1、第 28 卷 第 7 期 岩石力学与工程学报 Vol.28 No.7 2009年 7 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July， 2009 收稿 日期 ：20081128；修回 日期：2009 03 10 基金 项目 ：国家科技支撑计划项目(2008BAB29B01)；国家自然科学基金重大研究计划项目(90715042)；国家杰出青年科学基金项目(50725931) 作者 简介 ：倪绍虎(1982)，男，2005 年毕业于武汉大学农业水利工程专业，现为博士研究生，主要从事地下工程反分析及地下洞室围岩稳定 方面的研究工作。E
2、-mail： 基于围岩松动圈的地下工程参数场位移反分析 倪绍虎，肖 明 (武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072) 摘要：受爆破松动影响，地下洞室开挖后围岩强度会有所降低，根据松动损伤程度将其视为一个连续的三维“参 数场”。由围岩松动圈的形成机制，分析地下洞室开挖后松动圈的计算方法，提出考虑松动圈的围岩参数场增量 位移反分析法。针对岩土工程反分析计算量巨大的实际问题，对反演计算过程进行了基于 MPI的主从式并行框架 改进，运用计算机集群网络进行并行计算，减少了迭代计算次数和计算耗时，极大地提高了计算效率。通过对溪 洛渡水电站右岸地下厂房的参数反演，得到了较好的反
3、演效果，验证了此法的可行性和合理性。依据反演得到的 参数场对现有支护设计及洞室围岩稳定状态进行评价，并对后续开挖进行预测，为工程设计施工提出合理建议， 为地下工程参数反演提供了一种新方法和新思路。 关键词 ：岩石力学；地下工程；松动圈；参数场；增量位移反分析；主从式并行计算；粒子群优化算法 中图分 类号 ：T U 45 文献 标识码 ：A 文 章 编号：10006915(2009)07143908 DISPLACEMENT BACK ANALYSIS OF PARAMETER FIELD IN UNDERGROUND ENGINEERING BASED ON EXCA V ATION DAMA
4、GED ZONE OF SURROUNDING ROCK NI Shaohu，XIAO Ming (State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science， Wuhan University， Wuhan， Hubei 430072， China) Abstract：Due to excavation blasting，the surrounding rock of underground caverns is loosened and its strength lowers. A continuou
5、s three-dimensional data field of surrounding rock parameters is employed to describe the different damage degrees of surrounding rock. According to the formation mechanism of excavation damaged zone(EDZ) of surrounding rock，the method to calculate the EDZ induced by excavation blasting in undergrou
6、nd caverns is analyzed. By taking the range of EDZ into consideration，a back analysis method based on incremental displacements is put forward. By employing this method，the fields of surrounding rock parameters can be back analyzed. As back analysis of geotechnical engineering involves enormous amou
7、nts of computation，the back analysis process is improved by introducing message passing interface(MPI)-based master-slave parallel framework. The parallel computation can be conducted using computer cluster networks， thus considerably reduce the cost and enhance the efficiency of computation. The pr
