基于有限元模拟和贝叶斯网络的隧道开挖风险分析

论文摘要

我国正处于大规模地铁建设时期。隧道工程固有的不确定性孕育了风险,由此而导致的工程事故造成了巨大的经济损失和人员伤亡。国际上一种有效的技术政策管理手段是工程保险,而国内大型基础设施工程保险已经起步,急需建立包括技术和管理不确定性在内的风险分析模型,用于隧道工程快速预警、诊断和必要的应急维修方案决策等。这种模型不同于传统的基于可靠度理论的结构设计方法,其研究工作刚刚起步。本文将基于概率风险分析的贝叶斯网络（Bayesian Belief Network）技术应用于隧道开挖风险分析中。依据隧道开挖地层中的拱效应和土体强度发挥程度建立了隧道开挖风险分析方法。借助ABAQUS有限元软件对14个隧道开挖算例进行了有限元模拟和分析,将算例分析结果作为贝叶斯网络参数学习的案例,利用Netica?贝叶斯网络软件建立了城市地铁隧道开挖风险分析模型,并对设计案例进行了概率推理计算、最大可能解释计算和敏感性分析。结果表明,所建模型的风险分析结果比较符合实际情况。为了建立合理的隧道开挖贝叶斯网络模型,本文利用ABAQUS有限元软件对城市地铁隧道开挖的变形和稳定问题进行了研究。本文将隧道变形分解为隧道上浮、地层损失和隧道椭圆化三种基本变形模式,在平面应变条件下,对弹性土体中的这三种变形模式进行有限元模拟,并与解析解比较,吻合较好。研究表明:影响地层变形的主要因素是泊松比、相对埋深、地层损失率和隧道椭圆化程度;地层损失引起地层变形后,隧道结构本身将发生整体下沉,这一向下位移是能否较好模拟地层损失的关键。本文还对平面应变条件下Mohr-Coulomb理想弹塑性砂土中无衬砌隧道的极限支护压力问题进行了模拟,并与塑性力学上下限解进行了比较。研究表明,有限元计算结果介于Atkinson上限解和Muhlhaus下限解之间,而Atkinson下限解的正确性值得怀疑。内摩擦角影响平面应变状态下砂土中无衬砌隧道的极限支护压力,因而是研究隧道稳定性时所考虑的重要因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 研究现状综述
• 1.2.1 隧道开挖及其有限元模拟
• 1.2.2 隧道开挖的风险分析
• 1.3 研究技术路线
• 1.4 论文各章内容介绍
• 第2章 隧道开挖中的地层变形
• 2.1 隧道洞周变形模式分析
• 2.2 隧道上浮问题
• 2.3 地层损失问题
• 2.4 隧道椭圆化问题
• 2.5 沉降曲线预测
• 2.6 本章小结
• 第3章 隧道开挖极限支护压力
• 3.1 计算模型与分析方法
• 3.2 有限元结果与极限分析上下限解的比较
• 3.3 拱效应
• 3.4 破坏形态
• 3.5 本章小结
• 第4章 隧道开挖风险分析模型
• 4.1 贝叶斯网络综述
• 4.1.1 贝叶斯网络简介
• 4.1.2 条件概率与贝叶斯网络
• 4.1.3 概率推理
• 4.1.4 参数学习
• 4.1.5 贝叶斯网络软件Netica 简述
• 4.2 隧道开挖稳定性判别
• 4.3 建立隧道开挖贝叶斯网络模型的方法
• 4.4 隧道开挖贝叶斯网络案例暨有限元算例分析
• 4.4.1 拱效应强弱等级
• 4.4.2 土体状态
• 4.4.3 稳定性等级
• 4.4.4 典型算例分析
• 4.5 基于贝叶斯网络的风险分析模型及其应用
• 4.5.1 网络结构
• 4.5.2 条件概率表
• 4.5.3 模型应用：贝叶斯反演分析
• 4.5.4 模型应用：最大可能解释
• 4.5.5 模型应用：敏感性分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 考虑空间效应的平面应变模型
• 附录B 隧道稳定性指标计算结果
• 附录C 后验概率计算过程示例
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果