蕾帽山隧道围岩参数反分析及施工动态模拟研究--《广西大学》2012年硕士论文
蕾帽山隧道围岩参数反分析及施工动态模拟研究
【摘要】：隧道围岩参数是公路隧道建设中的重要参数之一,也是隧道设计和施工的重要依据。如何简单、方便的确定围岩参数和本构模型一直是岩土工程师研究的热点之一。随着“新奥法”施工方法的普及,信息的动态反馈也备受关注。因此针对蕾帽山隧道进行围岩参数反分析及通过施工动态模拟实现信息反馈的研究是十分有意义的。
本文结合目前在建的广西钦州至崇左高速公路的蕾帽山隧道项目,通过采取现场调研、监控量测、理论分析和数值模拟相结合的方法来对蕾帽山隧道进行分析和研究。以蕾帽山隧道现场实际量测数据为基础,基于MATLAB7.0的神经网络工具箱,采用BP神经网络模型和FLAC3D数值模拟相互结合的方法,利用正交设计方法和均匀设计方法,为BP神经网络模型建立学习训练样本和检测样本。通过对这些样本的学习和训练,建立隧道围岩参数与隧道位移(水平收敛位移和拱顶沉降位移)之间的一种非线性映射关系。利用建立的非线性映射关系,对蕾帽山隧道的两个参数弹性模量E和水平侧压力系数k0进行反演分析,反演出弹性模量为9.73GPa,水平侧压力系数为0.42,采用反演参数进行围岩的仿真模拟,模拟结果符合工程精度要求。利用FLAC3D建立的三维蕾帽山隧道模型,进行动态开挖模拟,实现对未开挖断面围岩位移的预测,并得出监测断面和掌子面之间的影响距离为2D-3D(D为开挖断面的跨度)。
本文研究的基于BP神经网络的位移反分析方法对隧道工程设计、施工、监测提供一定的决策依据,对隧道后续开挖的设计、施工、监测提供建议值,实现信息的反馈,对相似隧道工程提供指导和借鉴意义。
【关键词】：
【学位授予单位】：广西大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2012【分类号】：U451.2【目录】：
摘要4-5ABSTRACT5-10第一章 绪论10-20 1.1 选题背景及研究意义10-12
1.1.1 选题背景10-11
1.1.2 研究意义11-12 1.2 国内外反分析方法研究现状12-18
1.2.1 国外位移反分析方法研究现状分析12-14
1.2.2 国内位移反分析方法研究现状分析14-18 1.3 本文主要研究内容及技术路线18-20
1.3.1 主要研究内容18-19
1.3.2 技术路线19-20第二章 蕾帽山隧道工程地质条件及围岩监控量测20-36 2.1 蕾帽山隧道概况20 2.2 蕾帽山隧道地质条件20-24
2.2.1 气象20
2.2.2 地形地貌20-22
2.2.3 地质构造及地震动参数22-23
2.2.4 水文地质23-24 2.3 蕾帽山隧道施工特点及围岩监控量测24-29
2.3.1 蕾帽山隧道施工特点24-25
2.3.2 蕾帽山隧道监控量测方案25-29 2.4 蕾帽山隧道监测数据的处理及分析29-35
2.4.1 蕾帽山隧道数据处理原则和方法29
2.4.2 蕾帽山隧道数据处理、分析结果29-35 2.5 本章小结35-36第三章 蕾帽山隧道模型的建立36-44 3.1 蕾帽山隧道计算方法的选择36-37
3.1.1 隧道工程和地下空间常用的计算方法36
3.1.2 计算机仿真模拟方法(数值模拟)36-37 3.2 FLAC~(3D)有限差分程序37-40
3.2.1 FLAC~(3D)有限差分算法基本原理38
3.2.2 FLAC~(3D)求解的运动方程38-39
3.2.3 FLAC~(3D)本构模型39
3.2.4 FLAC~(3D)结构单元39-40 3.3 蕾帽山隧道模型的建立40-42
3.3.1 蕾帽山隧道典型断面地质状况及本构关系的确定40-41
3.3.2 蕾帽山隧道模型计算边界的确定41
3.3.3 蕾帽山隧道模型边界条件的确定41
3.3.4 蕾帽山隧道模型的建立41-42 3.4 蕾帽山隧道数值模拟过程42-43 3.5 本章小结43-44第四章 蕾帽山隧道智能位移反分析过程44-56 4.1 智能位移反分析44 4.2 BP神经网络模型44-52
4.2.1 BP神经网络模型结构45-46
4.2.2 BP神经网络模型结构的变化函数46-47
