專利名稱：洞室圍巖穩(wěn)定性分析智能模型的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種洞室圍巖穩(wěn)定性分析智能模型構(gòu)建方法，具體涉及一種以系統(tǒng)的巖土洞室工程數(shù)值仿真試驗結(jié)果為主樣本群的智能模型的構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
國內(nèi)現(xiàn)有的各種洞室圍巖穩(wěn)定性分析智能模型(ANN)的構(gòu)建離不開大量的樣本數(shù)據(jù)，樣本源缺乏、樣本代表性不足、樣本關(guān)系過于離散、專家經(jīng)驗奇缺等客觀現(xiàn)狀使得智能模型的實際應(yīng)用受到極大的限制，所以，現(xiàn)有的關(guān)于智能模型的研究大都限于理論層面，而非生產(chǎn)實際，尤其是對于考慮斷層影響的實際洞室工程。而且現(xiàn)有的各種洞室圍巖穩(wěn)定性分析模型，大都要求使用人員具有較強的有限元方法和數(shù)值模擬技術(shù)的基礎(chǔ)，并且具有操作復(fù)雜、計算速度慢等局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種洞室圍巖穩(wěn)定性分析智能模型的構(gòu)建方法，解決了上述現(xiàn)有技術(shù)中洞室圍巖穩(wěn)定性分析智能模型的各種缺點。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，洞室圍巖穩(wěn)定性分析智能模型的構(gòu)建方法，該方法按以下步驟進行(1)確定目標問題影響因素確定斷層距離、斷層厚度、斷面傾角、側(cè)壓力系數(shù)、圍巖變模、圍巖內(nèi)聚力、圍巖內(nèi)摩擦角、圍巖泊松比、洞室埋深、洞室跨度和洞室高跨比11種影響因素；(2)選擇模型結(jié)構(gòu)模型輸出為單點狀態(tài)值，且影響因素的數(shù)目＜5個時，采用單一核心模型結(jié)構(gòu)；模型輸出為場量或多點狀態(tài)值、或單點多狀態(tài)值，或者主要影響因素的數(shù)目為5～10個時，采用多個核心模型共存的并聯(lián)模型結(jié)構(gòu)；影響因素的數(shù)目＞10個時，采用核心模型和補充模型串、并聯(lián)的復(fù)合模型結(jié)構(gòu)；(3)分別確定核心模型和補充模型中的影響因素、采樣范圍和采樣頻度，在核心模型中確定斷面傾角、斷層距離、斷層厚度、側(cè)壓力系數(shù)、圍巖變模、圍巖內(nèi)聚力、圍巖內(nèi)摩擦角、圍巖泊松比8個影響因素，采樣范圍定為拱頂、拱肩、邊墻三種斷層情況，各影響因素的采樣頻度確定為每影響因素采樣3～5個點；在補充模型中確定洞室埋深、洞室跨度、洞室高跨比3個影響因素，采樣范圍定為拱頂、拱肩、邊墻三種斷層情況，各影響因素的采樣頻度確定為每影響因素采樣3～5個點，采用正交試驗設(shè)計或均勻試驗設(shè)計的方法，對核心模型和補充模型中的影響因素、采樣范圍和采樣頻度進行優(yōu)化設(shè)計；(4)將經(jīng)上述正交試驗或均勻試驗設(shè)計的數(shù)值進行有限元分析，生成智能模型的數(shù)據(jù)源①確定要進行有限元分析的幾何范圍其幾何范圍確定為水平向6倍洞徑，豎向8倍洞徑；②得到有限元分析的地應(yīng)力條件豎向地應(yīng)力 σv＝γ·H水平地應(yīng)力 σh＝k0·γ·H其中k0=μ1-μ]]>γ為圍巖的平均容重，H為埋深，k0為側(cè)壓力系數(shù)，μ為圍巖的泊松比；③施工荷載確定為初始地應(yīng)力+開挖地應(yīng)力釋放荷載④確定斷層的物理力學(xué)參數(shù)斷層的物理力學(xué)參數(shù)為變形模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強度、容重，根據(jù)水利水電規(guī)劃總院與水利水電地下建筑物情報網(wǎng)主編的《水利水電工程地下建筑物設(shè)計手冊》(1993)結(jié)合水利部的《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(1999)得到模型中斷層的各物理力學(xué)參數(shù)；⑤確定噴層的物理力學(xué)參數(shù)噴層的物理力學(xué)參數(shù)為彈性模量、泊松比、抗拉強度、容重，根據(jù)《水工鋼筋混凝土設(shè)計規(guī)范》進行力學(xué)參數(shù)的分析選?。虎奁茐臏蕜t的選取，選用莫爾—庫侖破壞準則，當(dāng)滿足τ≥c+σ·tgφ，其中τ是剪應(yīng)力，c是內(nèi)聚力，σ是壓應(yīng)力，φ是內(nèi)摩擦角，認為巖石破壞；⑦確定軟弱夾層的強度參數(shù)，EZ=TZ(ErEf)(TZ-Tf)Ef+TfEr]]>其中，TZ為夾層影響帶的厚度；Tf為夾層厚度；Ef為軟弱夾層變形模量；Er為非夾層的一般圍巖變形模量，得到的上述數(shù)據(jù)結(jié)果，作為智能模型的數(shù)據(jù)源；(5)將上述數(shù)據(jù)源進行特征化處理得到主樣本群將斷面分為拱頂、拱肩、邊墻三個分區(qū)，在這三種不同的斷層位置上，分別將分析區(qū)域的有限元網(wǎng)格進一步離散為各自的25個特征點，通過對這25個特征點的狀態(tài)值進行內(nèi)插處理；(6)模型建立將上述經(jīng)特征化處理的數(shù)值利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獨立構(gòu)建對應(yīng)于特征點的完整的25個預(yù)測模型，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選為7-20-1，每個預(yù)測模型將包含3個分區(qū)，每個分區(qū)分別對應(yīng)于拱頂、拱肩和邊墻三種不同的斷面位置，當(dāng)預(yù)測模型對這些特征點的狀態(tài)值進行預(yù)測之后，通過對這25個特征點的狀態(tài)值進行內(nèi)插，就能完整再現(xiàn)分析區(qū)域的連續(xù)場量信息。
