西康鐵路秦嶺隧道區(qū)巖體結(jié)構面分布規(guī)律的混沌特征及圍巖分級預測.pdf

1、西安安康鐵路秦嶺特長隧道區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件復雜，巖體結(jié)構面空間分布規(guī)律的評價與預測是指導工程設計和保障施工安全的重要基礎因素。鐵路隧道圍巖基本分級主要由巖石的硬度和巖體的破碎程度決定，而巖體的破碎程度與巖體中結(jié)構面的分布狀態(tài)和發(fā)育程度直接相關。巖體中的結(jié)構面是復雜地質(zhì)構造運動的產(chǎn)物，它的分布具有典型的非線性特點。論文應用非線性系統(tǒng)科學中的混沌理論，研究了秦嶺隧道區(qū)結(jié)構面空間分布非線性規(guī)律，建立了結(jié)構面預測的混沌模型，進一步從結(jié)構面分布的混

2、沌特征入手，應用數(shù)據(jù)挖掘方法預測了秦嶺隧道的圍巖分級。 （1）應用時間序列概念及分析方法，建立了結(jié)構面序列。為滿足時間序列等間距采樣要求，將結(jié)構面在測線上的間距逐一排列形成一個序列，依次可建立結(jié)構面傾向和傾角序列。由這三個序列共同確定結(jié)構面在空間的位置、傾向和傾角。用混沌等非線性研究方法，研究了結(jié)構面序列特征及其分形結(jié)構。 （2）以實測數(shù)據(jù)為基礎，應用非線性科學的混沌理論，研究了結(jié)構面的空間分布特征。功率譜圖中低頻部分負

3、冪現(xiàn)象的存在、結(jié)構面發(fā)育與斷層關系負冪存在、結(jié)構面分布的分形現(xiàn)象、Kolmogorov熵大于0等特征都證明了結(jié)構面混沌分布的存在性，Lyapunov指數(shù)趨于0、主分量分析圖中先斜后趨平、功率譜負冪出現(xiàn)與消失又說明了結(jié)構面分布不完全是混沌，而是位于混沌的邊緣。 （3）相空間重構揭示結(jié)構面空間分布非線性規(guī)律，根據(jù)混沌時間序列相空間重構原理，用C-C法、預測誤差最小法計算嵌入維和空間延遲量，可張顯結(jié)構面在巖體中的分布特征。明確了嵌入維

4、實際上是巖體中主要相似結(jié)構面發(fā)育的平均組數(shù)，而空間延遲是主要相似結(jié)構面之間的平均間隔等混沌學指標的物理意義。 （4）通過結(jié)構面混沌特征量的計算，建立了混沌學預測模型，對結(jié)構面位置及產(chǎn)狀進行了混沌預測，結(jié)構面序列化提供了預測的基礎，相空間重構決定了混沌預測的方法。一階局域預測法算法簡單，使用方便，其預測精度不但取決于結(jié)構面序列嵌入維和空間延遲，而且與最臨近相點、訓練樣本大小和預測步長等有關。 （5）基于結(jié)構面混沌特征，進行

5、了圍巖分級預測，用已知圍巖分級巖體中的結(jié)構面作為訓練樣本，預測出的結(jié)構面作為預測樣本，以結(jié)構面切割權密度、結(jié)構面間距、傾向和傾角四個屬性為預測因子，按數(shù)據(jù)挖掘理論離散化結(jié)構面數(shù)據(jù)，以基本貝葉斯分類法預測未知樣本的圍巖分級，工程實踐結(jié)果證明是可行的。 論文以非線性系統(tǒng)科學的混沌理論為理論基礎，以知識挖掘和基本貝葉斯分類法為手段，預測了西安安康鐵路秦嶺特長隧道的圍巖分級，研究成果不僅為該工程的設計施工提供了技術支撐，而且為其他工程中