一种地下工程岩体位移的反馈分析系统

摘要

本发明公开了一种地下工程岩体位移的反馈分析系统，其特征在于包括：岩体位移激光测量装置和围岩参数分析系统；岩体位移激光测量装置包括：作为收敛位移多个测点的反光片和激光仪定位装置；激光仪定位装置设置在围岩侧墙或者基坑附近平地上，反光片设置在围岩侧墙或者基坑侧壁上；围岩参数分析系统包括：输入模型尺寸接收单元、有限元网格预存单元和输入监测位移接收单元；以及对有限元网格预存单元和输入监测位移接收单元接收到的岩体位移数进行围岩参数反分析处理，最终获取围岩收敛位移信息的反分析运算单元该系统通过激光测距器对数据的保存和转移到数据处理器，采用网格预存技术和有限元反馈计算，可以迅速反分析获得围岩的参数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触测量大断面地下工程变形的装置，以及在此基础上 建立的基于非线性有限元和粒子群优化算法的围岩参数反馈分析系统。

背景技术

我国地下工程的建设方兴未艾，由于地下工程的复杂性和非确定性，新奥 法、信息化施工为代表的反馈分析方法已经成为隧道建设的主要理念，其核心 是通过围岩监测位移来反分析参数并控制围岩稳定性。在监测项目中，洞周收 敛数据能够反映围岩综合变化信息，是最受到人们重视的关键测项之一。

传统的围岩收敛监测方法采用收敛仪，方便易行，但是对于洞室尺寸有一 定限制。随着基础建设的增加，涌现出越来越多的大断面地下工程结构，传统 的围岩收敛计很难操作和实施。如果采用昂贵的全站仪监测方法，则存在搬动 和操作复杂的局限性，很难满足要求天天进行的地下工程常规监测要求。如何 进行大断面地下空间日常监测并进行快速的反馈分析已经成为影响大断面隧道 信息化施工能否正常进行的重要问题。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种地下工程岩体位移的反馈分析系 统。本发明采用的技术方案如下：

一种地下工程岩体位移的反馈分析系统，其特征在于包括：

岩体位移激光测量装置和围岩参数分析系统；

所述岩体位移激光测量装置包括：作为收敛位移多个测点的反光片和激光 仪定位装置；

所述激光仪定位装置设置在围岩侧墙或者基坑附近平地上，所述反光片设 置在围岩侧墙或者基坑侧壁上；

所述激光仪定位装置包括：

通过膨胀螺栓固定在围岩侧墙或者基坑附近平地上的支座；

通过定位螺栓固定在支座上的激光测距器夹持架，所述激光测距器夹持架 能够绕定位螺栓自由旋转；所述激光测距器夹持架同支座接触面上设有锁紧螺 栓，在支座上同锁紧螺栓移动轨迹相对应的位置设有弧形滑槽；

所述激光测距器夹持架上设有用于放置激光测距器的直角挡槽，所述直角 挡槽由用于放置激光测距器的托板和用于对激光测距器进行限位的挡板构成；

所述围岩参数分析系统包括：

用于接收实际工程的尺寸和洞形信息的输入模型尺寸接收单元；

用于对模型尺寸接收单元接收到实际工程的尺寸和洞形信息进行处理，把 节点坐标按照比例，即实际洞形尺寸与模型库的尺寸之比例调整，形成新的单 元和节点信息的有限元网格预存单元；

用于对记录岩体位移激光测量装置采集的岩体位移数据进行采集的输入监 测位移接收单元；

用于对有限元网格预存单元和输入监测位移接收单元接收到的岩体位移数 进行围岩参数反分析处理，根据隧道围岩参数的物理意义设定上下限，并根据 如下公式进行有约束的优化：

$\left(\begin{array}{c}\min E(x_1,x_2,···,x_n)=\frac{1}{z}\underset{i=1}{\overset{z}{\Sigma }}{[Y_i^0-Y_i]}^2\\ x_i^a\le x_i\le x_i^b(i=1,2,···,n)\end{array}\right)$

式中，Y_i⁰为围岩收敛位移的实测值，Y_i为围岩收敛位移的计算值，z为观测 值个数，x_i为第i个参数，n为参数个数，和为x_i的上、下限；最终获取围 岩参数信息的反分析运算单元；

用于将反分析运算单元获取的围岩参数以及基于反分析围岩参数计算获得 的围岩收敛位移信息，数据输出给外部接收装置的输出单元。

一种地下工程岩体位移的反馈分析方法，其特征在于包括如下方法：

S1、接收实际工程的尺寸和洞形信息的输入模型；

S2、利用有限元网格预存技术对模型尺寸接收单元接收到实际工程的尺寸 和洞形信息进行处理，把节点坐标按照比例，即实际洞形尺寸与模型库的尺寸 之比例调整，形成新的单元和节点信息；

