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系统工程论文《系统工程方法在隧道围岩稳定分析中的应用》学院：建工学院姓名：谢永涛学号：28010904101系统工程方法在隧道围岩稳定分析中的应用【摘要】本文根据隧道工程的复杂性与模糊性特征，打破系统科学与岩石力学、数学等学科的界限，以系统科学的原理和方法作指导，将系统工程方法与岩石力学常规理论和方法结合起来，对隧道围岩进行稳定性分析；为保持系统的稳定性，在整个过程中进行全局性有效的自动调节与控制，通过最佳途径达到最优控制目标。【关键字】隧道围岩稳定分析系统工程1.引言随着城市地铁建设的扩大。研究隧道围岩稳定分析具有很大的实际意义。常规的围岩稳定分析主要包括：将围岩的地质困素、工程结构因素、洞室开挖、支护过程等尽可能地分细：通过理论分析建立数学模型：多参数精确输入；进行确定性因果关系的力学分析；以分析结果可供精确定量使用为目标的数学模拟。这种传统方法在岩石力学与工程应用中带来了学术水平与试验技术的巨大发展，并且至今仍是岩石力学研究的基本方法。但是，随着隧道工程规模的扩大和新奥法的产生与发展，出现了传统的概念和方法难以解决的矛盾。由于庞大的隧道建设系统具有多层次、多困素等特点，其结构非常复杂，每一结构面的几何物理状态和力学性质等是逐点变化的，隧道工程充满了复杂性与模糊性，对任何一个结构面的历史和现状。我们实际上无力查清并作精确描述；同时，隧道建设系统各个组成部分又是有组织的，形成有特定功能的整体，因而，隧道力学分析完全具备系统科学中所研究的“系统”的特征．所以，围岩稳定分析是对复杂的围岩系统的稳定性的模糊化认识和控制所作的数学模拟，用系统科学与传统岩石力学结合的方法更具合理性它能冲破传统方法难以解决的矛盾。2.系统工程系统是由具有相互联系、相互制约的若干组成部分结合在一起并且有特定功能的有机整体。系统可分为自然系统和人工系统，前者是指本来就已存在着的、由自然物组成的系统；后者是指经过人的有意识的实践活动的创造而出现或组成的系统系统具有全局性、关联性、择优性、综合性、实践性等特点。系统工程是为了更好地对系统进行组织建立或者经营管理，为了设计和实现一个2整体以求达到我们所希望得到的效果，即为了更好地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机构等进行分析与设计的技术。系统工程作为一门新兴的技术科学，它的一个突出特点是提出了一整套分析与处理人工系统的方法。钱学森指出：“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法”。系统工程是各类人工系统组织管理技术的总称，它跨越许多学术领域而又渗透在这些领域中。对于各种不同的系统工程，可以找到一套具有共同性的思路或方法、程序，称之为系统工程方法。由于所取的角度不同，可以提出不同的方法，例如美国贝尔电话研究中心A．D．Hal于1969年提出的三维结构就是一种影响较大的系统工程方法，由三组结构可导出Hal的系统工程活动矩阵。根据Hal关于系统工程的三维结构和活动矩阵，我们可以将系统工程方法看作是由系统分析、系统模拟、系统设计、系统管理等主要环节组成的过程。系统分析是系统工程中起核心作用的步骤，在某些论著中将系统分析看作是系统工程的同义语。系统分析由美国兰德公司在本世纪四十年代提出和使用，它能在不确定的情况下，通过对问题的充分调查，找出其目标和各种可行方案，并通过直觉和判断，对这些方案的结果进行比较，帮助决策者在复杂问题中做出最佳的决策。