8、oposed method is further illustrated with its application to the large-scale underground caverns of Xiluodu hydropower station. The back analysis results are favorable and the reliability and rationality of the proposed method are proven. Based on the surrounding rock parameters field obtained by ba
9、ck analysis，the current anchor support scheme and the stability of the underground cavern are assessed. Also， the stability condition in subsequent excavation is predicted； and the rational recommendations are made for the engineering design and construction，providing the parameters back analysis of
10、 underground engineering with a new method. 1440 岩石力学与工程学报 2009年 Key words： rock mechanics； underground engineering； excavation damaged zone(EDZ)； parameter field； back analysis based on incremental displacement； master-slave parallel computation； particle swarm optimization(PSO) algorithm 1 引 言 目前，
11、确定岩体力学参数取值采用最多的方法 是结合野外调查进行岩体力学试验。但此法耗费大 量人力和物力，且所得试验参数往往因岩体的物质 组成、结构、物理力学特性及外界环境的复杂性而 不能反映整个厂区岩体的实际特性 1，2 ，也不能反 映施工过程中开挖爆破和断层、节理等切割作用的 影响。位移反分析法很好地解决了以上问题，近年 来得到广泛应用并取得了丰硕成果。 由于开挖爆破和应力重分布等因素的影响，地 下洞室开挖后，沿洞周会形成一定深度的松动圈， 围岩松动的同时其强度参数也会有所降低。目前主 要采用双重介质或多重介质模型将松动圈划分为多 种介质来进行计算 3 ，但实际上松动圈是以洞壁为 外界面的岩体松动最
12、严重，越往深部岩体松动程度 越轻，并逐步向未受松动影响的区域岩体过渡，从 而岩体参数也是一个渐变的三维“参数场”。 本文针对上述问题，提出了基于“参数场”理 论的增量位移反分析法，算法更为合理。并基于 MPI(message passing interface)信息传递平台 4 对反 演过程进行了主从式并行改进，运用计算机集群网 络进行并行优化反演计算，计算速度显著加快，提 高了计算效率。最后运用溪洛渡水电站地下厂房的 参数反演对此法进行了验证。 2 反演分析方法 岩土工程反分析法是根据现场的监测数据反求 岩体力学参数及厂区初始地应力场，包括应力反分 析法、位移反分析法和混合反分析法。由于位移
13、量 测比应力量测更经济方便，且获取监测数据更容易， 因此，目前岩土工程中位移反分析应用最普遍。 因求解途径不同，位移反分析法又分为位移正 反分析法和位移逆反分析法。前者是正分析的优化 逼近过程，它可同时适用于求解线性问题和非线性 问题，计算量大，但可沿用原有的正分析计算程序， 适用性较强；后者为正分析的逆过程，需要有严格 的求解表达式，求解简单，一般只适用于求解线弹 性问题，而无法求解岩土工程弹塑性非线性问题。 因此目前位移正反分析法运用最为广泛，其求解过 程的实质为最优化问题求解过程，通常也称之为位 移优化反演分析法。 2.1 目 标 函 数的建 立 通过布设的监测仪器得到测点处的相对位移或
14、 绝对位移 m x 。弹塑性优化反演分析时，首先需要假 定岩体的初始物理力学参数(反演中的随机初始 解)，主要包括地层材料的变形模量 E、泊松比 、 黏聚力 c、内摩擦角 等。数值模拟计算时，由这 些初始参数通过正分析可以得到各测点处的位移计 算值 c x 。计算值与实测值有一定的差异，需建立误 差函数评判其逼近度。 位移反分析根据位移类型可分为增量位移反分 析和全量位移反分析。增量位移法避开了计算损失 位移环节。实际工程中地下洞室常采用分期开挖的 方式，为避开损失位移的计算和减小各期的误差累 积，在监测数据比较丰富且有效的情况下，宜采用 位移增量反演，其目标函数可表示为 2 cm 1 ( )
