邻近断层洞室围岩稳定性仿真试验研究

论文摘要

本文着眼于地下洞室工程当前的发展现状,针对信息化施工关键难题——信息反馈速度难以适应信息时效性的要求——进行系统研究,着力于寻求解决方案。本文通过大量的系统仿真试验,针对裂隙岩体中洞室的变形稳定性的众多影响因素分别进行讨论,得到了一些定性的规律性的认识和大量数定的结论。并尝试运用人工智能科学,将大量的数定性结论建成为可以直接为工程实际服务的自动化工具,不仅实现了对工程中需要的物理概念的量化,而且可以对洞室稳定性的提供快速的分析和评价。这就有望解决施工信息化的难题,为施工信息化进一步发展和在地下洞室工程中的应用提供智力支持。本文研究工作的主要进展和结论可归纳为以下五个方面:1)为了给近洞断层对硐壁变形的影响建立量化的概念和形象的认识,本文提出断层对变形影响系数的概念:在埋覆深度、地应力条件、围岩物理力学参数和性质均相同的条件下,同一洞室或尺寸完全相同的两个洞室中某一关键点,其在断层影响下的位移值与无断层影响时该点位移值之比称为断层对洞室该关键点的变形影响系数。2)在系统仿真试验的基础上,针对断层对变形影响系数随各因素变化规律和其敏感性进行了较详细的研究,得出重要结论:断层对变形影响系数(α,β_l,β_r)主要与断层分布、地应力系数、围岩类型等因素有关,在一定范围内与洞室埋覆深度、跨度、高跨比、喷层支护厚度等因素无关。3)通过大量的仿真试验,对不同地应力条件、不同围岩类别条件下的洞周一倍洞径内两条断层的分布以及所有组合形式对洞壁围岩变形的影响进行了系统的研究,得到了大量的量化实验结果,最终将其总结整理成为一套完整的表格,为工程人员对断层影响进行量化评价提供可靠的依据。4)提出了地下洞室变形稳定性分析的查表法,以云南鲁地拉水电站导流隧洞工程为例详细讲解了该方法的操作步骤,并对该方法进行了合理的适应性评价。此方法的建立,为充分利用宝贵的现场监测资料信息,更好地发挥工程现场信息的指导作用,提供理论依据和方便有效的工具。5)在考虑大型结构面不同分布位置、倾角在施工过程中对洞室围岩稳定性影响的系统仿真试验的基础上,结合洞室工程专家经验,构建并行分区的大规模神经网络预测模型,采用两套独立的模型互补的方式,开发了面向工程设计人员的,能够考虑断层位置、倾角、断层组合形式、地应力场、围岩物理力学参数、洞室埋深、跨度、高跨比以及喷层混凝土厚度共13项因素,对洞壁变形和支护结构内力智能化分析预测的系统。并结合人工智能科学发展尚不完善的现状,提出了人脑辅助电脑、运用专业知识尽可能减轻网络学习的负担这一务实的观点,有效地避开了盲目追求数字化而带来的瓶颈。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 围岩稳定分析研究的历史与现状
• 1.3 结构面对隧洞围岩稳定影响研究现状
• 1.4 新奥法喷锚支护理论与设计研究现状
• 1.4.1 喷锚支护理论研究概况
• 1.4.2 喷锚支护设计方法现状
• 1.4.3 锚喷支护的数值分析现状
• 1.5 人工智能方法研究现状
• 1.6 本文研究背景、思路与工作内容
• 1.6.1 研究背景、意义
• 1.6.2 研究思路、方法
• 1.6.3 研究内容
• 2 数值仿真试验理论
• 2.1 引言
• 2.2 分析区域与边界条件的确定
• 2.2.1 分析区域
• 2.2.2 边界条件
• 2.2.3 初始地应力场的确定
• 2.2.4 计算参数的选取
• 2.2.5 应力～应变关系与破坏准则
• 2.2.6 各种材料的模拟模型
• 3 无断层影响的城门洞形隧道的变形稳定性系统研究
• 3.1 引言
• 3.2 埋深对洞室变形稳定的影响
• 3.2.1 试验方案
• 3.2.3 仿真试验结果
• 3.3 构造地应力对洞室变形的影响
• 3.3.1 试验方案
• 3.3.2 仿真试验结果
• 3.4 洞室跨度对洞室变形的影响
• 3.4.1 试验方案
• 3.4.2 仿真试验结果
• 3.5 洞室高跨比对洞室变形的影响
• 3.5.1 试验方案
• 3.5.2 仿真试验结果
• 3.6 围岩物理力学参数对洞室变形的影响
• 3.6.1 试验方案
• 3.6.2 仿真试验结果
• 3.7 喷层厚度对洞室变形的影响
• 3.7.1 试验方案
• 3.7.2 仿真试验结果
• 3.8 基于神经网络技术的无断层洞室变形预测系统的实现
• 3.8.1 BP神经网络理论概述
• 3.8.2 无断层地下洞室变形预测模型的建立
• 3.9 小结
• 4 断层对变形影响系数概念的提出与灵敏度分析
• 4.1 断层对变形影响系数概念提出的背景
• 4.2 断层对变形影响系数的概念定义
• 4.3 断层对变形影响系数灵敏度分析
• 4.3.1 灵敏度的定义
• 4.3.2 分析思路与研究方案
• 4.3.3 对埋深变化的灵敏度分析
• 4.3.4 对地应力场变化的灵敏度分析
• 4.3.5 对洞跨变化的灵敏度分析
• 4.3.6 对高跨比变化的灵敏度分析
• 4.3.7 对喷层厚度变化的灵敏度分析
• 4.4 小结
• 5 断层影响下洞室变形稳定系统分析
• 5.1 仿真试验方案简介
• 5.2 断层分布部位及断层组合形式对地下洞室稳定性影响研究
• 5.2.1 引言
• 5.2.2 断层组合形式的定义
• 5.2.3 仿真试验成果
• 5.2.4 小结
• 5.3 断层距开挖轮廓距离对地下洞室稳定性影响研究
• 5.3.1 拱顶部位断层组合
• 5.3.2 拱肩部位断层组合
• 5.3.3 边墙部位断层组合
• 5.4 不同地应力场中断层对洞室围岩稳定性影响研究
• 5.4.1 引言
• 5.4.2 项拱部位断层组合
• 5.4.3 拱肩部位断层组合
• 5.4.4 边墙部位断层组合
• 5.5 不同围岩类型中断层对地下洞室稳定影响研究
• 5.5.1 引言
• 5.5.2 顶拱部位断层组合
• 5.5.3 拱肩部位断层组合
• 5.5.4 边墙部位断层组合
• 6 隧洞变形稳定性分析查表法的建立与适应性评价
• 6.1 隧洞变形稳定性分析查表法的建立
• 6.2 洞室变形稳定性分析查表法应用举例
• 6.3 查表法适应性评价
• 7 裂隙岩体洞室稳定性预测网络模型与稳定性评价专家系统
• 7.1 裂隙岩体洞室稳定性预测网络模型
• 7.1.1 引言
• 7.1.2 同时考虑多因素变化的影响
• 7.1.3 洞室稳定性的预测模型建立
• 7.2 稳定性评价专家系统
• 7.2.1 洞室整体稳定性评价模块
• 7.2.2 支护结构强度稳定性评价模块
• 7.2.3 支护方案调整决策功能模块
• 8 结论与展望
• 9 致谢
• 10 参考文献
• 笔者攻读硕士学位期间从事的实践工作和主要成果