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原文传递间断性地质差异软土中隧道不均匀沉降机理和监测研究

论文题名：	间断性地质差异软土中隧道不均匀沉降机理和监测研究
关键词：	地质差异软土区;间断性地质条件;不均匀沉降;隧道沉降;数值模拟
摘要：	间断性地质差异软土区中隧道建设及营运期间的软基差异沉降是与时间密切相关的，是建设者与管理者必须面对的主要问题之一。当隧道穿越不同性质软土层时，由于软土流变特性不同，必然导致隧道本体产生不同变形特性及沿隧道纵向的不均匀沉降。因此，对间断性差异软土中的隧道差异性沉降机理与分析模型进行深入研究，建立完善的隧道全寿命周期的沉降监测和安全评价系统就显得尤为重要。本文通过理论分析、数值模拟和机器学习算法等方式，结合工程实际，对间断性差异软土中的隧道不均匀沉降的机理、监测及预测进行了较为系统的研究。主要研究内容与成果包括以下几个方面。　　首先，以监测数据为基础，分析了间断性差异地质软土中隧道的不均匀沉降特性，结合数值模拟分析结果，提出并建立了软硬相间软土中区间隧道段沉降分析的理论模型，即将该地质条件下的隧道视为弹/粘弹性介质中的不同边界条件的弹性梁理论模型。　　其次，基于区间段隧道沉降的简化理论模型，采用Pasternak双参数地基梁的假设，针对不同边界条件下弹性地基中隧道的弹性梁的力学模型，通过纳维叶法和位移法求解得到了两端简支、两端固定和悬臂端条件下，弹性地基中隧道弹性梁模型的挠度变化的解析解，进而依据弹性-粘弹性力学的相应原理，给出不同边界条件下，粘弹性地基中隧道弹性梁模型挠度的解析解或数值解，并在此基础上进行了案例分析。结果表明，不同边界条件下的粘弹性地基中隧道弹性梁模型挠度—时间变化趋势与实测情况相符合。　　再次，依据工程实际，建立了间断性差异软土中隧道荷载作用下变形分析的有限元模型，分析了不同的土体模量，硬性土体的宽度、局部荷载作用范围、位置等因素对隧道不均匀沉降和关键区间应力的影响及时间效应，结果表明：有限元模型和理论模型的计算结果吻合良好，在沉降变化趋势上较为一致；差异地质会导致隧道在相对软硬性土体交接产生较大变形差异，使得隧道产生不均匀沉降；随着软土模量的增加，隧道沿线的沉降逐渐减少，不均匀沉降逐渐减少；当隧道上覆土体的荷载作用强度不同时，类固定端梁隧道的最大沉降要小于类简支梁隧道；此外，荷载作用的范围和其作用的区域的改变对隧道长期及不均匀沉降的影响较小，而隧道在硬性和软土交界处的差异沉降和应力变化都较大，需要进行重点监测。　　最后，依据实体工程，提出并制定间断性差异软土中隧道沉降的监测方案，采用分布式光纤和其他传统监测方式，进行了实际隧道及其周边沉降和关键区间应力进行监测，并在此基础上提出了间断性差异软土地区隧道及沿线的安全监测系统。利用机器学习算法，以统计学指标为标准，评价了SVR、RF、GA-ANN和HHO-ANN这四种隧道沉降预测模型的准确性。结果表明，GA-ANN预测模型比其他的三种模型的预测要更为精确，可以将其作为监测系统的预测模块，以提高监测系统的可靠性。
作者：	熊禹
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	张晓春;江振华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022