基于Bayes-LSTM的公路隧道围岩变形预测方法研究

在公路隧道施工过程中,围岩的稳定性对隧道施工的影响较大。因此公路隧道围岩变形的监控量测与准确预测是保障隧道施工安全的关键。针对当前隧道围岩变形的预测精度较低以及泛化能力较差等问题,该文提出一种基于贝叶斯(Bayes)优化长短期记忆网络(LSTM)的方法,该方法首先对拱顶沉降和周边收敛的原始监测数据进行预处理,而后构建公路隧道拱顶沉降与周边收敛的初始LSTM模型,并利用Bayes优化模型中的超参数,最终得出预测结果。利用该模型对某公路隧道拱顶沉降和周边收敛进行预测,将预测结果以均方根误差为评价指标与神经网络(CNN)和支持向量回归(SVR)进行对比。预测拱顶沉降时,Bayes-LSTM模型的平均预测精度相较于CNN与SVR模型分别提高了1.0与1.26;预测周边收敛时,Bayes-LSTM模型平均精度相较于CNN与SVR分别提高了0.3与0.32。表明Bayes-LSTM模型的预测精度较高,同时其能在训练模型过程中对历史信息进行判断和取舍,极大地提高了时序数据处理的效率,为公路隧道围岩变形预测提供了新的思路和探索。

硬岩顶板切顶留巷围岩变形分区补强控制研究

【目的】森达源煤矿传统的宽煤柱开采方式导致采掘接续紧张,并引发严重的围岩变形问题。切顶留巷技术可优化巷道支护条件,提高采煤效率,促进煤矿高效安全生产。【方法】以1号煤层的10101工作面为研究对象,运用FLAC 3D数值模拟软件,深入探究了切顶高度、切顶角度、注浆加固深度对巷道掘进、预裂切顶和切顶留巷过程中煤帮内部、采空区及顶板应力变形特性的影响。确定出最佳切顶留巷方案。在此基础上,进一步模拟分析工作面前后不同区域的围岩受力变形情况。提出回采工作面前方0~30 m内为超前补强区,采取“高预应力锚索+单体配合铰接顶梁”的联合支护。后方0~100 m内为滞后补强区,采用“工字钢+单体支柱”联合支护,同时对矸石帮实施注浆加固。通过工程应用验证了区分补强控制变形措施的有效性。【结果】结果显示:最佳切顶留巷方案为切顶高度6 m,切顶角度15°,矸石帮注浆深度1 m。此方案下,10101工作面的巷道顶底板的最终变形量为155 mm,两帮的为84 mm,均符合矿井使用要求,验证了切顶留巷技术具有良好效果。【结论】结果表明:切顶留巷技术能有效解决传统宽煤柱开采方式中存在的围岩变形问题。然而,该技术的实施受切顶高度、切顶角度和矸石帮注浆深度等因素的影响较大,需结合数值模拟和现场状况进行具体确定。总体上,切顶留巷技术和分区补强控制措施对围岩变形的控制效果显著,为类似条件下的煤矿开采提供了宝贵的经验借鉴,因而具有广阔的应用前景。

乌兰木伦煤矿大断面硐室围岩变形破坏规律及控制

针对煤矿井下巷道大断面硐室的围岩变形破坏问题,以乌兰木伦煤矿井下分选及充填大断面硐室为研究对象,采用相似模拟实验方法,进行单调递增加载和恒定荷载加载单轴压缩实验,对大断面硐室围岩变形破坏规律进行了研究。结果表明:①2种加载方式在压密阶段、弹性变形阶段及微破裂稳定发展阶段破坏演化和变形位移趋势相似。②采用单调递增加载方式的试样裂纹较少但裂纹缝隙较大,试样沿着主裂纹突然发生破断,期间有大量碎屑飞出,试样变形位置主要集中在围岩边界,破坏时释放能量较多,但峰后释放能量持续时间较短。③采用恒定荷载加载方式的试样应力保持不变,应变缓慢增加,期间产生大量微小裂纹,试样变形位置主要围绕在硐室周围,破坏时释放能量较少,但峰后释放能量持续时间较长。依据大断面硐室围岩变形破坏规律,提出了锚杆索支护方案:硐室顶部打长锚索,将顶板和上方坚硬岩石连成整体;在硐室煤岩交界处打倾斜锚杆,将煤岩交界面与周围岩体紧密连接。数值模拟结果表明,支护后围岩应力、位移、塑性区均明显减小,围岩稳定性大幅提高,支护效果良好。

