深部地下工程围岩大变形影响因素的灰色关联分析.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gA u g,张书国,贺永胜,戴岭,等深部地下工程围岩大变形影响因素的灰色关联分析J水利科学与寒区工程,():深部地下工程围岩大变形影响因素的灰色关联分析张书国,贺永胜,戴岭,袁小虎,石晓燕,郭鹏(中建铁路投资建设集团有限公司,北京 ;军事科学院国防工程研究院,河南 洛阳 )摘要:为了合理预测深部地下工程大变形稳定性,减少大变形灾害带来的严重影响,开展施工阶段大变形影响因素敏感性分析必不可少.本文通过文献调研与工程实践确定了岩层产状、岩石强度、岩体完整性、地下水条件为主控因素,将对应八项指标作为深部地下工程大变形施工阶段敏感性分析指标,采用灰色关联理论实现了敏感性分析,并进行客观赋权.结果表明:影响围岩稳定的主要指标有结构面倾角、掌子面软岩比例、地下水特征、结构面与洞轴线夹角,故主控因素中岩层产状与岩体完整性影响最强.研究成果可为类似工程施工提供参考.关键词:地下工程;灰色关联分析;围岩稳定中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:张书国(),男,山西朔州人,高级工程师,研究方向为铁路工程施工与管理.E m a i l:z h a n g s h u g u o c o m.通信作者:贺永胜(),男,重庆人,高级工程师,主要从事岩土工程与结构抗爆方面的研究工作.E m a i l:q q c o m.研究方法灰色系统理论是由著名学者邓聚龙教授首创的一种系统科学理论(G r e yT h e r o y),其中灰色关联分析作为灰色系统理论的一个分支,是一种在实际工程中应用广泛,且简单、实用的分析技术,其目标是发现数据集中的相关性、关联性,进而表述事物中某种属性的规律.客观事物的发展往往受到多种因素的影响,要认识客观事物的发展规律就要对这些影响因素进行关联分析.灰色关联分析是对一个系统发展变化态势定量描述和比较的方法,其基本思想是通过参考序列和比较序列几何形状的相似程度来判断这种联系是否紧密,进而反应曲线间的关联程度.灰色关联算法思路清晰,对样本量没有过多的要求,不需要典型的分布规律,可以在很大程度上减少信息不足带来的损失,所以广泛应用于综合评定、敏感性分析等不同种类问题.其步骤主要如下:()确定参考序列和比较序列.反应系统行为特征的数据序列称为参考序列;影响系统行为因素组成的数据序列称为比较序列.设参考序列(又称母序列)为Yy(k)|k,n,比较序列(又称子序列)Xixi(k)|k,n,i,m.()数据的无量纲化.由于系统中各因素列中数据量纲不同,不便于比较或在比较时难以得出正确结论,因此在进行灰色关联分析时,一般都要进行数据的无量纲化处理.关联分析中常用的有初值变换法、均值变换法、区间值变换法等,本文采用初值变换法进行数据无量纲化处理.()计算关联系数.y(k)与xi(k)的关联系数计算如式():i(k)m i nm a xm a xy(k)xi(k)()式中:i(k)为关联系数;为各比较序列xi上的每一个点与参数序列y上的每一个点的绝对差值;m i n为所有绝对差值最小值;m a x为所有绝对差值最大值;为分辨系数,取 .()计算关联度.因为关联系数是比较序列与参考序列在各个时刻(即曲线的各个点)的关联程度值,所以它的值可能不止一个,而信息过于分散不便于进行整体性比较.因此有必要将各个时刻(即曲线中的各个点)的关联系数集中为一个值,即求其平均值,作为比较序列与参考序列间关联程度量化的表示,如式().o immki(k)()式中:o i为参考序列与第i个比较序列的关联度;m为序列的长度,即评价指标的个数.