隧道围岩稳定性三维精细化模拟方法与应用

针对隧道围岩地质体复杂、隧道设计与施工分析方法精细化程度低的现状，拟从围岩体的初始地应力状态确定和精细化描述、隧道开挖后围岩破坏过程的物理与数值的精细化模拟出发，创新性地开展：①利用高像素单相机双目数字照相技术结合常规的工程信息采集方式，建立围岩体的三维重构和物理力学参数快速综合确定的方法；采用三维增量位移监测信息反演初始地应力场。②提出基于动态压力拱效应的围岩破坏过程的增量应力快速判断模式。③提出基于广义三维H-B岩体各向异性强度破坏准则与弹塑性损伤的模拟方法；建立三维物理覆盖生成及剖分理论、实现块体三维裂纹扩展模拟的流形元法。④基于上述方法实现精细化的隧道锚杆的优化设计。研究旨在提供岩体隧道工程的现代设计与施工分析的精细化计算方法，为工程的安全和经济服务。

与地上结构工程相比，岩体隧道工程的勘察、设计和分析是建立在比较粗糙的信息采集手段之上的；而且由于岩体工程的复杂性和隐蔽性，基于传统方法的建模和分析也无法达到满意的精度。.本课题针对上述问题，在课题组提出的基础设施智慧服务系统（iS3）的框架内，研究并提出了一系列与岩体隧道工程安全性相关的高精度采集、分析方法和技术，形成了一整套集成化的岩体隧道精细化采集、分析与服务系统，并在具体工程中进行了成功的应用。主要创新性研究内容和成果包括：.（1）针对复杂岩体隧道工程信息获取的难点，提出了基于岩体表面三维点云数据的几何信息自动识别和模型重构方法，开发了基于双目三维数字照相和三维激光扫描的岩体隧道信息采集与模型重构集成系统；.（2）提出了岩体自动化数字数值一体化概念和建模方法，针对连续或非连续数值分析方法，在岩体信息数字化精细采集的基础上，分别使用三维网格剖分或块体切割技术建立数值模型，并将工程信息与三维模型高效集成；.（3）在开展一系列隧道模型破坏试验和现场地应力测试的基础上，提出了三维非线性岩体破坏准则及相应的参数确定方法，通过岩石块体动力学试验研究，提出了基于动力回弹系数的岩体非连续分析接触参数反演方法；.（4）针对岩体关键块体分析，提出基于临空域和形心滑动锥的块体切割及可动性判断方法，通过对三维非连续变形分析理论的研究，提出了多包围盒的块体临近搜索算法和基于动力回弹系数收敛条件的拉格朗日乘子法；.（5）提出了岩体隧道局部精细化锚喷支护设计方法，并且基于iS3平台，将岩体隧道工程精细化采集、建模分析和方法，与工程管理、信息展示、安全监测及辅助设计等功能高度集成，实现精细化、智能化和远程化的工程辅助决策与服务。.已发表学术论文共58篇，其中学术期刊论文48篇（含SCI检索论文36篇，EI检索论文11篇）。申请发明专利9项（授权6项）、授权软件著作权4项。相关研究已毕业博士研究生5人、硕士研究生2人，与美国、澳大利亚、德国等学者进行了大量的合作研究与交流，并多次应邀在国内外重要学术会议上做特邀报告，课题组负责人和成员多次获得重要的国际学术奖项。