15、 ( ) n ii i fE c x x ， (1) 式中： c i x 为该期第 i测点处的计算位移增量， m i x 为该期第 i测点处的监测位移增量， n为测点总数。 当误差函数式(1)取得最小值时，即得到优化反 分析的解，计算时所取材料参数即可视为现场岩体 的实际材料参数。 2.2 优 化 方 法的选 取 优化反分析法有传统的单纯形法、阻力最小二 乘法等，方法简单，但全局收敛性差，常常得到的 是局部极值点，反演结果不可信。目前岩土工程中 运用较多的现代优化算法如遗传算法、模拟退火算 法、神经网络算法、粒子群(PSO)算法和蚁群算法 5 等克服了传统算法的不足，解决了全局最优问题， 是目
16、前优化反演中最为有效的方法。 本文采用改进的 PSO算法 6 作为优化算法进行 优化反演分析。PSO 算法中每个粒子就是解空间中 的一个解，它根据粒子自身的飞行经验和同伴粒子 的飞行经验来调整自己的飞行轨迹。每个粒子通过 自身飞行过程经历过的最好位置和整个群体所经历 过的最好位置来不断更新自己，从而产生新一代群第 28卷 第 7 期 倪绍虎，等. 基于围岩松动圈的地下工程参数场位移反分析 1441 体，再进入下一次计算。每次计算结束通过适应度 函数值来评价粒子的“好坏”程度，并以此作为计 算结束与否的终止约束条件。通常约束条件为足够 好的适应值或达到一个预设最大迭代次数。本文粒 子的适应度函数
17、取为 ( ) 1 / kkkk k FE c f ， ( 2) 式中：k 为迭代次数； k f 为第 k 次迭代的监测和计 算增量位移误差目标函数值，由式(1)求得。 2.3 参 数 敏 感度分 析 优化反分析时，待反演的参数越多，反演参数 的范围越大，计算工作量就越大。因此在反分析前 要对各个参数进行敏感度分析，确定各反演参数的 取值范围及其敏感性，得到主要反演参数(敏感参数) 和次要反演参数(不敏感参数)。反演过程中主要考 虑较敏感的参数，而次要反演参数可简化，取为一 个定值或较小范围，这样可极大地减少优化反演迭 代计算次数，极大程度地减少计算工作量，在满足 工程设计要求时经济可行。 刘世
18、君等 710 做过许多参数敏感性方面的研 究，结果表明，影响洞室变形最敏感的参数为变形 模量，因此一般将变形模量作为主要反演参数。岩 土工程位移反分析时，通常将待辨识的参数取为变 形特性参数(变形模量 E 和泊松比 )及强度特性参 数(内摩擦角 和黏聚力 c)。 但由于地层中岩体 值 变幅很小，对围岩变形的影响比 E也小得多，主要 影响围岩应力场分布，因此反分析时通常将其视为 次要反演参数。而岩体的 和 c 比较容易通过现场 及实验室试验得到，且它们对洞室围岩变形影响较 变形模量要小，通常也可以将它们作为次要反演参 数。但在实际工程反演时，要视工程实际情况和具 体要求来确定主要和次要反演参数。
19、 2.4 双重模型 反 演改进 一般情况下，岩土工程有限元计算模型较大， 单元数量巨大，计算量极为庞大。本文提出在减少 待反演参数个数的基础上可再减小待反演参数的取 值范围，在满足工程要求时可以很大程度地减少优 化反演迭代计算次数和计算耗时。 在进行整体模型参数反演前，首先取包含一典 型监测断面的小模型进行反演，反演参数取值范围 按较大的建议范围 0 U 取值，反演后得到围岩参数场 及参数值 0 X 。然后对反演得到的每个参数值取一个 较小的波动范围U ( 00 () UX X ， ， U 0 U ，一般可取U 为远小于 0 U 的范围)，代入整体大 模型进行整体模型参数场反分析，最终得到整体
20、模 型反演参数场和参数值。这样极大地减少了整体模 型计算迭代次数，节省机时和工作量。 2.5 基于 MPI 的 主从式并 行 反演改进 岩土工程反分析计算量庞大，每进行一次弹塑 性有限元计算所需的时间较长，而优化算法又需经 过多次计算才能实现。若反演过程按单机串行计算， 耗费机时较多，计算效率低下。而本文中所采用的 PSO算法的主要耗时发生在各粒子的适应度计算阶 段，各粒子的适应度计算又是相互独立的，具有一 定的可并行性，因此本文提出引进基于 MPI 的主从 式并行 4 PSO 算法，可极大地加快反演计算速度， 提高计算效率。 在粒子适应度计算过程中，由主处理器将各粒 子适应度的计算任务分配到
21、集群网络中各个处理器 上进行，计算完毕后由主处理器收集计算结果，并 由其根据每个粒子通过自身飞行过程所经历过的最 好位置和整个群体所经历过的最好位置更新每个粒 子，产生新一代粒子群体，然后再分配任务给各处 理器进入下一次计算。 集群(computer cluster)技术是近几年兴起的一 项高性能计算技术，它将一组相互独立的计算机通 过高速的通信网络组成一个单一计算机系统，并按 照单一系统模式进行管理。这些价格便宜的集群计 算系统完全可以实现价格昂贵的传统大型并行计算 机才能实现的高速并行计算，经济可行，具有较高 的运用价值，尤其适用于计算量巨大的岩土工程反 分析中。基于 MPI 的主从式并行
