基于遺傳算法的地下暗挖工程邊坡穩定性分析

王玉剛，袁 偉

（青州水建工程建設有限公司，山東 濰坊 262500）

地下暗挖工程作為城市建設的重要組成部分，對改善城市環境、加快現代化城市建設的速度具有較大的影響。基于廣義角度分析，地下暗挖工程指的是結合地層的實際條件與特征，以改造地質條件為前提，采用格柵與錨噴作為地下工程的支護手段，通過隧道設計與施工，修建地下工程。受到地質條件、施工環境以及其他不確定因素的影響，地下暗挖工程邊坡的穩定性存在一定的動態變化，導致地下暗挖工程的可靠性與安全性得不到保障。基于此，對地下暗挖工程邊坡穩定性作出合理分析至關重要，能夠及時掌握其穩定性的動態變化，并有針對性地制定解決方案，提高工程整體的安全性與可靠性。然而，現階段，傳統的邊坡穩定性分析多數采用通用的穩定性分析模型，其在實際應用過程中，無法對地下暗挖工程邊坡的多種參數作出合理分析，且分析模型迭代訓練與收斂速度較慢，降低了邊坡穩定性分析結果的時效性與精確性，無法為地下暗挖工程提供有力的數據支持。

遺傳算法作為進化算法中的一種，能夠對邊坡結構進行分解操作，具有較高的全局尋優能力，分析效率與精度較高，能夠改善傳統分析方法的不足。基于此，文章引入遺傳算法，針對地下暗挖工程邊坡穩定性，開展了深入的研究分析。

1 工程概況

選取某地區S地下暗挖工程為本次研究的目標，該工程地處丘陵溝壑區，地形地貌以及地質條件存在復雜多變的特點。該工程研究段的邊坡高度約為40 m，寬度為22 m，坡率為1∶1。為了后續更好地開展該地下暗挖工程邊坡穩定性分析，提高分析結果的精度，首先對S地下暗挖工程的地質條件與氣象條件作出了分析，為后續穩定性分析提供基礎數據支持。S地下暗挖工程所在地區為季風氣候，四季分明，晝夜溫差變化相對較大。文章對工程所在地區近10年來各月平均降雨量進行了統計分析，如圖1所示。

圖1 S地下暗挖工程近10年各月平均降雨量

如圖1所示，S工程所在地區降雨較集中，主要在7月、8月、9月，最高月平均降雨量為116.2 mm。S地下暗挖工程的各個地層巖性，如表1所示。

表1 S地下暗挖工程地層巖性說明

如表1所示，為本次研究工程的地層巖性說明，在獲取S地下暗挖工程相關信息數據后，開展如下文所示的邊坡穩定性分析。

2 基于遺傳算法的地下暗挖工程邊坡穩定性分析流程

文章設計的基于遺傳算法的地下暗挖工程邊坡穩定性分析流程中，首先，采用有限元分析軟件，基于S地下暗挖工程的實際情況與特征，建立其邊坡三維有限元模型。選取邊坡坡寬、坡率、臺階高度、重度、粘聚力等參數作為模型的基準值，邊坡四周邊界作為模型的法向固定。以地下暗挖工程邊坡總體高度h為有限元模型的基礎，結合邊坡數值分析相關文獻與S地下暗挖工程土體的邊界效應，設定模型的尺寸。生成如圖2所示的邊坡有限元模型。

圖2 地下暗挖工程邊坡有限元模型

如圖2所示，為文章建立的S地下暗挖工程邊坡有限元模型。通過邊坡有限元模型，獲取邊坡各項參數的動態變化，結合其動態變化，分析參數對邊坡穩定性的影響程度，進而構建邊坡參數敏感度方程：

表2 邊坡最小安全穩定性系數記錄表

根據表2中邊坡最小安全穩定性和平均安全穩定性系數數值可知，不同邊坡方向對應的安全穩定系數存在一定的差異。其中，采用豎向暗挖方式時邊坡最小安全穩定性系數最小，僅為1.125，而采用豎向與分層適度結合的暗挖方式，邊坡的最小安全穩定性系數可以達到1.526。在后續應用遺傳算法運算過程中，需要綜合考慮邊坡方向以及邊坡安全穩定系數的差異。

