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原文传递岩质隧道初衬安全系数及失效概率计算方法

论文题名：	岩质隧道初衬安全系数及失效概率计算方法
关键词：	岩质隧道;安全系数;收敛-约束法;失效概率计算;收敛函数;数值模拟
摘要：	在隧道工程处于大规模兴建的背景下，其安全性或稳定性始终是最根本、最重要的指标。然而受制于隧道工程的复杂性及岩土参数的变异性等因素，隧道支护结构设计与安全评价还处于经验法或半经验法阶段，如岩体分类法、工程地质类比法等，使得隧道稳定性研究或评估方法尚未成熟，尤其是缺乏安全系数这一重要指标，因而无法对支护结构进行稳定性定量分析。为此，需要一种隧道工程稳定安全分析的量化评价方法，即对现有经验法或半经验法的补充，又能较好的对隧道围岩与支护结构做出稳定安全评价。所以，本文以隧道围岩与支护结构相互作用关系为基础，分别从理论解析方法、数值模拟研究、可靠度方法及实验室模型试验这几个研究方法及手段，进行隧道工程稳定安全系数的分析与研究，并利用相关数值实例与工程实例加以验证，详细展示了隧道安全系数的执行步骤与操作流程。　　首先，根据反映围岩与支护结构相互作用特性的收敛-约束法，梳理隧道断面开挖到支护结构安装后整个围岩应力的发展规律与特征，研究隧道围岩与支护结构安全系数的计算思路与理论依据，计算一种基于解析方法的隧道围岩与支护结构稳定安全系数。为实现上述过程，第一，依据Hoek-Brown理论与Duncan-Fama理论，建立基于理论解析模式的隧道围岩收敛曲线；第二，结合支护特征曲线及纵向面变形规律曲线，确定隧道围岩与支护结构的收敛-约束图；第三，根据图中围岩变形与支护作用的平衡位置，结合安全系数的定义，建立一种隧道围岩与支护结构的定量安全评价解析方法，该解析方法能够以隧道安全系数为指标，定量描述支护结构的安全性能；第四，根据梨子坪隧道工程实例，详细展示了上述操作流程。根据该部分研究，在获得了岩体的物理力学特征及支护参数后，利用安全系数法，不但对于支护设计有一定的评估作用，对于已经投入使用的隧道工程，同样可以及时发现支护薄弱面，起到不利因素的预防及评估效果。　　其次，由于可靠性方法在工程结构的安全性评价及决策中使用较多，同时，安全系数法不能给出工程结构的失效概率，也无法保证结构的绝对安全。因此，有必要进行隧道工程失效概率研究。但是，对于地下工程结构，如隧道锚喷支护结构等，功能函数往往呈现为高度非线性及隐式特征，常用的可靠性计算方法无法求解具有上述类似特征的工程可靠度。因此，通过对隧道围岩与支护结构相互作用关系进行分析，重新梳理其功能函数建立流程，选用可靠度领域常用的一次二阶矩法及二次二阶矩法作为研究的基本方法。主要内容为：第一，根据隧道围岩与支护结构相互作用机理，建立应力控制的隧道工程可靠度计算功能函数；第在隧道工程处于大规模兴建的背景下，其安全性或稳定性始终是最根本、最重要的指标。然而受制于隧道工程的复杂性及岩土参数的变异性等因素，隧道支护结构设计与安全评价还处于经验法或半经验法阶段，如岩体分类法、工程地质类比法等，使得隧道稳定性研究或评估方法尚未成熟，尤其是缺乏安全系数这一重要指标，因而无法对支护结构进行稳定性定量分析。为此，需要一种隧道工程稳定安全分析的量化评价方法，即对现有经验法或半经验法的补充，又能较好的对隧道围岩与支护结构做出稳定安全评价。所以，本文以隧道围岩与支护结构相互作用关系为基础，分别从理论解析方法、数值模拟研究、可靠度方法及实验室模型试验这几个研究方法及手段，进行隧道工程稳定安全系数的分析与研究，并利用相关数值实例与工程实例加以验证，详细展示了隧道安全系数的执行步骤与操作流程。　　首先，根据反映围岩与支护结构相互作用特性的收敛-约束法，梳理隧道断面开挖到支护结构安装后整个围岩应力的发展规律与特征，研究隧道围岩与支护结构安全系数的计算思路与理论依据，计算一种基于解析方法的隧道围岩与支护结构稳定安全系数。