西康鐵路秦嶺隧道區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律的混沌特征及圍巖分級(jí)預(yù)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(fù)雜，巖體結(jié)構(gòu)面空間分布規(guī)律的評(píng)價(jià)與預(yù)測是指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和保障施工安全的重要基礎(chǔ)因素。鐵路隧道圍巖基本分級(jí)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(gòu)面的分布狀態(tài)和發(fā)育程度直接相關(guān)。巖體中的結(jié)構(gòu)面是復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，它的分布具有典型的非線性特點(diǎn)。論文應(yīng)用非線性系統(tǒng)科學(xué)中的混沌理論，研究了秦嶺隧道區(qū)結(jié)構(gòu)面空間分布非線性規(guī)律，建立了結(jié)構(gòu)面預(yù)測的混沌模型，進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)面分布的混

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

3、冪現(xiàn)象的存在、結(jié)構(gòu)面發(fā)育與斷層關(guān)系負(fù)冪存在、結(jié)構(gòu)面分布的分形現(xiàn)象、Kolmogorov熵大于0等特征都證明了結(jié)構(gòu)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(fù)冪出現(xiàn)與消失又說明了結(jié)構(gòu)面分布不完全是混沌，而是位于混沌的邊緣。 （3）相空間重構(gòu)揭示結(jié)構(gòu)面空間分布非線性規(guī)律，根據(jù)混沌時(shí)間序列相空間重構(gòu)原理，用C-C法、預(yù)測誤差最小法計(jì)算嵌入維和空間延遲量，可張顯結(jié)構(gòu)面在巖體中的分布特征。明確了嵌入維

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

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