基于不确定性理论的隧道地质灾害评价方法

摘要

在隧道工程建设过程中，隧道工程地质灾害的影响因素和影响机理存在明显的不确定性，传统的确定性分析方法难以体现这一特点。因此，开展基于不确定性理论的隧道地质灾害评价方法研究具有重要的理论与工程实际意义。为此，本文针对围岩质量分级和隧道工程塌方、岩爆、岩溶突水等隧道工程地质灾害问题，引入组合评价方法、集对分析方法、D-S证据理论以及区间非概率可靠性方法等不确定性分析方法，根据围岩质量分级特征和不同的隧道工程地质灾害特征分别建立出了与其相适应的不确定性分析与评价方法。
　　本文首先对隧道围岩质量分级方法进行研究。针对现有隧道围岩质量分级方法评价结果存在的非一致性问题，引入组合评价思想，选取多种已有围岩质量分级方法作为基础分级方法，建立出融合各基础分级方法优点的隧道围岩质量分级组合评价计算模型。然后考虑到不同基础分级方法评价指标的物理意义和量纲不同，本文建立出评价指标的标准化方法，使不同基础分级方法评价结果具有可比性，以解决组合评价计算模型的组合计算方法问题。并针对不同基础分级方法评价结果的合理性存在差异的特点，引入漂移度概念，建立出基础分级方法合理程度的度量方法，并在此基础上提出基础分级方法权重分配的合理确定方法，进而建立出基于漂移度的隧道围岩质量分级组合评价方法。
　　对于隧道塌方研究问题，本文首先在深入研究山岭隧道塌方风险影响因素的基础上确定出主要影响因素，并建立隧道塌方风险的二级综合评价模型。然后，针对各评价指标确定与不确定性信息并存的特点，引入集对分析理论，建立出联系度评价矩阵，从同一、差异和对立三个方面全面刻画被评价指标与各风险等级的同一对立程度；同时，考虑到各评价指标重要程度的不确定性、专家认知的局限性以及专家可信度的差异性，建立基于群组决策不确定型层次分析的权重确定方法，进而建立出山岭隧道塌方风险的集对分析方法。
　　然后，本文对隧道的岩爆灾害预测方法进行研究。首先选取多个单一岩爆判据建立岩爆复合判据，以体现围岩应力状态、岩石的岩性以及岩石储存的弹性应变能等因素对岩爆发生可能性和烈度的影响。然后针对多个岩爆判据信息融合时的特点，引入D-S证据理论建立多个岩爆判据的合成规则，其既能体现各岩爆判据之间信息的一致性，也能够考虑各岩爆判据之间信息的冲突性。此外针对现有基本概率分配函数确定方法存在的不足，并考虑到岩爆判据分级标准具有明显的区间特性，引入区间数距离定义并对其数学定义进行改进，建立出基于区间数距离的基本概率分配函数确定方法。从而最终建立出基于D-S证据理论的隧道岩爆预测方法。
　　此外，本文对剪切破坏模式下的隧道掌子面防岩溶突水安全厚度进行了研究。首先对不同初始地应力场类别下的地应力特征进行分析，从而为隧道掌子面岩墙抗剪切破坏时剪切面上法向应力的确定方法提供客观合理的依据。隧道开挖会造成围岩应力的重分布，隧道开挖前后的围岩应力状态存在明显不同，本文基于这一特征建立出掌子面岩溶突水剪切破坏模式下的剪切面法向应力计算方法。最后针对工程中相关参数具有的区间不确定性特征引入区间非概率可靠性分析方法从而最终建立出隧道掌子面岩墙防岩溶突水的安全厚度区间非概率计算方法。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 隧道围岩质量分级方法研究现状

1.3 隧道塌方研究现状

1.4 岩爆研究现状

1.5 隧道岩溶突水灾害研究现状

1.6 本文研究方案及内容

第2章 隧道围岩质量与地质灾害影响因素分析

2.1 概述

2.2 隧道围岩质量影响因素分析

2.3 隧道塌方影响因素分析

2.4 隧道岩爆影响因素分析

2.5 隧道岩溶突水灾害影响因素分析

2.6 讨论

2.7 本章小结

第3章 基于漂移度的隧道围岩质量分级组合评价方法

3.1 概述

3.2 组合评价方法简介

3.3 基于漂移度的围岩质量分级组合评价方法

3.4 工程实例

3.5 本章小结

第4章 隧道塌方风险的集对分析方法

4.1 概述

4.2 风险分析基本原理与常用风险评估方法

4.3 集对分析理论简介

4.4 隧道塌方风险的集对分析方法

4.5 工程实例

4.6 本章小结

第5章 基于D-S证据理论的岩爆预测方法

5.1 概述

5.2 D-S证据组合基本理论

5.3 岩爆发生机理与常用判据

5.4 基于D-S证据理论的岩爆预测方法

5.5 工程实例

5.6 本章小结

第6章 隧道掌子面防突水安全厚度的区间非概率可靠性方法

6.1 概述

6.2 区间非概率可靠性分析基本理论

6.3 隧道掌子面防突水安全厚度的区间非概率可靠性计算方法

6.4 工程实例

6.5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间论文、科研及获奖情况