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| 內容簡介： |
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隧道作为隐蔽工程，所处的地质水文环境具有复杂性和不确定性，导致工程施工失稳事故频发，带来严重的经济损失与安全风险。《隧道施工多元信息反馈优化及超前预警技术》针对地下工程施工复杂系统的反馈控制本质，将智能科学、信息科学、计算机技术的先进成果与传统隧道施工技术相结合，建立了隧道工程施工智能反馈分析及预警流程，研究内容包括隧道围岩动态分级、稳定性判据研究、围岩参数智能反分析、隧道施工进尺确定及锚固参数优化、隧道施工多元信息采集及时间序列预测模型等，形成了比较完善的分析体系和软硬件系统。研究成果在多个隧道工程成功应用，有力支撑了隧道安全施工，降低了成本。
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目录前言第1章 绪论 11.1 背景和意义 11.2 地下工程反馈分析与预警技术研究现状 11.2.1 隧道施工期监测技术现状 21.2.2 隧道施工反馈优化研究现状 31.2.3 隧道围岩分级研究现状 61.2.4 隧道围岩位移时间序列及稳定性评价研究现状 71.2.5 隧道施工可视化管理系统研究现状 81.3 隧道施工分析存在的问题 91.4 本书的主要内容 10第2章 基于机器学习和可靠度的隧道围岩动态分级 122.1 概述 122.2 基于超前地质预报的围岩动态分级 122.2.1 岩体分级简介 122.2.2 隧道围岩动态分级 142.2.3 基于超前地质预报的围岩动态分级指标 142.3 基于机器学习和可靠度的围岩动态分级方法 182.3.1 机器学习与*小二乘支持向量机 182.3.2 细菌觅食优化算法 192.3.3 基于BFOA-LSSVM的围岩动态分级模型 202.3.4 基于BFOA-LSSVM可靠度围岩分级方法 212.4 地质三维建模基本原理与方法 242.4.1 广义三棱柱构模法 242.4.2 三维地质体可视化实现 262.5 基于BFOA-LSSVM可靠度分级的工程应用 302.5.1 BFOA-LSSVM训练及围岩动态分级 302.5.2 Monte-Carlo抽样次数对分级精度的影响 332.5.3 围岩动态分级指标敏感性分析 34第3章 隧道围岩稳定性判据研究 383.1 概述 383.2 隧道围岩整体稳定性判据 383.2.1 围岩洞周位移判据 383.2.2 围岩塑性区判据 393.2.3 围岩安全系数判据 393.3 围岩局部稳定性判据 403.4 围岩单元状态指标 433.4.1 单元状态指标的提出 433.4.2 单元状态指标在FLAC3D中的实现 483.4.3 ZSI在典型岩土工程问题中的验证与应用 503.5 基于H-B准则的ZSI 543.5.1 H-B准则 543.5.2 H-B准则与M-C准则的参数等效关系式 543.5.3 基于H-B准则的单元状态指标推导 563.5.4 验证分析 573.5.5 隧道工程应用 613.6 基于遍布节理模型的ZSI 653.6.1 节理岩体安全度研究情况 653.6.2 遍布节理模型 663.6.3 基于遍布节理模型的单元状态指标推导 673.6.4 计算验证 68第4章 隧道围岩参数智能反分析 704.1 概述 704.2 隧道围岩弹塑性参数反分析 704.2.1 反分析原理 704.2.2 基于差异进化算法的围岩反分析方法 714.2.3 弹塑性参数反分析应用 764.3 隧道围岩节理参数反分析 894.3.1 岩体的遍布节理模型 894.3.2 围岩节理参数识别问题 894.3.3 