基于遗传算法的地下暗挖工程边坡稳定性分析

王玉刚，袁 伟

（青州水建工程建设有限公司，山东 潍坊 262500）

地下暗挖工程作为城市建设的重要组成部分，对改善城市环境、加快现代化城市建设的速度具有较大的影响。基于广义角度分析，地下暗挖工程指的是结合地层的实际条件与特征，以改造地质条件为前提，采用格栅与锚喷作为地下工程的支护手段，通过隧道设计与施工，修建地下工程。受到地质条件、施工环境以及其他不确定因素的影响，地下暗挖工程边坡的稳定性存在一定的动态变化，导致地下暗挖工程的可靠性与安全性得不到保障。基于此，对地下暗挖工程边坡稳定性作出合理分析至关重要，能够及时掌握其稳定性的动态变化，并有针对性地制定解决方案，提高工程整体的安全性与可靠性。然而，现阶段，传统的边坡稳定性分析多数采用通用的稳定性分析模型，其在实际应用过程中，无法对地下暗挖工程边坡的多种参数作出合理分析，且分析模型迭代训练与收敛速度较慢，降低了边坡稳定性分析结果的时效性与精确性，无法为地下暗挖工程提供有力的数据支持。

遗传算法作为进化算法中的一种，能够对边坡结构进行分解操作，具有较高的全局寻优能力，分析效率与精度较高，能够改善传统分析方法的不足。基于此，文章引入遗传算法，针对地下暗挖工程边坡稳定性，开展了深入的研究分析。

1 工程概况

选取某地区S地下暗挖工程为本次研究的目标，该工程地处丘陵沟壑区，地形地貌以及地质条件存在复杂多变的特点。该工程研究段的边坡高度约为40 m，宽度为22 m，坡率为1∶1。为了后续更好地开展该地下暗挖工程边坡稳定性分析，提高分析结果的精度，首先对S地下暗挖工程的地质条件与气象条件作出了分析，为后续稳定性分析提供基础数据支持。S地下暗挖工程所在地区为季风气候，四季分明，昼夜温差变化相对较大。文章对工程所在地区近10年来各月平均降雨量进行了统计分析，如图1所示。

图1 S地下暗挖工程近10年各月平均降雨量

如图1所示，S工程所在地区降雨较集中，主要在7月、8月、9月，最高月平均降雨量为116.2 mm。S地下暗挖工程的各个地层岩性，如表1所示。

表1 S地下暗挖工程地层岩性说明

如表1所示，为本次研究工程的地层岩性说明，在获取S地下暗挖工程相关信息数据后，开展如下文所示的边坡稳定性分析。

2 基于遗传算法的地下暗挖工程边坡稳定性分析流程

文章设计的基于遗传算法的地下暗挖工程边坡稳定性分析流程中，首先，采用有限元分析软件，基于S地下暗挖工程的实际情况与特征，建立其边坡三维有限元模型。选取边坡坡宽、坡率、台阶高度、重度、粘聚力等参数作为模型的基准值，边坡四周边界作为模型的法向固定。以地下暗挖工程边坡总体高度h为有限元模型的基础，结合边坡数值分析相关文献与S地下暗挖工程土体的边界效应，设定模型的尺寸。生成如图2所示的边坡有限元模型。

图2 地下暗挖工程边坡有限元模型

如图2所示，为文章建立的S地下暗挖工程边坡有限元模型。通过边坡有限元模型，获取边坡各项参数的动态变化，结合其动态变化，分析参数对边坡稳定性的影响程度，进而构建边坡参数敏感度方程：

表2 边坡最小安全稳定性系数记录表

根据表2中边坡最小安全稳定性和平均安全稳定性系数数值可知，不同边坡方向对应的安全稳定系数存在一定的差异。其中，采用竖向暗挖方式时边坡最小安全稳定性系数最小，仅为1.125，而采用竖向与分层适度结合的暗挖方式，边坡的最小安全稳定性系数可以达到1.526。在后续应用遗传算法运算过程中，需要综合考虑边坡方向以及边坡安全稳定系数的差异。

