篮家岩隧道洞口段围岩参数反分析及施工数值模拟研究

摘要

随着国民经济的快速发展，我国修建了大量的铁路和公路，隧道等地下结构建设面临着巨大的机遇与挑战。地下工程所赋存地质体的物理力学参数对隧道工程的设计、施工和力学分析有着重要意义，关系到地下工程的安全性和经济性。然而由于地下环境的复杂性，使得这些重要的物理力学参数难以确定。为解决这一问题，本文以篮家岩隧道洞口段为研究对象，研究了基于MEABP神经网络的位移反分析方法并将反演得到的围岩参数用于主洞隧道施工数值模拟，分析了隧道施工中围岩-支护结构位移和应力特点，研究了隧道变形的全过程曲线和隧道洞壁各测点位移释放率随时间和位置的关系。本文主要研究内容和成果有以下几个方面：
　　（1）对平行导洞监测数据进行回归分析，并对隧道监测数据的稳定值进行预测。在隧道开挖空间效应的基础上，根据前人研究，参考山东大学李术才对Ⅴ级围岩上下台阶法开挖后释放率计算值，以平导PDK51+326断面为例计算了隧道测点的真实变形量。
　　（2）针对BP神经网络的缺陷采用思维进化算法优化BP网络，根据正交试验方案采用FLAC2D对平导洞正算构建位移反分析样本集，通过学习训练建立基于MEABP神经网络的位移反分析系统，并输入计算的真实变形量反演出该段隧道的围岩参数。
　　（3）根据平行导洞反演的围岩参数正算主洞隧道施工，并对K51+310断面在上下台阶开挖后的位移和应力分析，得出了隧道施工中该断面的位移和应力分布规律。
　　（4）根据主洞施工中拱顶、拱腰、拱脚以及它们中间部位的水平和竖向位移全过程曲线变化，分析了其变化趋势及原因，发现上下台阶法施工的隧道，洞壁各关键部位竖向位移变化受下台阶开挖影响比水平位移受的影响小。
　　（5）根据数值模拟中对K51+326断面的记录，研究了隧道洞壁各关键部位（拱顶、拱腰、拱脚和它们的中间部位）的位移和位移释放率随时间的变化曲线，得出了以下结论：靠近拱顶部位的位移释放率普遍偏大，沿着洞壁从拱顶到拱脚位移和位移释逐渐减小，拱脚处达到最小；测点位置固定时，测点位移及释放率随时间大致符合S曲线；时间固定时，各关键部位测点位移和位移释放率大致关于测点位置与竖向的夹角呈二次抛物线关系；由于研究问题的特殊性，将位移释放率函数简化为关于测点位置与竖向夹角?和时间t的二元函数，采用多元回归得出表达式。对比拟合误差，发现该函数在t?0附近区域有少量误差，在t?0区域且稍远离t?0的区域误差较小，回归效果较好。
　　（6）最后根据已研究的位移释放率的变化规律，结合K51+326断面实测拱顶沉降序列，采用S型曲线对实测序列进行修正，得出了隧道施工断面变形的全过程曲线表达式。

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1 绪论

1.1地下工程位移反分析的提出

1.2 地下工程位移反分析的概念及分类

1.3 地下工程位移反分析研究现状

1.4 本文主要研究内容及技术路线

2 篮家岩隧道工程概况及监测数据分析

2.1 篮家岩隧道工程概况

2.2 现场施工与监控量测

2.3 隧道监测数据的分析

2.4 本章小结

3 基于MEABP神经网络的隧道位移反分析

3.1 基于神经网络的位移反分析原理

3.2 人工神经网络

3.3 思维进化算法

3.4 平行导洞施工的二维数值模拟及其正交试验

3.5 位移反分析的实现

3.6 本章小结

4 隧道动态施工数值模拟分析

4.1 FLAC3D简介

4.2 主洞施工数值模拟

4.3 监测断面各测点位移的全过程曲线

4.4 位移释放率的研究

4.5 基于S型曲线的隧道拱顶沉降曲线的修正

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间研究成果