基于DE-GP的围岩节理参数识别 904.3.4 围岩节理参数反分析应用 934.4 隧道围岩蠕变参数反分析 1024.4.1 围岩蠕变参数反分析必要性 1024.4.2 蠕变参数反演流程 1024.4.3 蠕变参数反分析应用 104第5章 隧道施工进尺确定及锚固参数优化 1105.1 概述 1105.2 隧道施工进尺的确定 1105.2.1 收敛-约束法的原理 1105.2.2 基于围岩特征*线与纵向变形*线的进尺确定方法 1115.2.3 一般岩体隧道进尺确定 1125.2.4 节理岩体隧道进尺确定 1185.3 围岩锚杆加固机制 1285.3.1 锚杆的定义 1285.3.2 锚杆的锚固力 1295.3.3 锚杆与围岩相互作用 1305.3.4 锚固效果主要影响因素分析 1305.4 隧道锚固参数优化方法 1325.4.1 锚固参数与围岩变形指标的关系 1335.4.2 锚固参数优化数学表述 1345.4.3 锚固参数的粒子群优化算法 1345.5 锚固参数优化方法的工程应用 1365.5.1 大连地铁隧道工程应用 1365.5.2 甄峰岭公路隧道工程应用 142第6章 隧道施工多元信息采集及时间序列预测模型 1476.1 概述 1476.2 隧道施工采集的多元信息 1476.2.1 隧道施工信息监测目的 1476.2.2 围岩支护结构监控量测信息 1486.2.3 隧道施工人员装备管理信息 1496.3 隧道施工多元信息采集自动化 1506.3.1 隧道信息自动化采集的优点 1506.3.2 隧道施工远程监测系统框架 1516.3.3 隧道围岩支护监测的硬件构建 1526.3.4 人员装备信息采集硬件构建 1586.4 隧道施工多元信息的传输机制 1626.5 信息报警机制及时间序列预测模型 1646.5.1 人员定位信息报警 1646.5.2 隧道围岩位移监测信息预警 1656.5.3 基于多变量DE-GP隧道变形时间序列预测算法 1686.6 隧道施工多元信息自动采集系统平台构建 1706.6.1 隧道人员定位考勤系统 1706.6.2 隧道围岩支护监测采集系统 1736.6.3 隧道信息采集系统云平台构建 1766.7 隧道工程应用 1836.7.1 工程简介 1836.7.2 软、硬件系统搭建 1836.7.3 多元信息采集管理 1886.7.4 多变量时间序列预测结果 191第7章 基于BIM的隧道施工反馈分析系统开发 1957.1 概述 1957.2 BTCFAS的隧道施工反馈分析方法 1957.3 BTCFAS的隧道BIM建模及IFC扩展技术 1977.3.1 隧道BIM建模流程 1977.3.2 IFC隧道领域扩展方法 1977.3.3 隧道模型组件库的建立 2027.4 BTCFAS的隧道三维图形交互与数据管理 2057.4.1 IFC数据三维图形交互 2057.4.2 基于IFC的监测信息数据管理 2087.5 BTCFAS的技术路线及程序实现 2107.5.1 系统的总体规划与技术路线 2107.5.2 开发平台选择 2137.5.3 程序实现 2137.6 BTCFAS的隧道工程应用 2227.6.1 工程简介 2227.6.2 IFC隧道信息集成模型创建 2247.6.3 自动化监测硬件安装 2277.6.4 基于BIM系统的监测数据反馈分析 2287.6.5 围岩分级与工法** 2317.6.6 基于BIM有限元计算及锚固参数优化 233参考文献 237