坚硬顶板切顶卸压技术对巷道围岩变形规律影响

针对特厚煤层坚硬顶板、宽煤柱条件下临空巷道面临的高围岩应力、大变形等问题,以老石旦煤矿16403综放工作面为工程研究背景,从宽煤柱顶板侧向破断结构角度对临空巷道大变形的影响因素进行了理论分析,采用数值模拟方法研究了对16402运输巷实施不同切顶卸压方案时,临近采空区的16403回风巷侧向顶板采动应力传递规律,并在现场施工水力压裂钻孔进行切顶卸压,实现临空巷道围岩变形控制。研究结果表明:“低位坚硬岩层悬臂梁+高位坚硬岩层砌体梁”破断结构是特厚煤层宽煤柱临空巷道大变形的主要原因,可采用切顶卸压技术破坏宽煤柱顶板侧向破断结构来控制临空巷道围岩大变形;切顶角变化可使关键块B长度发生改变,切顶角越大,则关键块B长度越小,临空侧顶板载荷向煤柱传递的程度越弱,临空巷道围岩承受的采动应力越小,切顶角为100°时临空巷道围岩垂直应力与变形量最小;在16402运输巷以切顶角100°施工水力压裂钻孔后,16403回风巷顶底板变形量较未实施切顶卸压的16402回风巷减小86.5%,两帮变形量减小87.1%,临空巷道围岩稳定性得到极大提高。

敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法及应用

当TBM开挖隧洞遭遇不良地质条件下的围岩大变形地质灾害时,通常会造成卡机或侵限等风险。开展TBM开挖隧洞围岩变形安全评价工作对降低卡机或侵限等风险具有重要的现实意义。通过分析敞开式TBM开挖隧洞围岩变形特点,建立了敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法。该方法通过采用三维数值分析和围岩变形现场监测手段,可获得围岩在护盾区间以及出露护盾后的变形,从而实现敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全性判别。在滇中引水工程香炉山隧洞的工程应用表明,所提方法能够有效判别不同支护方案下的围岩变形安全性,从而为敞开式TBM开挖隧洞施工期支护方案实时调整提供依据。

高地应力软岩地层敞开式TBM法隧洞围岩变形控制技术——以香炉山隧洞为例

为解决敞开式TBM在滇西地区高地应力软岩地层施工中遭遇围岩大变形而导致的支护破坏、设备频繁被卡、隧洞侵限等工程难题,通过分析围岩允许变形量与变形规律,提出围岩控制时空原则:有效初期支护施作时间为开挖后15 d内、空间位置为距掌子面30 m范围内,TBM掘进日进尺不低于2 m/d。通过不同类型的支护结构现场试验,得出控制围岩变形的有效措施为预应力长锚索主动控制变形、灌混凝土箱体H型钢拱架被动强支撑。另通过滇中引水香炉山隧洞敞开式TBM施工实践,开发出“掌子面位置刀盘扩挖预留允许变形量、围岩出护盾灌混凝土箱体拱架被动强支撑、隧洞上半圆前置式自动化喷混凝土早封闭、预应力长锚索主动控制深层围岩变形、隧洞底部自进式锚杆后补强”等围岩变形有效控制技术。

地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛典型特征与规律

基于地下水封洞库工程特征与典型洞库工程实例,整理分析大量洞室围岩内部变形、表层变形、波速与锚杆应力等监测数据.结果表明:预埋的多点位移计测点位移主要为0.5~3.0 mm,收敛位移监测值主要为4~8 mm,拱顶沉降监测值主要为3~6 mm,围岩时效变形不明显;围岩变形与爆破开挖有关,当掌子面或后续台阶开挖面接近监测断面时,变形出现陡增;围岩质量越差,开挖面空间效应越不明显.提出洞室围岩损失位移确定方法,发现损失位移占最终收敛位移50%~60%;基于波速变化率提出围岩松弛程度评价指标,发现围岩最大松弛程度约为0.47,松弛深度为1.5 m;洞室围岩锚杆受力普遍较小,锚杆拉应力与围岩变形基本同步变化.

