考慮裂隙巖體結(jié)構(gòu)不確定性的隧道圍巖穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著“西部大開(kāi)發(fā)”及“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，中國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來(lái)了巨大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。其中，在裂隙巖體地下工程修建領(lǐng)域，大體量塌方、漸進(jìn)式圍巖失穩(wěn)、巨石垮落等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，雖然近幾年針對(duì)隧道工程的勘察手段、理論模型、數(shù)值方法及評(píng)價(jià)體系等層出不窮，但圍巖穩(wěn)定可靠性作為隧道等地下工程修建的“老大難”問(wèn)題仍未確切解決?！皵?shù)據(jù)不完備的復(fù)雜地質(zhì)系統(tǒng)與理論嚴(yán)密的力學(xué)模型之間嚴(yán)重脫節(jié)”已然成為確定性分析方法的“瓶頸”;單一的分析手段或確定性計(jì)算方

2、法均無(wú)法獲取穩(wěn)健的評(píng)價(jià)結(jié)果。不同于純粹的結(jié)構(gòu)工程，有著比較明確的數(shù)學(xué)模型，裂隙巖體地下工程修建最為顯著的特點(diǎn)就是巖體結(jié)構(gòu)的不確定性問(wèn)題。為此，本文緊緊抓住巖體結(jié)構(gòu)的不確定性這一根本屬性，從裂隙巖體結(jié)構(gòu)信息的精確采集及多元解譯入手，分別針對(duì)裂隙巖體整體圍巖及局部關(guān)鍵塊體，基于傳統(tǒng)巖石力學(xué)、形態(tài)學(xué)、不確定性理論、數(shù)據(jù)挖掘以及系統(tǒng)控制理論等交叉學(xué)科，從不同的角度耦合多種分析方法與手段，對(duì)裂隙巖體隧道圍巖穩(wěn)定性開(kāi)展綜合、穩(wěn)健分析與系統(tǒng)評(píng)估。

3、r>　　本文首先從隧道裂隙巖體結(jié)構(gòu)信息的獲取與解譯入手，針對(duì)隧道昏暗、多塵、潮濕的特殊環(huán)境，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)比選了不同環(huán)境條件下巖體圖像采集的最佳模式，實(shí)現(xiàn)了不同攝影量測(cè)圖像采集模式的環(huán)境因素敏感性分析與采集設(shè)備的優(yōu)化選型，并提出了專門針對(duì)隧道巖體圖像的去霧增強(qiáng)預(yù)處理算法。此外，針對(duì)常規(guī)圖像解譯算法所提取信息不可表征或不可用之問(wèn)題，充分考慮巖體結(jié)構(gòu)自身幾何特征，基于直線檢測(cè)、智能剪刀、圖像形態(tài)學(xué)及梯度運(yùn)算等，構(gòu)建了集裂隙巖體結(jié)構(gòu)信息線性成組

4、提取、磁性追蹤提取及形態(tài)學(xué)邊緣檢測(cè)于一體的多元解譯系統(tǒng)，并以此開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的巖體結(jié)構(gòu)信息集成化平臺(tái)。
　　其次，基于巖體結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)信息，引入體系可靠度分析理論，通過(guò)分析巖石強(qiáng)度及巖體完整程度等評(píng)價(jià)指標(biāo)的概率分布規(guī)律，構(gòu)建了不同圍巖等級(jí)的功能函數(shù)，經(jīng)Monte Carlo simulation法(MCS)計(jì)算圍巖隸屬于各評(píng)定等級(jí)的可靠概率，提出了基于國(guó)標(biāo)BQ法的圍巖亞級(jí)分級(jí)可靠度分析方法。依托濟(jì)南東南二環(huán)項(xiàng)目中老虎山超大斷面隧道，開(kāi)展了

5、裂隙巖體隧道圍巖亞級(jí)分級(jí)可靠性研究。此外，基于裂隙巖體圖像處理與巖體結(jié)構(gòu)多元解譯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)信息的多參數(shù)表征，并以上述圍巖等級(jí)可靠性評(píng)定結(jié)果作為樣本輸出，構(gòu)建了基于巖體結(jié)構(gòu)信息多參數(shù)表征的圍巖等級(jí)高斯過(guò)程分類(Gaussian process classification)模型，實(shí)現(xiàn)了圍巖等級(jí)的快速、穩(wěn)健評(píng)定。
　　為進(jìn)一步分析隧道圍巖的變形破壞特征，充分考慮數(shù)值建模中隨機(jī)節(jié)理網(wǎng)絡(luò)幾何展布之問(wèn)題，首先基于Sirvision

