第一情报 ---装备制造业

扩张卡尔曼滤波器有限元法在隧道围岩非确定性动态反分析中的应用个案

供稿人:陈晖  供稿时间:2005-7-22   关键字:隧道工程  扩张卡尔曼滤波器  
近十年来,随着山区高等级公路的建设的发展,我国公路隧道事业在科研与实践两方面都取得了长足的进步。现综合分析相关的文献报道,将扩张卡尔曼滤波器有限元法在隧道围岩非确定性动态反分析中的应用,作一简要介绍。
 
在采用新奥法修建公路隧道的过程中,将采集到大量反映围岩、支护结构力学行为的数据进行分析,并依据规范及类似工程的经验,对围岩的稳定性进行评价,已经成为隧道施工中优化支护参数、保证施工安全的重要手段之一。但是,如何提高量测数据的利用水平,使其更大限度地为工程服务,是公路隧道建设中一个难题。目前,岩土工程反分析方法的应用为这一问题的解决找到了一个突破口[1]
扩张卡尔曼滤波非确定性反分析的基本原理
反分析方法就是以现场测量到的能反映系统力学行为的物理信息量(如位移、应力、应变等)为基础,通过反分析模型反演得到该系统初始力学参数的方法。大量地下工程实践证明,采用确定性反分析方法得出的结果与实测结果有较大的出入,这除了计算模型等的误差外,隧道开挖引起的围岩动态所具有的不确定性特征对结果也有较大的影响。为此人们在确定性反分析的基础上发展了各种非确定性方法,运用概率论、数理统计、随机过程、灰色理论等数学工具来分析系统的不确定性,反演系统的力学参数。当前非确定性反分析方法有最大似然法、Bayes法、蒙特卡罗法等方法。
 
相关学者[2]将原属于最优控制理论的扩张卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter)引入到反分析过程中,利用它的预测-修正功能,并将其与非线性有限元法相耦合,借此来解决非确定性问题。
 
卡尔曼滤波器的基本方法是用随机时间序列替代随机过程。由于作为扩张卡尔曼滤波有限元法输入数据的围岩变形观测值是时间序列数据,因此计算出来的围岩应力、应变及塑性区的发展也具有历时性。通过该方法及时地对量测数据进行处理,就能够跟踪围岩力学行为的动态变化,为工程人员更及时、深刻地了解隧道稳定状况,更科学地决策和指导设计与施工提供依据。
国内具体工程应用介绍
元(江)—磨(黑)高速公路是昆明—景洪高速公路的一段,是我国西南交通重点建设项目之一[3] ,线路位于云贵高原西部,横断山脉南延地区。公路穿越崇山峻岭,高差起伏很大,主要位于高中山地区。在150 km的线路范围内分布有大小隧道22座,其中双洞隧道8座,连拱隧道14座,隧道穿越地层地质条件异常复杂。因此,在施工过程中,对洞内外实施全方位、全过程现场围岩和地表监测成为非常必要和有效的手段。在这一工程应用中,选定了长120m、宽90m的计算区域,再将该区域划分为104个单元,329个节点,而用于滤波计算的位移值为13次观测位移值。通过分析围岩参数估计值随着滤波次数增加而变化的情况,动态地解决围岩非确定性问题。
 
在这一工程实例中,洞室围岩的位移和压力呈左大右小的不对称分布,而反分析结果表明,该断面塑性区域主要是在拱顶和左拱腰部位,而右侧边墙及拱底部位则比较稳定。由此,为隧道施工中的衬砌系统锚杆设计提供依据。从扩张卡尔曼滤波器有限元反分析法在该公路隧道监控量测中的应用可知,该方法真实地反映了围岩在开挖过程中的受力和变形状态,大大地提高了围岩稳定性评价及超前地质预报的准确性,为隧道设计中的参数设定、施工方案确定等奠定了基础。
 
参考文献
1.高玮等. 岩土工程非确定性反分析研究动态[J].地下空间. 2000,20(2). -81-85
2.蒋树屏等. 复杂地质条件下公路隧道围岩监控量测与非确定性反分析研究.岩石力学与工程学报.2004,23(20).-3460-3464
3.“全国基础设施项目汇编2002版”
(www.chnhighway.com/temp/01/02-03-03.htm)

万方数字化期刊中相关文章
轨道交通明挖隧道工程设计
作者:陈玉清|
刊名:山西建筑
年:2008
卷:34
期:3
摘要:结合工程概况,介绍了工程设计技术及创新要点,通过对结构受力、现场情况的分析和研究,对基坑和主体结构的设计进行了阐述,工程实践表明,收到了良好的施工效果,可为以后的同类工程提供数据和经验.

注册成为正式用户,登陆后,获得更多阅读功能与服务!
转载本文需经本平台书面授权,并注明出处:上海情报服务平台www.istis.sh.cn
了解更多信息,请联系我们

§ 请为这篇文章打分(5分为最好)