基于反演分析与灰色预测模型的隧道变形分析方法研究

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在我国基础交通设施建设过程中,发展山岭隧道是未来交通建设的趋势。由于国内各地区地质条件复杂多变,目前山岭隧道在设计与施工时针对变形量的控制仍以工程经验为主,这导致隧道设计与施工工作中产生各种问题,严重时甚至影响工程造价、施工工期与安全。为给隧道设计、施工工作提供借鉴,本文以甘肃省内某公路隧道项目为依托,采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,结合反演分析与灰色预测理论,对隧道开挖过程中的超前变形与开挖后的变形预测工作进行研究,制定出较为适合山岭隧道的变形监测与分析方法。本文主要研究工作与结论如下:(1)根据灰色预测模型原理与隧道围岩的实测变形规律,分析了传统GM(1,1)预测模型直接应用于隧道开挖变形预测适用性不佳、中长期变形预测精度低的根本原因。本文将传统灰色预测建模过程中所采用的建模序列从累计变形量调整为日变形量,从一定程度上解决了传统模型中长期变形预测无限增长的问题。(2)通过分析一般围岩变形规律,采用对数函数进行背景值优化,对背景值计算公式进行推导。引进了计算系数Mk,给出列表查询方式简化背景值计算,提高了预测模型的精度与适用性。(3)基于相关设计参数与现场实测数据,对典型断面与围岩进行了多参数反演分析,采用敏感性较高弹性模量E与侧压力系数K作为主要控制参数进行初步筛选。在二次筛选时加入次要反演参数,并对主要参数进行细部优化。采用正交设计方法简化了参数组合搭配,利用极差分析方法选取最合理参数组合作为反演结果。通过两个隧道断面实测数据的反演计算,验证了采用两步筛选方法选取断面参数的可行性。(4)通过建立三维隧道模型进行开挖分析,重点探究了掌子面前方岩体超前变形规律。考虑了不同围岩条件、台阶长度和起始监测时间对超前变形产生的影响,通过整理与归纳得到了超前变形的占比情况与规律。(5)结合现场实测情况与优化灰色预测模型,采用等维动态递补法进一步增强了预测模型在施工期的适用性。同时分析了起始监测时间、台阶长度、围岩条件等不同因素对超前变形产生的影响,在此基础上提出了修正方法,建立了从受扰动开始到监测变形稳定期间的隧道变形分析方法。
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