()计算评价指标权重,如式().wiimii()式中:wi为计算评价指标权重;i为第i个指标的关联度.工程案例木寨岭公路隧道是兰州海口国家高速公路(G )渭源武都段的一个重点工程.隧道采用分离 式 设 计,全 长 m,洞 身 最 大 埋 深 约 m.木寨岭隧道全部分布在大草滩复背斜的南翼,隧道穿越的主要地层有泥盆系上统、石炭系下统、二叠系下统,并部分区域夹有砂岩、压碎岩等,共穿越了种地层结构.隧道地应力测试显示K 段最大主应力 值 为 MP a,最 小 主 应 力 值 为 MP a;K 段最大主应力值为 MP a,最 小 主 应 力 值 为 MP a,故木寨岭公路隧道属于典型深部地下工程高地应力软岩隧道.确定影响因素根据文献调研与工程实践,将岩层产状、岩石强度、岩体完整性、地下水条件作为施工阶段影响深部地下工程围岩大变形的主控因素,其中,岩体产状包括结构面倾角、结构面与洞轴线夹角,岩石强度包括点荷载强度、掌子面软岩比例,岩体完整性包括掌子面岩层平均厚度、R Q D指标,地下水条件包括每米洞长出水量、地下水特征.深部地下工程稳定性指标数据取自石州等,如表所示.表深部地下工程稳定性指标区段变形量/mm结构面倾角F/()结构面与洞轴线夹角F/()点荷载强度F/MP a掌子面软岩比例F/掌子面岩层平均厚度F/c mR Q DF/每米洞长出水量F/L(m i nm)地下水特征FX K X K X K X K X K 敏感性分析根据灰色关联理论计算原理,将各区段实际变形量确定为参考序列,深部地下工程稳定性八项指标确定为比较序列进行敏感性,代入式()计算关联系数矩阵如表所示.将各指标的关联系数代入式()式()计算关联度与权重,结果如表所示.通过灰色关联度的敏感性分析,施工阶段影响深部地下工程围岩稳定项指标的关联度矩阵为 ,则该项指标对于最终变形量的敏感性表关联系数矩阵指标X K X K X K X K X K F F F F F F F F 第期张书国,等深部地下工程围岩大变形影响因素的灰色关联分析排序由大到小为FFFFFFFF.该敏感性排序结果可为权重的赋值提供一些参考,根 据 灰 色 关 联 度 计 算 出 的 权 重 矩 阵 为 ,影响围岩稳定的主要指标有结构面倾角、掌子面软岩比例、地下水特征、结构面与洞轴线夹角.四项主控因素岩层产状、岩石强度、岩体完整性、地下水条件权重向量为 ,其 中岩层产状与岩体完整性影响最强.表灰色关联计算结果指标关联度权重排序F F F F F F F Fi 结论将灰色关联理论应用于木寨岭公路隧道施工阶段围岩 稳 定 指 标 的 敏 感 性 分 析 中,得 出 如 下结论:()得出木寨岭公路隧道八项指标敏感性排序,其中结构面倾角及掌子面软岩比例对围岩稳定的敏感性最大,每米洞长出水量及点荷载强度对围岩稳定的敏感性最小.()根据灰色关联理论对影响深部地下工程围岩稳定的因素及指标进行了客观赋权,通过该方法所得结果可为 相关稳定性 预测 问 题 提 供 合 理权重.()灰色关联算法思路清晰,计算简便,在较少样本情况下能得出准确的定量化分析结果,易广泛应用于因素分析问题,指导实际施工.参考文献:赵永虎,刘高,毛举,等基于灰色关联度的黄土边坡稳定性因素敏 感 性 分 析 J长 江 科 学 院 院 报,():周继彪,陈红,甘佐贤,等公路隧道运行环境体系敏感性的灰色关联研究J武 汉 理 工 大 学 学 报,():王海洋,赵树磊,陈祥,等我国隧道瓦斯事故统计及影响因素分析J中国安全科学学报,():石州,罗彦斌,陈建勋,等木寨岭公路隧道大变形综合评价预测J公路交通科技,():水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