丘走向基本为东西向 丘 顶浑圆 丘坡较缓 北坡坡度8 1 6 南坡坡度9 2 0 高坡北部植被茂密 南坡植被破坏严重 现为植树造林区 2 1 2 水资源及气候 隧址区处于我国南北气候过渡带 气候特征是 温暖湿润 四季分明 雨 量适中 光照充足 无霜期2 3 0 天左右 区内年平均气温1 5 3 c 年极端最高 气温4 1 4 c 1 9 8 8 年7 月 年极端最低气温一2 1 7 1 9 9 0 年2 月 多年平 均降水量9 5 4 8 m m 降雨年际 年内分布不均 年最大降水量1 6 1 2 0 m m 1 9 9 6 年 年最小降水量5 6 4 1 m m 1 9 7 8 年 年内降水多集中在6 8 月份 占全年 总降水量的5 0 以上 年平均蒸发量1 4 0 9 8 1 4 5 9 4 m m 最大蒸发量2 1 3 0 3 m m 以5 8 月蒸发最强 最小蒸发量7 1 0 7 m m 多年平均相对湿度7 6 o 一7 9 5 区内光 热 水资源丰富 但是 由于受季风影响 冷暖气团交替 灾害性天 气较为频繁 洪涝灾害较严重 每年的6 月下旬至8 月 区内常出现大面积持 续性暴雨及阴雨天气 并易产生崩塌及滑坡等地质灾害 2 2 工程地质条件 2 2 1隧址区地层岩性特征 隧址区地层隶属华北地层区 淮河地层分区 淮南地层小区 隧址所在区 域内 为一走向近东西的淮南倒转单斜构造 舜耕山东西向区域性断裂从隧道 北部穿过 隧址区发育的主要地层有 寒武系下统镘头组 1 1 1 中统毛庄组 e m 徐庄组 2 x 张夏组 z 上统崮山组 g 土坝组 3 t b 奥陶系下统贾汪组 0 1 j 肖县组 0 x 马家沟组 0 m 第四系上更新统 q 3 前第四系地层总体走向1 0 0 倾向南 倾角7 5 具体岩性分述如下 寒武系 1 下统 馒头组 m 分布于隧址区外南部 分为上 中 下三段 隧址区为满 头组上段 上段为紫红 黄绿色页岩 钙质页岩和灰色中厚层灰岩 泥岩灰岩 互层 厚1 1 6 m 2 中统 毛庄组 m 分布于y k l 4 6 6 z k l 4 6 9 至测绘区外南部 与馒头组整合 接触 厚8 2 m 分为上 中 下三部分 下部为灰色中厚 厚层灰岩 灰岩由 钙 泥质混杂 而显示云朵状构造 或有不规则泥质团状 中部为灰 灰黄色 薄 中厚层具微细层理泥质灰岩 含粉砂质泥质灰岩 有时见竹叶状灰岩 厚 3 2 4 8 m 顶部为灰色中焉 厚层灰岩 鲕状灰岩 含海绿石泥质灰岩 9 徐庄组 2 x 分布于y k l 3 1 7 y k i 4 6 6 z k i 3 1 8 z k l 4 6 9 段 与毛庄 组整合接触 厚1 4 5 m 分为上 中 下三段 下部为灰色薄 中厚层泥质灰岩 由于岩石中含泥质不均匀 风化后泥质高者呈灰黑色突起 状如豹皮 偏上夹 少量海绿石灰岩及藻类灰岩 可作一级水泥和冶金溶剂原料 厚1 6 m 中部为 黄绿 棕黄色薄 中厚层细粒长石石英砂岩及紫红 灰绿色页岩与深灰色中厚 层灰岩互层 厚1 4 4 m 隧道出口出即位于该岩性段 上部为灰色中厚层 厚层 含海绿石 自云质灰岩 灰岩 鲕状灰岩 藻类灰宕 厚i 5 m 分布于采石场 南缘 张夏组 z 分布于y k l 1 6 5 y k l 3 1 7 z k l 1 6 8 z k l 3 1 8 段 与徐庄 组整合接触 厚1 4 5 m 分为上 下二段 下部为灰色中厚 厚层鲕状自云质灰 岩 灰岩 部分灰岩可作水泥原料 厚7 7 m 上部为灰色厚层 块状鲕状白云 质灰岩 灰岩 鲕状灰岩 