系统模拟是在系统分析提出初步模型后，用计算机对模型进行仿真，以便比较不同的方案，进行决策分析，作出优化或满意决策。系统设计是有效地利用系统目标分析，系统综合评估的结果，设计出能最大限度地实现预期目标的具体系统。为此，系统设计时首先应根据系统分析得出的结果，研究与确定系统设计的指导原则，随后在对上述分析结果的解释、研究和分析的基础上，制定系统的技术模型。由此可见，系统分析、系统模拟、系统设计、系统管理是实现系统工程方法的几个重要环节。只有对系统进行详尽的综合分析，掌握系统的功能、目的、结构、信息量、系统内部诸要素的关系，我们才能认识系统。在此基础上我们才能进行系统模拟、系统设计和管理。这几个环节并不是孤立的，雨是互相渗透的．系统分析贯穿于系统模拟、系统设计始终。为了说明其关系，用如下简图表示：33.系统工程方法在围岩稳定分析中的应用新奥法的产生和发展，为具有复杂性和模糊性的宠大隧道开挖提供了有效的技术方法。新奥法把隧道支护与围岩看作整体化的结构物，充分利用围岩的自承能力；把地质、设计、施工、量测部分的人员统一组织为一个整体．密切拂作，有机结合；隧道工程传统程序是：施工部门其能按照已经批准的设计图纸施工．而新奥法则从地下工程地质条件的复杂性与认识不可能一次完成出发，认为非到竣工之日才为认识基本完成之时。强调在整个施工过程中，对围岩地质情况和支护的动态观察、量测．合理安排施工程序，进行设计变更及日常的施工管理；新奥法以喷射混凝土和锚杆为主要支护手段，通过量测和信息反馈．控制围岩稳定，隧道围岩支护系统具有可观测性和可控性．已经过新奥法工程实践反复证明新奥法的另一特点是极其重视信息的采集、处理和反馈。由此可见．新奥法是朴素的系统科学在隧道工程中的实践。以下以新奥法工程实践经验为技术基础，具体记述系统工程方法在隧道围岩稳定分析中的应用。把规模巨大而复杂的隧道建设看作一个大系统．应用系统工程方法的目的是要使系统达到一种整体性的优化目标，在确定这种目标后．首先必须进行系统分析，由以下几个步骤组成：3．1确定问题确定问题是系统分析的出发点和依据。我们这里要研究的问题是：(1)在隧道工程设计和施工中．岩石力学围岩稳定分析方法很少应用、远未普及的主要原因是什么?(2)现在是否已经具备最低限度的客观条件，在锚喷支护隧道工程的设计和施工中4实现围岩稳定数值分析的应用和普及?(3)怎样才能实现这一普及?如何选择合理的目标?应采取的主要技术途径是什么?3．2目标分析系统目标根据系统存在的问题和解决问题的主观需求和客观条件决定。在普及应用隧道围岩稳定分析技术的总目标下，明确以下四个重要的一级目标：（1）预期作用围岩稳定分析在地下工程中的预期作用不是取代工程师的经验判断．而是为工程师的技术决策提供支持。（2）技术条件隧道工程一般不具备应用岩石力学常规方法的客观条件，地下工程具体条件的复杂性，决定了方法的多样性。必须发展和探索适合隧道工程各种具体条件的岩石力学分析方法。（3）数学模型按照系统科学的原理与方法，对于一个复杂系统采用什么方法建立数学模型，首先取决于对建模系统的内部结构和参数了解的深度。地下工程围岩稳定分析的对象是模糊的复杂系统和对其整体稳定性控制的数学模拟。其结构特征和参数有一部分是清楚的(工程结构参数)．有一部分是不清楚的(如真实岩体的本构关系、力学参数以及施工参数的一些数值等)，其性质应属于“灰箱”．所以，地下工程围岩稳定分析中建立数学模型的合理方法是经验分析与理论分析相结合。