考虑裂隙岩体结构不确定性的隧道围岩稳定性研究

摘要

随着“西部大开发”及“一带一路”战略的实施，中国交通基础设施建设迎来了巨大机遇与挑战。其中，在裂隙岩体地下工程修建领域，大体量塌方、渐进式围岩失稳、巨石垮落等地质灾害时有发生，虽然近几年针对隧道工程的勘察手段、理论模型、数值方法及评价体系等层出不穷，但围岩稳定可靠性作为隧道等地下工程修建的“老大难”问题仍未确切解决。“数据不完备的复杂地质系统与理论严密的力学模型之间严重脱节”已然成为确定性分析方法的“瓶颈”;单一的分析手段或确定性计算方法均无法获取稳健的评价结果。不同于纯粹的结构工程，有着比较明确的数学模型，裂隙岩体地下工程修建最为显著的特点就是岩体结构的不确定性问题。为此，本文紧紧抓住岩体结构的不确定性这一根本属性，从裂隙岩体结构信息的精确采集及多元解译入手，分别针对裂隙岩体整体围岩及局部关键块体，基于传统岩石力学、形态学、不确定性理论、数据挖掘以及系统控制理论等交叉学科，从不同的角度耦合多种分析方法与手段，对裂隙岩体隧道围岩稳定性开展综合、稳健分析与系统评估。
　　本文首先从隧道裂隙岩体结构信息的获取与解译入手，针对隧道昏暗、多尘、潮湿的特殊环境，通过现场试验比选了不同环境条件下岩体图像采集的最佳模式，实现了不同摄影量测图像采集模式的环境因素敏感性分析与采集设备的优化选型，并提出了专门针对隧道岩体图像的去雾增强预处理算法。此外，针对常规图像解译算法所提取信息不可表征或不可用之问题，充分考虑岩体结构自身几何特征，基于直线检测、智能剪刀、图像形态学及梯度运算等，构建了集裂隙岩体结构信息线性成组提取、磁性追踪提取及形态学边缘检测于一体的多元解译系统，并以此开发了相应的岩体结构信息集成化平台。
　　其次，基于岩体结构统计信息，引入体系可靠度分析理论，通过分析岩石强度及岩体完整程度等评价指标的概率分布规律，构建了不同围岩等级的功能函数，经Monte Carlo simulation法(MCS)计算围岩隶属于各评定等级的可靠概率，提出了基于国标BQ法的围岩亚级分级可靠度分析方法。依托济南东南二环项目中老虎山超大断面隧道，开展了裂隙岩体隧道围岩亚级分级可靠性研究。此外，基于裂隙岩体图像处理与岩体结构多元解译系统，实现了岩体结构信息的多参数表征，并以上述围岩等级可靠性评定结果作为样本输出，构建了基于岩体结构信息多参数表征的围岩等级高斯过程分类(Gaussian process classification)模型，实现了围岩等级的快速、稳健评定。
　　为进一步分析隧道围岩的变形破坏特征，充分考虑数值建模中随机节理网络几何展布之问题，首先基于SirvisionV5.0摄影量测系统获取老虎山隧道掌子面区域节理真实展布信息，经围岩分级对其围岩稳定性进行初判;其后采用DDARF对老虎山隧道围岩进行非连续变形分析，基于自主编制的DDARF节理网络前处理程序，通过实测信息对掌子面区域节理几何展布及力学参数进行动态修正，实现了工程岩体范围内确定性节理展布的仿真模型构建。基于该模型对围岩裂隙演化及变形破坏机制开展数值模拟，并与常规随机节理网络模型的计算结果进行了对比分析，结果表明:节理展布仿真模型所模拟围岩变形破坏特征及其分布区域与工程实际更为吻合。此外，引入裂隙扩展率这一指标，对无锚与有锚支护下的岩体裂隙演化规律进行了定量化对比分析。同时，就隧道浅埋小净距段围岩，以裂隙扩展破碎区贯通与否作为中夹岩柱稳定性的评定依据，分别就无锚、系统锚杆支护、中夹岩柱水平加长锚杆支护三种工况下的围岩变形及裂隙扩展情况进行了比对分析。
　　再则，对裂隙岩体中局部块体失稳及其支护优化进行研究。将随机概率模型引入块体理论，采用MCS法进行随机模拟，对大小不等的块体形成概率及破坏概率进行计算，构建了块体的总失效概率评价模型。而就支护条件下关键块体稳定性分析功能函数复杂，无法快速计算其可靠指标问题，利用高斯过程回归理论(Gaussian process regression)构建响应模型逼近块体稳定性分析的显式功能函数，通过Unwedge程序获取关键块体的安全系数作为响应模型中的样本输出，并耦合MCS法，建立关键块体的GPR-MCS失效概率预测模型，由此对不同支护组合条件下的块体稳定可靠性指标进行了分析。同时，就岩土力学参数的变异性致使关键块体稳定性分析难以反映其真实安全性能和失效水平问题，基于Info-Gap理论对关键块体稳定性影响因素的不确定性程度提出了新的度量方法，建立了支护条件下关键块体稳定性评价的鲁棒可靠度指标，实现了针对关键块体失稳的主动防控与支护优化。
　　最后，以隧道本身作为一系统工程，将收敛位移作为裂隙岩体隧道围岩开挖过程中行为功能发出的宏观信息，构建“隧道围岩变形响应预测及变更许可机制”。充分利用已开挖段揭露围岩的先验分布信息，基于高斯过程回归理论，构建同一设计围岩等级区间段内岩体自然属性与变形间的映射模型，实现了对当前掌子面围岩变形收敛值的响应预测与动态智能反馈分析。以此作为隧道施工工法变更与否的先导判据，综合超前地质预报解译数据、现场围岩亚级分类结果以及初期勘探资料等多源异构信息，进行围岩稳定性状况的交互式耦合分析，进而构建了隧道变更的动态评估决策与施工许可机制，以实现隧道开挖工法与支护参数的动态调控。此外，利用揭露围岩信息的概率分布统计，耦合GPR与MCS法，对隧道设计等级区段内围岩变形的整体失效概率及可靠性评估进行了尝试性探索。