該發(fā)明不但能夠有效地克服巖土洞室工程這一復(fù)雜特殊問題因樣本源匱乏、巖本離散、樣本代表性模糊等造成的智能模型的建模困難，而且能使從對巖土洞室工程問題單個的空間點應(yīng)力、變形、塑性指數(shù)、損傷模量等狀態(tài)的預(yù)測升級到對空間連續(xù)場量、場量的演化過程的預(yù)測，大幅提升智能模型的實際分析預(yù)測能力、分析的可靠性、精度及對量化設(shè)計指標的指導(dǎo)能力。
通過這種方法構(gòu)建的智能模型，使洞室工程智能分析系統(tǒng)除了能夠直接面向工程設(shè)計人員，提供最直觀的圍巖應(yīng)力、位移和噴層軸力、彎矩的彩色云圖等直觀的分析成果以滿足工程優(yōu)化設(shè)計的需求之外，還能提供洞壁以及圍巖各關(guān)鍵點的應(yīng)力、位移值關(guān)于各種影響因素的對比曲線，以滿足對圍巖穩(wěn)定性進一步深入研究的需要。
通過這些對比曲線，能夠十分方便地獲得一定范圍內(nèi)任意參數(shù)條件下，任意關(guān)鍵點的狀態(tài)值受某一因素影響的變化規(guī)律。為全面系統(tǒng)地了解圍巖位移場、應(yīng)力場的變化規(guī)律提供了更加便捷的手段和工具。


圖1是本發(fā)明的分類串連模型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是三種典型的傾角狀態(tài)示意圖；圖3是斷面線與水平方向夾角示意圖；圖4是斷面傾角3種典型情況示意圖，其中a為拱頂，b為拱肩，c為邊墻；圖5是拱頂位置特征點示意圖；圖6是拱肩位置特征點示意圖；圖7是邊墻位置特征點示意圖；圖8是建模流程圖；圖9是基于BP算法的前饋型網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)圖；圖10是拱頂位移隨斷層距離的變化圖，縱坐標為洞壁圍巖位移值，以mm為單位，橫坐標為斷層與開挖輪廓線之間的最小距離值，以倍洞徑為單位；圖11是邊墻中點水平位移隨側(cè)壓力系數(shù)的變化圖，縱坐標為洞壁圍巖位移值，以mm為單位，橫坐標為斷層與開挖輪廓線之間的最小距離值，以倍洞徑為單位；圖12是拱頂位移隨斷層距離的變化圖，縱坐標為洞壁圍巖位移值，以mm為單位，橫坐標為斷層與開挖輪廓線之間的最小距離值，以倍洞徑為單位；圖13是右邊墻中點水平位移隨側(cè)壓系數(shù)的變化圖，縱坐標為洞壁圍巖位移值，以mm為單位，橫坐標為斷層與開挖輪廓線之間的最小距離值，以倍洞徑為單位；圖14是邊墻中點水平位移隨斷層距離的變化圖，縱坐標為洞壁圍巖位移值，以mm為單位，橫坐標為斷層與開挖輪廓線之間的最小距離值，以倍洞徑為單位；
圖15是右邊墻中點水平位移隨側(cè)壓系數(shù)的變化圖，縱坐標為洞壁圍巖位移值，以mm為單位，橫坐標為斷層與開挖輪廓線之間的最小距離值，以倍洞徑為單位。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。
本發(fā)明的方法按以下步驟進行如圖8所示(1)確定目標問題影響因素充分考慮在實際工程中斷層對洞室圍巖、支護結(jié)構(gòu)受力、變形影響的復(fù)雜性，確定11種可變影響因素，包括斷層距離、斷層厚度、斷面傾角、側(cè)壓力系數(shù)、圍巖變模、圍巖內(nèi)聚力、圍巖內(nèi)摩擦角、圍巖泊松比、洞室埋深、洞室跨度和洞室高跨比。
(2)選擇模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，模型結(jié)構(gòu)在整體上采用“分類串連模型”的結(jié)構(gòu)，由核心模型和補充模型串聯(lián)構(gòu)成。
根據(jù)模型分析成果的不同復(fù)雜程度，如輸出場量、輸出單點狀態(tài)值和所確定的主要影響因素的數(shù)目多少，可以選擇如下3種不同的智能模型結(jié)構(gòu)a)模型輸出為單點狀態(tài)值，且影響因素的數(shù)目＜5個時，可以采用單一核心模型結(jié)構(gòu)；b)模型輸出為場量或多點狀態(tài)值，或單點多狀態(tài)值，或者影響因素的數(shù)目為5～10個時，可以采用多個核心模型共存的并聯(lián)模型結(jié)構(gòu)；c)影響因素的數(shù)目＞10個時，可以采用在b)并聯(lián)模型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進一步串聯(lián)其他的單體模型結(jié)構(gòu)或并聯(lián)模型結(jié)構(gòu)，形成核心模型和補充模型的串、并聯(lián)復(fù)合模型結(jié)構(gòu)；
(3)分別確定核心模型和補充模型中的影響因素、采樣范圍和采樣頻度，采用正交設(shè)計或均勻設(shè)計的方法，針對影響因素、采樣范圍和采樣頻度進行優(yōu)化試驗設(shè)計；正交設(shè)計法設(shè)水平數(shù)為q，用正交表安排各因素試驗，試驗的數(shù)目為rq2，r為自然數(shù)，須進行q2次試驗。
均勻設(shè)計法如下利用取a使ξ(q，a)達到極小的原則，我們對q≤31的情況計算了一部分均勻設(shè)計表，在計算時，利用同余逆可減少許多工作量。
正整數(shù)a和q，(a，q)＝1，a＜q則一定存在正整數(shù)b＜q使ab≡1(modq)，b稱為a的同余逆，記作a-1(modq).