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第1章 绪论 ？1.1 背景和意义 地下空间作为一种宝贵的自然资源，其开发和利用是社会进步的体现。目前我国的地下工程建设，如城市轨道交通、城市地下管廊、越江水底隧道、公路隧道、铁路隧道、水利地下工程、矿山地下工程等方兴未艾。在环境方面，我国幅员辽阔，越江跨海、高地应力、岩溶、寒区等地的隧道所处环境越来越恶劣；在结构方面，异形断面、超大断面、交叉隧道等隧道结构形式也日益复杂。不少隧道所处的环境和结构形式超出了已有规范[1， 2]。 据统计[3， 4]，截至2021年底，中国铁路运营总里程约15.1万km，而其中投入运营的铁路隧道有17532座，总长约21055km；在建2418座，总长约6414km；投入运营的特长铁路隧道有235座，总长约3152km，其中长度超20km的特长铁路隧道有11座，总长约262km。截至2021年底，中国50个城市投运城轨交通线路总里程为9192.62km，其中地铁为7253.73km，占比78.9%，稳居世界*位。截至2020年底，中国已建成公路隧道21316处，总长约21999.3km，其中特长隧道有1394处，总长为6235.5km，长隧道有5541处、总长为9633.2km。 随着隧道建设数量的增多、所处环境和结构形式日益复杂，隧道工程失稳事故也常常发生，塌方、突水灾害现象屡见报道，带来严重的经济损失和安全损失。为了保证工程安全，如何建立隧道工程多元信息监测系统和超前预警机制，成为迫在眉睫的问题。现场量测获得的岩土工程监测信息能够从宏观上综合反映岩土工程-支护系统力学状态变化，对岩土工程监测信息进行反馈分析和超前预警是避免岩土工程失稳塌方的有效途径，将为隧道施工决策管理提供有力的保障，带来显著的经济效益与社会效益，拥有很好的应用前景。 ？ 1.2 地下工程反馈分析与预警技术研究现状 隧道围岩-支护系统是一个复杂开放的巨系统。由于地质体的复杂性和不确定性，隧道开挖之前的地质体可以看成灰箱，预设计方案具有一定的盲目性。随着隧道开挖揭露和监测信息的获得，围岩力学性质逐渐明确，隧道趋向于白箱，进而可以得到更有针对性的施工方案，即系统具有可测性和可控性。新奥地利隧道施工方法（简称新奥法）、隧道反分析等方法以及信息化施工等理念，都体现了隧道施工反馈控制的本质。 隧道施工信息预警和分析具有以下几点困难：①地质信息复杂，监测信息不易获取；②数据分析大多依赖人为经验；③施工反馈过程涉及施工、设计、业主、监理等各方配合，信息沟通麻烦；④隧道施工涉及的数据抽象繁杂，格式不统一；⑤隧道施工呈现复杂系统特征，涉及多元信息的互馈与融合。上述问题随着信息传感技术、智能科学和计算机技术的引入，正在逐步得到解决。 ？ 1.2.1 隧道施工期监测技术现状 隧道施工期监测一直受到重视。奥地利的Rabcewicz在总结多年隧道施工经验的基础上提出了著名的新奥法，明确指出变形观测的重要性[5]。事实上，隧道施工期监控量测已经成为施工必要环节，我国的相关规范对隧道施工的必测和选测项目进行了明确要求。传统隧道施工监测以人工为主，一般通过人工定期读取记录监测数据，然后由技术人员进行分析和提供报表。上述方法人工消耗大、监测周期长、容易出现人为误差，危险区段也不利于监测人员的安全。随着传感器技术、信息传输技术和计算科学的发展，建立具有多元信息融合的自动化、可视化及智能化的岩土工程预警系统成为必然。 国外较早地在隧道施工过程中应用了远程自动化监测方案，充分利用了计算机的高效性与互联网的便捷性，大大提高了隧道监测效率与精度，并逐渐走向集成化与智能化[6-8]。瑞士Amberg公司开发的TunnelScan隧道扫描技术，其核心数据采集硬件是Profiler5003超高速相位式三维激光扫描仪。日本佐藤工业株式会社[9]研究开发的“SIT”系统能把隧道洞内的施工信息，包括监控量测、施工机械运行状态等数据通过通信线路传输至洞外，推动了施工信息化管理的发展。Savi等[10]在公路隧道的关键路段安装了一种创新的自动监测装置，能够及时反映隧道施工过程中围岩应力及位移变化特性，为合理修改隧道施工方案提供依据。 