城市地铁施工的数值模拟与参数反分析

论文摘要

城市地铁是一种特殊的工程结构体系,不仅处于复杂多变的地质条件中而且还受到不同开挖方法和顺序等诸多因素的影响。如果施工不慎会造成建筑物开裂、倾斜,地下管线断裂等事故,给居民的日程生活带来影响。鉴于围岩稳定性在地铁设计和施工中的重要性,本论文以大连地铁香工街站为工程背景运用数值模拟分析方法和施工监控量测手段对地铁施工过程进行分析。首先,采集相关的量测数据,对施工监测数据进行处理,绘制竖井的地表沉降曲线,横通道的地表沉降、净空收敛、拱顶沉降等曲线；并进行回归分析,根据位移变化速率及位移时态曲线判别围岩稳定性。其次,采用三维显式有限差分程序FLAC3D作为计算工具,对地铁竖井及横通道的开挖过程进行数值模拟,分析不同施工步序下引起的地表沉降、支护结构内力、产生的塑区等,并将监测结果与模拟分析的结果进行差异性比较,从而分析围岩所处的状态,保证施工顺利进行。最后,针对数值分析中相关计算参数难确定的问题,利用实际监测位移数据及matlab工具箱中的BP神经网络,进行位移反分析,得到与实际量测数据较吻合的模拟计算参数,优化数值计算模型。论文采用施工量测技术与数值计算相结合的分析方法,研究总结地表沉降分布规律并预测沉降的最终值；分析施工过程中围岩的应力状态以及支护结构的受力情况,进而了解地铁施工过程围岩稳定性状态；并通过神经网络的智能反分析方法优化得到与实际工程更接近的土层计算参数,减弱土层参数对数值计算结果的不利影响,使结果更符合实际情况,帮助指导地铁施工合理选择施工方案,对防止地铁工程灾害的发生,有着重大的理论意义和现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 地铁围岩稳定性研究概述
• 1.2.1 理论研究方法
• 1.2.2 判别方法研究
• 1.2.3 研究趋势
• 1.3 主要研究内容与方法
• 第二章 工程概况
• 2.1 车站概况
• 2.2 工程及水文地质概况
• 2.2.1 场地工程地质条件
• 2.2.2 场地水文地质条件
• 2.2.3 岩土工程分析与评估
• 2.3 车站结构形式及施工方法
• 第三章 地铁施工的量测分析
• 3.1 地铁施工的监测方案
• 3.1.1 监测的目的
• 3.1.2 监测范围、时间及项目
• 3.1.3 监测的测点布置
• 3.2 数据处理及信息反馈
• 3.2.1 监测数据的处理
• 3.2.2 监测数据的分析
• 3.2.3 信息反馈
• 3.2.4 监测的判据及施工管理
• 3.3 地表沉降分析
• 3.3.1. 竖井施工的地表沉降分析
• 3.3.2 横通道施工的地表沉降分析
• 3.4 横通道顶拱沉降分析
• 3.4.1 横通道拱顶沉降的时态曲线分析
• 3.4.2 横通道拱顶沉降的回归分析
• 3.5 水平收敛分析
• 3.5.1 竖井的纵向水平收敛分析
• 3.5.2 横通道的拱肩收敛分析
• 3.6 小结
• 第四章 地铁施工的数值模拟分析
• 4.1 模拟方法及软件简介
• 4.1.1 数值模拟方法
• 4.1.2 软件简介
• 4.1.3 FLAC3D求解流程
• 4.2 数值模拟的实现
• 4.2.1 计算假设及说明
• 4.2.2 边界条件确定
• 4.2.3 结构单元选择
• 4.2.4 相关参数
• 4.2.5 建立模型
• 4.2.6 施工过程模拟
• 4.3 结构衬砌数值分析
• 4.3.1 竖井开挖后衬砌的分析
• 4.3.2 竖井二期支护后衬砌的分析
• 4.3.3 开挖横通道后衬砌的分析
• 4.4 塑性区数值分析
• 4.4.1 开挖竖井后产生的塑区分析
• 4.4.2 开挖横通道后的塑区分析
• 4.5 地表及拱顶沉降数值分析
• 4.5.1 竖井地表沉降分析
• 4.5.2 横通道地表沉降分析
• 4.5.3 横通道拱顶沉降分析
• 4.5.4 与量测数据比较
• 4.6 小结
• 第五章 围岩参数的位移反演
• 5.1 概述
• 5.1.1 围岩参数反分析发展及现状
• 5.1.2 反分析的基本概念
• 5.1.3 位移反分析的分类
• 5.1.4 常用的反分析方法
• 5.2 基于神经网络的反分析方法
• 5.2.1 BP神经网络概述
• 5.2.2 BP神经实现步骤
• 5.2.3 实验设计方法
• 5.2.4 样本的关联分析
• 5.2.5 神经网络位移反分析过程
• 5.3 工程实例围岩参数反演
• 5.3.1 计算模型
• 5.3.2 样本构造
• 5.3.3 网络建立及训练
• 5.3.4 测试网络
• 5.3.5 预测能力评估
• 5.3.6 位移参数确定
• 5.3.7 结果比对
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