基于遺傳算法的地下暗挖工程邊坡穩(wěn)定性分析

王玉剛，袁 偉

（青州水建工程建設(shè)有限公司，山東 濰坊 262500）

地下暗挖工程作為城市建設(shè)的重要組成部分，對(duì)改善城市環(huán)境、加快現(xiàn)代化城市建設(shè)的速度具有較大的影響?；趶V義角度分析，地下暗挖工程指的是結(jié)合地層的實(shí)際條件與特征，以改造地質(zhì)條件為前提，采用格柵與錨噴作為地下工程的支護(hù)手段，通過(guò)隧道設(shè)計(jì)與施工，修建地下工程。受到地質(zhì)條件、施工環(huán)境以及其他不確定因素的影響，地下暗挖工程邊坡的穩(wěn)定性存在一定的動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致地下暗挖工程的可靠性與安全性得不到保障?；诖耍瑢?duì)地下暗挖工程邊坡穩(wěn)定性作出合理分析至關(guān)重要，能夠及時(shí)掌握其穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)變化，并有針對(duì)性地制定解決方案，提高工程整體的安全性與可靠性。然而，現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析多數(shù)采用通用的穩(wěn)定性分析模型，其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，無(wú)法對(duì)地下暗挖工程邊坡的多種參數(shù)作出合理分析，且分析模型迭代訓(xùn)練與收斂速度較慢，降低了邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果的時(shí)效性與精確性，無(wú)法為地下暗挖工程提供有力的數(shù)據(jù)支持。

遺傳算法作為進(jìn)化算法中的一種，能夠?qū)吰陆Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分解操作，具有較高的全局尋優(yōu)能力，分析效率與精度較高，能夠改善傳統(tǒng)分析方法的不足?；诖?，文章引入遺傳算法，針對(duì)地下暗挖工程邊坡穩(wěn)定性，開(kāi)展了深入的研究分析。

1 工程概況

選取某地區(qū)S地下暗挖工程為本次研究的目標(biāo)，該工程地處丘陵溝壑區(qū)，地形地貌以及地質(zhì)條件存在復(fù)雜多變的特點(diǎn)。該工程研究段的邊坡高度約為40 m，寬度為22 m，坡率為1∶1。為了后續(xù)更好地開(kāi)展該地下暗挖工程邊坡穩(wěn)定性分析，提高分析結(jié)果的精度，首先對(duì)S地下暗挖工程的地質(zhì)條件與氣象條件作出了分析，為后續(xù)穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。S地下暗挖工程所在地區(qū)為季風(fēng)氣候，四季分明，晝夜溫差變化相對(duì)較大。文章對(duì)工程所在地區(qū)近10年來(lái)各月平均降雨量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖1所示。

圖1 S地下暗挖工程近10年各月平均降雨量

如圖1所示，S工程所在地區(qū)降雨較集中，主要在7月、8月、9月，最高月平均降雨量為116.2 mm。S地下暗挖工程的各個(gè)地層巖性，如表1所示。

表1 S地下暗挖工程地層巖性說(shuō)明

如表1所示，為本次研究工程的地層巖性說(shuō)明，在獲取S地下暗挖工程相關(guān)信息數(shù)據(jù)后，開(kāi)展如下文所示的邊坡穩(wěn)定性分析。

2 基于遺傳算法的地下暗挖工程邊坡穩(wěn)定性分析流程

文章設(shè)計(jì)的基于遺傳算法的地下暗挖工程邊坡穩(wěn)定性分析流程中，首先，采用有限元分析軟件，基于S地下暗挖工程的實(shí)際情況與特征，建立其邊坡三維有限元模型。選取邊坡坡寬、坡率、臺(tái)階高度、重度、粘聚力等參數(shù)作為模型的基準(zhǔn)值，邊坡四周邊界作為模型的法向固定。以地下暗挖工程邊坡總體高度h為有限元模型的基礎(chǔ)，結(jié)合邊坡數(shù)值分析相關(guān)文獻(xiàn)與S地下暗挖工程土體的邊界效應(yīng)，設(shè)定模型的尺寸。生成如圖2所示的邊坡有限元模型。

圖2 地下暗挖工程邊坡有限元模型

如圖2所示，為文章建立的S地下暗挖工程邊坡有限元模型。通過(guò)邊坡有限元模型，獲取邊坡各項(xiàng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)合其動(dòng)態(tài)變化，分析參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度，進(jìn)而構(gòu)建邊坡參數(shù)敏感度方程：

表2 邊坡最小安全穩(wěn)定性系數(shù)記錄表

根據(jù)表2中邊坡最小安全穩(wěn)定性和平均安全穩(wěn)定性系數(shù)數(shù)值可知，不同邊坡方向?qū)?yīng)的安全穩(wěn)定系數(shù)存在一定的差異。其中，采用豎向暗挖方式時(shí)邊坡最小安全穩(wěn)定性系數(shù)最小，僅為1.125，而采用豎向與分層適度結(jié)合的暗挖方式，邊坡的最小安全穩(wěn)定性系數(shù)可以達(dá)到1.526。在后續(xù)應(yīng)用遺傳算法運(yùn)算過(guò)程中，需要綜合考慮邊坡方向以及邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)的差異。