在布點(2.1)時有ξ(p；1，a，a2，…，as-1)＝ξ(q；ai-1a1，…，ai-1as)(modp)，并且通過類似的手法，對固定的a1，…，asξ(q，·)的取值不超過s個，在布點(2.2)時有ξ(p；1，a，a2，…，as-1)＝ξ(p；1，a-1，a-2，…，a-s)(modp)，利用a布點和用a-1布點是同等均勻的，例如p＝11，s＝2時，因為2·6≡3.4≡5.9≡7.8≡10.10≡1(mod11)所以ξ(11；1,2)＝ξ(11；1,6)，ξ(11；1,3)＝ξ(111；1,4)，…，其中，a是正整數(shù)，p是素數(shù)，s是因素數(shù)。
又如q＝16時，它的縮系是1，3，5，7，9，11，13，15，當(dāng)s＝3時，一切可能的選擇有72=21]]>個，但利用(4.1)只要計算7個，因(a2，a3)可分成7組(3，5)(11，7)(7，13)；(3，7)(11，13)(5，7)；(3，9)(11，3)(11，9)；(3，13)(11，15)(15，5)；(3，15)(11，5)(13，15)；(5，9)(13，5)(13，9)；(7，9)(7，15)(15，9)。每組選出一個計算即可，
表1是q為素數(shù)p時用布點(2.2)所選擇的a，由于a和α-1有共同的ξ值，表1列出的是a，α-1中小的一個，再利用布點(2.3)，就可得到q＝p-1的表。因此表1實際上給出了q＝4，5，6，7，10，11，12，13，16，17，18，19，22，23，28，29，30，31的均勻設(shè)計。當(dāng)q＝p時表有p-1列，當(dāng)q＝p-1時，表也有p-1列。
小于31的正整數(shù)除上述外還有8，9，14，15，20，21，24，25，26，27，其中9，15，21采用布點(2.1)，25，27采用布點(2.2)利用它們的結(jié)果8，14，20，24，26采用布點9(2.3)。
表1素數(shù)p及p-1的均勻設(shè)計表 表2q和q-1的均勻設(shè)計表

在核心模型中，影響因素、采樣范圍和采樣頻度確定為如圖2所示，采樣范圍定為拱頂、拱肩、邊墻三種斷層的典型位置情況下，對斷層傾角(斷層線與水平方向的逆時針夾角)、斷層距離、斷層厚度、側(cè)壓力系數(shù)、圍巖變模、圍巖內(nèi)聚力、圍巖內(nèi)摩擦角、圍巖泊松比，共8個影響因素對等考慮，各影響因素的采樣頻度確定為每影響因素采樣3～5個點。
斷層傾角＝0°～90°，采樣點0°、45°、90°；斷層距離＝0.2～1.0倍洞徑，采樣點為0.2、0.5、1.0；斷層厚度＝0～200cm，采樣點為0，20，200；圍巖變模＝3000～15000MPa，采樣點為3000、6000、15000；圍巖內(nèi)聚力＝0.8～1.8MPa，采樣點為0.8、1.2、1.8；
圍巖內(nèi)摩擦角＝28～50°，采樣點為28、40、50；圍巖泊松比＝0.22～0.32，采樣點為0.22、0.28、0.32；側(cè)壓力系數(shù)＝0.38～3.0，采樣點為0.38、1.5、3.0。
假設(shè)斷層位于開挖輪廓線的上側(cè)、右上側(cè)或右側(cè)，所說斷面傾角是指斷層線與水平線的逆時針夾角，如圖3所示。
以下是在實際工程中最為常見的各參數(shù)取值區(qū)段及采樣點的舉例說明在埋深＝120m、洞跨＝10m、高跨比＝1.2的情況下，對斷層距離、斷層厚度、側(cè)壓力系數(shù)、圍巖變模、圍巖內(nèi)聚力、圍巖內(nèi)摩擦角、圍巖泊松比7個因素的均勻?qū)嶒炘O(shè)計結(jié)果如表3所示。
表3均勻試驗設(shè)計結(jié)果


進一步考慮0°、45°、90°，3個不同的斷面傾角(即軟弱夾層恰好分別位于拱頂、拱肩、邊墻)，所以實際需要進行的有限元實驗次數(shù)為42×3＝126次。核心模型的樣本數(shù)據(jù)將源于這126組仿真試驗的結(jié)果。
在補充模型中，影響因素、采樣范圍和采樣頻度確定為考慮了洞室埋深、洞室跨度、洞室高跨比三個影響因素對圍巖穩(wěn)定性和噴層受力的影響，采樣范圍和采樣頻度確定如下洞室埋深-100～500m，采樣點100、200、500；洞室跨度-6～1.0m，采樣點6、8、10；洞室高跨比-0.6667～1.5，采樣點0.6667、1.0、1.5。
以下是對洞室埋深、洞室跨度、洞室高跨比三個影響因素的均勻?qū)嶒炘O(shè)計舉例說明，其結(jié)果見表4。
表4補充模型試驗設(shè)計結(jié)果


(4)按照上述正交試驗或均勻試驗設(shè)計所得到的數(shù)值進行系統(tǒng)的有限元分析，分析計算的工具可以采用國內(nèi)外通用的一些大型有限元分析系統(tǒng)，如大型巖土工程有限元分析平臺Final，單個有限元分析的具體實施如下①有限元分析的幾何范圍有限元分析的幾何范圍為水平方向6倍洞徑，豎向8倍洞徑。
