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    围岩变形预测Richards模型和变形发展趋势分解

  • 上传人: 娟**
  • 文档编号:18789551
  • 上传时间:2018-12-06
  • 文档格式:PDF
  • 文档页数:4
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    1、第 3 9卷 , 第 3期 2 0 1 4年 6月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 9,No 3 J u n,2 0 1 4 围岩变形预测 的 R i c h a r d s模型及变形发展趋 势分析 王军 龙 ( 西安铁路职业技术学 院 土木工程 系 , 陕西 西安7 1 0 6 0 0 ) 摘要 隧道 围岩变形是隧道工程的设计 和施 工 的重要参 数 , 由于 R i c h a r d s 生长 曲线与 隧道 围岩 变形 一时 间曲线具有相似性 , 将 R i c h a r d s 模 型引入到围岩变形预测 中 , 通 过围。

    2、岩变 形 一时间曲线 的拟合 预测未来 围岩变形 发展 趋势和围岩极限变形值 。通过 工程实例具体分析 了 R i c h a r d s 模型的应用效果 , 结果表 明: R i c h a r d s 模型可以较 好 的预测 隧道围岩变形发展过程 ; 只有 当围岩变 形进入 了 明显 的稳定 发展 阶段 , 可以得到 良好的 预测效果 ; R i c h a r d s 模 型预测 效果 要优于指数曲线模 型和 双曲线模 型 , 具有更好 的应用价值 。 关键词 】隧道 ;围岩变形 ;预测 ;R i c h a r d s 模 型 中图分类号】U 4 5 2 1 2 文献标识码】A 文章编。

    3、号】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 1 4 5 0 4 Ri c h a r d s M o d e l f o r S u r r o un d i n g Ro c k De f o r m a t i o n Pr e dic t i o n a n d De f o r ma t i o n De v e l o pme n t Tr e n d An a l y s i s W ANG J u n l o n g ( D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ,X i a n R。

    4、 a i l w a y V o c a t i o n a l& T e c h n i c a l I n s t i t u t e ,X i a n , S h a n x i 7 1 0 6 0 0, C h n i a ) Ab s t r a c t T u n n e l s u r r o u n d i n g r o c k d e f o r ma t i o n i s a v e r y i m p o r t a n t p a r a m e t e r f o r t u n n e l e n g i n e e r i n g d e s i g n a 。

    5、n d c o ns t r u c t i o nI n c o n s i de r a t i o n o f t h e s i mi l a r i t y b e t we e n Ri c h a r d s g r o wt h c ur v e a n d t u n n e l s u r r o u n di n g r o c k de f o r ma t i o n t i me c u r v e s ,Ri c h a r d s mo d e l i s i n t r o d uc e d t o f o r e c a s t t h e s urro u。

    6、 n d i n g roc k d e f o r ma t i o n wi t h f i t t i n g s ur r o un d i ng r o c k de f o r ma t i o n t i me c urve s a nd p r e di c t i ng t h e f ut ur e d e v e l o p me n t t r e n d a n d t h e l i mi t d e f o rm a t i o n v a l ue o f s u rro u n d i n g r o c k d e f o rm a t i o n Th e。

    7、 p e rfo rm a n c e o f Ri c h a r d s mo d e l i s a n a l y z e d i n d e t a i l b y e ng i n e e r i ng e x a mp l e s Th e r e s u l t s s h o w t h a t Ri c ha r d s mo d e l c a n f o r e c a s t i n g t h e t u nn e l s u r r o un d i n g r o c k d e f o r ma t i o n d e v e l o p me n t p r。

    8、 o c e s s we l l ;wh e n t h e s u rro u n d i n g r o c k de f o r ma t i o n h a s e n t e r e d s t a b l e de v e l o p me n t s t a g e o b v i o u s l y,t h e p r e di c t i v e pe rfo rm a n c e o f Ri c h a r ds mo d e l i s v e ry we l l ;t he p r e d i c t i o n p e rfo rm a n c e o f Ri 。

    9、c h a r d s mo d e l i s s u pe r i o r t o Ex p o n e n t i a l c u r v e mo d e l a n d Hy pe r b o l i c mo d e l ,a n d h a s b e t t e r a p p l i c a t i o n v a l u e Ke y w o r d s t u n n e l ;s u r r o u n d i n g r o c k d e f o r ma t i o n ; p r e d i c t ; R i c h a r d S m o d e l 1 概。

