隧道围岩建模与动态更新的不确定性方法

Geological model of tunnel surrounding rocks is characterized by the difficulty in assessment of uncertainty, insufficient modeling of discontinuity, and uneasy to update. This research considers these problems in terms of estimation of spatial attribute uncertainty, stochastic simulation of discontinuity, and dynamic updating of geological model. The main research contents include: (1) Estimation of spatial attribute uncertainty using multi-source geological information, sequential simulation of global uncertainty of spatial attribute, and dynamic updating of uncertainty with consideration of spatial correlation of rock properties. (2)Estimation of distribution of geometric parameters of discontinuity by a distribution-free method, updating of the probability distribution using prior knowledge, and three dimensional stochastic simulation of discontinuities in tunnel sourrounding rocks. (3) Integration of spatial attribute model with discontinuities model, visualization and spatial analysis of the integrated geological model, and application of the integrated geological model in the stability analysis of tunnel surrounding rocks. The main objective of the research is to represent, evaluate, and reduce the uncertainty of the geological model of tunnel surrounding rocks, and to provide basis for the tunnel design and constuction.

针对隧道围岩地质模型难以评估不确定性、对隧道围岩稳定性起控制作用的岩体节理与裂隙考虑不足、以及隧道地质模型不易动态更新的问题，拟从隧道围岩空间属性(包括空间位置信息和物理力学参数)的不确定性估计、裂隙岩体结构面的随机建模以及地质模型的动态更新三个方面出发，创新地开展以下研究：①在基于多源地质数据估计围岩空间属性不确定性基础上，采用序贯随机模拟方法得到围岩空间属性全局不确定性，建立考虑地质变量空间结构特征的围岩空间属性不确定性动态更新方法。②提出不依赖于分布形式的结构面几何参数的分布估计，利用先验信息动态更新结构面几何参数概率分布，实现隧道岩体结构面动态三维网络模拟。③基于上述方法，集成隧道围岩空间属性模型与结构面模型，实现其可视化及在隧道围岩稳定性分析中的应用。研究旨在合理地表达、评价并降低隧道围岩地质模型的不确定性，为隧道工程的设计与施工服务。

针对隧道围岩地质模型难以评估不确定性、对隧道围岩稳定性起控制作用的岩体节理与裂隙考虑不足、以及隧道地质模型不易动态更新的问题，从隧道围岩空间属性的不确定性估计、裂隙岩体结构面的随机建模以及地质模型的动态更新三个方面开展了研究工作并取得了以下主要成果。针对地质建模中直接采样或观测数据较少，采用融合地球物理数据和其它非直接采样数据，通过贝叶斯克里金（BK）和贝叶斯最大熵（BME）两种空间软插值技术，合理地集成软硬数据来构建地质模型。采用单相机双目三维重构方法获取隧道掌子面岩体三维点云数据，通过识别算法自动化提取岩体结构面信息如产状、迹线、间距、粗糙度等，从而快速、准确地得到实时有效的隧道掌子面地质结构几何信息。针对岩体结构面迹长数据样本不足易产生较大误差的问题，利用概率加权矩和L矩的方法，基于最大熵原理建立了结构面迹长的非经典概率分布模型，该模型能够适用于不同的样本容量，在小样本或迹长数据高度偏倚的情况下具有较好的稳健性。针对根据岩体结构面迹长测量结果来推断结构面直径分布具有不唯一性的问题，提出了一种基于最大熵原理的不依赖于分布形式的岩体结构面几何参数的非经典概率分布估计方法，该方法不需事先假定岩体结构面几何参数概率分布形式，能够更加准确地刻画结构面几何参数的统计特性。建立了基于GIS的隧道多源信息集成平台，实现了隧道工程地质、设计与施工数据的二维与三维可视化，并集成隧道围岩空间属性模型与结构面模型，实现其可视化及在隧道围岩稳定性分析中的应用。基于多源数据动态更新后的三维地层模型，可降低隧道围岩地质模型的不确定性，为对隧道进行三维动态设计、优化调整隧道衬砌结构的设计参数提供理论依据。