22、 PSO 算法的具体 实现见图 1。 3 围岩松动圈分析方法 3.1 松动圈的 形 成机制 岩土体中开挖地下洞室将不可避免地破坏原岩 体的初始应力平衡状态。洞周围岩的径向应力消失， 切向应力剧增，围岩应力重新分布，某些部位岩体 可能会因此进入弹塑性受力状态甚至发生损伤破 坏，从而导致岩体松动，造成岩体弹塑性物理力学 参数发生变化，洞周一定范围内会形成围岩松动圈。 松动圈范围内岩体强度会明显降低， 使位移量明显 增大，因此如仍将围岩视为各向同性均一介质，则 反分析结果会因误差较大而失真。为此，反分析时 应将围岩松动圈作为一种渐变场加以考虑。 1442 岩石力学与工程学报 2009年 图1 基于
23、MPI的主从式并行 PSO算法流程图 Fig.1 Flowchart of MPI-based master-slave parallel PSO algorithm 3.2 松动圈的 分 析方法 目前，在进行岩土工程反分析时，部分学者 1，3 一定程度地考虑了松动圈的影响，但仅限于采用双 重介质或多重介质方法，将松动圈内围岩人为划分 为一层或多层不同岩体材料，这样一定程度体现了 松动圈范围内岩体强度的降低，但存在较大的人为 因素。事实上松动圈范围内岩体的松动程度是不同 的，以洞壁为外界面的岩体松动最为严重，越往深 部，岩体松动程度越轻，并逐步向未受松动影响区 域过渡，洞周岩体扰动形成一个三维
24、扰动场，因此 岩体参数也是一个逐渐过渡的“参数场”。 因松动的影响，岩体参数会发生不同程度的降 低，参数降低的本质是岩体发生了损伤，因而可以 将岩体扰动场与岩体损伤程度联系起来。笔者优化 反分析所采用的正算方法为三维弹塑性损伤有限元 法 11，12 ，每次计算时岩体参数按本次计算岩体损伤 变量降低，则松动圈范围内岩体的参数 13 可表示为 brz ed e EK E ( 3) 式中： brz e E 为松动圈范围内岩体参数； d K 为参数降 低系数， de 1 KD ， e D 为岩体损伤变量； e E 为松 动前原岩体参数。 3.3 围岩参数 场 的指导意 义 考虑围岩松动圈的扰动影响后，
25、反演得到的洞 室围岩三维参数场更符合工程实际情况，所得参数 更可信。 依据参数场可以直观地了解洞室群各部位的扰 动情况，结合声波测试等试验方法确定的松动圈深 度分布情况，可以评价现有的支护设计深度是否合 理，若局部扰动深度超过锚杆的控制范围，则应考 虑实施局部支护措施，及时加强支护。 依据前期反演得到的参数场对洞室后期开挖过 程进行预测，可为后期施工开挖提出合理要求和建 议，更好地指导洞室的施工开挖，以保证洞室群的 局部和整体稳定。 4 反演思路和步骤 为简化反演过程，初始应力场按三维正交多项 式回归分析法 14 进行单独反演，不作为待反演参 数。由参数敏感度确定主要反演参数和次要反演参 数，
26、确定各参数的取值范围，根据试验建议值将次 要反演参数限定在一个较小范围内，搜索主要反演 参数值。本文采用增量位移反分析法进行计算，优 化反演时采用基于 MPI 的主从式并行 PSO 算法。 优化反演的具体方法和过程如下： (1) 建立有限元模型(包括典型监测断面的小模 型及包括所有洞室群的整体大模型)，首先由地应 力现场测试数据单独反演初始地应力场，参数反演 时将地应力场作为已知量，不参与反演。 (2) 确定模型范围内各岩体参数的取值范围， 并在此范围内随机产生一定数目的初始解，每组初 始解即为一个粒子。 (3) 采用基于 MPI的主从式并行 PSO算法对小 模型进行增量位移反分析，得到最优解
27、，即小模型 参数值 0 X 。 (4) 对反演得到的每个参数值取一个较小的波 动范围 00 () XX ， ，重复步骤(3)对整体大模 型进行增量位移反分析，即可得到整个洞室群围岩 参数场。 5 工程实例 在现有三维弹塑性损伤有限元法 11，12 程序基 初始化算法参数、粒子群速度、位 置、个体最优位置、全局最优位置， T = 0 各子进程阻塞同步 由适应度值更新个体最优位置和全局最优位置 更新每个粒子的速度和位置 满足停止条件？ 输出反演结果 结束 是 否 T = T + 1 开始 F(x 1 ) F(x 2 ) F(x n ) 进程 1 进程 2 进程 n 第 28卷 第 7 期 倪绍虎，
28、等. 基于围岩松动圈的地下工程参数场位移反分析 1443 础上，作者基于 MPI 信息传输平台将局域网内数台 计算机并为一个计算机集群网络，编制了基于围岩 松动圈的地下工程并行反分析程序，优化方法采用 并行粒子群算法。为验证此法的可行性和适用性， 对溪洛渡水电站地下厂房进行了增量位移反分析。 溪洛渡水电站位于四川省和云南省接壤的金沙 江下游河段峡谷中，是一座以发电为主，兼有拦沙、 防洪和改善下游航运等综合利用效益的巨型水电工 程。本文对其右岸地下厂房前 6层开挖的监测成果进 行了增量位移反分析，并对后面两期开挖进行预测。 5.1 工程概况 地下厂房采用两岸对称布置，洞室群规模巨大， 左、右岸各