厚7 8 m 3 上统 崮山组 3 9 分布于y k l 0 4 3 y k i 十1 6 5 z k l 0 4 8 z k l 1 6 8 段 与张夏 组整合接触 厚i 5 6 m 分为上 下二段 下段为灰 灰黄色薄 中厚层鲕状灰 岩 厚8 m 上段为浅灰色中厚 厚层白云岩 鲕状白云岩 上部含硅质团块 厚1 4 8 m 土坝组 t b 分布于y k 0 9 6 6 y k l 0 4 3 z k o 9 7 4 z k l 0 4 8 段 与崮 山组整合接触 厚3 6 m 下部为浅灰色厚层硅质白云岩 鲕状白云岩 该组岩 石岩溶发育 岩石表面风化后白云质流失 硅质突出呈孔洞状或蜂窝状外貌 顺层裂隙发育溶洞 老虎洞即位于该层位 厚2 9 m 上部为浅灰色厚层自云岩 局部含硅质团块 厚度7 m 奥陶系 0 1 下统 贾汪组 0 j 分布于y k o 9 4 6 y 9 6 6 z k o 9 5 4 z k o 9 7 4 段 厚1 9 5 m 与土坝组呈断层接触 为灰绿色 灰黄色薄层泥灰岩 岩石风化较为厉害 沿 层理面钙质流失 泥灰岩风化成泥岩 肖县组 0 x 分布于y k o 6 0 4 y k o 9 4 6 z k o 6 0 4 z k 0 9 5 4 段 厚3 2 4 3 6 0 m 下段为灰褐色中厚层 厚层具微细层理自云质灰岩与灰黄色薄 中厚层 含泥质灰岩泥质灰岩白云岩 白云岩互层 厚1 9 0 2 4 0 m 下段岩性稳定 为 褐灰色中厚 厚层灰质白云岩 含灰质白云岩 白云岩夹灰黄色薄层含泥质灰 岩极少量灰白色中厚层 厚层含自云质灰岩 厚9 0 1 7 0 m 马家沟组 0 j l 分布于y k o 6 0 4 z k o 6 0 4 以北地段 与肖县组整合接触 厚1 1 9 m 分上 中 下三个岩性段 下段为褐灰色厚层 块状豹皮状含隧石结 核白云质灰岩 由于岩石中含泥质不均匀 风化后泥质高者呈灰黑色突起 状 如豹皮 厚2 0 m 中段为褐灰色中厚 厚层灰质自云岩 厚3 9 m 上段为灰色中 1 0 厚层自云岩 夹豹皮状自云质灰岩 厚度5 3 m 该段为隧道入口处 顶部为褐 灰色薄层白云岩 厚7 m 第四系 上更新统 q s 残坡积层 岩性为棕黄 棕红色含铁锰结核及钙质结核亚 粘土 厚度1 0 5 5 m 分布于隧址区的南北两端 2 2 2 隧址区地质构造 本隧道受南北向垂直压应力的影响 区内以东西向构造为主 隧址区内共 查明7 条断层 其中区域性断层l 条 局部断层6 条 隧址区内仅发育有淮南 单斜构造 节理 裂隙较发育 1 断层 隧址区内共查明7 条断层 一条近南北向 六条近东西向 其中区域性断 层1 条 局部断层6 条 各断层特征描述如下 舜耕山逆冲断层 f 1 为区域大断裂 洞山断裂的部分 位于淮南舜耕山 北麓 断层走向东西向 长数十公里 该断层具有长期活动性 据钻孔控制 明显存在二期活动 早期下古生界逆冲至石炭二叠系之上 断层面倾向南 倾 角6 0 后期又发育一组近直立的冲断层 以南侧相对上冲为主 两次活动均 以压性为主 为逆冲断层 f 2 位于洞山南坡 岩石破碎 呈近东西带状分布 推测长度6 8 0 m 走向 近东西 倾角近于直立 构造破碎带宽6 8 m 断层南盘上升 使得肖县组地层 重复变厚 f 3 位于洞山南坡 走向近东西 倾向南 倾角约8 0 4 断层沿贾汪组与 土坝组的接触带分布 断层性质为正断层 贾汪组薄层泥质灰岩在该区属软岩 性 在地形上却形成陡壁 陡壁高一般为5 7 m 坡度7 5 9 0 沿陡壁土坝 