地下结构研究成果汇总

针对山岭隧道中断面尺寸以及支护结构设计中存在的优化问题，结合实际工程背景，我们提出了相应的优化模型，并且使用了一系列优化方法，最后得出了优化结论以及各方法的对比结果。

本次研究主要包含了山岭隧道多心圆断面几何参数优化设计以及隧道二次衬砌厚度优化设计，主要研究成果如下：

1）对两个优化问题进行独立建模

考虑到两阶段在设计过程中的独立性以及先后顺序，将两个优化问题进行独立建模、分析。由于两个问题的状态变量及约束条件关联性不强，尺寸的细节变化对隧道二次衬砌物理力学性态的影响有限，故可以分开建立优化模型，这可以简化整体的优化问题。

2）基于C/C++的横断面几何参数优化设计

本问题的优化设计基于C/C++实现，为了对比不同算法的优化结果以及优化效率，采用了遗传算法和模拟退火法两种算法进行优化。在遗传算法实现过程中，仅在传统的算法流程中加入了对于个体适应度评估的自定义函数。通过计算，得到最优解所对应的开挖面积，相比于初始解对应的开挖面积，减少了23.3%，优化效果十分明显。使用遗传算法和模拟退火法得到的优化结果十分接近，两种算法都是可行的，在本问题中，使用模拟退火法迭代次数更少，优化效率更高。

3）基于ANSYS的隧道二次衬砌厚度优化设计(www.xing528.com)

对本次研究的第二阶段问题，我们首先基于ANSYS的零阶优化方法对隧道二次衬砌厚度进行优化设计。根据荷载结构法基本原理，使用ANSYS建立计算模型，进行前处理，并计算得到初始解。然后进入ANSYS优化模块，使用零阶方法进行优化。最后得到最优解所对应的各个衬砌单元的厚度并绘制了优化衬砌分布图。

4）基于遗传算法的二次衬砌厚度优化程序的开发

考虑到本问题中包含的离散衬砌单元较多（42个），设计变量因而也较多，而基于ANSYS的优化方法对于高维的最优化问题并不能够有效地进行求解，因此我们设计了一个结合荷载结构法有限元计算及遗传优化算法的自编程序。程序在MATLAB中实现。首先与ANSYS对比验证了荷载结构法有限元计算程序的正确性，得到相同的初始解。然后将有限元程序与遗传优化算法进行衔接，使程序能够根据设定的算法参数自行优化。此外，得到相应最优解的各衬砌单元厚度之后，也加入了简单的后处理功能，将结果通过图形显示出来。

5）ANSYS优化与自编程序优化对比

对ANSYS优化结果和自编程序优化结果进行对比发现，自编程序能得到更优于ANSYS的结果，ANSYS所得出最优解相对于初始解所对应的衬砌混凝土总体积减少了10.5%，而自编程序的优化结果则减少了30.9%。通过改变算法参数，可以自行控制优化过程，迭代代数。

此外，本自编程序经过修改以后可以适用于反分析以及其他的结构优化计算问题。本次研究，针对山岭隧道涉及过程中横断面尺寸几何参数设计，给出了较好的解决方案。在符合规范要求、隧道使用要求的情况下，通过上述介绍的优化方法，可以减小开挖面，节省可观的工程造价。此外，针对模筑现浇二次衬砌，本文提出了变厚度二次衬砌设计思路，并且将衬砌离散成42个单元来建立计算模型，来进行衬砌厚度优化，也是具有实际意义的。通过优化，发现变厚度的衬砌设计能减少大量混凝土用量，节省可观的工程造价。另外通过ANSYS和自编程序两条途径分别进行优化对比，得到较为合理的最优解。