以基本洞型為例，跨度10m，高跨比1.2，直墻高9.11m，圓拱半徑5.77m的城門洞型洞室，分析區(qū)域取80m(8D)×60m(6D)的有限元網(wǎng)格剖分范圍。
②得到有限元分析的地應(yīng)力條件此基本模型中，洞頂上覆巖層厚度為120m。在深度為25～2700m的范圍中，豎向地應(yīng)力σv等于上覆巖層重量，并且其分布大致隨深度按線性增加，由于地應(yīng)力場的變化情況也是應(yīng)考慮的重要影響因素之一，故在數(shù)值模型上施加初始地應(yīng)力，在不研究構(gòu)造應(yīng)力時，初始地應(yīng)力場為自重應(yīng)力場，而在研究構(gòu)造應(yīng)力場時，選取不同的側(cè)壓力系數(shù)k0即可。對于自重應(yīng)力場的施加包括兩豎向地應(yīng)力σv和水平地應(yīng)力σh，見式4-1～4-3，豎向地應(yīng)力σv＝γ·H (4-1)
水平地應(yīng)力σh＝k0·γ·H(4-2)其中k0=μ1-μ---(4-3)]]>γ為圍巖的平均容重，H為埋深，k0為側(cè)壓力系數(shù)，μ為圍巖的泊松比。
③施工荷載的確定施工荷載可以按以下兩部分施加初始地應(yīng)力+開挖地應(yīng)力釋放荷載其中各斷面的初始地應(yīng)力與各斷面的位置、埋深其所處的地層構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)；開挖地應(yīng)力釋放荷載因開挖步序、支護時機及掌子面與分析斷面之間的距離而各不相同。
隧洞開挖屬三維問題，根據(jù)隧洞開挖過程中圍巖受力情況考慮實際的三維橋跨效應(yīng)將三維問題簡化為平面應(yīng)變問題。施工中掌子面附近巖體應(yīng)力和變形，一部分是因掌子面開挖卸荷引起的，一部分是由于掌子面向前推進地應(yīng)力逐步釋放引起的。本案數(shù)值仿真分析中通過逐步減小開挖巖體單元的變形模量從而釋放開挖巖體單元應(yīng)力來模擬隧洞開挖的施工過程。
④確定斷層的物理力學(xué)參數(shù)本發(fā)明的智能模型中還必須確定斷層和噴射混凝土的各項參數(shù)。根據(jù)水利水電規(guī)劃總院與水利水電地下建筑物情報網(wǎng)主編的《水利水電工程地下建筑物設(shè)計手冊》(1993)結(jié)合水利部的《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(1999)得到本案模型中斷層的物理力學(xué)參數(shù)(變形模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強度、容重)，見表5。
表5斷層參數(shù)取值


⑤確定噴層的物理力學(xué)參數(shù)噴層的物理力學(xué)參數(shù)選為彈性模量、泊松比、抗拉強度、容重，根據(jù)《水工鋼筋混凝土設(shè)計規(guī)范》，本案的噴射混凝土層按表6所示的力學(xué)參數(shù)進行分析選取。
表6噴層參數(shù)取值

⑥破壞準則的選取本案分析選用莫爾—庫侖破壞準則，當(dāng)滿足τ≥c+σ·tgφ (4-4)其中τ是剪應(yīng)力，c是內(nèi)聚力，σ是壓應(yīng)力，φ是內(nèi)摩擦角，認為巖石破壞。
⑦確定關(guān)于軟弱夾層的強度參數(shù)軟弱夾層的厚度是軟弱夾層的主要特征之一，軟弱夾層厚度在不同的地質(zhì)條件下具有很大的離散性，從幾毫米到幾米，也有厚達幾十米的夾層帶。
本發(fā)明中，以軟弱夾層的變形和強度等效為出發(fā)點的一種簡單的，并能夠反映軟弱夾層帶厚度影響的模擬方法，來考慮各種不同的軟弱夾層帶厚度。
首先應(yīng)用在Katona工作基礎(chǔ)上提出的新型裂縫單元。該單元直接選取接觸面上的法向接觸力作為附加未知量，克服了傳統(tǒng)裂縫單元的不足。
本發(fā)明中采用以軟弱夾層的變相和強度等效為出發(fā)點提出的一種能反映夾層厚度的模擬方法。簡述如下軟弱夾層的主要特征表現(xiàn)為軟巖的易變形和裂縫的張開、滑移性質(zhì)。在施工過程中，由于施工期歷時相對較短，所以軟弱夾層內(nèi)充填物質(zhì)的流變性暫不考慮。
將軟弱夾層的影響分解為裂縫的作用和軟弱夾層影響帶的作用軟弱夾層的變形分為兩部分①軟弱夾層內(nèi)部裂縫張開、滑移的不連續(xù)變形；②軟弱夾層內(nèi)填充物的連續(xù)變形。
軟弱夾層單元的強度取為夾層填充物的強度參數(shù)。軟弱夾層影響帶主要反映軟弱夾層的變形特性，其強度參數(shù)取為一般非夾層的圍巖強度參數(shù)，而其變形參數(shù)按式4-5取值EZ=TZ(ErEf)(TZ-Tf)Ef+TfEr---(4-5)]]>其中，TZ為夾層影響帶的厚度；Tf為夾層厚度；Ef為軟弱夾層變形模量；Er為非夾層的一般圍巖變形模量。
上述計算將得到一系列完整的應(yīng)力場和位移場數(shù)據(jù)結(jié)果，作為下一步特征化處理的數(shù)據(jù)源。