29、 9 台机组，地下厂房基本呈对称布置于 坝轴线上游库区，厂房纵轴线方位分别为 N24 W 和 N70 W。右岸厂区为峨眉玄武岩，岩性较好，主要 以 II 类岩体为主，同时 III 1 类岩体分布也较广，局 部还分布有少量岩性较差的 III 2 类岩体，岩体为明 显各向异性。岩体物理力学参数建议值见表 1。 表1 围岩分类及物理力学参数建议值 Table 1 Classification of surrounding rocks and suggested values of physico-mechanical parameters 围岩 类别 密度/(g cm 3 ) 水平变形 模量 /GP
30、a 垂直变形 模量 /GPa 泊松 比 内摩擦角 /( ) 黏聚力 /MPa 弹性抗力 系数/(MPacm 1 ) II 2.7 1726 1216 0.20 1.35 2.5 7080 III 12.6 1116 1012 0.25 1.22 2.2 4050 III 22.5 57 46 0.25 1.20 1.4 3040 主厂房、主变室、尾水调压室三大洞室平行布 置，尾水调压室顶拱中心线与厂房机组中心线间距 为 149 m，主变室顶拱中心线与厂房机组中心线间 距为 76 m。 5.2 监测断面 布 置 右岸地下厂房布置了 6 个监测断面，见图 2， 其中 0+136.00 为关键断面，
31、其主厂房多点位移计布 置见图 3。 5.3 计算模型 建 立及反演 参 数确定 计算模型包括主厂房、主变室、尾水调压室、 安装间、副厂房、压力管道、母线洞、尾水管及尾 水连接洞、尾水隧洞、出线井等洞室群，共剖分 了 372 936 个八节点等参单元，其中开挖单元数 63 544 个。三维有限元计算模型网格见图 4，开挖 单元见图 5。 图2 监测断面平面布置 Fig.2 Plan layout of monitoring sections 图3 0+136.00断面主厂房多点位移计布置 Fig.3 Layout of multi-point extensometers in main powe
32、rhouse on section 0+136.00 图4 三维有限元计算模型网格 Fig.4 Meshes of 3D finite element computing model 图5 地下洞室开挖单元 Fig.5 Excavated elements in underground caverns 硬质岩体的物理力学参数中，内摩擦角和黏聚 力的变化对位移影响较小且容易通过试验测得，泊 松比在地层中本身变化不大。本工程岩性很好，围 厂横 0+051.17 厂横 0+000.00 厂横 0+068.00 厂横 0+136.00 厂横 0+204.00 厂横 0+272.00 主厂房 主变室 3
33、 # 调压室 2 # 调压室 1 # 调压室 主厂房 主变室 尾水调压室 1444 岩石力学与工程学报 2009年 岩破坏不明显，因此，为简化反演过程，根据工程 特殊性将变形模量 E作为主要反演参数，其他参数 按设计建议值取定。厂区分布有 II，III 1 ，III 2 三类 岩体，因此目标函数为 1122 ( fEEEE ， 33 ) EE ， 其中 1 E ， 2 E ， 3 E 分别为 3 种岩体的水平变形模量， 1 E ， 2 E ， 3 E 分别为 3 种岩体的垂直变形模量。厂 区岩体为明显各向异性，弹塑性有限元计算时按三 维层状各向异性岩体非线性有限元计算 14，15 。 初始地应
34、力场由地应力测点监测数据单独反演 得到 16 。首先反演 0+136.00 断面的小模型，得到第 一次反演的围岩变形模量值，再取较小的变形模量 波动范围，对包含多个监测断面的整体大模型进行 增量位移反分析。 5.4 反 演 成 果及分 析 以离洞壁表面最近测点的收敛位移进行反分 析，其反演结果远好于多点位移计的深部测点 17 。 因此，本文采用洞壁孔口测点监测收敛位移作为反 演依据。反演得到第 6 期开挖完成后 0+136.00 断面 反演参数降低系数场分布见图 6，沿主厂房轴线下 游反演参数降低系数场分布见图 7。前 6 期开挖完 成后 0+136.00 断面测点相对位移计算值与监测值 及第
35、 8 期计算值见表 2。顶拱 M01、拱座 M05 和 边墙 M07 这 3 个典型测点计算与监测相对位移 图6 0+136.00断面反演参数降低系数场分布 Fig.6 Distribution of reduction factor field of back analysis parameters at section 0+136.00 图7 沿厂房轴线下游反演参数降低系数场分布 Fig.7 Distribution of reduction factor field of back analysis parameters at downstream side along axis of