6、V5.0攝影量測(cè)系統(tǒng)獲取老虎山隧道掌子面區(qū)域節(jié)理真實(shí)展布信息，經(jīng)圍巖分級(jí)對(duì)其圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行初判;其后采用DDARF對(duì)老虎山隧道圍巖進(jìn)行非連續(xù)變形分析，基于自主編制的DDARF節(jié)理網(wǎng)絡(luò)前處理程序，通過(guò)實(shí)測(cè)信息對(duì)掌子面區(qū)域節(jié)理幾何展布及力學(xué)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，實(shí)現(xiàn)了工程巖體范圍內(nèi)確定性節(jié)理展布的仿真模型構(gòu)建?；谠撃Ｐ蛯?duì)圍巖裂隙演化及變形破壞機(jī)制開(kāi)展數(shù)值模擬，并與常規(guī)隨機(jī)節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明:節(jié)理展布仿真模型所模擬圍

7、巖變形破壞特征及其分布區(qū)域與工程實(shí)際更為吻合。此外，引入裂隙擴(kuò)展率這一指標(biāo)，對(duì)無(wú)錨與有錨支護(hù)下的巖體裂隙演化規(guī)律進(jìn)行了定量化對(duì)比分析。同時(shí)，就隧道淺埋小凈距段圍巖，以裂隙擴(kuò)展破碎區(qū)貫通與否作為中夾巖柱穩(wěn)定性的評(píng)定依據(jù)，分別就無(wú)錨、系統(tǒng)錨桿支護(hù)、中夾巖柱水平加長(zhǎng)錨桿支護(hù)三種工況下的圍巖變形及裂隙擴(kuò)展情況進(jìn)行了比對(duì)分析。
　　再則，對(duì)裂隙巖體中局部塊體失穩(wěn)及其支護(hù)優(yōu)化進(jìn)行研究。將隨機(jī)概率模型引入塊體理論，采用MCS法進(jìn)行隨機(jī)模擬，對(duì)大

8、小不等的塊體形成概率及破壞概率進(jìn)行計(jì)算，構(gòu)建了塊體的總失效概率評(píng)價(jià)模型。而就支護(hù)條件下關(guān)鍵塊體穩(wěn)定性分析功能函數(shù)復(fù)雜，無(wú)法快速計(jì)算其可靠指標(biāo)問(wèn)題，利用高斯過(guò)程回歸理論(Gaussian process regression)構(gòu)建響應(yīng)模型逼近塊體穩(wěn)定性分析的顯式功能函數(shù)，通過(guò)Unwedge程序獲取關(guān)鍵塊體的安全系數(shù)作為響應(yīng)模型中的樣本輸出，并耦合MCS法，建立關(guān)鍵塊體的GPR-MCS失效概率預(yù)測(cè)模型，由此對(duì)不同支護(hù)組合條件下的塊體穩(wěn)定可靠

9、性指標(biāo)進(jìn)行了分析。同時(shí)，就巖土力學(xué)參數(shù)的變異性致使關(guān)鍵塊體穩(wěn)定性分析難以反映其真實(shí)安全性能和失效水平問(wèn)題，基于Info-Gap理論對(duì)關(guān)鍵塊體穩(wěn)定性影響因素的不確定性程度提出了新的度量方法，建立了支護(hù)條件下關(guān)鍵塊體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的魯棒可靠度指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)關(guān)鍵塊體失穩(wěn)的主動(dòng)防控與支護(hù)優(yōu)化。
　　最后，以隧道本身作為一系統(tǒng)工程，將收斂位移作為裂隙巖體隧道圍巖開(kāi)挖過(guò)程中行為功能發(fā)出的宏觀信息，構(gòu)建“隧道圍巖變形響應(yīng)預(yù)測(cè)及變更許可機(jī)制”。充分

10、利用已開(kāi)挖段揭露圍巖的先驗(yàn)分布信息，基于高斯過(guò)程回歸理論，構(gòu)建同一設(shè)計(jì)圍巖等級(jí)區(qū)間段內(nèi)巖體自然屬性與變形間的映射模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)當(dāng)前掌子面圍巖變形收斂值的響應(yīng)預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)智能反饋分析。以此作為隧道施工工法變更與否的先導(dǎo)判據(jù)，綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)解譯數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)圍巖亞級(jí)分類結(jié)果以及初期勘探資料等多源異構(gòu)信息，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性狀況的交互式耦合分析，進(jìn)而構(gòu)建了隧道變更的動(dòng)態(tài)評(píng)估決策與施工許可機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)隧道開(kāi)挖工法與支護(hù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。此外，利用揭露圍巖