(5)將上述數(shù)據(jù)源進行特征化處理得到主樣本群為便于進行統(tǒng)一化建模，根據(jù)斷面兩側(cè)端點的位置不同，將不同的斷面傾角分為3種情況，如圖4所示斷面兩側(cè)端點分別在左邊界和右邊界上，屬于“拱頂”；斷面兩側(cè)端點分別在上邊界和右邊界上，屬于“拱肩”；斷面兩側(cè)端點分別在上邊界和下邊界上，屬于“邊墻”。
在這3種不同的斷層位置上，分別將分析區(qū)域的有限元網(wǎng)格進一步離散為各自的25個特征點，如圖5、6、7所示，取洞室兩側(cè)各一倍洞徑，洞頂以上一倍洞高，底板以下0.2倍洞徑作為智能模型的分析區(qū)域。
從步驟(4)中得到的數(shù)據(jù)源中抽取這25個特征點的有限元分析成果(水平位移、豎向位移和水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力)，隨即得到斷層分別位于拱頂、拱肩和邊墻3種情況下分析區(qū)域內(nèi)25個特征點的應(yīng)力和位移狀態(tài)值，以此作為下一步建立模型的主樣本群。
(6)模型建立獨立構(gòu)建對應(yīng)于特征點的完整的25個預(yù)測模型，每個預(yù)測模型將包含3個分區(qū)，每個分區(qū)分別對應(yīng)于拱頂、拱肩和邊墻三種不同的斷面位置。當(dāng)智能分析模型對這些特征點的狀態(tài)值進行預(yù)測之后，通過對這25個特征點的狀態(tài)值進行內(nèi)插，就可以完整再現(xiàn)的分析區(qū)域的連續(xù)場量信息，從而極大地簡化了對各種狀態(tài)場量的預(yù)測。
這里的模型結(jié)構(gòu)采用針對巖土工程預(yù)測問題改進的前饋逆?zhèn)鞑ト斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
前饋逆?zhèn)鞑?BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包含輸入層、隱含層和輸出層，同層節(jié)點之間不相連，每一層節(jié)點的輸出只影響下一層節(jié)點。學(xué)習(xí)過程由信號的正向傳播與誤差的逆向傳播兩個過程組成。正向傳播時，模式作用于輸入層，經(jīng)隱層處理后，傳向輸出層，若輸出層未能得到期望的輸出，則轉(zhuǎn)入誤差的逆向傳播階段，將輸出誤差按某種形式，通過隱層向輸入層逐層返回，并“分攤”給各層的所有單元，從而獲得各層單元的參考誤差(或稱誤差信號)，以作為修改各單元權(quán)值的依據(jù)。這種信號正向傳播與誤差逆向傳播的各層權(quán)矩陣的修改過程，是周而復(fù)始地進行的，權(quán)值不斷修改的過程，也就是網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)(或稱訓(xùn)練)過程，此過程一直進行到網(wǎng)絡(luò)輸出的誤差逐漸減少到可接受的程度或達到設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止?；贐P算法的前饋型網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)如圖9所示。
設(shè)含有共L層和n個結(jié)點的一個任意網(wǎng)絡(luò)，每層單元只接受前一層的輸出信息并輸出給下一層各單元，各結(jié)點的特性為Sigmoid型(它是連續(xù)可微的，不同于感知器中的線性閾值函數(shù))。假定網(wǎng)絡(luò)只有一個輸出y，設(shè)給定N個樣本(xk，yk)(k＝1，2，…，N)，任一個結(jié)點i的輸出為Oi，對某一個輸入為xk，網(wǎng)絡(luò)的輸出yk，結(jié)點i的輸出為Oik，當(dāng)輸入第k個樣本時，第l層的第j個單元，結(jié)點j的輸入為netljk=ΣjωlijOjkl-1---(5-1)]]>Ojkl-1表示l-1層，輸入第k個樣本時，第j個單元節(jié)點的輸出；使用能量函數(shù)為平方型Ek=12Σj(yjk-y‾jk)2---(5-2)]]>yjk是單元j的實際輸出，總誤差為E=1NΣk=1NEk---(5-3)]]>定義δjkl=∂Ek∂netjkl]]>于是∂Ek∂ωijl=∂Ek∂netjkl∂netjkl∂ωijl=∂Ek∂netjklOjkl-1=δjklOjkl-1---(5-4)]]>下面分列兩種情況(1)若結(jié)點j為輸出層單元，則Ojkl=y‾jk]]>
δjkl=∂Ek∂netjkl=∂Ek∂y‾jk∂y‾jk∂netjkl=-(yk-y‾k)f′{netjkl}---(5-5)]]>(2)若j不是輸出層單元，則δjkl=∂Ek∂netjkl=∂Ek∂Ojkl∂Ojkl∂netjkl=∂Ek∂Ojklf′{netjkl}---(5-6)]]>式中Ojkl是送到下一層，(l+1)層的輸入，即(l+1)層的激活值，計算 要從(l+1)層算回來。
