基于功效系数法和地应力场反演的深埋长大隧道岩爆预测研究

岩爆是深埋长大隧道面临的主要地质灾害之一,其“孕育-发生-发展”全过程异常复杂,使其成为地下工程中的世界性难题。准确反映地应力变化规律以及区域内地质构造影响,结合实测资料进行岩爆分级预测,对保障隧道前期勘察设计及后期安全施工具有重要意义。根据隧道工程地质资料,通过COMSOL Multiphysics和Rhino建立三维数值计算模型,反演分析得到整个区域的初始地应力场。在综合分析影响岩爆关键因素的基础上,从“储能性-倾向性-突发性”研究角度,选取岩石单轴抗压强度与围岩洞壁最大主应力比(σ_c/σ_max)、围岩洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度比(σ_θ/σ_c)、岩石强度脆性系数(σ_c/σ_t)及岩石弹性能指数(W_et)作为评价指标。采用熵权法确定指标权重,运用功效系数法加权计算总功效系数值,构建了一种基于功效系数法和地应力场反演的深埋长大隧道岩爆预测模型,并将其应用于川藏铁路桑珠岭隧道。研究结果表明,该模型具有较高的准确性和可靠性,为类似深埋长大隧道岩爆预测提供了一种新的参考。     

基于熵权-正态云模型的岩爆烈度分级预测研究

岩爆是深埋地下工程主要的工程地质灾害之一,其烈度分级预测是必须解决的岩石工程重大问题。针对岩爆烈度分级的不确定性,选取岩石单轴抗压强度与抗拉强度比σ_c/σ_t、切向应力与岩石单轴抗压强度比σ_θ/σ_c、弹性变形能指数Wet和岩石完整性系数K_v等定量化指标建立评价指标体系,应用熵权法确定各评价指标权重,结合云理论建立了岩爆烈度分级预测的熵权-正态云模型。以国内外12组典型岩爆工程实例对所建模型进行检验,并与逼近理想解法、高斯径向基函数法的判别结果及实际情况进行对比。为进一步考察该模型的有效性和实用性,利用该模型对终南山公路隧道工程竖井的岩爆实例进行分析。研究结果显示,基于熵权-正态云模型的岩爆判别预测结果与实际岩爆情况较吻合,表明熵权-正态云模型在研究岩爆烈度分级预测中具有良好的实用性和可靠性,可为深部地下工程岩爆烈度分级预测提供一种新思路。     

岩爆烈度分级问题

在指出前人岩爆烈度划分所存在主要问题的基础上,本文提出了岩爆烈度新的分级原则、依据,以及新的烈度分级;同时总结了岩爆防治的有关措施。     

深埋高地应力隧道勘察期岩爆烈度概率分级预测

岩爆是地下工程开挖过程中硬质岩体存储的弹性应变能突然、迅速释放的动态过程。我国西南山区正在建设或拟建大量深埋长大隧道,勘察阶段岩爆的准确预测对有效设计和控制投资十分重要。从隧道工程勘察阶段线路比选与设计需求出发,针对隧道勘查期岩爆灾害预测指标获取难、预测精度低的问题,以该阶段岩爆预测指标的易获取性为前提,利用贝叶斯网络解决不确定性问题的有效性来反映岩爆烈度与各影响因素的相关关系。基于473组岩爆灾害案例,采用4个预测指标（地应力、地质构造、围岩级别和岩石强度）来构建岩爆烈度朴素贝叶斯概率分级预测模型,利用十折交叉验证方法确定模型预测精度达84.47%。将该模型应用于雅安—叶城高速公路跑马山1号隧道岩爆段落,预测结果显示：28次岩爆预测中有24次正确、4次错误,准确率高达85.71%;其中2组错误预测中,现场判别为轻微-中等岩爆,而本文模型预测为轻微岩爆。验证结果表明所建立的贝叶斯网络模型具有良好的预测性能,研究成果可为我国西南山区深埋长大硬岩隧道勘察设计期岩爆灾害预测提供技术支撑。     

雪峰山隧道岩爆问题预测研究

通过对雪峰山隧道的工程地质条件、地应力场的研究, 并结合岩石力学试验研究, 运用地质综合分析和σ_θ/Rb判据这两种较为适用、有效的预测方法, 对雪峰山隧道的岩爆问题进行了预测研究。预测结果表明, 雪峰山隧道不会出现高烈度的岩爆, 但某些地段可能出现Ⅰ级或Ⅱ级的岩爆。研究成果为雪峰山隧道的设计提供了依据。      

二朗山公路隧道岩爆特征与预测研究

根据二郎山公路隧道施工中记录的２００多次岩爆资料,总结隧道的岩爆特征,并采用“地质超前预报法”和“σθ／Ｒｂ判断现场测定预测法”两种方法,对岩爆预测问题进行有益探讨。     

