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原文传递地铁隧道复合式衬砌系统可靠度研究

论文题名：	地铁隧道复合式衬砌系统可靠度研究
关键词：	地铁隧道;复合式衬砌;压力拱;系统可靠度
摘要：	在地铁隧道支护结构的设计中，存在很多的不确定因素。近些年，应用可靠性理论和推行概率极限状态设计，并制定相应的标准，已经成为必然趋势。针对地铁隧道复合式衬砌结构系统，以随机有限元法为基础，对隧道复合式衬砌结构的系统可靠度进行分析，揭示复合式衬砌结构系统可靠度的影响规律，形成隧道复合式衬砌结构系统可靠度分析理论，为实现隧道复合式衬砌可靠性设计奠定理论基础。　　根据地铁隧道的特点，分析对比目前常用的地层压力理论，采用岩柱法的基本思想，对于埋置深度小于隧道洞跨的隧洞，以全土柱理论为基础进行计算地层压力，认为作用在隧洞支护上的压力等于上覆岩层的全部重量。对于埋置深度大于隧道洞跨的隧洞，考虑岩柱之间的应力传递，扣除部分岩柱之间摩擦阻力。最终，提出了适用于地铁矿山法区间隧道的覆土竖向荷载计算表达式。　　以地层—结构模型为基础，建立复合式衬砌结构计算模型，并通过隧道开挖前、后的主应力矢量图进行对比，证实隧道开挖后在隧道周边存在压力拱现象，处于压力拱中的围岩把作用于拱上或拱后的荷载顺滑地传递到拱脚和周围稳定围岩中，而支护结构仅仅承受压力拱范围内围岩的作用。通过数值模拟分析得到:当隧道埋深较浅时，隧道开挖后在拱顶部位主应力发生了偏转，二次水平应力曲线和二次竖直应力曲线没有交点，即直到地表水平应力一直是最大主应力，没有形成压力拱。随着埋深的增加，隧道开挖后二次水平应力曲线和二次竖直应力曲线出现了交点，即洞顶部位发生了二次应力偏转，形成了稳定的压力拱，由无交点到有一个交点的埋深即为压力拱的临界埋深，交点处的埋深即为压力拱的计算边界。同时，研究了压力拱的临界埋深和计算边界随隧道跨度、埋深以及围岩围岩物理力学参数的变化规律，压力拱临界埋深与计算边界均随着跨度的增大而增大;随着围岩级别的增大，即围岩稳定性逐渐变弱，两者亦均增大。根据多元非线性回归分析的理论，将围岩级别、隧道跨度两个影响因素考虑到压力拱临界埋深和计算边界计算公式中，从而得到了关于压力拱临界埋深和压力拱计算边界的计算公式。　　通过对比分析现阶段复合式衬砌内力分析的荷载结构模型和地层结构模型的优缺点，提出一种荷载作用于地层边界的复合式衬砌计算模型。与荷载结构模型不同，荷载结构法是用弹簧支撑来模拟围岩和支护结构之间的关系，将被动抗力直接作用在支护结构上，荷载作用于地层边界模型考虑了围压和支护结构的相互作用，地层压力经围岩传递重分布后再作用在支护结构上，使得荷载作用于地层边界模型所得到的内力小，受力规律也与实际情况更为相似，能符合复合式衬砌的基本思想。　　运用Monte carlo随机有限法对地铁区间隧道复合式衬砌断面进行随机有限元分析，可以得到:在对地铁隧道支护结构进行作用效应概率统计特征分析时，选择抽样5万次抽样对随机变量进行模拟。从复合衬砌作用效应的直方图可以看出，初期支护和二次衬砌的作用效应基本上都呈现出正态分布的形态，因此在对复合衬砌进行可靠度分析过程中认为作用效应是正态分布;同时，分析了基本随机变量对作用效应统计特征的影响程度，采用荷载结构模型时，地层荷载的参数如摩擦角、粘聚力是影响初期支护和二次衬砌作用效应的最主要因素，其次是材料的弹性模量和结构的厚度。而采用荷载作用于地层边界模型时，衬砌的弹性模量和结构的厚度成为影响作用效应的主要因素。　　根据地铁隧道复合式衬砌的特点，对地铁隧道钢筋混凝土支护结构的极限状态方程进行了推导，详细划分了各种情况下对应的功能函数;采用荷载结构模型和荷载作用于地层边界模型，对地铁隧道复合式衬砌结构初期支护和二次衬砌的可靠度进行分析，得出采用荷载作用于地层边界模型时由于考虑荷载经围岩传递重分布后再作用在支护结构上，使得初期支护和二次衬砌“控制截面”的可靠度都有所增加。　　地铁隧道复合式衬砌结构系统可靠度是复合式衬砌断面整体安全性的重要度量，在对复合式衬砌进行可靠度分析时存在复合式衬砌主要失效模式难以识别、系统失效概率难以计算等。结合摄动随机有限元法和弹性模量缩减法，将随机弹性模量缩减法应用到地铁隧道复合式衬砌结构系统可靠度分析中，根据弯曲失效的情况，考虑支护结构弯矩图的形状，把支护结构划分为若干个子系统，以子系统中可靠指标最小的截面作为整个子系统的控制截面，以可靠指标为控制参数来判别迭代过程的收敛性，简单、高效的计算复合式衬砌结构的系统可靠度。采用荷载结构模型和荷载作用于地层边界模型，考虑二次衬砌单独承受荷载和与初期支护共同作用的情况下，基于随机弹性模量缩减法对地铁隧道复合式衬砌结构初期支护和二次衬砌的系统可靠度进行分析，得出初期支护和二次衬砌结构的系统可靠度比“控制截面”情况下有所提高。
作者：	宋玉香
专业：	道路与铁道工程
导师：	朱永全
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文