4.2.3 经典BP神经网络模型的学习训练算法47
4.2.4 经典BP神经网络模型的缺陷与改进47-50
4.2.5 BP神经网络模型结构的设计50-52 4.3 蕾帽山隧道BP神经网络位移反分析过程52-55
4.3.1 位移反分析目标参数的选取52-53
4.3.2 训练样本和测试样本的获得53-54
4.3.3 蕾帽山隧道模型的建立54
4.3.4 蕾帽山隧道BP神经网络模型结构的确定54
4.3.5 BP神经网络模型反分析过程的实现54-55 4.4 本章小结55-56第五章 蕾帽山隧道智能位移反分析的应用56-80 5.1 蕾帽山隧道支护材料参数和隧道围岩参数的选择56-58
5.1.1 蕾帽山隧道锚杆支护和喷射混凝土支护参数的选取56-58
5.1.2 蕾帽山隧道围岩物理参数的选取58 5.2 基于MATLAB7.0的BP神经网络位移反分析的实现58-72
5.2.1 MATLAB7.0神经网络工具箱58-61
5.2.2 蕾帽山隧道反演参数的确定和反分析方法的选择61
5.2.3 训练样本和测试样本的获得61-66
5.2.4 蕾帽山隧道BP神经网络结构的确定66-68
5.2.5 反分析结果整理与分析68-72 5.3 蕾帽山隧道施工开挖动态模拟72-79
5.3.1 蕾帽山隧道动态开挖结果整理与分析74-79 5.4 本章小结79-80第六章 结论与展望80-82 6.1 结论80-81 6.2 展望81-82参考文献82-86致谢86-88攻读硕士学位期间所发表的学术论文88
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销售部）混凝土弹性模量测定仪是上海喆钛试验仪器制造有限公司自行研发的新一代试验仪器。概述：弹性模量在比例极限内，材料所受应力如拉伸，压缩，弯曲，扭曲，剪切等，与材料产生的相应应变之比，用公斤/厘米2[帕]表示。主要用于测定混凝土棱柱体或圆柱体试件的静力受压弹性模量。TM-2弹性模量测定仪符合G B11971-89&加气砼力学性能试验方法&、 GB81-85&普通砼力学性能试验方法&、JGJ053-94&公路工程水泥砼试验规程&、ASTMC-469。主要用于测量砼试块的弹性模量。本仪器简单、轻巧、便于试验中使用。主要技术参数1、适用砼弹性模量试块....150*150*300mm,&150*300mm& 100*100*300mm, &100*300mm2、千分表量程.......0-1mm3、上、下环中心距.......150mm4、下环离底部距离.........75mm结构及操作方法：本测定仪由上环、下环、接触杆、千分表和紧定螺钉组成，（参见附图）试验开始前，将弹性模量测定仪放置于平整的平面上，旋出试块紧定螺钉，装上千分表，送开固定板紧定螺钉，取下固定板，则测定仪已在试块上定位。将测定仪连同试块置于压力试验机的下压板上，试块中心与压力机下压板中心对准，千分表调零。开动压力机，当上压板与试件接近时，调整球座，使接触均衡，以0.2-0.3mpa/s的速度连续而均匀地加载到Pa（即试件预期破坏荷载值的40%），然后以同样速度卸荷至零，如此反复预压3次。在预压时，观察压力机及千分表是否正常。试件两侧千分表变形之差，不得大于变形平均值的15%，更不能正负异向，当采用100mm&100mm截面的试件时，其两侧变形之差，不得大于变形平均值的20%，否则用硬木轻敲球座调整，或调整试件位置。用上述速度进行第四次加荷，先至初载荷,先至初载荷PO（约为0.5MPA），保持30S，分别读两侧千分表△O，然后加荷至PA，保持约30秒，分别读两侧千分表△A，分别计算两侧变形增值△A-△O，并计算出平均值，设为△4；读取△A后即以同样速度卸荷至PO，保持约30秒，分别读两侧千分表读数△00，同上步骤，进行第五次加荷，求出△50△5与△4之差应不大于0.0002（L=150mm）,否则，应中伏上述步骤，直至两次相邻加荷变形值之差符合要求，以最后一次变形值△0为准。然后卸去千分表，以同样速度继续加荷至试件破坏，记下循环轴心抗压强度Ra.注意事项试验时要轻拿轻放，特别在运输时，避免碰状，以免影响测试精度。喆钛:& && &&