對(l+1)層第m個單元有∂Ek∂Ojkl=Σm∂Ek∂netmkl+1∂netmkl+1∂Omkl=Σm∂Ek∂netmkl+1ωmjl+1=Σmδmkl+1ωmjl+1---(5-7)]]>故δjkl=Σmδmkl+1ωmjl+1f′{netjkl}---(5-8)]]>總結(jié)上述結(jié)果有δjkl=Σmδmkl+1ωmjl+1f′{netjkl}∂Ek∂ωij=δjklOjkl-1]]>本發(fā)明中選用S型函數(shù)作為激活函數(shù)，該函數(shù)能夠滿足連續(xù)可微的要求，函數(shù)形式如下f(x)=11+e-x,(0<f(x)<1)---(5-9)]]>將x替換為激活值，則任一單元的輸出值
yj=11+e-Σi=1n(ωijxi+θj)---(5-10)]]>本發(fā)明的三層BP網(wǎng)絡(luò)，采用了如下幾種改進措施①采用自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率進行控制，具體形式如式5-12、5-13所示。
若Ei≤Ei-1，則使本次迭代的權(quán)值調(diào)整生效，且ηi+1＝ηi×1.1……………………………..(5-12)若Ei＞Ei-1，則撤銷本次對權(quán)值的調(diào)整，且ηi+1＝ηi÷1.1……………………………..(5-13)其中Ei第i次迭代步時，系統(tǒng)的能量函數(shù)值；ηi第i次迭代步時，系統(tǒng)的學(xué)習(xí)速率；②采用動量項修正權(quán)值的調(diào)整量ΔW(n)＝ΔW(n)+αΔW(n-1)…………………..(5-11)本案中，動量系數(shù)α取為0.3。
③采用分區(qū)計算將樣本群按照斷層分布的位置(拱頂、拱肩、邊墻)劃分為3個區(qū)。
④最優(yōu)非線性系數(shù)取值加入非線性系數(shù)后，BP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元的相應(yīng)函數(shù)變成如下形式y(tǒng)j=11+e-ξ(Σi=1nωijxi+θj)---(5-14)]]>其中yj為j單元的激活值，θj為j單元的閾值，xi為i單元的輸出值，ωij為i單元與j單元之間的連接權(quán)值，n為j單元的上一層單元總數(shù)，ξ為非線性系數(shù)。
根據(jù)有關(guān)研究成果，這里采用下述的非線性系數(shù)取值方法隱層單元數(shù)小于等于20時ξ＝5.3487N-0.5157……….…………………..(5-15)隱層單元數(shù)大于20時ξ＝-0.2133ln(N)+1.8083 ……….…………..(5-16)其中ξ為最優(yōu)非線性系數(shù)，N為最佳隱層單元數(shù)。
⑤將原有以絕對誤差量為指標的能量函數(shù)Ek=12Σj(yjk-y‾jk)2---(5-2)]]>改進為以相對誤差量為指標的能量函數(shù)Ek=12Σj(yjky‾jk-y‾jky‾jk)2=12Σj(yjk-y‾jky‾jk)2---(5-21)]]>改進后的能量函數(shù)能夠反映神經(jīng)元輸出值的相對誤差，更加適用于目標值的絕對量值相對較小的情況。對于這兩種形式的能量函數(shù)應(yīng)該根據(jù)待求解問題實際精度控制的需要，擇其一用之。由于應(yīng)力場數(shù)值的絕對量往往較小，故本發(fā)明中采用式5-21的以相對誤差量為指標的改進方差函數(shù)。
采用上述算法構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型，其中選定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為7-20-1，輸入元素分別為斷層距離、斷層厚度、圍巖變形模量、圍巖內(nèi)聚力、圍巖內(nèi)摩擦角、圍巖泊松比、側(cè)壓力系數(shù)，輸出元素為位移或應(yīng)力。
采用上述算法構(gòu)建智能分析核心模型和補充分析模型，建成后的模型具有精度較高，外延性能較好，性能穩(wěn)定的特點。
以串聯(lián)的方式連接智能分析的核心模型與補充模型，連接后的完整模型便能夠在考慮斷層參數(shù)、圍巖參數(shù)、洞形參數(shù)3大類共11個影響因素變化的情況下對各特征點的狀態(tài)值進行預(yù)測。
在滿足工程穩(wěn)定性分析和優(yōu)化設(shè)計精度的條件下，即樣本點精度不小于85％，采樣范圍內(nèi)的非樣本點精度不小于75％的條件下，選取各項建模參數(shù)的優(yōu)化值來進行模型的構(gòu)建。
以下將利用本發(fā)明的方法對洞室埋深為120m，洞室跨度為10m，洞室高跨比為1.2時，不同斷面傾角下的斷層距離、側(cè)壓力系數(shù)對洞壁圍巖位移的影響進行系統(tǒng)性對比分析。
