复杂长距离引水隧洞存在施工环境隐蔽、施工条件及工艺复杂、工序间干扰错综复杂且施工周期长等特点,这些给复杂长距离引水隧洞的施工仿真和优化带来了极大的挑战。仿真技术的提出为施工过程分析及施工方案优选提供了有效的途径。由于隧洞施工过程中施工参数呈现随机变化的特点,同时施工过程面临着施工机械故障以及塌方、涌水、岩爆等诸多潜在的风险,而且施工参数具有动态变化的特征;然而目前的隧洞施工仿真研究未能全面考虑上述风险对施工过程的综合影响;同时,现有用于仿真参数更新的贝叶斯更新方法和时间序列预测方法,或提前假设分布类型、且分布类型在更新过程中保持不变,或参数预测结果为定值,且未考虑在风险影响下施工参数呈现随机性的特点,导致结果无法充分反映施工参数的动态变化规律。此外,现有的施工方案优化研究缺乏综合考虑施工系统风险性及动态性的影响,且方案优选方法的有效性有待进一步提高。因此,如何全面、科学地考虑施工风险对复杂长距离引水隧洞施工仿真与优化的影响,并探究施工参数的动态变化规律,同时提出科学有效的仿真方案优选方法,是复杂长距离引水隧洞施工仿真及优化研究中亟待解决的关键科学问题。围绕以上问题开展深入的科学研究,取得了下述研究成果:1.针对现有复杂长距离引水隧洞施工仿真研究未能全面、科学地考虑风险的影响,且仿真参数缺乏动态更新的不足,提出考虑风险影响的复杂长距离引水隧洞施工仿真数学模型。复杂长距离引水隧洞施工中存在着活动时间随机变化、施工机械故障、以及塌方、涌水、岩爆等风险,这些风险将导致活动时间参数、施工机械参数、施工逻辑的变化。目前的隧洞施工仿真研究多侧重于分析单一风险对仿真过程的影响,且大多数研究仅考虑了风险对仿真参数的影响,缺乏全面、科学地考虑各类风险对仿真参数与仿真逻辑的综合影响。此外,现有的仿真参数动态更新研究,无论是采用贝叶斯更新法或时间序列预测法,均缺乏有效考虑施工风险的影响。针对上述问题,提出考虑风险综合影响的复杂长距离引水隧洞施工仿真数学模型。基于耦合CPM(Critical Path Method)和CYCLONE(Cycle Operation Network)的隧洞施工分层仿真模型,全面分析各类风险对活动时间参数、施工机械参数等仿真参数,以及仿真逻辑的影响;同时,在考虑施工风险影响下探究仿真参数的动态变化规律。2.针对现有复杂长距离引水隧洞施工仿真建模缺乏全面考虑风险对活动时间参数、施工机械参数和施工逻辑的综合影响的不足,提出考虑风险综合影响的复杂长距离引水隧洞施工仿真建模方法。首先,现有的复杂长距离引水隧洞施工仿真建模过程中多侧重于对单一风险的影响分析,缺乏综合考虑风险对活动时间参数、施工机械参数和施工逻辑的影响,且目前的仿真建模方法未能够充分反映风险特征。因此,提出考虑风险综合影响的复杂长距离引水隧洞施工仿真建模方法。其次,针对目前在风险影响下活动时间参数的随机特性均通过正态分布、β分布等单一分布来反映,未能充分体现时间参数随机变化特性的不足,提出基于高斯混合模型的活动时间参数概率分布确定方法。在无需提前假设分布类型的条件下,采用K均值-EM-BIC耦合的方法进行高斯混合模型求解,求解得到的高斯混合分布函数的优势还体现在可为其赋予增量学习的能力,当新数据加入时,仅需要学习新知识来修正原有分布,而无需利用所有数据重新进行分布拟合。再者,针对目前考虑施工机械故障的仿真建模多假设整个故障活动均影响施工进度,忽略了故障机械未能在原单元活动结束前维修完毕、且剩余故障处理时间对后续工序进度无影响的问题,提出复杂长距离引水隧洞施工机械故障精细分析方法。在追踪各施工机械运行轨迹的条件下,确定机械故障时刻及故障类型,推导不同机械故障类型下单元活动延误时间的计算公式,以精细分析施工机械故障对施工进度的影响。最后,针对目前研究多忽略塌方、涌水、岩爆等风险事件对仿真逻辑的影响,且少数考虑风险事件影响的研究均采用专家经验法或统计分析法获得风险事件的发生概率,未能在综合考虑地质条件、设计水平、施工水平、管理水平及其相互作用的基础上定量计算风险事件发生概率的问题,同时结合贝叶斯网络能够在考虑变量间依赖关系的条件下定量计算风险概率的优势,提出基于贝叶斯网络的隧洞施工风险事件分析方法。