基于上述地下暗挖工程边坡有限元模型建立完毕后，获取到边坡稳定系数的动态变化，接下来，选取边坡稳定参数影响系数作为此次分析的控制变量。利用寻优方法的原理，获取地下暗挖工程不同破裂面的稳定系数。根据不同破裂面稳定系数的寻优结果，在边坡上选取若干个试验点，分别测试不同影响因素作用下，边坡稳定性系数的动态变化。首先，利用边坡有限元模型，获取S地下暗挖工程边坡土体参数，如表3所示。

表3 边坡土体参数

如表3所示，通过边坡有限元模型，获取到边坡土体参数。

在完成模型构建后，结合遗传算法，对暗挖工程边坡滑动面进行搜索计算。首先，对一定数量的染色体进行初始化处理，每一个染色体均代表一个矢量，矢量取值在允许范围内随机变化，并且需要符合遗传算法的约束条件。其次，选择用适度函数对边坡稳定性进行评价。适度函数公式为：

为方便对暗挖工程边坡稳定性分析，在实验过程中采用Matlab当中的遗传算法工具包完成上述算法步骤，并以此确定最终边坡的最小安全稳定性系数，确定边坡危险边界滑动面的具体位置。

3 稳定性分析结果

综合上述内容，为S地下暗挖工程边坡稳定性分析的整体流程，接下来，对稳定性分析结果进行论述。

首先，采用有限元分析软件，对边坡稳定性影响因素的相互作用进行分析，获取影响因素对S地下暗挖工程边坡稳定性的影响。各因素边坡稳定性影响程度，如图3所示。

图3 边坡稳定性影响程度

在图3中，D1代表边坡坡高；D2代表边坡坡度；D3代表边坡地质构造；D4代表边坡周围人类活动；D5代表边坡所在地区降雨作用；D6代表边坡地下水作用。由图4的影响程度结果可知，影响因素相互作用对地下暗挖工程边坡稳定性的影响程度由大到小依次为：D2＞D6＞D1＞D4＞D3＞D5。由此可见，在S地下暗挖工程中，边坡坡度与地下水作用对边坡稳定性的影响较大。

图4 地下暗挖工程边坡水平方向位移变化

在此基础上，对S地下暗挖工程边坡的稳定性作出分析。随机在S地下暗挖工程边坡上布设6组监测点，分别标号为JCD-#01、JCD-#02、JCD-#03、JCD-#04、JCD-#05、JCD-#06。对边坡施加不同的荷载作用力，利用FLAC3D软件，对边坡进行数值模拟分析，得出边坡水平方向的位移变化，如图4所示。

从图4的位移变化图可以看出，S地下暗挖工程边坡上各组监测点在水平方向均没有较大的位移变化，位移量均在3 mm以内。根据该工程项目施工质量要求，每一个测点的位移量均不得超过5 mm。由此可以看出，按照上述方案施工，该工程边坡水平方向的稳定性较好，并且上述影响边坡稳定性的边坡坡度与地下水作用因素，在这一份施工方案当中也均不会对边坡稳定性造成破坏。

以上为针对S地下暗挖工程边坡稳定性，设计的整体分析流程与分析结果。根据上述分析结果可知，S地下暗挖工程中，边坡水平位移量较小，稳定性较高。针对其他与该工程相似的项目，在施工前需要对边坡是否适合暗挖进行勘察与分析，若满足暗挖条件，则合理设置暗挖方案，在最大程度上保证边坡安全，以此提高施工安全性。在开展对边坡的暗挖施工时，为避免对边坡稳定性造成不利影响，应当重点考量边坡坡度与地下水作用对边坡稳定性的影响。

4 结束语

综上所述，为了改善传统分析方法对地下暗挖工程边坡稳定性分析的不足，文章引入了遗传算法，以S地下暗挖工程为研究依托，开展了其边坡稳定性的分析。通过本次研究，更加清晰地获取到影响地下暗挖工程边坡稳定性的因素，打破了传统分析方法的局限性，能够得出边坡稳定性分析结果的局部最优解，并通过分析结果，对地下暗挖工程的运行情况与边坡稳定性作出合理预测，有效提高了地下暗挖工程的安全性与可靠性，具有重要的研究意义。