偏壓雙連拱公路隧道圍巖穩(wěn)定性動態(tài)預(yù)測分析

1、第 27 卷 第 1 期重慶建筑大學(xué)學(xué)報Vol . 27 N.12005 年 2 月Journal of Chongqing Jianzhu UniversityFeb. 2005偏壓雙連拱公路隧道圍巖穩(wěn)定性動態(tài)預(yù)測分析X陳秋南1 ,2 ,張永興1 , 陳建功1 , 雷序周3(1. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院 , 重慶 400044 ;2. 湖南科技大學(xué) 土木工程系 , 湖南湘潭 411201 ;3. 湖南金衢監(jiān)理公司 , 湖南長沙 410073)摘要:由于高速公路偏壓雙連拱隧道的復(fù)雜地質(zhì)條件 ,會給隧道安全施工帶來嚴重威脅 ,提出在加強隧道開挖現(xiàn)場監(jiān)控量測的基礎(chǔ)上 ,以位移量測結(jié)果作為學(xué)習(xí)樣本

2、,應(yīng)用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測隧道圍巖位移的大小 ,分析圍巖的穩(wěn)定性。由于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能綜合考慮隧道圍巖節(jié)理、裂隙等對圍巖位移的影響 ,所以與有限元反分析法計算隧道圍巖位移結(jié)果比較 ,顯示 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果的誤差較小 ,預(yù)測值與實際測量值趨于一致 ,因此應(yīng)用 BP 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測偏壓雙連拱隧道圍巖位移 ,超前分析其穩(wěn)定性是安全可靠的 ,該預(yù)測方法的預(yù)測結(jié)果可以指導(dǎo)現(xiàn)場的施工。關(guān)鍵詞:隧道工程 ;BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ;動態(tài)預(yù)測 ;偏壓雙連拱隧道 ;穩(wěn)定性中圖分類號: TU451文獻標識碼:A文章編號:1006 - 7329 (2005) 01 - 0062 - 05Dyna mic Predicti

3、on Analysis of Surrounding RocksSta bility for Non - symmetric Double - Arch Highway TunnelCHEN Qiu - nan1 ,2 , ZHANG Yong - xing1 , CHEN J ian - gong1 , L EI Xu - zhou3(1. College of Civil Engineering , Chongqing University , Chongqing 400045 , P. R. China ; 2. Department of Civil Engineering , Hun

4、an U2 niversity of Science and Technology , Xiangtan 411201 , Hunan P. R. China ;3.)Abstract :During the construction of non - symmetric double - arch rock highway tunnel , the complicated geological condition may affect the safety of the constructor and the engineering quality. In this paper , two

5、treatment methods are put forward. At first , the site monitoring of surrounding rock displacement must be carried out , then , BP neural network is applied in predicting the displacement of surrounding rock based on the learning sample of measured val2 ue , so the stability of surrounding rocks may

6、 be analyzed and forecasted. During the analysis of BP neural network , the effects of joint and fracture of surrounding rock on displacement can be comprehensively considered , comparing the predicted values of displacement with those by FEM. The results show that not only the predicted error of BP

7、 neural network is relative small , but the predicted values of surrounding rock displacement are close to measured ones. So , the predicted values of BP neural network are reliable and may guide the engineering construction in site . Key words :tunnel engineering ; BP neural network ; dynamic predi

8、ction ; non - symmetric double - arch tunnel ; stability處于復(fù)雜地質(zhì)條件下的偏壓雙連拱隧道 , 由于該連拱隧道左右洞不對稱 ,尺寸大小不一 ,施工過程中結(jié)構(gòu)有產(chǎn)生偏壓和不對稱受力的可能 ,而隧道跨度和開挖的斷面大 ,圍巖易松動可能造成塌方或冒頂現(xiàn)象 ,這給施工帶來了不少困難 ,因此不僅必須尋求合理的施工技術(shù)方案 ,確保施工安全 ,而且按照NATM 法施工原則 ,應(yīng)當(dāng)開展現(xiàn)場量測工作 ,一邊施工一邊修改設(shè)計 ,分析隧道圍巖變形的現(xiàn)場量測結(jié)果 ,從而對隧道圍巖變形進行動態(tài)的預(yù)測預(yù)報 ,達到指導(dǎo)施工的目的 1 。X 收稿日期:2004 - 10