    10、 述 随着我国经济的发展 , 公路铁路建设越来越多 , 由此导致了许多隧道工程问题 。隧道围岩变形监测 和分析是隧道工程 中的一项关键任务 , 通过围岩变 形 的 监测 和分 析可 以及 时掌 握隧 道 围岩在 施工 过程 中的动态变化情况和支护结构的工作状态 , 同时监 测结果也是施 工和设计 的重 要指导信 息 。隧道 围岩变形一般包括拱顶沉降变形和洞室收敛变形两 个方面 , 两者都是 围岩 一 支护 系统 稳定性控制 的关 键参数 。隧道围岩变形受到地质条 件、 施工条件 等多种 因素的影响 , 如何根据现场有限的观测信息 挖掘出围岩变形规律 , 合理估计未来变形发展趋势, 并预测极限变。

    11、形量 , 是有效利用 围岩变形监测信息 的关键 , 这 对 于判断 围岩 一支护 系统 的稳定 性 , 为施 工提供有效决策非常重要 。 目前 , 围岩变形分析和预测 的方法较多, 主要可 以分为智能预测方法和确定性预测方法。智能预测 方法主要是指神经网络 、 支持向量机等方法, 包括遗 传算法、 粒子群算法下的优化方法 。这类方法 虽然可以得到很好 的预测精度 , 但是 由于其不具有 确定的数学表达式 , 无法预测 围岩 的极 限变形值。 【 收稿 日期】2 0 1 3 1 2 - 1 8 作者简介】王军龙( 1 9 7 3 一) , 男 。 陕西合阳人 , 硕 士研究生 , 副教授 , 主。

    12、要从事土建方面的科研与教学工作 。 1 4 6 公路工程 3 9 卷 确定性方法是指利用确定性的数学表达式拟合围岩 变形 , 并外推变形趋势和预测极限变形值的方法 , 主 要包 括 灰 色 预 测 模 型 、 V e r h u l s t 模 型 、 U s h e r模 型 等 。 - 1 。实 际工 程 中的 大量 监 测数 据表 明 , 围岩 变 形随时间具有 S型变化趋势或者具有快速稳定 增长的发展趋势 I 1 , 这非常类似于生长 曲线。为 此 , 本文选择 R i c h a r d s生长 曲线模型作 为围岩变形 预测模型。文章通过工程实例分析了 R i c h a r d s。

    13、 模型 的应用效果 , 结果显示围岩变形趋势对 R i c h a r d s 模 型预测效果影响很大 , 只有围岩变形进人 了比较明 显的稳定增长 阶段 , R i c h a r d s 模 型才 可以得到较好 的预测效果 , 特别是极 限变形预测值。由此本文利 用 围岩 变形 一时 间 曲线尾部 阶段 的平 均速度 和加 速 度作为分析围岩 变形趋势的指标。最后 , 通过与指 数曲线模型和双曲线模型对 比分析说明了本文方法 的合理性和有效性。 2 围岩变 形预 测的 Ri c h a r d s 模型 R i c h a r d s 模型是 由生物学家 R i c h a r d s于 。

    14、1 9 5 9年 提 出的描述生 物生长过 程的数 学模 型 “。它描 述 了 生物生长从最初的慢速生长到快速生长再 到慢速生 长最终稳定在一个极限值的特征。目前 R i e h a r d s 模 型已经被引人到岩土工程领域 , 在地基 路基沉降预 测和 桩基 极 限 承 载 力 预 测 中取 得 了不 错 的 应 用 效 果 引。鉴于围岩变形 一 时间曲线与 R i c h a r d s曲线 的相 似性 , 本文将 R i c h a r d s 模 型引入到 围岩变形 预测 中。R i c h a r d s 模型的数学表达式为H 卜 】 : y:A f lB e h 1 【 l ( 。

    15、1 ) 、 , 式 中: A 、 、 、 m为模型参数。 对 于 围岩 变 形 预 测 , R i c h a r d s 数 学 表 达 式 可 以 改写 为 : S , :A f 1一B e - k t 1 【 J ( 2 ) 、 , 式 中 : t 为时间 , S 为 t 时刻的围岩变形预 测值 ; A为 围 岩变形渐进极限值; 日为围岩变形初始值因子 ; |I 为围 岩变形增长速度因子 ; m为围岩变形曲线形状参数。 R i c h a r d s 模型是一个 4参数非线性模 型 , 模 型 参数不易求解 。由于 O r i g i n软件具有很好的非线性 回归和拟合功能, 并且内部 。

    16、自备 R i c h a r d s 模 型。为 此 , 本文选择 O r i g i n软件求解 R i c h a r d s 模型的参数。 3工 程实例应 用 下 面 以四处 隧道 围岩 的 变形 数据 为例 说 明 R i c h a r d s 模型 的适 用性。其 中, 新 会市 隧道 ( 隧 道 1 ) 为双洞双向四车道曲墙连拱隧道, 观测数据为 某断面拱顶沉降 ; 香河分离式隧道 ( 隧道 2 ) 为双 向 四车道 设 计 , 观 测 数 据 为 某 断 面 洞 室 水 平 收 敛 值 。宜万铁路堡镇隧道( 隧道 3 ) 采用左右 2单线 方案, 2线相距 3 0 m, 观测数。