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1.炉壳采用优质冷轧钢板制成，表面经静电喷塑处理，整洁美观、不脱落、抗腐蚀、壳体上冲有通气排热的百叶窗； 2.电子调温万用炉，采用双向可控硅控制、电源实现加热功率的无级调功； 3.可调式万用炉采用炉丝分压式，实现对功率的分级调控。炉盘用石棉板隔热，炉盘上发热体用铁铬铝合金丝绕成。 品名 外形尺寸（mm） 电压（v） 功率（Kw） 单联 170&270&160 220 1kw&1 双联 170&270&300 220 1kw&2 四联 170&270&560 220 1kw&4 六联 170&270&860 220 1kw&6 单联 190&240&240 220 2kw&1 双联 190&240&460 220 2kw&2
四联万用电炉
1.炉壳采用优质冷轧钢板制成，表面经静电喷塑处理，整洁美观、不脱落、抗腐蚀、壳体上冲有通气排热的百叶窗； 2.电子调温万用炉，采用双向可控硅控制、电源实现加热功率的无级调功； 3.可调式万用炉采用炉丝分压式，实现对功率的分级调控。炉盘用石棉板隔热，炉盘上发热体用铁铬铝合金丝绕成。 品名 外形尺寸（mm） 电压（v） 功率（Kw） 单联 170&270&160 220 1kw&1 双联 170&270&300 220 1kw&2 四联 170&270&560 220 1kw&4 六联 170&270&860 220 1kw&6 单联 190&240&240 220 2kw&1 双联 190&240&460 220 2kw&2
双联万用电炉
1.炉壳采用优质冷轧钢板制成，表面经静电喷塑处理，整洁美观、不脱落、抗腐蚀、壳体上冲有通气排热的百叶窗； 2.电子调温万用炉，采用双向可控硅控制、电源实现加热功率的无级调功； 3.可调式万用炉采用炉丝分压式，实现对功率的分级调控。炉盘用石棉板隔热，炉盘上发热体用铁铬铝合金丝绕成。 品名 外形尺寸（mm） 电压（v） 功率（Kw） 单联 170&270&160 220 1kw&1 双联 170&270&300 220 1kw&2 四联 170&270&560 220 1kw&4 六联 170&270&860 220 1kw&6 单联 190&240&240 220 2kw&1 双联 190&240&460 220 2kw&2
硅控可调万用电炉
品名 外形尺寸（mm） 电压（v） 功率（Kw） 单联 170&270&160 220 1kw&1 双联 170&270&300 220 1kw&2 四联 170&270&560 220 1kw&4 六联 170&270&860 220 1kw&6 单联 190&240&240 220 2kw&1 双联 190&240&460 220 2kw&2 功率1KW，外形尺寸170&270&160,电压220V。
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SX2-10-13箱式电阻炉主要技术参数： 型号：SX2-10-13 炉膛尺寸：400*200*160MM 功率：10KW 电压:380V 额定温度：1300度 温度精度：1度左右 SX2-10-13箱式电阻炉马弗炉是上海喆钛试验仪器制造有限公司自行研发的新一代实验仪器。炉膛尺寸：400*200*160MM 额定温度：1300度
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SX2-2-10管式电炉,管式高温电炉主要技术参数 电炉型号：SX2-2-10 额定功率（Kw）： 2 额定电压（v）： 220 电源频率（Hz）： 50 炉膛尺寸（mm）： ￠40*600 控温范围：室温-1000℃ 管式电炉 ,箱式电炉、坩埚电炉用于各工矿企业、大专院校、科研单位作元素分析、小型钢件淬火、退火、回火时加热用。炉膛尺寸（mm）：￠40*600 控温范围：室温-1000℃
7.5-10可编程管式高温炉