9、 - 08基金項目:湖南省教育廳項目(03C509)作者簡介:陳秋南(1968 - ) ,男 ,江西蓮花人 ,副教授 ,博士生 ,主要從事隧道與巖土工程教學(xué)與科研工作。第 1 期陳秋南 ,等:偏壓雙連拱公路隧道圍巖穩(wěn)定性動態(tài)預(yù)測分析631 隧道圍巖位移動態(tài)預(yù)測方法1. 1BP 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法Rumelhart ,McCelland 和他的同事們洞察到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息處理的重要性 ,于 1982 年成立了一個 PDP小組 ,研究并行分布信息處理方法 ,探索人類認知的微結(jié)構(gòu)。1985 年發(fā)展了 BP 網(wǎng)絡(luò)(Back - Propagation Network) 學(xué)習(xí)算法 ,實現(xiàn)了多層網(wǎng)絡(luò)設(shè)想 24 。這

10、種算法是一種有教師的學(xué)習(xí)算法 ,任務(wù)是訓(xùn)練前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ,將輸入向量映射到期望的輸出向量。在訓(xùn)練階段 ,期望的輸出與實際的輸出之間的誤差在層與層之間反向傳播 ,并適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)輸入層與隱含層、隱含層與隱含層及隱含層與輸出層之間的連接權(quán) ,使得期望輸出與實際輸出之間的誤差最小。從其結(jié)構(gòu)看 ,它是典型的多層網(wǎng)絡(luò) ,分為輸入層、隱含層和輸出層 ,層與層之間多采用全互聯(lián)方式 ,同一層單元之間不存在相互連接 ,它的每一層連接權(quán)值都可以通過學(xué)習(xí)來調(diào)節(jié) 57 。 對各隱含層而言 ,節(jié)點的輸入值為net j = 6 ji Yi(1)式中: Yi 是前一層第 i 個節(jié)點的輸出;ji 為前一層第 i 個節(jié)點與當(dāng)前層第

11、 j 個節(jié)點間的連接權(quán)值。j 節(jié)點的輸出值為Yj = f ( net j)(2)其中: f 為節(jié)點j 的激勵函數(shù), 對于BP 網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元, 其輸入輸出關(guān)系滿足非線性單調(diào)上升的函數(shù), 考慮到位移是連續(xù)變化的, 通常選取 Sigmoid 函數(shù)(可微的) , 其形式為1f ( x)= 1 + e - ( x - )其中:為神經(jīng)元的閾值。理論上已經(jīng)證明:存在一個三層網(wǎng)絡(luò)能夠以任意精度實現(xiàn)任意連續(xù)函數(shù)的映射。24 1) 隨機對權(quán)值和神經(jīng)元的閾值賦以初值;2) 給定輸入 x 和目標輸出;3) 計算實際輸出 y ;4) 權(quán)值的修正。采用梯度法修正權(quán)重ji , 使輸出與樣本理想輸出的誤差函數(shù)式:NE =16

12、 ( yk - yk)2i = 1(3)(4)權(quán)值修正:ji = ji + ji = ji + qjqj(5)式中:為學(xué)習(xí)因子, 下標 q 為第 q 個樣本, j 為輸出或隱節(jié)點, 誤差修正系數(shù)qj分兩種情況:當(dāng) j 為輸出節(jié)點, 則qj = ( yqj - yqj) fj( net qj)(6)當(dāng) j 為隱含節(jié)點, 則qj = fj( net qj) 6k若加入慣性項, 則(qkkj)(7)ji ( n + 1) = jyj+ ji ( n)(8)其中: n + 1 表示第 n + 1 次迭代;為一常數(shù), 叫勢態(tài)因子。5) 迭代誤差達到精度, 則停止學(xué)習(xí), 否則回到 2) 。1. 2動態(tài)施工