36、powerhouse 表2 各测点相对位移计算值与监测值 Table 2 Computed and monitored relative displacements of ever y m onitor in g point mm 第 1 期 第 2 期 第 4 期 第 6 期 第 8 期 位移计 编号 监测 值 计算 值 监测 值 计算 值 监测 值 计算 值 监测 值 计算 值 监测 值 计算 值 M01 3.98 4.01 4.10 4.19 4.52 4.51 4.65 4.74 4.94 M02 4.04 4.08 4.34 4.29 4.53 4.75 4.82 4.98 5.20
37、 M03 4.75 5.07 4.92 5.22 5.88 5.80 6.15 6.33 6.91 M04 2.01 2.67 2.04 3.32 * 4.17 * 4.06 3.96 M05 0.16 1.75 2.41 2.74 6.57 6.53 8.97 8.66 8.83 M06 0.00 0.40 1.72 2.58 5.96 6.10 7.03 M07 0.00 0.16 1.20 1.47 6.66 6.51 6.79 M08 0.00 0.07 1.36 1.99 3.05 8.67 M09 0.00 0.13 1.21 5.28 6.13 11.29 注：相对位移为测点沿测
38、杆方向与同一测杆相对不动点的位移差； “*”表示测杆损坏无监测数据；“”表示未布置多点位移计。 的对比分别见图 8。所有 6 个监测断面测点的平均 误差统计见图 9。最终反演得到的岩体力学参数值 见表 3。 由图 6 可以看出，第 6期开挖完成后，洞周围 岩受不同程度的扰动影响，距洞壁越近参数降低越 明显。主厂房上下游边墙、尾水调压室上游边墙底 部及母线洞顶拱局部参数降低到了原参数的 0.55 0.65，其余离洞壁较近部位的降低系数为 0.70 0.90，离洞壁较远处围岩基本未受扰动影响。说明 (a) M01 测点 (b) M05 测点 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 1 2
39、3 4 5 6 7 8 开挖期数 相对位移/mm 计算值 监测值 0 2 4 6 8 10 12345 6 78 开挖期数 相对位移/mm 计算位移 监测位移 0.550.60 0.700.75 0.850.90 0.600.65 0.750.80 0.900.95 0.650.70 0.800.85 0.951.00 0.550.60 0.700.75 0.850.90 0.600.65 0.750.80 0.900.95 0.650.70 0.800.85 0.951.00 第 28卷 第 7 期 倪绍虎，等. 基于围岩松动圈的地下工程参数场位移反分析 1445 (c ) M07 测点 图
40、8 各测点相对位移计算值与监测值对比 Fig.8 Comparison of computed and monitored relative displacements for measuring points 图9 平均误差统计 Fig.9 Statistics of average error of surrounding rocks 表3 反演得到的围岩变形模量 Table 3 Back-analyzed deformation moduli of surrounding rocks G Pa 围岩类别 水平变形模量 垂直变形模量 II 24.55 15.14 III 112.73 10
41、.62 III 26.38 5.24 洞室后期开挖过程中高边墙效应明显，边墙部位受 开挖扰动影响较大，后续开挖过程中应注意施工过 程，尽量减小开挖对边墙的人为扰动影响。出现明 显松动的围岩深度(松动圈)为 14 m，在锚固支护 措施控制范围内。 由图 7 可以看出，洞室整体围岩参数场分布合 理。洞周围岩参数降低系数主要为 0.650.90，由 于有断层、节理裂隙等软弱带穿过及高边墙效应的 影响，0+136.00.000+272.00 断面机组段之间主厂 房边墙吊车梁附近受开挖扰动影响较大，洞壁参数 最大降低到了原参数的 0.550.65，此段洞室岩体 岩性稍差，受扰动影响范围也较其他断面稍大，
42、与 工程实际情况相符。松动圈深度为 13 m，局部达 4 m，在锚杆锚索控制范围内，洞室整体稳定基本 可以保证。 由表 2 可以看出，位移拟合较好。部分测点在 洞室下部，开挖后仪器布置较晚，监测到的位移量 不大。图 8列出了 3 个典型测点相对位移计算值与 监测值的对比，二者变化规律一致，拟合较好。由 图 9 可以看出，增量位移反分析所采用的所有测点 中，75.29%的测点位移计算值与监测值的平均误差 小于 0.5 mm。因此增量位移反分析误差较小，位移 计算值与监测值吻合较好，反演参数场合理，用于 后期预测可信。 表 3 为反演得到的 3 种岩体的原始水平和垂直 变形模量(未受扰动区域)，所