倾斜厚煤层异形巷道围岩变形特征及非对称支护技术研究

本文针对倾斜厚煤层中异形巷道围岩变形量大和矿压显现明显的问题,提出了以高帮补强锚索和低帮大直径钻孔卸压为基础的“高补低卸”异形巷道非对称支护技术,并以乌兰木伦煤矿工作面为技术背景,通过对工作面运巷和风巷的异形巷道进行区域划分,分析了不同区域内异形巷道应力场和位移场演化特征,确立了“高补低卸”异形断面非对称支护技术关键参数。研究结果表明:倾斜厚煤层运巷回采区异形巷道应力场分布最为复杂,高帮附近顶板支承应力大于低帮附近顶板支承应力,且呈现出非对称应力状态。异形巷道高帮变形主要是因为支承应力导致高帮煤柱强度弱化引起煤体滑移,而低帮和底板变形主要是支承应力较大和围岩应力集中系数高造成的。巷道高帮及顶板补强长锚索能够有效加固煤岩体。低帮和底板的大直径卸压钻孔能够将围岩集中应力向远场转移。现场应用表明倾斜厚煤层“高补低卸”异形断面非对称支护技术大大减小了围岩变形量和顶板离层量,对巷道进行了有效控制,应用效果显著。

断层交会对地下支护洞室围岩变形影响研究

赋存于地下洞室区域的断层是围岩开挖变形与稳定的主要影响与控制因素,而与单断层条件相比,断层交会条件下围岩变形特征和破坏机制将更为复杂。结合浙江磐安抽水蓄能电站主变排风洞的工程地质条件和支护方案,以FLAC 3D为工具模拟支护条件下双断层交会区地下洞室的围岩变形,并比较无断层、仅断层F1存在、断层F1与F2交会3种情况下围岩的变形差异。结果表明:单断层经过洞室时,断层上盘围岩有向断层倾向方向水平变形的趋势,下盘围岩变形方向相反,支护条件下单断层对位于断层上盘的围岩变形起主控作用;双断层交会时围岩变形体现出明显的断层叠加效应,但是由于预应力锚索等支护措施干预、断层与洞室相交情况差异等因素的存在,叠加效应带来的变形增长现象仅在围岩部分位置较为明显;仅存在单断层时,洞室围岩变形随着断层强度提升而减小,双断层交会时断层强度对洞室变形的影响仅在洞室部分位置呈现清晰规律,开展断层力学参数反演时应优先考虑使用这些位置的监测数据。

水工隧洞施工对围岩变形影响分析

围岩的受力及变形特性对引水隧洞施工安全具有重要影响,为保证引水隧洞掘进施工安全,以某引水隧洞施工为例,对围岩变形进行监测,结果表明:引水隧洞围岩变形总体分为急剧变形阶段、快速变形阶段和缓慢变形阶段,采用锚杆、钢筋挂网、喷射混凝土层等措施控制引水隧洞施工过程中的围岩变形效果较好。建议施工过程中持续对围岩变形进行监测,变形异常的部位及时采取相应加固措施。

高水平应力巷道宽高比对围岩变形影响研究

为研究高水平应力巷道宽高比对围岩变形的影响,以某矿42103工作面为研究背景,利用FLAC~(3D)软件,模拟巷道宽高比对围岩应力状态、剪切破坏程度和位移量变化的作用。模拟结果表明,高水平应力作用下,巷道宽高比越大,围岩应力集中程度越小且不容易出现拉应力,分布更为合理,顶板剪切应变集中范围更小;剪切应变较高区域主要集中于两顶角位置,相对孤立,对顶板的剪切效应较低;顶板位移随宽高比变化不敏感,而两帮的位移随着宽高比的增加而逐渐减小,减小的幅度比较大。现场应用后,巷道围岩没有发生明显变形和离层,稳定性程度大大增强。