基于上述地下暗挖工程邊坡有限元模型建立完畢后，獲取到邊坡穩(wěn)定系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，接下來(lái)，選取邊坡穩(wěn)定參數(shù)影響系數(shù)作為此次分析的控制變量。利用尋優(yōu)方法的原理，獲取地下暗挖工程不同破裂面的穩(wěn)定系數(shù)。根據(jù)不同破裂面穩(wěn)定系數(shù)的尋優(yōu)結(jié)果，在邊坡上選取若干個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，分別測(cè)試不同影響因素作用下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。首先，利用邊坡有限元模型，獲取S地下暗挖工程邊坡土體參數(shù)，如表3所示。

表3 邊坡土體參數(shù)

如表3所示，通過(guò)邊坡有限元模型，獲取到邊坡土體參數(shù)。

在完成模型構(gòu)建后，結(jié)合遺傳算法，對(duì)暗挖工程邊坡滑動(dòng)面進(jìn)行搜索計(jì)算。首先，對(duì)一定數(shù)量的染色體進(jìn)行初始化處理，每一個(gè)染色體均代表一個(gè)矢量，矢量取值在允許范圍內(nèi)隨機(jī)變化，并且需要符合遺傳算法的約束條件。其次，選擇用適度函數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。適度函數(shù)公式為：

為方便對(duì)暗挖工程邊坡穩(wěn)定性分析，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用Matlab當(dāng)中的遺傳算法工具包完成上述算法步驟，并以此確定最終邊坡的最小安全穩(wěn)定性系數(shù)，確定邊坡危險(xiǎn)邊界滑動(dòng)面的具體位置。

3 穩(wěn)定性分析結(jié)果

綜合上述內(nèi)容，為S地下暗挖工程邊坡穩(wěn)定性分析的整體流程，接下來(lái)，對(duì)穩(wěn)定性分析結(jié)果進(jìn)行論述。

首先，采用有限元分析軟件，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響因素的相互作用進(jìn)行分析，獲取影響因素對(duì)S地下暗挖工程邊坡穩(wěn)定性的影響。各因素邊坡穩(wěn)定性影響程度，如圖3所示。

圖3 邊坡穩(wěn)定性影響程度

在圖3中，D1代表邊坡坡高；D2代表邊坡坡度；D3代表邊坡地質(zhì)構(gòu)造；D4代表邊坡周?chē)祟?lèi)活動(dòng)；D5代表邊坡所在地區(qū)降雨作用；D6代表邊坡地下水作用。由圖4的影響程度結(jié)果可知，影響因素相互作用對(duì)地下暗挖工程邊坡穩(wěn)定性的影響程度由大到小依次為：D2＞D6＞D1＞D4＞D3＞D5。由此可見(jiàn)，在S地下暗挖工程中，邊坡坡度與地下水作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大。

圖4 地下暗挖工程邊坡水平方向位移變化

在此基礎(chǔ)上，對(duì)S地下暗挖工程邊坡的穩(wěn)定性作出分析。隨機(jī)在S地下暗挖工程邊坡上布設(shè)6組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別標(biāo)號(hào)為JCD-#01、JCD-#02、JCD-#03、JCD-#04、JCD-#05、JCD-#06。對(duì)邊坡施加不同的荷載作用力，利用FLAC3D軟件，對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出邊坡水平方向的位移變化，如圖4所示。

從圖4的位移變化圖可以看出，S地下暗挖工程邊坡上各組監(jiān)測(cè)點(diǎn)在水平方向均沒(méi)有較大的位移變化，位移量均在3 mm以?xún)?nèi)。根據(jù)該工程項(xiàng)目施工質(zhì)量要求，每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移量均不得超過(guò)5 mm。由此可以看出，按照上述方案施工，該工程邊坡水平方向的穩(wěn)定性較好，并且上述影響邊坡穩(wěn)定性的邊坡坡度與地下水作用因素，在這一份施工方案當(dāng)中也均不會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成破壞。

以上為針對(duì)S地下暗挖工程邊坡穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的整體分析流程與分析結(jié)果。根據(jù)上述分析結(jié)果可知，S地下暗挖工程中，邊坡水平位移量較小，穩(wěn)定性較高。針對(duì)其他與該工程相似的項(xiàng)目，在施工前需要對(duì)邊坡是否適合暗挖進(jìn)行勘察與分析，若滿足暗挖條件，則合理設(shè)置暗挖方案，在最大程度上保證邊坡安全，以此提高施工安全性。在開(kāi)展對(duì)邊坡的暗挖施工時(shí)，為避免對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成不利影響，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考量邊坡坡度與地下水作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為了改善傳統(tǒng)分析方法對(duì)地下暗挖工程邊坡穩(wěn)定性分析的不足，文章引入了遺傳算法，以S地下暗挖工程為研究依托，開(kāi)展了其邊坡穩(wěn)定性的分析。通過(guò)本次研究，更加清晰地獲取到影響地下暗挖工程邊坡穩(wěn)定性的因素，打破了傳統(tǒng)分析方法的局限性，能夠得出邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果的局部最優(yōu)解，并通過(guò)分析結(jié)果，對(duì)地下暗挖工程的運(yùn)行情況與邊坡穩(wěn)定性作出合理預(yù)測(cè)，有效提高了地下暗挖工程的安全性與可靠性，具有重要的研究意義。