深部地下工程巖體力學(xué)行為是巖石力學(xué)最重要的內(nèi)容，巖體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)往往具有不均勻性和不確定性，傳統(tǒng)基于位移的動(dòng)態(tài)反饋分析設(shè)計(jì)，在預(yù)測(cè)隧洞位移時(shí)常忽略巖體參數(shù)的變異性，將直接影響分析結(jié)果的可靠性。

　　深部地下實(shí)驗(yàn)室已成為各學(xué)科重大基礎(chǔ)性前沿研究的重要實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期（CJPL-Ⅱ）位于中國(guó)西南部四川省錦屏山區(qū)，深埋2400米，是目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室（圖1）。針對(duì)深部巖體的非線性力學(xué)行為，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所智能巖石力學(xué)組科研人員依托CJPL-Ⅱ的B2實(shí)驗(yàn)廳，通過長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，揭示了深部巖體變形、應(yīng)力、開裂等非線性力學(xué)行為，建立了基于多元分布和相關(guān)向量機(jī)模型的隧洞位移概率預(yù)測(cè)方法（圖2）。研究工作通過多元分布函數(shù)建立巖體參數(shù)隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)模型，識(shí)別參數(shù)間的相關(guān)性，綜合采用相關(guān)向量機(jī)（RVM）模型、有限元數(shù)值模擬、蒙特卡洛（MCS）方法，估計(jì)巖體性質(zhì)和隧洞位移的不確定性，并根據(jù)預(yù)測(cè)的隧洞位移計(jì)算隧洞的可靠度（圖3）。在此基礎(chǔ)上，采用參數(shù)敏感性分析方法，分析了輸入巖體參數(shù)變異性對(duì)輸出響應(yīng)結(jié)果的影響，揭示了巖體參數(shù)相關(guān)性對(duì)隧洞位移和可靠度的影響規(guī)律（圖4）。該方法提供了一種考慮巖體參數(shù)變異性與相關(guān)性的有效途徑，基于相關(guān)向量機(jī)（RVM）與有限元程序耦合的方法，將不確定性計(jì)算方法應(yīng)用于實(shí)際隧洞工程分析中，具有處理高維非線性問題的能力，可以用來描述深部巖體的非線性力學(xué)行為。

　　本項(xiàng)研究為巖體參數(shù)的變異性及相關(guān)性將為CJPL-II實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定性評(píng)估、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)提供直接支撐，也將為相似地質(zhì)條件的高應(yīng)力深埋隧洞安全建設(shè)提供借鑒。

　　研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（U1765206）、湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目(ZRQT2020000114)項(xiàng)目的資助，相關(guān)研究成果發(fā)表在《清華大學(xué)學(xué)報(bào)》（自然科學(xué)版）、Geoscience Frontiers等學(xué)術(shù)期刊。

論文鏈接：http://jst.tsinghuajournals.com/CN/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.015

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S167498712030284X

圖1 中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期位置及布局圖

圖2 基于多元分布-相關(guān)向量機(jī)的隧洞位移的概率預(yù)測(cè)模型

圖3 相關(guān)向量機(jī)模型預(yù)測(cè)隧洞位移概率密度函數(shù)

圖4 （1）強(qiáng)度參數(shù)相關(guān)性對(duì)可靠度的影響（2）峰值與殘余參數(shù)相關(guān)性對(duì)可靠度的影響

（文/圖 智能巖石力學(xué)組）