国内在自动化监测系统研究方面的发展也相当迅速，例如，中铁西南科学研究院有限公司针对青藏铁路建设和运营研发的EMM-TF80自动化监测系统，包括80个采集通道的隧道温度、应变自动测量系统。高文学等[11]结合现代遥测技术，把选测断面传感器（频率类、电压电流类、开关量类、数字类等）数据采集、三维激光扫描、超前地质预报、爆破振动监测以及可视化监控融合在一起，形成隧道施工多元信息监测系统。谢雄耀等[12]开发了沉降自动化监测及数据移动发布系统，实现了24h监测数据的自动化采集、分析和移动端推送，并将该系统应用于南宁轨道交通1号线盾构隧道下穿南宁火车站铁路股道及站房工程。 近年来，微震监测、光栅光纤、合成孔径干涉雷达测量等新技术也被应用到隧道监测中[13-16]。尤其是自1990年以来，隧道掌子面前方探测的超前地质预报技术在我国得到重视。超前地质预报是指利用包括物探的各类探测技术对隧道掌子面前方地质情况及不良地质体工程性质进行探测、分析和预报。目前国内外隧道施工阶段的主要超前地质预报方法包括掌子面超前取芯钻孔、掌子面地质编录法预测、地震预报法、电性预报法、红外探水等。地震预报法根据排布方法可分为隧道地震预报（tunnel seismic prediction，TSP）、垂直地震剖面（vertical seismic profile，VSP）、水平地震剖面（horizontal seismic profile，HSP）、真实地震反射成像法、地下地震预测等；电性预报法有地质雷达法、瞬变电磁法、隧道电法超前探测技术等。李术才等[17]自主研发了三种超前预报技术（全空间瞬变电磁技术、动点源激发极化技术、极小偏移距地震波技术），结合常规超前预报技术建立了综合超前地质预报技术。此外，人员装备的信息管理对隧道施工也相当重要。从早期的施工人员进洞挂摘牌指示，到人员、车辆刷卡进洞，再到在隧道洞内安装基站进行人员定位管理，人员装备的信息管理得到了长足发展[18]。 传统的隧道监测主要关注掌子面后方围岩，忽略了掌子面超前核心土的性质和空间效应。实际上掌子面前方围岩的力学性状对隧道稳定性至关重要，为此意大利的卢纳尔迪[19]提出了岩土控制变形分析法，这是以控制掌子面超前核心土变形为依据的主要理念、施工原则及施工方法。 ？ 1.2.2 隧道施工反馈优化研究现状 隧道控制的方法是指应用系统论的观点将隧道施工环境看成一个由地质、工程及环境相互作用而又相互依赖的统一体，进而应用如控制论、系统论和信息论等理论和方法，以达到满足系统控制的目的。融施工、监测和设计于一体的施工方法既称为信息化施工方法，又称为施工监控。例如，李世辉等[20]论证了围岩-支护系统是一种开放复杂的巨系统。朱维申等[21]提出了岩体力学研究的新方向—岩体的动态施工力学理论，并基于该理论研究了实际岩石工程的施工过程。于学馥等[22]从隧洞开挖的角度*次提出了开挖系统智能控制的概念，强调开挖系统的智能控制既是理论上的要求，又是实践上的需要。白李妍等[23]通过对城市隧道及地下工程施工环境动态*优控制策略制定程序，认为目前施工人员的信息化施工实际上还只能是一种简单的闭环控制，施工同步监测也只是其中必不可少的一部分。 隧道施工过程的监测信息是隧道围岩力学参数和施工方案综合作用的反映。围岩力学参数是天然的，施工方案可以人为反馈调整。反馈优化是监测数据在识别围岩力学参数的基础上，进行合理的施工方案优化，从而达到施工控制的目的。由此形成隧道施工反馈优化示意图，如图1.1所示。 20世纪60年代中期，随着电子计算机科学和岩土本构定律研究的发展，地下工程分析方法进入了数值分析时期。近年来，随着数值方法的发展和计算机技术的提高，隧道施工力学数值计算已经具备很好的适用性，但是由于地质体的不确定性和复杂性，参数不准成为制约其应用的瓶颈问题。 