组厚层灰质白云岩下落 并有一宽约5 m 的破碎带 f 4 位于东采石场 见构造角砾岩 角砾成分与围岩成分一致 为自云质灰 岩 胶结物为方解石 胶结紧密 角砾棱角分明 砾径大小不一 最小砾径3 m m 最大砾径2 0 4 0 m m 角砾岩带宽8 2 0 m 走向近东西 倾向南 上盘约2 m 宽 的薄层泥质灰岩 f 5 位于东采石场 可见一宽约3 m 的构造角砾带 走向近东西 倾向南 角砾成分与围岩成分一致 为白云质灰岩 胶结物为方解石 胶结紧密 角砾 棱角分明 砾径大小不一 最小砾径3 m m 最大砾径2 0 x 4 0 m m f 6 位于隧道出口南约1 5 0 m 的位置 地貌上为一凹地 寒武系下统馒头组 钙质页岩及薄层泥质灰岩破碎成碎石子状 破碎带宽约3 m 断层走向近东西 f 7 自洞山东凹口处至工程出口处 走向近南北 倾角近于直立 洞山东 凹口两侧岩壁的顺层裂隙及软夹层连续性差 洞l b 侧北移 凹1 3 东侧南移 有 错位现象 凹口东侧沿层走向拖拉现象 并沿走向不连续 说明断裂带至少2 条 沿断层带南端有两个老泉眼 沿断层带北端洞山东侧凹v i 处 有一渗水点 2 褶皱 区域内仅发育淮南单斜构造 淮南单斜构造形成于海西 印支期 组成地 层自南至北为倪园组至石千峰组 走向近东西 倾向南 倾角7 0 8 0 为一 南倾的倒转单斜 拟建隧道纵穿该单斜构造 3 节理 隧址区内节理裂隙发育 2 3隧址区水文地质条件 1 地表水 拟建工程位于地表分水岭部位 拟建工程东侧洞山东坡的凹口至测区南外 围一水库大坝为一条地表水系 该水系受大气降水的控制 雨天水流较大 而 晴天则断流 2 地下水 隧址区地下水位变化较大 测区有两个老泉眼 地面标高分别为9 5 m 9 0 m 称为和尚泉 8 0 年代中期随着矿山的开采 地下水位发生变化 和尚泉一处完 全枯竭 一处仍有少量出水 地下水位标高受地形控制 地势高地下水位高 地势低地下水位低 洞山 东坡的凹口观测点处 地面标高为1 0 9 m 位于路面 无论天晴天阴此点一直潮 湿 该出水点应代表此处的地下水位标高 天然状态下测绘区地下水受大气降水的垂直补给 并由地下分水岭分别向 北 南径流 地下径流方向受地形控制 地下水通过泉水 溪水形式排泄于地 表 人工开采也是地下水的排泄形式之一 根据区域水文地质资料及附近工点 的水质分析资料 地下水对混凝土无腐蚀性 3 含水岩层 按含水介质 空隙类型和地下水的存赋条件 调绘区含水岩层类型可划分 为碳酸盐类裂隙溶洞水 碎屑岩类裂隙水与松散岩类孔隙水三种类型 2 4 隧址区不良地质现象 隧址区主要不良地质作用为 岩溶 防空洞 崩塌和洞口浅埋段 区域岩溶主要发育予寒武系张夏组和奥陶系马家沟组 隧址区除张夏组和 马家沟组中普遍见有蜂窝状 豹皮状地表溶蚀现象外 其溶洞分布主要受控于 f 3 断层 沿f 3 断层两侧小溶洞多见 其中以土坝组最为发育 小溶洞沿岩石 层面分布洞径5 5 0 c m 洞深3 0 1 0 0 c m 规模较大的溶洞仅见一处 位于洞山 的南坡 俗称老虎洞 洞口呈椭圆形 洞口高约2 o m 宽约3 5 m 洞室高约 6 3 m 南北迸深2 6 m 东西向延伸约1 5 m 洞室东侧向下分为两个竖井 竖井 直径约1 5 m 深约2 0 m 该地段不仅发育溶洞 而且溶蚀裂隙发育 裂隙的宽 度最大达2 m 裂隙内均为亚粘土充填 因此隧道开挖过程中 会引发洞体局部 坍塌 特别是溶洞 裂隙发育部位可能性较大 进而导致对应地表开裂 变形 特别是雨季施工过程中 雨水会携带土体下泄 进入隧道 影响旌工 