    17、据为右线某断面水平收 敛值 ; 遵赤公路隧道( 隧道 4 ) 宽度为 1 2 m, 观测 数据为某断面拱顶下沉量 。从图 1可以看 出: 除 新会市隧道外上述隧道围岩变形都进入了稳定发展 阶段。根据上述隧道 围岩变形监测资料建立 R i c h a r d s 模型, 结果见图 1 。 时 间 d 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 O 5 0 、 l 0 0 1 5 0 陋 2 0 0 2 5 0 0 2 l 4 、 8 田 l O 1 2 l 4 暑 昌 、 扣 晒 时间 d 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 ( b )隧道 2 (c)隧 逼 3 。

    18、【 d)隧 遭 4 图 1 R i c h a r d s 模型对隧道围岩变形一 时间曲线的预测结果 Fi g u r e 1 Pr e di c t i o n r e s ul t s o f Ri c h a r ds mo d e l o n t u nn e l s ur r o un d i n g r o c k d e f o r ma t i o n t i me c u r v e s 将 各 隧道 围岩 变形 数 据 输 入 O r i g i n软 件 , 根 据 软件的拟合功能可以获得由各隧道围岩变形预测的 R i c h a r d s 模型数学表达式如下 : 隧 。

    19、道l : s t :l 1 9 2 8 ( 1 0 8 9 8 e 。 。 啷 ) 一 o ( 3 ) 隧 道2 : S t = 1 1 8 0 9 ( 1 1 0 5 5 e m ) 卜 o ( 4 ) 隧 道3 : S l = 2 3 8 5 1 9 ( 1 0 9 1 7 e _ o n 5 ) - 9 0 ( 5 ) 隧 道4 : S l = 2 9 5 4 ( 1 0 6 2 4 e _ o 5 ) 川。 。 ( 6 ) 根 据式 ( 3 )式 ( 6 ) 即 可预 测 围岩 的极 限 变形 0 2 4 6 8 0 2 4 Eg、 晤 第 3期 王军龙 :围岩变形预测 的 R i c。

    20、 h a r d s 模 型及变形发展趋势分析 1 4 7 值 , 如根据式( 3 ) 可 以预测 隧道 1观测断面 围岩极 限变形值为 1 1 9 2 8 m m。 从图 1中可 以看 出: R i c h a r d s模型预测 效果 良 好 , 相关 系数分别为 0 9 7 5 、 0 9 9 2 、 0 9 9 8和0 9 9 9 。 隧道围岩变形时 间曲线尾部段 的拟合精 度决定 了 R i c h a r d s 模型对 围岩未来趋 势 以及极 限变形值 预 测的准确度 。表 1中列出了上述 4个隧道围岩 变形 一时间曲线尾 部 3点 预测结果 。从表 l的结 果可 以看出 : 除。

    21、隧道 1以外 , 其 他 3处 隧道 围岩变 形 一时 间 曲 线 尾 部 3 点 的 平 均 相 对 误 差 为 1 2 4 , 预测精度高于 9 8 , 预测效果 良好 。对于 隧道 l而言 , 预测效果相对较差 , 尾部 3点 预测相 对 误 差 为 1 0 5 2 。 表 1 四处 隧道 围岩变形 一时问 曲线尾部 3点预测结果 Ta b 1 Fo r e c a s t r e s u l t s o f t h e l a s t t h r e e po i n t s o f t he t u n ne l s u r r o u n di n g r o c k d e f 。

    22、o r ma t i o n t i me c u r v e s 根据 图 1和表 1的 结 果 , 隧 道 1围 岩 变形 的预 测结果明显比其他 3个隧道的要差。观察隧道 1围 岩变形 一时间曲线与其他三者的区别 , 可以看出: 隧 道 1的围岩变形并未进入 明显的稳定发展阶段 , 而 正处于增长阶段 , 而其余三者都具有稳定阶段趋势 , 未来变形 随时问将 会逐 渐趋 于稳 定, 而这 正符合 R i c h a r d s 模型的特点 , 由此 导致 R i c h a r d s模型对后 三者的预测效果 良好 , 而对于隧道 1没有得到理想 的预测 效 果 。 因 此 , R i 。

    23、c h a r d s模 型 预 测 结 果 是 否 可 靠与围岩的变形趋势密切相关 , 只有 当变形进入明 显的稳定发展 阶段 , R i c h a r d s模型才 可以得到可靠 的预测结果 , 此时可进行极 限变形值 的预测。若变 形还未进入稳定发展阶段 , 则说明此时不具备预测 极限变形值的条件。 4隧道 围岩变 形趋势分析 目前对隧道围岩变形的分析 以预测 为主, 预测 可以获得隧道围岩变形 一时间的数学表达式, 进而 预测未来发展趋势和极限变形值 。但是预测时缺乏 对围岩变形趋势 的分析, 这对 于围岩变形预测特别 是极限变形值的预测非常重要。只有当围岩变形时 间曲线进入 明显 。