基于上述地下暗挖工程邊坡有限元模型建立完畢后，獲取到邊坡穩定系數的動態變化，接下來，選取邊坡穩定參數影響系數作為此次分析的控制變量。利用尋優方法的原理，獲取地下暗挖工程不同破裂面的穩定系數。根據不同破裂面穩定系數的尋優結果，在邊坡上選取若干個試驗點，分別測試不同影響因素作用下，邊坡穩定性系數的動態變化。首先，利用邊坡有限元模型，獲取S地下暗挖工程邊坡土體參數，如表3所示。

表3 邊坡土體參數

如表3所示，通過邊坡有限元模型，獲取到邊坡土體參數。

在完成模型構建后，結合遺傳算法，對暗挖工程邊坡滑動面進行搜索計算。首先，對一定數量的染色體進行初始化處理，每一個染色體均代表一個矢量，矢量取值在允許范圍內隨機變化，并且需要符合遺傳算法的約束條件。其次，選擇用適度函數對邊坡穩定性進行評價。適度函數公式為：

為方便對暗挖工程邊坡穩定性分析，在實驗過程中采用Matlab當中的遺傳算法工具包完成上述算法步驟，并以此確定最終邊坡的最小安全穩定性系數，確定邊坡危險邊界滑動面的具體位置。

3 穩定性分析結果

綜合上述內容，為S地下暗挖工程邊坡穩定性分析的整體流程，接下來，對穩定性分析結果進行論述。

首先，采用有限元分析軟件，對邊坡穩定性影響因素的相互作用進行分析，獲取影響因素對S地下暗挖工程邊坡穩定性的影響。各因素邊坡穩定性影響程度，如圖3所示。

圖3 邊坡穩定性影響程度

在圖3中，D1代表邊坡坡高；D2代表邊坡坡度；D3代表邊坡地質構造；D4代表邊坡周圍人類活動；D5代表邊坡所在地區降雨作用；D6代表邊坡地下水作用。由圖4的影響程度結果可知，影響因素相互作用對地下暗挖工程邊坡穩定性的影響程度由大到小依次為：D2＞D6＞D1＞D4＞D3＞D5。由此可見，在S地下暗挖工程中，邊坡坡度與地下水作用對邊坡穩定性的影響較大。

圖4 地下暗挖工程邊坡水平方向位移變化

在此基礎上，對S地下暗挖工程邊坡的穩定性作出分析。隨機在S地下暗挖工程邊坡上布設6組監測點，分別標號為JCD-#01、JCD-#02、JCD-#03、JCD-#04、JCD-#05、JCD-#06。對邊坡施加不同的荷載作用力，利用FLAC3D軟件，對邊坡進行數值模擬分析，得出邊坡水平方向的位移變化，如圖4所示。

從圖4的位移變化圖可以看出，S地下暗挖工程邊坡上各組監測點在水平方向均沒有較大的位移變化，位移量均在3 mm以內。根據該工程項目施工質量要求，每一個測點的位移量均不得超過5 mm。由此可以看出，按照上述方案施工，該工程邊坡水平方向的穩定性較好，并且上述影響邊坡穩定性的邊坡坡度與地下水作用因素，在這一份施工方案當中也均不會對邊坡穩定性造成破壞。

以上為針對S地下暗挖工程邊坡穩定性，設計的整體分析流程與分析結果。根據上述分析結果可知，S地下暗挖工程中，邊坡水平位移量較小，穩定性較高。針對其他與該工程相似的項目，在施工前需要對邊坡是否適合暗挖進行勘察與分析，若滿足暗挖條件，則合理設置暗挖方案，在最大程度上保證邊坡安全，以此提高施工安全性。在開展對邊坡的暗挖施工時，為避免對邊坡穩定性造成不利影響，應當重點考量邊坡坡度與地下水作用對邊坡穩定性的影響。

4 結束語

綜上所述，為了改善傳統分析方法對地下暗挖工程邊坡穩定性分析的不足，文章引入了遺傳算法，以S地下暗挖工程為研究依托，開展了其邊坡穩定性的分析。通過本次研究，更加清晰地獲取到影響地下暗挖工程邊坡穩定性的因素，打破了傳統分析方法的局限性，能夠得出邊坡穩定性分析結果的局部最優解，并通過分析結果，對地下暗挖工程的運行情況與邊坡穩定性作出合理預測，有效提高了地下暗挖工程的安全性與可靠性，具有重要的研究意義。