S3、对记录岩体位移激光测量装置采集的岩体位移数据进行采集；

S4、对步骤S3接收到的岩体位移数据进行围岩参数反分析运算，具体过程 为根据隧道围岩参数的物理意义设定上下限，对其采用如下公式进行有约束的 优化：

$\left(\begin{array}{c}\min E(x_1,x_2,···,x_n)=\frac{1}{z}\underset{i=1}{\overset{z}{\Sigma }}{[Y_i^0-Y_i]}^2\\ x_i^a\le x_i\le x_i^b(i=1,2,···,n)\end{array}\right)$

式中，Y_i⁰为围岩收敛位移的实测值，Y_i为围岩收敛位移的计算值，z为观测 值个数，x_i为第i个参数，n为参数个数，和为x_i的上、下限；获取围岩 参数信息；

S5、将上述步骤获取的围岩参数以及基于反分析围岩参数计算获得的围岩 收敛位移信息输出给外部接收装置。

所述有限元网格预存技术包括两个过程：1）事先预置网格，包括建立典型 的隧道模型库，对模型划分网格和保存单元、节点信息。这个是在程序运行之 前完成。2）现有工程信息录入，包括明确实际工程的尺寸和洞形，把节点坐 标按照比例调整，形成新的单元、节点信息。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的监测装置，通过支座本体与激光 夹持架的配合安装，可以灵活地调整激光测距器的角度，通过支座上标记画痕， 对激光测距器定位，解决激光测距器的定位不准的问题。激光测距器与激光夹 持架分开，使整个监测过程采用一台便携的激光测距器即可满足要求，具有结 构简单和成本低廉的特点。通过激光测距器对数据的保存和转移到数据处理器， 采用网格预存技术和有限元反馈计算，可以迅速分分析获得围岩的参数。

附图说明

图1为暗挖隧道位移测量时所使用激光仪定位装置的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为利用本发明所述装置进行大断面暗挖隧道位移测量时的示意图；

图4为本发明明挖基坑位移测量时所使用激光仪定位装置的结构示意图；

图5为利用本发明所述装置进行大断面明挖基坑位移测量时的示意图；

图6基于激光监测的隧道反馈分析框图；

图7有限元网格预存技术示意图；

图8基本的隧道网格模型；

图9通过预存网格映射的不同计算模型：图9a为隧道宽度B=10、边墙高度 H=8、顶拱高度h=5的模型示例图，图9b为隧道宽度B=20、边墙高度H=40、顶 拱高度h=8的模型示例图。

具体实施方式

如1至图5所示为地下工程岩体位移的反馈分析系统中的地下工程岩体位 移激光测量装置包括：作为收敛位移多个测点的反光片1和激光仪定位装置2； 所述激光仪定位装置2设置在围岩侧墙或者基坑附近平地上，所述反光片1设 置在围岩侧墙或者基坑侧壁上；所述激光仪定位装置2包括：通过膨胀螺栓24 固定在围岩侧墙或者基坑附近平地上的支座21；通过定位螺栓23固定在支座 21上的激光测距器夹持架22，所述激光测距器夹持架22能够绕定位螺栓23自 由旋转；所述激光测距器夹持架22同支座21接触面上设有锁紧螺栓26，在支 座21上同锁紧螺栓26移动轨迹相对应的位置设有弧形滑槽；所述激光测距器 夹持架22上设有用于放置激光测距器25的直角挡槽，所述直角挡槽由用于放 置激光测距器25的托板221和用于对激光测距器25进行限位的挡板222构成。 同所述定位螺栓23和锁紧螺栓26相配合的螺母为防水螺母28，并在防水螺母 28下面安装弹簧片27。所述支座21通过其后端的固定板固定在围岩侧墙或者 基坑附近平地上。所述固定在围岩侧墙上时固定板采用平板。所述固定在基坑 附近平地上时固定板采用L形固定板。使用时，激光夹持架上含有直角挡槽可 以定位摆放激光测距，发射测点处的激光夹持架的倾斜角度可以通过弧形滑槽 的位置进行调整，与待测反光片所在的接受测点对准后，由防水螺母锁定，并 采用滑石笔或钢尖笔在支座上标记画痕，作为测量定位标记。监测时固定支座 和反光片事先根据发射测点和接受测点的位置固定，分别对应收敛位移相对的 两个测点。监测人员只需按照监测周期，携带使用轻便的激光测距器，轮换在 支架上定位，监测和采集位移数据，并将数据自动存储起来供围岩参数分析系 统应用。