基于功效系数法的隧道结构健康监测系统预警研究

引入功效系数法完成健康监测系统中多个传感器监测数据的加权综合,实现隧道结构稳定性的实时预警(评价)。结合健康监测系统特点,提出利用同一时刻各传感器监测数据支持度来确定预警指标体系(最佳融合数据组)的方法,解决了功效系数法中指标体系选取困难的问题。选择三标度法确定指标权重,有效克服了1~9标度法主观性强、判断矩阵一致性差的缺点。将所提方法应用于武汉长江隧道健康监测系统预警中,首先,从4只表面应变计、6只测缝计监测数据中选择支持度大于0.1的数据构成预警指标体系。然后,利用三标度法确定各指标权重。最后,计算得到总功效系数值完成隧道预警,预警结果与隧道实际运营状况相符。功效系数法在隧道结构健康监测预警中具有很好的适用性。     

二郎山公路隧道岩爆特征与预测研究

根据二郎山公路隧道施工中记录的200多次岩爆资料,总结隧道的岩爆特征,并采用"地质超前预报法"和"σθ/Rb判据现场测定预测法"两种方法,对岩爆预测问题进行有益探讨.     

基于正态云模型的深埋地下工程岩爆烈度分级预测研究

岩爆是深埋地下工程开挖建设过程中常见的工程地质灾害,对其发生的可能性及其烈度分级预测一直是岩石地下工程的世界性难题。针对岩爆烈度评估过程中存在的模糊性和随机性问题,建立了基于德尔菲法和正态云的综合评判模型。在系统分析影响岩爆发生的相关因素的基础上,选取岩石单轴抗压强度与抗拉强度比σc/σt、切向应力与岩石单轴抗压强度比σθ/σc、岩石脆性指数Is和弹性变形能指数Wet构建评价指标体系,通过德尔菲科学方法确定其权重系数。基于云模型理论计算各评价因子隶属于岩爆级别的云数字特征,生成正态云滴,实现了岩爆烈度与评价指标值之间的不确定映射,保留了评估过程中的随机性。最后,利用国内外典型岩爆工程实例对所建模型进行检验,其判别结果与实际岩爆等级相符,且准确率高于功效系数法和集对分析理论,表明采用云模型对岩爆烈度进行预测是可行的、有效的。该模型具有较高的准确性和可靠性,能满足工程应用需要,在深埋地下工程岩爆预测中具有良好的工程应用前景。     

莆炎高速公路文笔山2~#隧道岩爆综合预测研究

岩爆预测一直是地下工程世界性难题之一。以莆炎高速公路文笔山2#隧道岩爆预测为例,从研究区围岩的岩体特征和初始应力场着手,通过室内岩石力学试验和现场波速测试,获得隧道围岩的物理力学特性和完整性;采用水压致裂法实测研究区地应力的大小和方向,通过线性回归函数拟合分析了隧道洞身初始应力场分布规律,采用Kirsh概化模型计算分析了开挖后围岩重分布应力场分布规律。在此基础上结合国内外岩爆判别准则对文笔山2#隧道岩爆发生段落、部位和岩爆等级进行综合预测分析,为施工开挖和支护方案的制定提供依据。     

基于声音信号的室内岩爆动态预测方法

利用自主研发的真三轴岩爆试验机,在室内再现了应变型岩爆过程,并对岩爆过程中的声音信号进行监测。采用梅尔倒谱系数、谱质心、短时平均过零率等可定量化描述声音特性的组合指标作为岩爆过程典型破坏现象声音信号的特征提取信息,在此基础上结合适用于处理小样本、非线性分类问题的高斯过程机器学习方法,建立岩爆过程典型破坏现象识别的高斯过程模型,由此实现室内岩爆过程典型破坏现象的智能识别。进而,针对岩爆传统预测方法侧重于趋势预测而不能判别岩爆过程发展阶段的不足,采用智能识别+趋势预测的动态识别策略,以岩爆发生前夕的平静期、谐波均值、色谱向量均值等声音特征指标的变化规律作为岩爆前兆信息,提出一种多层次递进式的岩爆动态预测方法。室内岩爆的预测结果表明,该方法是可行的,为未来建立基于声音的现场岩爆预测方法奠定试验基础。     

基于AdaBoost组合学习方法的岩爆分类预测研究

针对岩爆等级划分问题,考虑了岩爆灾害发生的多种主要影响因素,采用新的数据挖掘方法AdaBoost（即Adaptive Boosting）的组合学习方法,结合流行的人工神经网络BP算法,构建了集成神经网络AdaBoost-ANN（简称AB-ANN）的岩爆等级多分类预测模型。该模型克服了单一弱分类器的不稳定性,提高了分类器精度,实验结果表明,预测的结果与实际值比较吻合,证明了该方法的可行性。     