该方法综合考虑地质条件、设计水平、施工水平、管理水平及其相关性对风险事件的影响,针对塌方、涌水事件与岩爆事件的特点,分别建立用于塌方、涌水分析的贝叶斯网络及用于岩爆分析的贝叶斯网络,以定量计算每一开挖循环中风险事件的发生概率;进而,将贝叶斯网络嵌入CYCLONE仿真模型中,在每一开挖循环中考虑潜在的风险事件对隧洞施工逻辑的影响。3.针对目前仿真参数更新研究中缺乏考虑风险影响下的参数随机变化问题,提出考虑风险影响的复杂引水隧洞施工仿真参数动态更新方法。针对目前仿真参数更新研究采用的贝叶斯更新方法和时间序列预测法或存在假设施工参数分布类型在更新过程中保持不变、或缺乏考虑风险影响下施工参数随机性等问题,提出考虑风险影响的仿真参数动态更新方法。首先,基于历史数据拟合得到仿真参数的原始高斯混合分布模型,以充分反映风险影响下仿真参数的随机特性;其次,赋予高斯混合分布模型增量学习的能力,推导各高斯成分的混合权重、均值和协方差的更新公式,使得在加入新样本时,无需对旧数据进行重复学习,而是直接利用从新样本中获得的知识来调整原模型,从而实现仿真参数的动态更新。该方法无需提前假设分布类型,同时在更新过程中允许分布类型发生变化;且每次更新结果为新的高斯混合分布,因此能够反映风险影响下仿真参数的随机特性。4.针对目前的施工方案优选研究缺乏考虑风险的综合影响及模型求解方法容易陷入局部最优,且决策过程未体现专家犹豫度的问题,提出考虑风险影响的复杂长距离引水隧洞施工方案动态优选方法。针对现有的施工方案优选研究缺乏考虑活动时间参数随机性、施工机械故障、塌方、涌水、岩爆等风险的综合影响以及施工系统的动态性特点,同时常用的粒子群优化算法在模型求解过程中易陷入局部最优,而且现有研究缺乏考虑专家在方案评价过程中的犹豫度等问题,提出考虑风险影响的复杂长距离引水隧洞施工方案优选方法。首先,建立全面考虑活动时间参数随机性、施工机械故障、塌方、涌水、岩爆等风险综合影响的施工方案动态优化模型;其次,提出莱维飞行自适应混沌粒子群优化(Levy Flight Adaptive Chaotic Particle Swarm Optimization,LFACPSO)算法进行施工方案多目标优化,进而获得Pareto方案集,该算法引入Levy飞行来改进粒子群算法中粒子的更新方式,用以克服粒子易陷入局部最优的不足,同时采用混沌算法来初始化粒子,并自适应地调整粒子惯性权重系数以提高粒子的全局和局部搜索能力;最后,采用直觉模糊熵权幂平均(Intuitionistic Fuzzy Entropy Weighted Power Average,IFEWPA)方法在考虑专家评价犹豫度的条件下,优选出最终方案。5.依托某复杂长距离引水隧洞工程,开展考虑风险综合影响的施工仿真与优化应用研究,验证所提出理论与方法的可行性。以某复杂长距离引水隧洞为例,将提出的理论与方法应用到实际工程中:首先,在考虑活动时间随机变化、施工机械故障、以及塌方、涌水、岩爆等风险综合影响下,建立耦合CPM和CYCLONE的隧洞施工分层仿真模型,并确定活动时间高斯混合分布函数、施工机械故障参数等仿真参数,同时采用贝叶斯网络分别计算塌方、涌水以及岩爆等风险事件的发生概率,以反映风险对隧洞施工逻辑的影响。其次,在考虑施工风险对仿真参数和仿真逻辑影响的基础上,进行隧洞施工仿真方案优选。首先采用基于LFACPSO算法的仿真方案多目标优化方法获得Pareto方案集;然后采用基于IFEWPA的仿真方案多属性群决策方法,在考虑专家评价犹豫度的基础上,从待选方案集中优选出最终的施工方案。再者,基于优选出的施工仿真方案,开展考虑风险综合影响的隧洞施工过程仿真。结合并行计算手段开展多次仿真计算,获得关键路线、工期、施工强度、完工概率等成果。最后,采用基于增量高斯混合模型的仿真参数动态更新方法对测量放线、装药爆破、通风散烟、安全检查、清底安装、喷锚支护等活动时间分布进行更新,并基于更新结果和当前的施工面貌进行考虑风险影响的隧洞施工仿真方案动态优化。