圍巖的各項物理力學(xué)指標按三種圍巖類型統(tǒng)一取值，具體參見表7。
表7三種圍巖類型典型參數(shù)取值

各曲線中，縱坐標為洞壁圍巖位移值(以mm為單位)，橫坐標為斷層與開挖輪廓線之間的最小距離值(以倍洞徑為單位)或側(cè)壓力系數(shù)值。
從圖10可以看出，斷面傾角為0°時，斷層距離的影響，側(cè)壓系數(shù)＝0.38，斷面傾角＝0，斷層厚度＝0時拱頂豎向位移隨斷層距離的增加而減小，IV類圍巖變化最為顯著，各類圍巖中斷層距離超過0.5倍洞徑時，斷層對拱頂圍堰位移的影響已不明顯；如圖11所示，當(dāng)斷層距離＝0.5，斷面傾角＝0，斷層厚度＝0時邊墻中點水平位移隨側(cè)壓力系數(shù)的提高而穩(wěn)步增加，IV類圍巖較II和III類圍巖的位移變化幅度更加明顯，其中IV類圍巖在側(cè)壓力系數(shù)超過1.8以后位移增加幅度更為顯著；如圖12所示，側(cè)壓系數(shù)＝0.38，斷面傾角＝45，斷層厚度＝0時拱頂豎向位移隨斷層距離的減小而增大。IV類圍巖在斷層距離小于0.5倍洞徑時，位移增大尤為顯著；
如圖13所示，斷層距離＝0.2，斷面傾角＝45，斷層厚度＝0時右邊墻(靠近斷層一側(cè))中點水平位移隨側(cè)壓系數(shù)提高而增大。IV類圍巖較II類和III類增長幅度大，且在側(cè)壓力系數(shù)大于1.5時變化尤為顯著；如圖14所示，側(cè)壓系數(shù)＝0.38，斷面傾角＝90，斷層厚度＝0時右邊墻(靠近斷層一側(cè))中點水平位移隨斷層距離的減小而增大。在II類圍巖中斷層距離對右邊墻中點水平位移影響不大。III類和IV類圍巖中，當(dāng)斷層距離逐步減小到0.4倍洞徑時，邊墻位移大幅增長，斷層距離從0.4倍減小到0.2倍洞徑時，邊墻位移增長10倍左右；如圖15所示，斷層距離＝0.5，斷面傾角＝90，斷層厚度＝0時右邊墻(靠近斷層一側(cè))中點水平位移隨側(cè)壓系數(shù)提高而增大。III類和IV類圍巖增大幅度明顯，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)從1提高到3時，右邊墻中點水平位移增大8～10倍。
通過本案所屬方法能構(gòu)建功能強大的智能分析模型，足以完成目前各種已有的系統(tǒng)和方法所無法完成的，圍巖應(yīng)力、位移的多因素變化關(guān)系的量化曲線分析；通過本案方法構(gòu)建的模型能夠在保證精度的前提下，以短短數(shù)秒的時間內(nèi)完成現(xiàn)有其他巖土工程分析系統(tǒng)在數(shù)小時乃至數(shù)天才能完成的分析任務(wù)，大大縮短了分析時間，使在短時間內(nèi)進行系統(tǒng)的復(fù)雜分析成為可能。
權(quán)利要求
1.洞室圍巖穩(wěn)定性分析智能模型的構(gòu)建方法，其特征在于，該方法按以下步驟進行(1)確定目標問題影響因素確定斷層距離、斷層厚度、斷面傾角、側(cè)壓力系數(shù)、圍巖變模、圍巖內(nèi)聚力、圍巖內(nèi)摩擦角、圍巖泊松比、洞室埋深、洞室跨度和洞室高跨比11種影響因素；(2)選擇模型結(jié)構(gòu)模型輸出為單點狀態(tài)值，且影響因素的數(shù)目＜5個時，采用單一核心模型結(jié)構(gòu)；模型輸出為場量或多點狀態(tài)值、或單點多狀態(tài)值，或者主要影響因素的數(shù)目為5～10個時，采用多個核心模型共存的并聯(lián)模型結(jié)構(gòu)；影響因素的數(shù)目＞10個時，采用核心模型和補充模型串、并聯(lián)的復(fù)合模型結(jié)構(gòu)；(3)分別確定核心模型和補充模型中的影響因素、采樣范圍和采樣頻度，在核心模型中確定斷面傾角、斷層距離、斷層厚度、側(cè)壓力系數(shù)、圍巖變模、圍巖內(nèi)聚力、圍巖內(nèi)摩擦角、圍巖泊松比8個影響因素，采樣范圍定為拱頂、拱肩、邊墻三種斷層情況，各影響因素的采樣頻度確定為每影響因素采樣3～5個點；在補充模型中確定洞室埋深、洞室跨度、洞室高跨比3個影響因素，采樣范圍定為拱頂、拱肩、邊墻三種斷層情況，各影響因素的采樣頻度確定為每影響因素采樣3～5個點，采用正交試驗設(shè)計或均勻試驗設(shè)計的方法，對核心模型和補充模型中的影響因素、采樣范圍和采樣頻度進行優(yōu)化設(shè)計；(4)將經(jīng)上述正交試驗或均勻試驗設(shè)計的數(shù)值進行有限元分析，生成智能模型的數(shù)據(jù)源①確定要進行有限元分析的幾何范圍其幾何范圍確定為水平向6倍洞徑，豎向8倍洞徑；②得到有限元分析的地應(yīng)力條件豎向地應(yīng)力 σv＝γ·H水平地應(yīng)力 