深井软底沿空留巷围岩变形及控制分析

为解决深井软底沿空巷道在高应力环境下变形严重等问题,以杜儿坪矿43209工作面为例,针对围岩变形特征,提出了“超前弱化钻孔+顶板高强锚注+反底拱让压填充+底板注浆+巷旁柔模充填体”的支护方案,通过施工超前工作面弱化钻孔,结合注浆及底板填充让压材料,实现柔性支护。现场试验结果表明,采用优化后的支护方案后,顶板位移量由327 mm减小至108 mm,底板位移量由614 mm减小至149 mm,煤帮位移量由294 mm减小至62 mm,巷道收敛率明显减小,达到了良好的效果。

深埋隧道三台阶法施工围岩变形模拟研究

为研究香山隧道三台阶开挖围岩变形情况,选择模拟段运用PLAXIS3D有限元软件进行2次三台阶法开挖全过程模拟,并在不同位置设置监测点进行变形分析。结果表明,此次模拟隧道最大沉降达2.51 cm,在拱顶部位沉降最大,拱肩沉降次之,拱腰位置沉降最小,拱脚则出现隆起现象;隧道最大收敛为1.39 cm,收敛变形最大部位在拱腰,拱肩其次,拱脚最小,距离各个台阶大约0.7倍洞径时收敛变形开始严重;此次模拟得出掌子面挤出变形较小,变形位置主要在上台阶;现场施工中需要注意拱顶和拱腰部位变形情况,同时也要预防上台阶开挖可能出现掌子面挤出破坏情况。所得结果可为类似地质条件下隧道施工提供参考意见。

基于LSTM-ARIMA模型的隧道围岩变形预测方法研究

为了在隧道施工过程中对隧道围岩变形进行精准预测,以中东某隧道为研究对象,基于隧道围岩监测数据使用LSTM(long short-term memory)和ARIMA(autoregressive integrated moving average)模型进行拟合并预测,进一步通过方差倒数法建立组合模型,采用多个统计学指标对建立的模型预测结果进行对比分析。结果表明,组合模型解决了ARIMA模型对非平稳数据预测精度较差的问题,充分发挥了LSTM和ARIMA模型各自的优势,能够更准确地捕捉数据特征和趋势,提高了对隧道围岩变形预测的准确性和鲁棒性,可为隧道工程的安全施工提供可靠的支持和指导。

黄陵二号煤矿厚煤层留巷围岩变形特征分析

厚煤层煤柱留设宽度对煤炭资源回收率与围岩稳定性具有重要影响。为黄陵二号煤矿煤柱留设合理宽度,运用数值模拟方法与现场实测技术,对不同煤柱留设宽度的围岩应力进行分析,并对锚索应力、顶板离层量的演化趋势进行监测。结果表明,煤柱尺寸在12~18 m时应力峰值与位移峰值变化范围最小,最终确定煤柱尺寸为15 m。工程监测表明,回采动压超前影响范围为220 m,工作面距离四联巷的-50 m到75 m范围为矿压快速显现阶段。工作面回采过后50 m,锚索应力与顶板离层量趋于稳定状态,验证了黄陵二号煤矿303工作面的煤柱留巷稳定性满足围岩的支护控制需求。

青岛地铁大断面隧道围岩变形特性及施工方案优化

[目的]大断面隧道由于其形状扁平且跨度较大,一般采用多台阶多分步开挖,在施工过程中反复扰动围岩和临时支撑,影响围岩及支护结构稳定性,故须对其围岩变形特性进行研究,并优化施工方案。[方法]以青岛地铁4号线折返区间暗挖隧道为例,结合现场监测数据,通过有限元模拟分析现行施工方案中大断面地铁隧道三台阶九步开挖过程中的围岩变形特性,并与优化后的三台阶五步法做模拟对比。[结果及结论]模拟比较结果表明,现行施工方案横向距离隧道中心线26 m范围内的地面沉降较大,占总沉降量的89.77%;拱顶和拱肩在开挖后变形大,沉降量最大达到10.2 mm,拱顶围岩应力随开挖迅速增加,随着开挖工序推进,拱腰上部和墙角出现局部主应力集中。优化后的三台阶五步开挖法可实现快速开挖和支护,施工工序简化40%,同时减少了围岩扰动,其变形可控制在10 mm的合理范围内,改善了拱顶的应力重分布和墙角的应力集中现象。