43、有反演值均在设计建 议值范围内，说明反演得到的围岩参数比较合理。 而受扰动区域的岩体参数值为原始岩体参数与洞室 开挖扰动后岩体参数降低系数的乘积，从而得到整 体洞室围岩的实际岩体参数场。 6 讨 论 (1) 本文所提“参数场”是一种全新的尝试， 目前还处于探索阶段，提出了一些切实可行的反分 析方法和思路。围岩松动破坏后，岩体发生损伤， 参数会降低，文中将参数降低系数直接与损伤系数 关联，有一定理论根据但暂缺试验验证。因此，洞 周岩体在开挖过程中的扰动程度计算方法有待商榷 和进一步改进。 (2) MPI 是一个强大的信息通信库，能让并行 计算程序通过多种语言编程实现，广泛应用于许多 实际工程中，
44、但目前岩土工程反分析中极少运用。 本文基于 MPI 信息传递平台编制了地下工程反分 析并行计算程序，效率较高。但并行粒度的把握及 高速通信网络信息传递等问题对提高并行计算效率 极为关键，因此对提高并行计算效率做进一步研究 很有必要。针对岩土工程计算量庞大的实际情况， 计算机集群并行计算将是今后可取的方向。 7 结 论 (1) 从围岩松动圈的形成和发展机制出发，提 出洞室开挖扰动后“参数场”的反演分析方法。反 演得到的围岩三维参数场更符合工程实际，可对现 有支护设计和洞室围岩稳定状态进行综合评价， 并对后续开挖进行预测，为工程设计施工提出合理 建议。 (2) 由粒子群算法的可并行性提出基于 MP
45、I 信 0 2 4 6 8 1 2 3 4 5 6 7 8 开挖期数 相对位移/mm 计算值 监测值 0 20 40 60 80 0.5 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 所占比例/% 平均误差/mm 1446 岩石力学与工程学报 2009年 息传输平台的主从式并行 PSO 算法， 从而极大地加 快了反演计算速度和提高了计算效率，经济适用， 可有效运用于计算量极其庞大的岩土工程反分析中。 (3) 反分析时首先分析待反演参数的敏感度， 减少了待反演参数个数，并采用双重模型减小大模 型计算时待反演参数的取值范围，减少了优化反演 迭代计算次数和计算耗时，加快了优化反演的速 度，显著提高了计算效
46、率。 参考文献(References) ： 1 杨志法，王思敬，冯紫良，等. 岩土工程反分析原理及应用M. 北 京： 地震出版社， 2002.(YANG Zhifa， WANG Sijing， FENG Ziliang， et al. Theory and application of back analysis in geotechnical engineeringM. Beijing：Earthquake Press，2002.(in Chinese) 2 孙 钧，蒋树屏，袁 勇，等. 岩土力学反演问题的随机制论与方 法M. 汕头：汕头大学出版社，1995.(SUN Jun，JIANG S
47、huping， YUAN Yong，et al. Random theory and methods of geomechanics back analysisM. Shantou：Shantou University Press，1995.(in Chinese) 3 杨林德. 岩土工程问题的反演理论与工程实践M. 北京：科学出 版社，1996.(YANG Linde. Theory and engineering practice of back analysis in engineering problems of rock and soilM. Beijing： Science Pre
48、ss，1996.(in Chinese) 4 都志辉. 高性能计算之并行编程技术MPI 并行程序设计M. 北京： 清华大学出版社， 2001.(DU Zhihui. High-performance parallel computingparallel programming based on MPIM. Beijing： Tsinghua University Press，2001.(in Chinese) 5 高 玮， 冯夏庭. 基于免疫连续蚁群算法的岩土工程反分析研究J. 岩石力学与工程学报， 2005， 24(23)： 4 2664 271.(GAO Wei， FENG Xiating. Study on a new back analysis algorithm in geotechnical engineering based on immunized continuous ant colony algorithmJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