σh＝k0·γ·H其中k0=μ1-μ]]>γ為圍巖的平均容重，H為埋深，k0為側(cè)壓力系數(shù)，μ為圍巖的泊松比；③施工荷載確定為初始地應(yīng)力+開挖地應(yīng)力釋放荷載④確定斷層的物理力學(xué)參數(shù)斷層的物理力學(xué)參數(shù)為變形模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強度、容重，根據(jù)水利水電規(guī)劃總院與水利水電地下建筑物情報網(wǎng)主編的《水利水電工程地下建筑物設(shè)計手冊》(1993)結(jié)合水利部的《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(1999)得到模型中斷層的各物理力學(xué)參數(shù)；⑤確定噴層的物理力學(xué)參數(shù)噴層的物理力學(xué)參數(shù)為彈性模量、泊松比、抗拉強度、容重，根據(jù)《水工鋼筋混凝土設(shè)計規(guī)范》進行力學(xué)參數(shù)的分析選取；⑥破壞準則的選取，選用莫爾—庫侖破壞準則，當(dāng)滿足τ≥c+σ·tgφ，其中τ是剪應(yīng)力，c是內(nèi)聚力，σ是壓應(yīng)力，φ是內(nèi)摩擦角，認為巖石破壞；⑦確定軟弱夾層的強度參數(shù)，EZ=TZ(ErEf)(TZ-Tf)Ef+TfEr]]>其中，Tz為夾層影響帶的厚度；Tf為夾層厚度；Ef為軟弱夾層變形模量；Er為非夾層的一般圍巖變形模量，得到的上述數(shù)據(jù)結(jié)果，作為智能模型的數(shù)據(jù)源；(5)將上述數(shù)據(jù)源進行特征化處理得到主樣本群將斷面分為拱頂、拱肩、邊墻三個分區(qū)，在這三種不同的斷層位置上，分別將分析區(qū)域的有限元網(wǎng)格進一步離散為各自的25個特征點，通過對這25個特征點的狀態(tài)值進行內(nèi)插處理；(6)模型建立將上述經(jīng)特征化處理的數(shù)值利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獨立構(gòu)建對應(yīng)于特征點的完整的25個預(yù)測模型，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選為7-20-1，每個預(yù)測模型將包含3個分區(qū)，每個分區(qū)分別對應(yīng)于拱頂、拱肩和邊墻三種不同的斷面位置，當(dāng)預(yù)測模型對這些特征點的狀態(tài)值進行預(yù)測之后，通過對這25個特征點的狀態(tài)值進行內(nèi)插，就能完整再現(xiàn)分析區(qū)域的連續(xù)場量信息。
2.按照權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟(3)中的核心模型中，采樣頻度確定為斷層傾角＝0°～90°，采樣點0°、45°、90°；斷層距離＝0.2～1.0倍洞徑，采樣點為0.2、0.5、1.0；斷層厚度＝0～200cm，采樣點為0，20，200；圍巖變模＝3000～15000MPa，采樣點為3000、6000、15000；圍巖內(nèi)聚力＝0.8～1.8MPa，采樣點為0.8、1.2、1.8；圍巖內(nèi)摩擦角＝28～50°，采樣點為28、40、50；圍巖泊松比＝0.22～0.32，采樣點為0.22、0.28、0.32；側(cè)壓力系數(shù)＝0.38～3.0，采樣點為0.38、1.5、3.0。
3.按照權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟(3)中，補充模型中，采樣頻度確定為洞室埋深-100～500m，采樣點100、200、500；洞室跨度-6～1.0m，采樣點6、8、10；洞室高跨比-0.6667～1.5，采樣點0.6667、1.0、1.5。
全文摘要
本發(fā)明公開的洞室圍巖穩(wěn)定性分析智能模型的構(gòu)建方法，首先確定目標問題影響因素，選擇模型結(jié)構(gòu)，采用正交試驗設(shè)計或均勻試驗設(shè)計的方法，對影響因素、采樣范圍和采樣頻度進行優(yōu)化設(shè)計，將經(jīng)設(shè)計后的數(shù)值進行有限元分析，生成智能模型的主樣本群，將主樣本群進行特征化處理，將經(jīng)特征化處理的數(shù)值利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建智能分析模型。該方法能夠有效地彌補智能模型構(gòu)建過程中專家樣本和實驗數(shù)據(jù)嚴重不足的缺陷，為巖土洞室工程應(yīng)用領(lǐng)域的各種實用、可靠的智能分析系統(tǒng)的創(chuàng)建開發(fā)提供了構(gòu)建方法。
文檔編號E02D29/045GK1752356SQ20051004308
公開日2006年3月29日 申請日期2005年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月11日
發(fā)明者李寧, 常斌 申請人:西安理工大學(xué)