基于功效系数法的泥石流灾害预警研究

泥石流灾害破坏力巨大,预测预报泥石流发生的可能性是防灾减灾的重要手段,也是国内外学者研究的热点。基于功效系数法原理,在综合分析泥石流灾害发生的气象、地质环境影响因素的基础上,选取了山坡坡度、相对高差、植被覆盖率、沿沟松散物储量、5 d累计降雨量、最大小时雨强和当日雨量为评价因子,采用改进后的层次分析法计算评价因子的权重系数,建立了泥石流预测预警模型。以岫岩地区泥石流为例对预警模型进行检验,预测结果较好地反映了实际情况。表明基于功效系数法的泥石流预测预警模型具备较高的可靠性和实用性,研究结果为泥石流预测预警提供了一种新的思路和方法。     

基于侧压力系数的岩爆区初始地应力场二次反演分析

为准确获得桑珠岭隧址区初始地应力场分布规律,提出在岩爆区初始地应力场的二次反演方法。采用最小二乘法寻优准则对隧址区初始地应力场进行多元线性回归分析,利用叠加原理得到在一次反演下的初始地应力场;采用表面应力解除法测量隧道开挖后的洞壁二次应力,记录发生岩爆的部位并据此判断侧压力系数的大小,与在一次反演下相应位置的侧压力系数进行对比,如果两者都大于或者等于或者小于1,则以在一次反演下计算得到的侧压力系数为基准,以其大小不变作为约束条件对初始地应力进行修正,当采用修正后的初始地应力作为应力边界条件,计算得到隧道开挖后的洞壁二次应力与实测洞壁二次应力最接近时,以此时修正后的初始地应力和原位地应力进行回归得到在二次反演下的地应力场。结果表明：当测量原位地应力的钻孔较少且计算区域较大时,一次反演回归得到离钻孔较远位置的应力计算值与实测值存在一定的误差;二次反演在原位地应力的基础上增加实测洞壁二次应力进行修正,得到离钻孔较远位置的应力计算值与实测值吻合更好,所提出的二次反演方法可为类似工程的研究提供参考。     

基于权重反分析和功效系数法的地下储油洞库围岩分类模型及应用研究

选取岩石抗压强度、完整系数、结构面状态、地下水发育情况、洞轴线与软弱结构面的夹角作为地下储油库工程围岩稳定性的评价因素,并采用权重反分析的方法确定各指标的权重,建立了基于权重反分析方法和功效系数法的洞库围岩稳定性评价模型。最后,将建立的围岩分类模型应用于实际工程,通过与实际开挖结果对比表明,模型判别结果与实际开挖揭露围岩类别相吻合,证明了该方法用于地下储油洞库围岩分类的合理性和有效性,为地下储油洞库围岩稳定性判别提供了一种新思路。     

分离式隧道非同步开挖岩爆预测研究

分离式隧道是深埋长大高速公路隧道施工的主要方式,鉴于两洞的施工进度不同,利用先开挖洞的岩爆发生情况,对后开挖洞的岩爆发生情况进行了预测,并采用有限元数值模拟进行计算分析。结果表明,当初始应力场中的水平应力和竖向应力相当时,随着研究区侧压力系数的增大和净距的减小,后开挖洞拱底发生岩爆的强度会随之增大。当初始应力场中的水平应力占主导地位时,随着研究区侧压力系数的增大和净距的减小,后开挖洞拱顶发生岩爆的强度会随之减少。通过实际工程对计算分析结果进行了验证,结果表明,隧道实际发生岩爆的情况和计算结果较为吻合。     

基于粗糙集理论的遗传-RBF神经网络在岩爆预测中的应用

岩爆发生机制复杂,影响因素较多,通过粗糙集理论中的属性约简和条件属性重要性评价,确定特定地质条件下岩爆的主要影响因素,删除冗余数据。使用遗传算法(GA)优化径向基函数（radial basis function,简称RBF）神经网络参数,通过RBF神经网络隐层单元将低维模式输入变换到高维空间内,拟合影响因子和岩爆等级之间的非线性映射关系,建立基于粗糙集理论的遗传-RBF神经网络岩爆预测模型,目前未见其在地下洞室岩爆预测中应用。在根据工程实际情况选取多个理论判据的基础上,将建立的预测模型应用于实际工程的岩爆预测问题,并与实际岩爆发生情况进行对比分析。结果证明,该方法的评价结果与实际情况较为吻合,对后期施工有较好的指导作用。