    24、的稳定发展趋势, 利用 R i c h a r d s模 型才可以得到可靠 的极限变形预测值 , 同时变形趋 势分析也可以说 明当前围岩变形的发展情况。 隧道围岩变形一般经历了快速稳定增长的 发展阶段 , 同 R i c h a r d s 模型类 似。对 R i c h a r d s模型 进行一阶求导和二阶求导 , 结合围岩变形发展特点 , 可以将变形的变化趋势分为 2个阶段 : O 0 , 在 这个 时 间段 内 , 变形 呈现 加速增 长 , 增 长速度 越来 越大 , 为快速增长阶段 ; n ( 有 0 , 0 , d 2 S 0 , 说明此时尾部围岩变形趋势处于快速增长阶 d S 。

    25、d 2 S 段, 而其余三者都满足 0 , 0 , 0 , 并且 足够小时, 则可进行极 Q t i t d 限变形值的预测。若变形还未进入稳定发展阶段 , 则不适合进行极限变形值预测。 用 R i c h a r d s 模型对围岩变形进行预测 , 预测 效果优 于指 数 曲线模 型和 双 曲线模 型 , 更能 适 应 围 岩变形 的 S型发 展趋 势。 【 参考文献】 1 焦保华, 胡振南金凤隧道监 控量测 技术及数据 分析 J 公 路工程 , 2 0 1 2 , 3 7 ( 1 ) : 1 5 21 5 6 c 2 涂敏 , 张孟喜基于神经网络的双连拱 隧道拱顶下沉和周边水 平位移的滚动。

    26、预测 J 上海 大学学 报 ( 自然科学 版) , 2 0 0 5 , I I ( 2 ) : 1 8 61 9 1 3 肖智旺, 钟登华 基 于 R B F神经 网络算法 的连拱隧道 围岩变 形预测方法研究 J 中国工程科学 , 2 0 0 8 , t O ( 7 ) : 7 7 8 1 4 方昱 , 刘开云隧道施工围岩变形预 测的智能模 型 J 铁道 标准设计 , 2 O L O ( 4 ) : 8 58 8 5 王树栋 , 刘开云长大隧道软弱围岩施 工大变形智能预测方法 J 中国铁道科学 , 2 0 0 8 , 2 9 ( 2 ) : 8 2 8 7 6 朱铭基于灰色预测方法的隧道大变形。

    27、 预警技术研究 J 公 路工程 , 2 0 1 1 , 3 6 ( 3 ) : 1 8 31 8 6 7 龚运高 , 刘敦文 , 粟 闯基 于 V e r h u l s t 模型 的新建隧 道顶板 下 沉预测研究 J 业安全与环保 。 2 0 0 9 , 3 5 ( 7 ) : 3 3 3 5 8 王秀丽围岩变形预测的 U s h e r 模型及参数求解 J 水 电能 源科学 , 2 0 1 1 , 2 9 ( 6 ): 1 2 41 2 6 9 包太 , 税月MMF生长模型在隧道监浏 数据分 析中的应用 研 究 J 贵州大学学报 ( 自然科学版) , 2 0 0 9, 2 6 ( 4 ):。

    28、1 3 11 3 3 1 o 3 蒋建平 。 高广运基 于俞 氏四参数 模型的隧道 拱顶沉降 预测 J 中国矿业大学学报 , 2 0 0 9 , 2 8 ( 5 ) : 6 7 0 6 7 4 1 1 邢黎峰 , 孙 明高, 王元军生物生 长的 R i c h a r d s 模 型 J 生 物数学学报 , 1 9 9 8, 1 3 ( 3 ) : 3 4 83 5 3 1 2 赵霞R i c h a r d s曲线模型在 地基沉 降预测 中的应用 J 贵 州大学 学报 ( 自然科学版), 2 0 1 1 , 2 8 ( 3 ) : 1 0 31 0 6 1 3 肖治字 , 陈昌富软土路基沉降 预测 R i c h a r d s 模 型方法 J 公路交 通科技 , 2 0 0 8 , 2 5 ( 1 1 ) : 2 93 2 1 4】 蒋建 平 , 高广 运 , 刘 文 白扩 底桩 上拔 荷 载 一位移 蓝线 的 R i c h a r d s模型拟合研 究 J 1T程力 学, 2 0 0 9 , 2 6( 5) : 1 8 9一 l 9 6 。

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