13、反演分析動態(tài)施工是根據(jù)在隧道開挖過程中及時量測所得到的信息, 進行巖性和巖體參數(shù)的非線性反分析,64重慶建筑大學(xué)學(xué)報第 27 卷在結(jié)合工程地質(zhì)和巖體、結(jié)構(gòu)作出綜合判斷, 確定修改后的支護參數(shù)與施工對策。它包括現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和處理以及信息反饋。在隧道開挖過程的現(xiàn)場監(jiān)測中, 主要量測圍巖的應(yīng)力應(yīng)變和位移。適時地進行初期支護和二次支護。隧道動態(tài)施工反演過程的量測信息擬采用圍巖的壓力和位移。因此, 關(guān)于待求未知量 X 的最小二乘目標函數(shù)可定義如下:2J ( X) =iJ i / J io(9)i = 1k3k3k6k6666其中: J 1 =i = 1( ui -u1i) 2 ; J 10=i =

14、 1(ui ) 2 ; J 2=i = 1( pi - p1i) 2 ; J 10 =i = 1( pi )2式中: X 為未知量, 如彈性模量 E 、內(nèi)聚力 C 、內(nèi)摩擦角以及泊松比等。 ui ,u1i 分別為隧道拱頂下沉或洞周收斂位移的計算值和實測值增量;pi ,p1i 分別為圍巖應(yīng)力的計算值和實測值增量; k 為測點數(shù),i 為加權(quán)常數(shù), 可取為 1 。待求未知量 X 逼近于 X時式(9) 達到最小值, 即lim J ( X) ( X 滿足非負條件)(10)X X對式(10) 進行求解的最優(yōu)方法為導(dǎo)數(shù)收索法 Simplex 法。2 圍巖位移預(yù)測結(jié)果分析2. 1基于 BP 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的結(jié)果偏壓

15、雙連拱隧道斷面尺寸如圖 1 所示 ,左洞為雙車道 ,右洞為三車道。偏壓連拱隧道屬丘陵地貌 ,圖 1偏壓雙連拱隧道斷面尺寸標高 50110 m ,地形呈波狀起伏 ,進口處坡角約為 20,出口處坡角約為 37。隧道進出口有 58 m 殘坡積層 ,其余地段為花崗巖及其風(fēng)化巖層直接出露 ,圍巖類別為 類;洞身段以弱 - 微風(fēng)化混合花崗巖為主 ,少部分凝灰?guī)r ,局部灰長(綠) 巖脈巖侵入 ,圍巖類別為 類 ,節(jié)理裂隙較發(fā)育 ,巖性均為硬質(zhì)巖 ,隧道區(qū)內(nèi)無明顯地質(zhì)構(gòu)造穿越 ,地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定。地下水主要為基巖裂隙水 ,賦存于構(gòu)造裂隙中 ,局部有少量孔隙裂隙水 ,賦存于殘坡積層和強風(fēng)化層中 ,直接接受大氣降水的

16、補給 ,水量較貧乏(流量 1. 21 t/ d) 。地下水對混凝土無侵蝕性 ,不考慮對隧道開挖的影響。隧道圍巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表 1 。表 1巖石物理力學(xué)指標類 別極限抗壓強度/ MPa抗拉強度/ MPa抗剪強度彈性模量 E50泊松比干飽和tanc/ MPa105/ MPa130. 7110. 811. 61. 426. 04. 730. 2160. 63. 50. 833. 83. 180. 18 20. 20. 281. 3隧道凈空位移測線布置示意圖如圖 2 所示, 左右隧道各布置三條位移量測線, 左右隧道的兩個量測斷面分別是 Z1 和 Y1 , 每個量測斷面的圍巖位移實際量測結(jié)果見圖

17、3 、圖 4 。利用這兩個量測斷面的實第 1 期陳秋南 ,等:偏壓雙連拱公路隧道圍巖穩(wěn)定性動態(tài)預(yù)測分析65測數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進行學(xué)習(xí)。并把圖 3 、圖 4 數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本。2. 1. 1 BP 網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本的產(chǎn)生 整理實測數(shù)據(jù) ,時間步長取 4 d , 遇到?jīng)]有測試數(shù)據(jù)時 ,可采用插值法進行內(nèi)插 ,以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)序列是等時間間隔。將圖 4 、圖 5 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)作為樣本 ,經(jīng)線性映射后產(chǎn)生實際訓(xùn)練樣本。BP 網(wǎng)絡(luò)采用三層結(jié)構(gòu)(輸入層、隱層和輸出層) ,隱層單元數(shù)取為 9 個。圖 2隧道斷面圍巖收斂量測布置2. 1. 2 BP 網(wǎng)絡(luò)計算結(jié)果及比較先利用已經(jīng)學(xué)習(xí)好的樣本網(wǎng)絡(luò)預(yù)圖 3左洞隧道 Z1 斷面

