隧道围岩动力稳定性研究与时间序列建模分析

论文摘要

作为西部开发省际通道渝湘高速公路武隆至水江段的控制性工程——白云隧道具有地质条件复杂、埋深大、隧道长等特点,施工中将遇到破碎带、褶皱、岩溶、揭煤、瓦斯等不良地质现象。对这种具有复杂地质条件的隧道围岩动力失稳及破坏机理进行深入系统的研究具有重要的理论和工程意义。本文对白云隧道掘进过程的进行了现场调研、室内试验研究、围岩失稳破坏的理论分析、隧道开挖全过程的数值模拟、拱顶下沉的ARMA时间序列建模及预测分析,具体表现在以下几个方面:（1）重点研究区域的现场调研及弹性波测试表明:白云隧道各类岩石的刚度和强度均较高,围岩中灰岩弹性波速在25004900m/s之间,泥页岩弹性波速在21003700m/s之间,围岩完整性系数在0.560.78之间,并以些对围岩类别进行了分级。（2）利用自行研制的准平面应变试验装置,对白云隧道洞身段泥页岩变形局部化破坏方式进行了试验研究,得到了泥页岩局部化剪切带的倾角与加载速度之间的类对数关系和剪切带形式。（3）利用自行研制的三轴蠕变试验系统,对白云隧道洞身段泥页岩进行了卸围压蠕变试验,研究隧道开挖后岩体卸荷过程中的失稳破坏机理。试验结果表明,卸荷水平对岩体稳定性有较大影响,卸荷水平越低围岩变形越大、出现加速变形的时间越短。研究成果对白云隧道的开挖方式及初期支护相对时间的确定有重要的工程实际意义。（4）将隧道围岩上覆岩层简化为弹塑性双参数基础梁力学模型,经数学推导和力学分析得到了拱顶上覆岩层挠曲线、隧道围岩变形弹性基础梁挠曲线和拱顶下沉的理论模型。（5）针对白云隧道的特点,选取隧道深埋、浅埋、断层破碎带等典型断面进行静力和动力有限元模拟分析,得到了在开挖、支护与地震等不同工况下隧道施工过程的应力演化、衬砌、锚杆的受力情况。（6）利用动态时间序列及自回归滑动平均的原理,对白云隧道YK46+180断面的拱顶变形进行了模拟,建立了基于ARMA模型和自回归（AR）模型的拱顶下沉预测模型,结果表明利用时间序列模型对隧道施工过程中的围岩变形进行动态建模分析及预测是可行的,比静态建模有更高的精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究意义及选题依据
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 隧道施工地质灾害及其研究现状
• 1.2.2 隧道围岩稳定性研究
• 1.2.3 隧道抗震研究概况
• 1.2.4 隧道变形监测时间序列研究
• 1.3 主要研究内容和技术路线
• 1.3.1 主要研究目标和内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 白云隧道地质灾害现场调研
• 2.1 隧道地质灾害类型及成因
• 2.1.1 隧道地质灾害类型
• 2.1.2 隧道地质灾害成因及预报
• 2.2 白云隧道工程地质概况
• 2.2.1 气象水文条件
• 2.2.2 地形地貌
• 2.2.3 地层岩性
• 2.2.4 地质构造及地震
• 2.3 白云隧道穿煤、压煤及煤矿采空区概况
• 2.3.1 穿煤
• 2.3.2 压煤
• 2.3.3 煤矿采空状态
• 2.3.4 瓦斯等有害气体
• 2.3.5 区域稳定性、地应力及地温
• 2.3.6 岩溶的分布与规模
• 2.3.7 隧道不明气体涌出段施工处治
• 2.4 本章小结
• 3 白云隧道围岩动力稳定性试验研究
• 3.1 岩体物理力学性质试验
• 3.1.1 基本试验方法
• 3.1.2 岩体物理力学试验成果
• 3.2 围岩弹性波速现场试验
• 3.3 隧道围岩分级
• 3.4 深埋段泥岩和页岩平面应变局部化试验研究
• 3.4.1 平面应变局部化原理
• 3.4.2 平面应变局部化试验
• 3.5 深埋段泥页岩卸围压蠕变试验研究
• 3.5.1 三轴卸围压蠕变试验设计与方法
• 3.5.2 试验结果分析
• 3.5.3 卸围压蠕变试验的工程意义
• 3.5.4 泥页岩蠕变模型分析
• 3.6 本章小结
• 4 隧道掘进的力学机理
• 4.1 原岩应力状态
• 4.2 隧道掘进的力学模型
• 4.3 拱顶上覆岩层挠曲线微分方程
• 4.4 隧道围岩变形弹性基础梁挠曲线微分方程
• 4.5 基础屈服区宽度R 满足条件
• 4.6 下沉速度
• 4.7 本章小结
• 5 白云隧道施工全过程数值模拟研究
• 5.1 有限元概况及基本原理
• 5.1.1 有限元研究概况及特点
• 5.1.2 有限元基本原理
• 5.2 模型的建立
• 5.2.1 数值计算模型的处理
• 5.2.2 模型尺寸、荷载及边界条件的处理
• 5.2.3 模型网格的划分
• 5.2.4 计算工况条件
• 5.2.5 材料参数及本构模型的选取
• 5.3 隧道开挖施工全过程有限元模拟及分析
• 5.3.1 典型深埋断面的施工全过程模拟及分析
• 5.3.2 埋深100m 断面的施工全过程模拟及分析
• 5.3.3 断层破碎带断面施工全过程模拟及分析
• 5.4 本章小结
• 6 白云隧道围岩变形的ARMA 时间序列建模与分析
• 6.1 时间序列基本原理
• 6.2 常见时间序列基本模型
• 6.2.1 AR 自回归模型
• 6.2.2 MA 滑动平均模型
• 6.2.3 ARMA 自回归滑动平均模型
• 6.3 ARMA 模型的时域特性
• j'>6.3.1 格林函数G_j
• 6.3.2 可逆函数
• 6.3.3 自相关函数
• kk'>6.3.4 偏相关函数φ_kk
• 6.4 白云隧道位移时间序列建模
• 6.4.1 隧道工程地质概况及数据采集
• 6.4.2 隧道位移趋势拟合
• 6.4.3 拟合误差x 的时间序列建模
• 6.4.4 预测
• 6.5 本章小结
• 7 结论及展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录