严重时 造成地表局部地段的变形破坏 防空洞主要分布洞山北部 共两条 呈倒 入 字 肪空洞底标高 8 7 o 8 8 o m 一条防空洞走向为l7 4 大致与拟建隧道工程平行 两者相距1 8 5 2 m 防空洞长度为2 1 8 m 洞高4 o m 跨度6 o m 另一条防空洞走向为6 19 长度 2 1 8 m 洞高6 m 该条防空洞分别在z k 0 8 5 3 左线 y k o 8 8 0 右线 与拟建隧道 相交 防空洞位于拟建工程上部 底板距拟建隧道项板高度约1 2 m 防空洞与 拟建隧道相交部位为中厚 厚层石灰岩 因y k o 8 8 0 右线 距f 2 东西向断层约 为2 4 m y k o s 8 0 右线 处l 4 节理较为发育 可能与防空洞形成贯通裂隙 影 响拟建隧道顶板稳定性 隧道的开挖中会引发洞体局部坍塌 特别是溶洞 裂隙发育部位 隧道洞 口浅埋段 洞顶围岩厚度较薄 进洞口段岩溶发育 出口段岩石风化强烈 强 度较低 易产生洞顶坍落 冒顶 2 5 隧址区地震基本烈度 评估区地震活动的强度 频度相对比较低 属中弱发震区 根据多年地震 资料记载 自公元1 4 7 年以来 区内主要是受邻近地区地震的波及影响 发生 于本市区的破坏性地震仅一次 即1 8 3 1 年9 月2 8 日发生于风台的地震 地震 震级为6 2 5 级 曾对淮南市区发生一定的影响 本区地震动反应谱特征周期为 0 3 5 s 地震动峰值加速度分区为0 1 0 9 第三章影响隧道围岩稳定性的因素分析 隧道围岩的稳定性对隧道的设计 施工咀及以后的使用和维护都是至关重 要的 众多的理论研究和工程实际表明隧道围岩的稳定性不仅与岩石物理力学 的性质 岩体的结构与构造 岩体的天然应力状态 地下水 地质构造等自然 因素有关 而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关 但其中 起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构 岩体的天然应力状态 地质构造 地下水等自然因素 因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理 才能够客 观实际的对围岩进行分级采取相应的维护隧道围岩稳定的措施 3 1 岩石性质及岩体结构对围岩稳定性的影响 围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性 是影响 围岩稳定性的基本因素 岩体是自然历史的产物 是自然界经历漫长地质年代 面形成的产物 不同成因 不同岩性 不同结构的岩体 其稳定性各不相同 表3 1 不同岩石物理力学参数表 决定围岩强度和变形特征的主要因素之一是岩石的岩性 如新鲜的火成岩 大多强度较高 变形小 而沉积岩则因其层厚及胶结物的不同 其物理力学性 质就大不相同 如表3 1 所示 如厚层砂质灰岩强度高 薄层泥质灰岩强度就 低 不同的岩性其各向异的程度也各不相同 变质岩由于变质作用 在物理力 学性质上往往表现出各向异性的性质 不同岩性的岩石还会产生一些与某些自 然特征或工程活动相关的不稳定因素 比如灰岩或岩盐中可能有溶洞问题或成 为地下水的通道 引起隧道地下水涌水或突水 某些薄层沉积岩和变质岩会产 生围岩剧烈变形问题 岩盐和沉积岩有蠕变问题 一些含粘土矿物的泥质岩类 及石膏产生遇水膨胀等问题 岩体中还有在成岩或变质过程中形成的各种结构面 结构面是指岩体中各 种不同成因和不同特性的地质界面 它包括物质的