含联络通道地铁区间隧道扩挖形成新建车站施工过程的围岩变形分析

[目的]重庆轨道交通9号线邮轮母港站是将原区间隧道(含联络通道)进行扩挖施工而建成的地铁车站。该工程的地质条件、围岩初始应力场和原区间隧道结构均较为复杂,为确保施工安全,需要对施工过程中区间隧道的复杂力学行为进行分析研究。[方法]在简述该扩挖工程概况的基础上,建立了采用各向异性节理岩体弹塑性模型的三维有限元数值模型,进一步确定了该模型的几何特征、地层特征、结构特征及工序特征。选取了3条测线(联络通道中心线、左线大里程区间隧道中心线、右线小里程区间隧道中心线),分别对这3条测线上方的地面沉降,以及左线隧道、右线隧道的洞周变形进行分析,并将模拟值与实测值进行对比,以研究区间隧道扩挖施工过程中围岩和结构的变形特征。[结果及结论]对模型的模拟结果与施工实测结果进行对比后可认为所建模型具有合理性;联络通道扩挖施工会导致隧道洞周收敛变形明显增大,区间隧道原联络通道位置与施工主通道交汇处的洞周变形最大。应对联络通道内进行渣土回填,以确保隧道扩挖施工的安全、顺利实施。

焦家金矿巷道掘进过程中围岩变形及应力分布演化规律

为解决深部高应力下巷道变形严重及支护困难的问题,以焦家金矿-710 m水平巷道为研究对象,建立Flac3D数值分析模型,模拟分析巷道掘进过程中围岩的扰动响应规律。结果显示:因巷道开采扰动,巷道周边应力得到释放,应力进行重新分布,巷道周边应力集中,应力极值主要在顶板、拱肩及边帮上下两侧,应加强顶板、拱肩及边帮上下两侧支护;距离巷道两倍宽度范围内是支护的重点关注区域;巷道掘进后,周边围岩会出现剪切破坏和张拉破坏。通过对巷道变形和应力分布演化分析,揭示了掘进过程中巷道围岩的变形失稳过程,为支护参数设计和支护时机选择提供了科学依据。

基于灰色理论的采动围岩变形混沌时序预测

为实现地下矿山岩体开挖后的变形预测,及时评价围岩稳定性。本文基于监测围岩变形的时间序列,采用G-P算法确定了时间序列重构相空间的最佳嵌入维数和时间延迟,通过对时间序列的相空间重构,分析了其最邻近相点的动态演化规律,并结合灰色预测理论对围岩变形时间序列进行了预测。结果表明,围岩变形时间序列的最佳嵌入维数和时间延迟均为3,最邻近相点平均距离越大,围岩变形的混沌特征越明显,其内在动力系统越复杂,采用灰色理论可以实现对采动围岩变形量的短期精确预测,基于最邻近相点和变形预测结果,可以对围岩稳定状态进行识别,为地下矿山开采过程中围岩稳定性评价提供新的思路。

大埋深引水隧洞穿越断裂带围岩变形规律研究

断裂带是深埋隧洞开挖过程中常见的不良地质现象。以滇中引水工程香炉山隧洞为工程背景,通过建立隧洞穿越断裂带的开挖数值模型,研究了隧洞拱顶、拱底、拱腰两侧的围岩变形规律,进一步分析了隧洞在穿越不同断裂带宽度、倾角、走向以及不同隧洞埋深工况下对围岩变形的影响。研究表明,由于断裂带区域的存在,围岩的垂直位移和水平位移发生了明显的改变,越靠近断裂带核心区域,隧洞拱顶、拱底和拱腰两侧围岩的变形越大,在断裂带中心区域附近围岩的变形达到最大值;围岩的垂直位移和水平位移随着断裂带宽度和隧洞埋深的增大而增大,随着断裂带倾角的增大而减小;断裂带走向的变化对围岩的垂直位移和水平位移影响较小。对于拱顶沉降,其综合因素影响程度从小到大依次为断裂带走向、断裂带倾角、断裂带宽度、隧洞埋深。