地鐵隧道復(fù)合式襯砌系統(tǒng)可靠度研究.pdf

1、在地鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，存在很多的不確定因素。近些年，應(yīng)用可靠性理論和推行概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。針對(duì)地鐵隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以隨機(jī)有限元法為基礎(chǔ)，對(duì)隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠度進(jìn)行分析，揭示復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度的影響規(guī)律，形成隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析理論，為實(shí)現(xiàn)隧道復(fù)合式襯砌可靠性設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。
　　根據(jù)地鐵隧道的特點(diǎn)，分析對(duì)比目前常用的地層壓力理論，采用巖柱法的基本思想，

2、對(duì)于埋置深度小于隧道洞跨的隧洞，以全土柱理論為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算地層壓力，認(rèn)為作用在隧洞支護(hù)上的壓力等于上覆巖層的全部重量。對(duì)于埋置深度大于隧道洞跨的隧洞，考慮巖柱之間的應(yīng)力傳遞，扣除部分巖柱之間摩擦阻力。最終，提出了適用于地鐵礦山法區(qū)間隧道的覆土豎向荷載計(jì)算表達(dá)式。
　　以地層—結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，建立復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，并通過隧道開挖前、后的主應(yīng)力矢量圖進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)隧道開挖后在隧道周邊存在壓力拱現(xiàn)象，處于壓力拱中的圍巖把作用于拱上

3、或拱后的荷載順滑地傳遞到拱腳和周圍穩(wěn)定圍巖中，而支護(hù)結(jié)構(gòu)僅僅承受壓力拱范圍內(nèi)圍巖的作用。通過數(shù)值模擬分析得到:當(dāng)隧道埋深較淺時(shí)，隧道開挖后在拱頂部位主應(yīng)力發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，二次水平應(yīng)力曲線和二次豎直應(yīng)力曲線沒有交點(diǎn)，即直到地表水平應(yīng)力一直是最大主應(yīng)力，沒有形成壓力拱。隨著埋深的增加，隧道開挖后二次水平應(yīng)力曲線和二次豎直應(yīng)力曲線出現(xiàn)了交點(diǎn)，即洞頂部位發(fā)生了二次應(yīng)力偏轉(zhuǎn)，形成了穩(wěn)定的壓力拱，由無交點(diǎn)到有一個(gè)交點(diǎn)的埋深即為壓力拱的臨界埋深，交點(diǎn)處的

4、埋深即為壓力拱的計(jì)算邊界。同時(shí)，研究了壓力拱的臨界埋深和計(jì)算邊界隨隧道跨度、埋深以及圍巖圍巖物理力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，壓力拱臨界埋深與計(jì)算邊界均隨著跨度的增大而增大;隨著圍巖級(jí)別的增大，即圍巖穩(wěn)定性逐漸變?nèi)酰瑑烧咭嗑龃?。根?jù)多元非線性回歸分析的理論，將圍巖級(jí)別、隧道跨度兩個(gè)影響因素考慮到壓力拱臨界埋深和計(jì)算邊界計(jì)算公式中，從而得到了關(guān)于壓力拱臨界埋深和壓力拱計(jì)算邊界的計(jì)算公式。
　　通過對(duì)比分析現(xiàn)階段復(fù)合式襯砌內(nèi)力分析的荷載結(jié)構(gòu)模

5、型和地層結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種荷載作用于地層邊界的復(fù)合式襯砌計(jì)算模型。與荷載結(jié)構(gòu)模型不同，荷載結(jié)構(gòu)法是用彈簧支撐來模擬圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，將被動(dòng)抗力直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，荷載作用于地層邊界模型考慮了圍壓和支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，地層壓力經(jīng)圍巖傳遞重分布后再作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，使得荷載作用于地層邊界模型所得到的內(nèi)力小，受力規(guī)律也與實(shí)際情況更為相似，能符合復(fù)合式襯砌的基本思想。
　　運(yùn)用Monte carlo隨機(jī)有限法對(duì)地鐵區(qū)間隧

6、道復(fù)合式襯砌斷面進(jìn)行隨機(jī)有限元分析，可以得到:在對(duì)地鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行作用效應(yīng)概率統(tǒng)計(jì)特征分析時(shí)，選擇抽樣5萬次抽樣對(duì)隨機(jī)變量進(jìn)行模擬。從復(fù)合襯砌作用效應(yīng)的直方圖可以看出，初期支護(hù)和二次襯砌的作用效應(yīng)基本上都呈現(xiàn)出正態(tài)分布的形態(tài)，因此在對(duì)復(fù)合襯砌進(jìn)行可靠度分析過程中認(rèn)為作用效應(yīng)是正態(tài)分布;同時(shí)，分析了基本隨機(jī)變量對(duì)作用效應(yīng)統(tǒng)計(jì)特征的影響程度，采用荷載結(jié)構(gòu)模型時(shí)，地層荷載的參數(shù)如摩擦角、粘聚力是影響初期支護(hù)和二次襯砌作用效應(yīng)的最主要因素，

7、其次是材料的彈性模量和結(jié)構(gòu)的厚度。而采用荷載作用于地層邊界模型時(shí)，襯砌的彈性模量和結(jié)構(gòu)的厚度成為影響作用效應(yīng)的主要因素。
　　根據(jù)地鐵隧道復(fù)合式襯砌的特點(diǎn)，對(duì)地鐵隧道鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程進(jìn)行了推導(dǎo)，詳細(xì)劃分了各種情況下對(duì)應(yīng)的功能函數(shù);采用荷載結(jié)構(gòu)模型和荷載作用于地層邊界模型，對(duì)地鐵隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)初期支護(hù)和二次襯砌的可靠度進(jìn)行分析，得出采用荷載作用于地層邊界模型時(shí)由于考慮荷載經(jīng)圍巖傳遞重分布后再作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，使得

8、初期支護(hù)和二次襯砌“控制截面”的可靠度都有所增加。
　　地鐵隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度是復(fù)合式襯砌斷面整體安全性的重要度量，在對(duì)復(fù)合式襯砌進(jìn)行可靠度分析時(shí)存在復(fù)合式襯砌主要失效模式難以識(shí)別、系統(tǒng)失效概率難以計(jì)算等。結(jié)合攝動(dòng)隨機(jī)有限元法和彈性模量縮減法，將隨機(jī)彈性模量縮減法應(yīng)用到地鐵隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析中，根據(jù)彎曲失效的情況，考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩圖的形狀，把支護(hù)結(jié)構(gòu)劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)，以子系統(tǒng)中可靠指標(biāo)最小的截面作為整個(gè)子