西康铁路秦岭隧道区岩体结构面分布规律的混沌特征及围岩分级预测

【摘要】： 西安安康铁路秦岭特长隧道区域地质环境条件复杂,岩体结构面空间分布规律的评价与预测是指导工程设计和保障施工安全的重要基础因素。铁路隧道围岩基本分级主要由岩石的硬度和岩体的破碎程度决定,而岩体的破碎程度与岩体中结构面的分布状态和发育程度直接相关。岩体中的结构面是复杂地质构造运动的产物,它的分布具有典型的非线性特点。论文应用非线性系统科学中的混沌理论,研究了秦岭隧道区结构面空间分布非线性规律,建立了结构面预测的混沌模型,进一步从结构面分布的混沌特征入手,应用数据挖掘方法预测了秦岭隧道的围岩分级。 (1)应用时间序列概念及分析方法,建立了结构面序列。为满足时间序列等间距采样要求,将结构面在测线上的间距逐一排列形成一个序列,依次可建立结构面倾向和倾角序列。由这三个序列共同确定结构面在空间的位置、倾向和倾角。用混沌等非线性研究方法,研究了结构面序列特征及其分形结构。 (2)以实测数据为基础,应用非线性科学的混沌理论,研究了结构面的空间分布特征。功率谱图中低频部分负幂现象的存在、结构面发育与断层关系负幂存在、结构面分布的分形现象、Kolmogorov熵大于0等特征都证明了结构面混沌分布的存在性,Lyapunov指数趋于0、主分量分析图中先斜后趋平、功率谱负幂出现与消失又说明了结构面分布不完全是混沌,而是位于混沌的边缘。 (3)相空间重构揭示结构面空间分布非线性规律,根据混沌时间序列相空间重构原理,用C-C法、预测误差最小法计算嵌入维和空间延迟量,可张显结构面在岩体中的分布特征。明确了嵌入维实际上是岩体中主要相似结构面发育的平均组数,而空间延迟是主要相似结构面之间的平均间隔等混沌学指标的物理意义。 (4)通过结构面混沌特征量的计算,建立了混沌学预测模型,对结构面位置及产状进行了混沌预测,结构面序列化提供了预测的基础,相空间重构决定了混沌预测的方法。一阶局域预测法算法简单,使用方便,其预测精度不但取决于结构面序列嵌入维和空间延迟,而且与最临近相点、训练样本大小和预测步长等有关。 (5)基于结构面混沌特征,进行了围岩分级预测,用已知围岩分级岩体中的结构面作为训练样本,预测出的结构面作为预测样本,以结构面切割权密度、结构面间距、倾向和倾角四个属性为预测因子,按数据挖掘理论离散化结构面数据,以基本贝叶斯分类法预测未知样本的围岩分级,工程实践结果证明是可行的。 论文以非线性系统科学的混沌理论为理论基础,以知识挖掘和基本贝叶斯分类法为手段,预测了西安安康铁路秦岭特长隧道的围岩分级,研究成果不仅为该工程的设计施工提供了技术支撑,而且为其他工程中该类问题的解决探索了一个新的途径。