所述地下工程岩体位移激光测量装置具体应用如下：进行大断面收敛位移 测量时，首先根据暗挖隧道还是明挖隧道的类型选择合理的监测布置型式，根 据测线的位置安装激光夹持器支架发射测点（图3、5中的标号为2的点）和反 光片接受测点（图3、5中的标号为1的点）。安装之后测读获得激光仪与测点 之间的距离初值，然后按照固定监测周期一般是每天一次进行两点之间的距离 监测，激光仪具有监测值在线报警和数据存储功能，存储数据转入PC电脑的数 据处理器。现以暗挖隧道图3为例来说明大断面收敛位移测量的过程：首先选 择一个隧道断面，根据收敛位移的测线布置要求参考设计图纸或者规范的要求 将激光仪定位装置2安装在隧道侧壁底部，反光片1贴在对面侧壁顶部，通过 激光发射到反光片上，测得两点之间的距离，按照监测周期将便携式激光测距 仪安装在定位装置上进行监测，如果隧道围岩发生变形，测得的两点之间的距 离就会发生变化，将监测的位移保存在激光测距仪上。测完两点之间位移数据， 再监测如图3所示标号为5和6两点之间的距离。该断面监测完成之后，再用 同样方法进行下一个断面的监测，明挖隧道的监测方法与此类似。每次巡测依 次测量获得每个断面的收敛位移，巡测完成之后，可以将激光测距器存储的监 测数据转移到PC电脑的数据处理器上供围岩参数分析系统应用。

本发明所述分析系统如图6所示，包括：用于接收实际工程的尺寸和洞形 信息的输入模型尺寸接收单元；用于对模型尺寸接收单元接收到实际工程的尺 寸和洞形信息进行处理，把节点坐标按照比例，即实际洞形尺寸与模型库的尺 寸之比例调整，形成新的单元和节点信息的有限元网格预存单元；用于对记录 岩体位移激光测量装置采集的岩体位移数据进行采集的输入监测位移接收单 元；用于对有限元网格预存单元和输入监测位移接收单元接收到的岩体位移数 进行围岩参数反分析处理。根据收敛位移信息获取围岩力学参数的反分析运算 单元；（根据隧道围岩参数的物理意义设定上下限，并根据如下公式进行有约束 的优化：

$\left(\begin{array}{c}\min E(x_1,x_2,···,x_n)=\frac{1}{z}\underset{i=1}{\overset{z}{\Sigma }}{[Y_i^0-Y_i]}^2\\ x_i^a\le x_i\le x_i^b(i=1,2,···,n)\end{array}\right)$

式中，Y_i⁰为围岩收敛位移的实测值，Y_i为围岩收敛位移的计算值，z为观测 值个数，x_i为第i个参数，n为参数个数，和为x_i的上、下限；上式中的Y_i计算需要调用有限元计算程序进行（i为某个参数对应的标号）；粒子群反分析 方法参考高玮的《基于粒子群优化的岩土工程反分析研究》，岩土力学，2006， 27（5）：795-798。以及用于将反分析运算单元获取的围岩参数以及基于反分析 围岩参数计算获得围岩变形信息，数据输出给外部接收装置的输出单元。

具体实现步骤如下：

S1、接收实际工程的尺寸和洞形信息的输入模型；

S2、对模型尺寸接收单元接收到实际工程的尺寸和洞形信息进行处理，把 节点坐标按照比例，即实际洞形尺寸与模型库的尺寸之比例调整，形成新的单 元和节点信息；

S3、对记录岩体位移激光测量装置采集的岩体位移数据进行采集；

S4、对步骤S3接收到的岩体位移数据进行围岩参数反分析运算，该运算原 理为：选取一组参数计算得到围岩变形量，如果计算变形量与监测变形量数据 相差较大，则调整输入参数重新计算，直到计算结果与监测数据相差很小，这 时对应的参数即为识别的参数。该单元的具体过程为根据隧道围岩参数的物理 意义设定上下限，对其采用如下公式进行有约束的优化，根据公式（1）的计算 获取围岩参数信息；

S5、将上述步骤获取的围岩参数以及基于反分析围岩参数计算获得的围岩 变形信息输出给外部接收装置。

实际过程是：根据暗挖隧道还是明挖隧道的类型选择合理的监测布置型式， 根据测线的位置安装激光夹持器支架（发射测点）和反光片（接受测点）。安装 之后首先测读采取初值，然后按照固定周期进行监测，激光仪具有监测值在线 报警和数据存储功能。存储数据后在分析系统中进行上述运算。

