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基于不确定性理论的隧道围岩稳定性及风险分析研究

张永杰  
【摘要】:隧道围岩稳定性及风险分析是一个复杂的非确定性问题,分析过程中存在大量的随机性、模糊性和未确知性信息,传统的确定性分析方法难以反映上述特点,因此,有必要开展基于不确定性理论的隧道围岩稳定性及风险分析研究,具有重要的理论意义与工程应用价值。为此,本文综合运用概率统计理论、模糊数学理论与区间数学理论,在探讨岩体力学参数确定方法基础上,分别从定性与定量两个方面对隧道围岩稳定性进行研究,进而对隧道施工风险进行评价。 本文首先对岩体力学参数确定方法进行研究。针对岩石抗剪强度确定的随机模糊方法存在的不足,在最小二乘法基础上,将试验值对估计值的隶属度作为拟合偏差权重,建立出岩石抗剪强度确定的模糊拟合方法,并分析了参数取值模糊随机可靠度与置信区间。此外,针对模糊拟合分析结果难以反映试验数据分布特征的不足,采用非对称三角模糊数作为岩石抗剪强度准则方程系数,将试验值对估计值的隶属度作为权重系数对最可能计算取值与试验值的偏差进行修正,并将其加权差方与某截集水平下的非对称三角模糊数区间宽度之和作为目标函数进行模糊优化分析,进而建立了基于非对称三角模糊数的岩石抗剪强度确定方法。 为进一步获得岩体力学参数,考虑地质强度指标(GSI)取值过程中所具有的区间与模糊不确定性,分别采用区间数与三角模糊数表示参数取值,并采用结构面表面等级(SCR)与节理特征系数(Jc)对结构面表面特征进行量化取值,采用岩体结构等级(SR)与岩块体积(Vb)对岩体结构进行量化取值,进而利用基于GSI的Hoek-Brown强度准则、岩体力学参数经验确定公式以及区间优化运算方法与截集技术,分别建立出基于区间理论与GSI的岩体力学参数确定方法和基于模糊理论与GSI的岩体力学参数确定方法。 其次,在岩体力学参数取值基础上,从围岩分级与可靠性分析两个方面分别对隧道围岩稳定性进行研究。在围岩分级方面,根据围岩分级主要影响因素的层次性与模糊性,建立出隧道围岩分级二级模糊综合评判模型,探讨定量与定性指标隶属度与权重确定方法,并引入变权重思想,建立出隧道围岩分级变权重二级模糊综合评判方法。此外,针对评价指标隶属度与权重取值过程中所具有的区间特性以及评判运算过程中所具有的非线性特征,采用区间数表示评价指标与其相互重要程度取值,在探讨隶属度与权向量区间数确定方法以及非线性模糊运算方法基础上,建立出隧道围岩分级区间非线性模糊综合评判方法。 在可靠性分析方面,采用三角模糊数表示岩体物理力学参数取值,根据隧道围岩锚喷支护结构剪切破坏理论,确定出围岩喷锚支护结构可靠性分析功能函数,在探讨模糊可靠性指标求解方法基础上建立出隧道围岩锚喷支护结构模糊能度可靠性分析方法;根据块体失稳极限分析方法,在给定安全系数下确定出块体沿单面滑动与双面滑动的可靠性分析功能函数,进而建立出隧道围岩块体模糊能度可靠性分析方法;根据边坡稳定极限分析方法,在给定安全系数下确定出隧道口边坡稳定可靠性分析功能函数,进而建立出隧道口边坡模糊能度可靠性分析方法。 然后,对隧道施工风险进行分析。针对隧道施工特点以及影响因素的层次性与模糊性,建立出隧道施工风险二级模糊综合评判模型,根据层次分析法确定影响因素权重时其重要程度取值具有不确定性的特点,利用三角模糊数互补判断矩阵排序方法确定权向量,并采用非线性模糊算子进行计算,从而建立出隧道施工风险非线性模糊综合评判方法。同时,针对隧道施工支护结构影响因素取值所具有的不确定性,采用模糊能度可靠性分析方法计算支护结构失稳概率,并通过非线性模糊综合评判方法建立隧道施工支护结构后果等级分析方法,进而建立出隧道施工支护结构风险评估模糊分析方法。 最后,将本文所建立的岩体力学参数不确定性分析方法、隧道围岩稳定性分析方法以及风险分析方法应用于湖南省柘溪水电站扩建工程中的引水隧洞工程,计算与对比分析结果验证了本文所建立的基于不确定性理论的隧道围岩稳定性及风险分析方法的适用性与合理性。


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