目录

声明

摘要

1. 1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 裂隙岩体结构信息提取与解译

1．2．2 隧道整体围岩稳定可靠性分析

1．2．3 隧道局部块体稳定可靠性分析

1．2．4 隧道工程智能反馈与系统评估

1．3 主要存在问题

1．4 研究内容与创新

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

1．4．3 创新点

第二章 隧道现隙岩体图像采集与结构信息多元解谛

2．1 隧道内岩体图像设备采集模式优选

2．1．1 隧道内施工环境参数量测

2．1．2 隧道内图像采集模式优选

2．2 裂隙岩体图像处理与常规识别方法

2．2．1 裂隙岩体图像去雾增强处理

2．2．2 常规特征提取算法比对分析

2．3 裂隙岩体结构信息多元解译算法

2．3．1 线性成组提取

2．3．2 磁性追踪提取

2．3．3 形态学边缘检测

2．4 集成化系统平台开发

2．4．1 系统功能简介

2．4．2 平台操作说明

2．5 岩体结构信息统计与校验

2．5．1 岩体结构信息统计

2．5．2 岩体结构信息校验

2．6 本章小结

第三章 岩体质量不确定性分析与围岩等级鲁棒评定

3．1 引言

3．2 围岩亚级分级的可靠度分析

3．2．1 围岩分级可靠度理念

3．2．2 可靠概率计算模型

3．2．3 工程应用

3．3 基于多参数表征的围岩等级GPC模型

3．3．1 围岩等级高斯过程分类模型

3．3．2 岩体结构倍息多参数我征

3．3．3 实例验证

3．4 本章小结

第四章 考虑随机节理仿真模拟的围岩非连续变形分析

4．1 引言

4．2 基于双目立体摄影的节理信息仿真提取

4．2．1 节理信息仿真提取

4．2．2 围岩等级可靠评定

4．3 基于节理网络仿真模型的围岩非连续变形分析

4．3．1 DDARF节理试件裂隙扩展试验

4．3．2 DDARF节理网络仿真模型构建

4．3．3 工程应用Ⅰ——单洞

4．3．4 工程应用Ⅱ——双洞

4．4 本章小结

第五章 局部关键块体稳定可靠性分析与支护优化

5．1 引言

5．2 无支护条件下块体可靠概率计算

5．2．1 关键块体几何生成概率

5．2．2 关键块体滑动力学模型

5．2．3 实例验证与结果分析

5．2．4 可动块体总体分布形态

5．3 支护条件下块体可靠性GPR-MCS响应模型

5．3．1 高斯过程回归理论

5．3．2 块体可靠概率GPR模型

5．3．3 样本空间数据获取与设计

5．3．4 工程应用与支护优化

5．4 基于Info-Gap理论的关键块体鲁棒性支护设计

5．4．1 Information Gap理论

5．4．2 关键块体稳定鲁棒性评价模型

5．4．3 关键块体稳定鲁棒可靠度指标

5．4．4 实例验证与主动防控

5．5 本章小结

第六章 隧道围岩变形响应预测与动态变更许可机制

6．1 引言

6．2 数据挖掘模型及指标确定

6．2．1 围岩变形GPR响应模型

6．2．2 评定指标与标准选定

6．3 隧道施工变更许可机制

6．3．1 隧道施工过程变更概述

6．3．2 动态变更许可机制构建

6．3．3 工程应用及结果分析

6．3．4 区段围岩可靠性评估

6．4 本章小结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

博士期间参与的科研项目

博士期间发表的论文(第一或通讯)

博士期间申请的发明专利

博士期间获得的奖励