日本学者Sakurai等[24]进行了岩体弹性模量及初始地应力的线弹性有限元位移反分析研究。Ogata等[25]对两个煤矿的洞室开挖前后进行了现场围岩变形量测，考察了岩体的变形及状态的预报，表明硬岩变形是弹性位移的积累，而软岩变形受时间及开挖距离的影响。Gioda等[26]提出采用单纯形等优化方法求解岩体的弹性及弹塑性力学参数，并讨论了不同优化方法在岩土工程反分析中的适用性。Hisatake等[27]研究了隧道施工的反分析方法。Eberhardt[28]用三维有限元方法计算分析研究了地下洞室开挖面前进时的围岩应力变化路径。Dhawan等[29]采用二维和三维有限元方法对戈伊纳（Koyna）水电站开挖进行了模拟。 国外学者主张在施工过程中，实时分析和反馈开挖中的监测信息和揭露信息，进行支护方案的动态设计。Tezuka等[30]系统地介绍了日本地下工程开挖中的最新技术，强调了开挖过程中重新设计的概念。Sapigni等[31]基于地质特征和预测信息与监测信息的对比方法，指导了阿尔卑斯山脉一个隧洞的开挖施工。Maejima等[32]研究了地下大型洞室开挖的松动区预测估计方法，并提出了观察法施工的技术。 国内对地下洞室开挖反分析的研究也取得了很多成果。以刘怀恒[33]、杨林德[34]、王芝银等[35]为代表的学者对地下工程反分析的方法理论及其应用进行了详细研究。李世辉[36]研制了典型工程类比法的隧道施工的二维反分析BMP程序，得到较好的应用。李晓红等[37]提出了基于神经网络的隧道位移智能化反分析方法，结合实例证明了其合理性。 从1970年至今，学者一直对岩土工程进行反分析研究，并形成了相对丰富的研究成果。反分析方法的分类如图1.2所示。 根据监测信息类型的不同，反分析方法分为应力反分析、位移反分析和混合反分析。混合反分析可以充分利用位移和应力的监测信息，使参数识别的准确性更高。根据计算方法的不同，反分析方法分为解析法和数值法，数值法又分为逆反分析和正反分析。逆反分析一般是基于有限元分析的逆过程，其优点是分析效率很高，但仅适用于相对简单的模型。正反分析则是利用正向求解器和优化算法来执行复杂的计算过程。总体而言，解析法和数值法中的逆反分析适用于较简单的模型，需要对实际工程进行较大程度的简化，而数值法中的正反分析具有更强的适应性，并得到越来越广泛的应用。优化算法在正反分析中起着关键作用，早期采用了传统优化算法，如黄金分割法、单纯形法和牛顿法。自20世纪90年代以来，以遗传算法和神经网络方法为代表的现代计算智能方法不断得到应用。本构模型的选择是保证隧道围岩数值计算精度的基础，在反分析中使用的本构模型通常包括弹性模型、弹塑性模型和黏弹塑性模型，上述模型还可进一步分为各向同性模型和各向异性模型。 隧道施工方案优化对施工的安全性和经济性具有重要意义，也受到学者的重视。国内在20世纪中期开始了开挖顺序对大型洞室稳定性的影响研究，起初的研究都只是定性地指明施工顺序对围岩稳定的影响，采用列举法择优。俞裕泰[38]研究了分期开挖对硬岩洞室的围岩应力的影响。朱维申等[39]提出了地下工程的动态施工力学理论，应用动态规划原理对洞室群最佳施工方案进行了研究，大大改进了以前的施工顺序优化工作。为了实现快速全局的优化，安红刚等[40]将进化-有限元方法和神经网络、并行计算有机结合，提出了大型洞室群优化的并行进化神经网络有限元方法。吴波等[41]基于改进逼近理想解排序（technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）法研究了隧道施工的方案优化。 参数反分析和隧道施工方案优化在本质上都是优化问题，隧道工程大多数
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