18、圍巖收斂現(xiàn)場量測與計算結(jié)果比較圖 4Y1 隧道斷面圍巖收斂現(xiàn)場量測與計算結(jié)果比較測隧道圍巖以后的位移, 然后把被預(yù)測時間段圍巖的位移加入到學(xué)習(xí)樣本, 重新進行網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí), 建立新的網(wǎng)絡(luò), 再去預(yù)測隧道圍巖后繼的位移。圖 3 、圖4 中的AB ,BC ,AC 及DF , EF , ED 分別是左右隧道 Z1 和 Y1 兩個量測斷面圍巖位移的預(yù)測結(jié)果。從圍巖位移的實測值和預(yù)測值的對比可知 ,預(yù)測值和實測值發(fā)展趨勢基本一致 ,而且一般預(yù)測值比實測值偏大 ,最大的誤差在 14. 85 %左右。2. 2BP 網(wǎng)絡(luò)和有限元反演結(jié)果對比4 月 4 日、8 日、12 日、16 日、20 日、24 日、28 日

19、、5 月 2 日、6 日、10 日和 14 日左洞測線 ab 、ac 和 bc 現(xiàn)場量測的位移值作為初始值 , 應(yīng)用同濟曙光軟件進行動態(tài)優(yōu)化反演分析法 , 反演隧道圍巖體的彈性模量 , 以此計算出不同時間雙連拱隧道圍巖的位移 ,如表 2 所示(限于篇幅 ,僅列出左洞測線 ab 、ac 和 bc 的預(yù)測值和實測值) 。將有限元動態(tài)優(yōu)化反分析計算結(jié)果(僅列出測線 ab) 與 BP 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果以及現(xiàn)場實際量測結(jié)果進行比較分析 ,可以看出有限元計算結(jié)果與實際量測圖 5 位移預(yù)測結(jié)果與實際量測結(jié)果比較(測線 ab)結(jié)果相差最大 ,而BP 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果的誤差相對較小 ,因此 BP 網(wǎng)絡(luò)可以較好地對隧道圍

20、巖位移進行預(yù)測 ,以達到預(yù)先分析其穩(wěn)定性的目的。測線位移 BP 網(wǎng)絡(luò)和 FEM 優(yōu)化反演預(yù)測結(jié)果與實際量測結(jié)果比較見圖 6 所示。66重慶建筑大學(xué)學(xué)報第 27 卷表 2Z1 三測線的位移預(yù)測值和實測值/ mm日期BP 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值有限元預(yù)測值實測值abacbcabacbcabacbc4 - 4 (4)2. 0- 3. 0- 2. 04 - 8(8)14. 2116. 3610. 03. 02. 04 - 12(12)25. 468. 265. 0827. 129. 767. 5622. 04. 06. 04 - 16(16)29. 1110. 6313. 4332. 7413. 2115. 68

21、21. 04. 08. 04 - 20(20)31. 0712. 0817. 7233. 9814. 8719. 4320. 07. 013. 04 - 24(24)33. 3814. 5321. 3236. 4317. 1224. 3123. 011. 018. 04 - 28(28)36. 7523. 7625. 4838. 2725. 8327. 9230. 016. 023. 05 - 2 (32)38. 9326. 6429. 1941. 2228. 2732. 4632. 019. 026. 05 - 6 (36)40. 3228. 8232. 1144. 3431. 2135.

22、1434. 021. 029. 05 - 10(40)41. 0629. 4533. 6746. 7133. 7637. 3635. 025. 030. 05 - 14(44)41. 3930. 0734. 2547. 8534. 8538. 2535. 025. 030. 05 - 18(48)41. 6147. 985 - 22(52)41. 7448. 115 - 26(56)41. 8048. 193 結(jié)論1) 有限元反演分析法很難考慮隧道圍巖節(jié)理、裂隙等對圍巖位移的影響 ,計算誤差比較大(見表 2 、圖 5) ,并且不能進行短期預(yù)測;2) 利用 BP 網(wǎng)絡(luò)方法則可以克服上述不足 ,能