在上述的反分析流程中，一个关键过程是在反分析中经常调用有限元计算。 在有限元计算中，其前处理即模型的建立与网格划分是一个比较复杂的工作， 不但需要具备专门的建模和网格划分技术，难被一般的技术人员所掌握，而且 不同的人员划分方法不同，也具有较大的人为随意性。本发明根据隧道的形状 需要符合规范，而且洞形相同的特点，根据几种典型的型式，提前建立划分标 准的有限元模型网格库，根据工程的情况，从有限元模型网格库提取网格，按 照实际的尺寸计算机自动进行坐标转换，这样在反馈计算时只需要人为输入实 际的工程尺寸，计算机自动得到有限元计算的网格，省去了人为划分网格的过 程。本发明称之为有限元网格预存技术，见图7。由图可见，有限元网格预存技 术包括两个过程：1）事先预置网格，包括建立典型的隧道模型库，（参考规范 要求的明挖、直墙暗挖、曲墙暗挖、曲墙仰拱、圆形等标准隧道断面形状）对 模型划分网格和保存单元、节点信息。这个是在程序运行之前完成。2）现有 工程信息录入，包括明确实际工程的洞形模型类型和尺寸，把节点坐标按照比 例（实际洞形尺寸与模型库的尺寸之比例）调整，形成新的单元、节点信息。 为后续的计算奠定基础。

具体事例如下：

首先选择一个典型的监测断面，按照隧道的形状尺寸建立有限元计算模型， 用有限元计算公式（1）的E(x₁,x₂,…,x_n)中的位移Y_i，将监测的位移代入公式（1） 的优化获得岩石力学参数(x₁,x₂,…,x_n)。上述过程是一个优化过程，一般采 用迭代算法如下：任意输入一组围岩弹性参数进行计算得到围岩对应的测线之 间的位移，与相应的监测位移比较，如果相差较大说明围岩参数与实际不符合， 重新换一组参数试算，至到计算位移与监测位移相差很小，此时采用的围岩参 数即为识别的参数。围岩参数反分析按照以下的步骤进行：首先输入模型的尺 寸，快速自动建立隧道的有限元计算网格，根据输入的监测数据，调用有限元 优化反分析程序进行围岩弹性参数的识别，该反分析的过程见图7。以图3为例 介绍反分析数据关系：通过前述方法监测获得1-2测线及5-6测线之间的距离 分别为Y₁₀和Y₂₀，代入公式（1），优化识别输出围岩力学参数：弹性模量E和 泊松比u，（即为公式中的变量x₁和x₂）。

上述的有限元优化反分析计算方法已经是公知技术。但是在一般的反分析 计算中，一个关键过程是在反分析中经常调用有限元计算，在有限元计算中， 其前处理即模型的建立与网格划分是一个比较复杂的工作，不但需要具备专门 的建模和网格划分技术，难被一般的技术人员所掌握，而且不同的人员划分方 法不同，也具有较大的人为随意性。有限元的计算网格划分对于专业人员有很 大依赖性，不利于实现反分析自动化。因此，本发明采用了有限元网格预存技 术来解决这一问题。本发明的有限元网格预存技术的思路是提前按照明挖、直 墙暗挖、曲墙暗挖、曲墙仰拱、圆形、矩形等各种典型的隧洞形状分别划分好 标准网格，提前采用网格划分工具建立上述典型洞形的各类有限元模型网格库， 预存起来。针对具体不同尺寸的实际隧道工程时，从模型网格库中调出同类洞 形的网格，单元形状、单元数量以及单元对应节点组成结构保持不变，只需要 根据实际洞形尺寸和预存网格洞形尺寸的比例关系通过计算机自动进行节点的 坐标转换，改变节点坐标，获得新的有限元计算网格。以下是一个预存网格的 例子。根据直墙式隧道建立有限元模型网格，作为该类型隧道的典型模型，该 模型单元形状、单元数量，每个单元的节点组成见图8，（每个小四边形为1个 单元，每个单元由4个节点组成）。相关信息存入模型库。将来使用时各个节点 的坐标根据实际的隧道尺寸变化。

如果某实际的直墙式隧道形状参数如下：隧道宽度B为10米，边墙高度H 为8米，顶拱高度h为5米，则在图8的模型网格基础上，各个节点的坐标根 据实际的隧道尺寸变化，得到的隧道计算网格映射为图9a)，该映射模型可用于 有限元计算。如果另外的某实际的直墙式隧道形状参数如下：隧道宽度B为20 米，边墙高度H为40米，顶拱高度h为8米，则从图8的模型网格基础上映射 为另外不同的计算网格见图9b)。

由图可见，上述两个计算网格单元形状、数量、单元节点组成没有变化， 但是节点的对应坐标通过简单的x,y之间的比例映射发生了变化。将映射变化 之后的坐标信息连同其他的计算网格信息、参数信息、及边界条件被平面应变 的有限元程序调用，即可计算出围岩相应的测点之间的位移，从而可以实现公 式（1）的反分析计算，有限元计算过程是公知技术，在此不再详细地介绍。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。