根据这一原则，“位移反分析方法中的“线弹分析模型”属于理论分析模型，“用开挖洞室测得的围岩位移进行反馈修正”属于经验分析模型，其建模方法符合岩石力学基本特点，因而是科学合理的。（4）精度要求“精度一词可细分为精密度、正确度、准确度．它们是反映系统误差与随机误差的程度，用下图来说明其含义：5A的正确度高而精密度低：B的正确度低而精密度高：C的正确度与精密度都高，即准确度高。由于岩体力学特性极其复杂，难以得到准确度高的结果，在实际设计施工中，工程师们宁要情况A而不要B。因为只要大体上符合实际(正确度好)，半定量的估计也是撅有价值的。3.3系统综合充分利用一切可供利用的有关科技成果，制定出一组备选方案，对所有可能实现目标的备选方案进行全系统的综合，寻求实现目标的途径。本项系统分析的备选方案包括岩石力学围岩整体稳定分析技术：剪切滑移楔体法、弹塑性分析法、收敛一约束法、有限元线弹性分析法、有限元图谱法、有限元非线性分析法、边界元线弹性分析法、位移反分析法、反馈设计法、半解析数值法、典型工程类比等十三种备选方案。本项系统分析以新奥法隧道工程实践经验为基础．因常规的有限元法在隧道工程中应用困难，位移反分析法、典型工程类比法、边界元法为工程师们越来越重视的方法。3．4系统评估建立评价模型，对各备选方案实现系统分析预定目标的效能进行评估；从备选方案中选出最佳(满意)的方案．为系统设计提供依据。在系统分析提出初步的系统模型之后，我们进行系统模拟。系统模拟是系统分析的进一步总结、概括，是系统分析的理论化、系统化、具体化。面对结构十分复杂与模糊的隧道力学分析系统，要想通过弄清系统的结构，进一步搞清其功能与运行特性。往往是行不通的。因而可以绕过以结构模拟来认识系统功能的道路，而采取功能模拟的新方法。从围岩稳定分析的具体情况来说，虽然对每一个一般隧道工程精细的工程地质条件并未在力学分析中逐点反映．只要这些工程地质因素对围岩总体稳定性的影响(即行为和功能)是可知的，就可以绕过结构模拟而实现这种行为和功能的模拟。6系统工程方法最后两个环节是系统设计与系统管理。系统设计时首先应根据系统分析各步骤得出的结果。研究与确定系统设计的指导原则：随后在对系统分析结果的解释、研究和分析的基础上，制定系统的技术模型；在对系统各主要组成部分及其相互关系上有较深刻认识的基础上。进行围岩稳定系统分析的总体设计和技术设计：在试验与分析相结合，充分采集、分析和利用信息的基础上。解决技术难点；协调各部分的功能，兼顾使用、研制、扩充等方面的需要，将系统预期目标物化为技术成果(硬件或软件)。4.结语常规的围岩稳定分析理论与社会实践经验发生了尖锐矛盾。系统科学的引入。使在隧道工程中应用的认识水平发生了一个飞跃，推动了地下工程建设的发展。隧道围岩稳定分析的对象是一个具有大量的处于相互作用之中的元素的复杂系统，其结构与信息等具有一定的模糊性，这就要求以系统科学作指导、以系统工程方法结合岩石力学常规理论来进千亍隧道围岩稳定分析，主要通过系统分析、系统模拟、系统设计和管理这些主要环节来实现。参考文献1.王雨田主编．控制论、信息论，系统科学与哲学．中国人民大学出版社．1986版2.钱学森等论系统工程．湖南科技出版社3.郑春瑞．系统工程学概述．科学技术文献出版社，19844.魏宏森．系统科学方法论导论．人民出版社，19865.[西德]H．Duddeek，新奥法的计算模型，隧道译丛，1981．No．36.李世辉隧道围岩稳定分析与科学方法论问题．岩石力学与工程学报．1988．No．37.关宝树．国外隧道工程中的新奥法．铁道部教育局，19848.刘怀恒隧洞稳定性分析及有限元法的应用．地下工程．1983年第4期PP1—7