灰色系统理论在隧洞工程中的应用研究

摘要

隧洞工程是修建在地下的巷道式建筑物,由于其本身赋存环境的特殊性和复杂性,决定了隧洞工程施工是一个难度较大的技术问题。准确判断隧洞围岩的稳定性和有效控制及掌握围岩变形是隧洞工程施工和支护的一个关键环节。隧洞工程是一个复杂的灰色系统工程,是受到多种因素的共同作用和影响,特别是客观存在的水文地质因素,对工程的影响较大,因为其不确定因素太多,工程前期或者施工当中,尚不能对地质情况完全掌握也是屡见不鲜的。为此,我们就必须寻求一种新的理论或方法,在已知少量信息和数据的情况下,如何更多地预知和探索事物潜在的趋势或规律。在隧洞工程建设当中,我们不仅要做到确保安全施工,而且要提出科学合理的决策方案,实现隧洞工程安全和经济的目标。本文在系统了解和研究了灰色系统理论基本知识体系的基础上,结合隧洞工程本身的特点,进行理论和工程实际相结合,在隧洞工程中的几个关键方面做了深入的研究计算,提出了一种新的灰色评价方法和预测模型,对实际隧洞工程的建设有着很大的实用价值和指导作用。本文研究的主要内容如下：1.在总结各种围岩分类方法的基础上,制定出了多种单指标综合判定方法,利用灰色系统的关联度理论进行关联度分析计算,根据测定指标,准确判定出围岩所属级别。2.在对隧洞各种施工方案对比分析的基础上,确定出最合理的隧洞工程施工综合评价指标,然后对具体某工程根据其各种影响指标,利用灰色系统方案决策理论进行分析计算,确定出最佳施工方案。3.利用灰色系统理论中的GM(1,1)、DGM(2,1)和Verhulst三种预测模型在引红济石工程中的具体应用,经过对比分析确定出预测精度高,满足工程要求的GM(1,1)灰色模型作为本工程的变形预测模型,进行围岩变形预测。4.通过对Verhulst灰色模型的探讨,根据其模型的特点,使用此模型可以预测围岩变形的最终位移值及最大位移值。5.根据围岩变形的特点,把GM(1,1)模型和Verhulst模型相结合,推测出围岩的破坏时间。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 前言

1.2 隧洞围岩稳定性研究现状

1.3 隧洞围岩失稳判据分析

1.3.1 围岩强度判据

1.3.2 围岩变形量或变形速率判据

1.3.3 围岩收敛比判据

1.4 灰色理论在工程中的应用

1.5 本论文所做的主要工作

2. 灰色系统的基本理论

2.1 灰色系统理论概述

2.1.1 灰色系统的概念

2.1.2 灰色系统的基本原理

2.1.3 灰色系统理论的主要内容

2.1.4 灰色系统理论与概率统计、模糊数学的对比

2.2 灰数的生成

2.2.1 累加生成算子

2.2.2 累减生成算子

2.2.3 数据的处理

2.3 灰色关联分析

2.4 灰色系统建模

2.4.1 灰色系统常见的几种模型

2.4.2 GM(1,1)模型的适用范围

2.5 灰色预测模型的检验

3. 灰色系统理论的关联度在隧洞围岩分类中的应用

3.1 常见的围岩的分类方法

3.2 本文提出的围岩分类方法

3.3 灰色理论关联分析在围岩分类中的应用

3.4 本章小结

4. 灰色系统的决策理论在隧洞施工方案选择中的应用

4.1 隧洞开挖的基本方法

4.2 灰色决策的基本理论

4.2.1 灰色决策的概念

4.2.2 灰色决策的理论

4.3 灰色决策理论选择最佳施工法案

4.3.1 确定影响开挖方案的指标

4.3.2 最佳方案的灰色决策

4.4 灰色决策方案与相关度方案对比分析

4.4.1 相关性方法方案分析计算

4.4.2 灰色决策方案与相关性方法对比分析

4.5 本章小结

5. 灰色理论的预测模型在围岩变形预测中的应用

5.1 隧洞围岩变形的机理

5.1.1 洞室开挖前的应力状态

5.1.2 洞室开挖后的应力状态

5.1.3 支护后围岩的应力状态

5.2 隧道围岩监测及其分析

5.2.1 围岩监测的目的

5.2.2 监控量测的内容

5.2.3 监控量测的方法及仪器

5.2.4 监测断面的布置及变形位移计算

5.3 隧洞变形预测方法的概述

5.4 工程概况

5.5 利用传统方法对隧洞变形进行预测

5.6 利用灰色理论对隧洞变形的预测

5.6.1 灰色模型方案比选

5.6.2. GM(1,1)灰色模型的优化

5.6.3 Verhulst模型预测变形的最大位移

5.6.4 GM(1,1)与Verhulst模型相结合的预警预报

5.7 本章小结

6. 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录