7.5-10可编程管式高温炉针对多波段编程设置的无记忆特殊仪表解决了操作时因忘记删除前一次操作的数据而造成的不便。规格：￠250*300 室温-1000度本仪器性能优越，不容易发生故障，万一出现故障，可打电话，请求服务。 一．全自动系列干燥箱，高温炉，温热试验箱，油浴箱 二．箱式电炉，干燥箱，培养箱，调温调湿箱，气候箱 三．智能系列干燥箱。培养箱 四．标准筛，振筛机，破碎机，制样机，搅拌机 五．水浴锅，蒸馏水器，水浴（箱） 六．环保除湿机，多功能含水率测定仪 七．公路仪器
BGG-3.6/2.4电热板
技术参数：型号：BGG-3.6 电压：220V 功率：3.6KW 工作尺寸：600*350MM 使用温度：300度 产品特点： 1.外壳采用优质冷轧钢板拉伸制作，表面喷涂工艺处理。 2.利用数显/电子调温加热、具有加热面积大、升温快无明火、温度均匀使用效果好。 3.加热材料采用（5毫米）超厚不锈钢板，避免了一般不锈钢电热板温度高板面变形的现象。电热板采用不锈钢板做导热体,具有耐酸.耐碱.耐高温.不氧化.使用简便.散热均匀.安全清洁等优点,普通型,控温采用可控硅实现无级调温,数显型采用国际DIN标准设计和生产,具有精度高.抗震性强.可靠性好.读数清晰.无视差,可远离观察等优点的控温仪. 它广泛作为实验室的加热器.尤其对酸碱类及有机物和易燃物的加热更为适用
JSS30A数显收敛仪（简称收敛计）
产品介绍： JSS30A数显收敛仪（简称收敛计）是新一代电子数字显示收敛计。它适用于量测隧道、巷道、峒室及其它工程围岩周边任意方向两点间的距离微小变化，达到评定工程稳定性，研究工程围岩及支护的变形发展规律，确定合理支护参数的目的。 产品名称 规格 测量范围 分辩率 测量精度 数显示值 电源 外型尺寸/mm 收敛仪 JSS30A-30 0.5～10m、0.5～15m、0.5～20m及0.5～30m 0.01mm 0.1mm 稳定度24h内不大于0.01mm 1.55V氧化银钮扣电池SR44 W 1节 410&100&35 收敛仪 JSS30A-20 0.5～10m、0.5～15m、0.5～20m及0.5～30m 0.01mm 0.1mm 稳定度24h内不大于0.01mm 1.55V氧化银钮扣电池SR44 W 1节 410&100&35 收敛仪 JSS30A-15 0.5～10m、0.5～15m、0.5～20m及0.5～30m 0.01mm 0.1mm 稳定度24h内不大于0.01mm 1.55V氧化银钮扣电池SR44 W 1节 410&100&35 收敛仪 JSS30A-10 0.5～10m、0.5～15m、0.5～20m及0.5～30m 0.01mm 0.1mm 稳定度24h内不大于0.01mm 1.55V氧化银钮扣电池SR44 W 1节 410&100&35 JSS30A型收敛仪的使用注意事项 对于JSS30A型收敛仪，它分为数显和尺显部分，尺显部分和我们一般使用的米尺相同，不过就是在尺面上每隔25mm有一个孔，用来卡主收敛仪的卡钉。
20L/5L/10L不锈钢电热蒸馏水器
20L不锈钢电蒸馏水器是上海喆钛试验仪器制造有限公司自行研发的新一代实验仪器。 型号 出水量（L/H） 功率（KW） 电压（V） HS.Z11-5 5L 4.5KW 220V HS.Z11-10 10L 7.5KW 380V HS.Z11-20 20L 13.5KW 380V 20L不锈钢电蒸馏水器是上海喆钛试验仪器制造有限公司自行研发的新一代实验仪器
100型/50型/80型混凝土振动台
100型混凝土振动台操作规程一、准备工作 1、混凝土振动台安装前，应先打好地基，打地基地土平面要按水平找平，并按底架螺栓，然后安装，安装使固定螺栓必须拧紧。 2、振动台安装完毕试车时，先开车3-5分钟后停车对所有紧固螺栓进行检查，若松动须紧后方可使用。 100型混凝土振动台技术参数： 型号 50 70 80 100 工作台面 500*500mm 700*700mm 800*800mm mm 振动频率（次/分） 60 2860 振幅 0.3-0.6mm 0.3-0.6mm 0.3-0.6mm 0.3-0.6mm 振动器功率 0.55 KW 1.1KW 1.1KW 1.1KW 最大载重 75kg 180kg 200kg 250kg
联系人：宣金江
传真：021-
（联系我时，请说明是在上看到的，谢谢！）
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