为实现上述过程，第一，依据Hoek-Brown理论与Duncan-Fama理论，建立基于理论解析模式的隧道围岩收敛曲线；第二，结合支护特征曲线及纵向面变形规律曲线，确定隧道围岩与支护结构的收敛-约束图；第三，根据图中围岩变形与支护作用的平衡位置，结合安全系数的定义，建立一种隧道围岩与支护结构的定量安全评价解析方法，该解析方法能够以隧道安全系数为指标，定量描述支护结构的安全性能；第四，根据梨子坪隧道工程实例，详细展示了上述操作流程。根据该部分研究，在获得了岩体的物理力学特征及支护参数后，利用安全系数法，不但对于支护设计有一定的评估作用，对于已经投入使用的隧道工程，同样可以及时发现支护薄弱面，起到不利因素的预防及评估效果。　　其次，由于可靠性方法在工程结构的安全性评价及决策中使用较多，同时，安全系数法不能给出工程结构的失效概率，也无法保证结构的绝对安全。因此，有必要进行隧道工程失效概率研究。但是，对于地下工程结构，如隧道锚喷支护结构等，功能函数往往呈现为高度非线性及隐式特征，常用的可靠性计算方法无法求解具有上述类似特征的工程可靠度。因此，通过对隧道围岩与支护结构相互作用关系进行分析，重新梳理其功能函数建立流程，选用可靠度领域常用的一次二阶矩法及二次二阶矩法作为研究的基本方法。主要内容为：第一，根据隧道围岩与支护结构相互作用机理，建立应力控制的隧道工程可靠度计算功能函数；第在隧道工程处于大规模兴建的背景下，其安全性或稳定性始终是最根本、最重要的指标。然而受制于隧道工程的复杂性及岩土参数的变异性等因素，隧道支护结构设计与安全评价还处于经验法或半经验法阶段，如岩体分类法、工程地质类比法等，使得隧道稳定性研究或评估方法尚未成熟，尤其是缺乏安全系数这一重要指标，因而无法对支护结构进行稳定性定量分析。为此，需要一种隧道工程稳定安全分析的量化评价方法，即对现有经验法或半经验法的补充，又能较好的对隧道围岩与支护结构做出稳定安全评价。所以，本文以隧道围岩与支护结构相互作用关系为基础，分别从理论解析方法、数值模拟研究、可靠度方法及实验室模型试验这几个研究方法及手段，进行隧道工程稳定安全系数的分析与研究，并利用相关数值实例与工程实例加以验证，详细展示了隧道安全系数的执行步骤与操作流程。　　首先，根据反映围岩与支护结构相互作用特性的收敛-约束法，梳理隧道断面开挖到支护结构安装后整个围岩应力的发展规律与特征，研究隧道围岩与支护结构安全系数的计算思路与理论依据，计算一种基于解析方法的隧道围岩与支护结构稳定安全系数。为实现上述过程，第一，依据Hoek-Brown理论与Duncan-Fama理论，建立基于理论解析模式的隧道围岩收敛曲线；第二，结合支护特征曲线及纵向面变形规律曲线，确定隧道围岩与支护结构的收敛-约束图；第三，根据图中围岩变形与支护作用的平衡位置，结合安全系数的定义，建立一种隧道围岩与支护结构的定量安全评价解析方法，该解析方法能够以隧道安全系数为指标，定量描述支护结构的安全性能；第四，根据梨子坪隧道工程实例，详细展示了上述操作流程。根据该部分研究，在获得了岩体的物理力学特征及支护参数后，利用安全系数法，不但对于支护设计有一定的评估作用，对于已经投入使用的隧道工程，同样可以及时发现支护薄弱面，起到不利因素的预防及评估效果。　　其次，由于可靠性方法在工程结构的安全性评价及决策中使用较多，同时，安全系数法不能给出工程结构的失效概率，也无法保证结构的绝对安全。因此，有必要进行隧道工程失效概率研究。但是，对于地下工程结构，如隧道锚喷支护结构等，功能函数往往呈现为高度非线性及隐式特征，常用的可靠性计算方法无法求解具有上述类似特征的工程可靠度。因此，通过对隧道围岩与支护结构相互作用关系进行分析，重新梳理其功能函数建立流程，选用可靠度领域常用的一次二阶矩法及二次二阶矩法作为研究的基本方法。主要内容为：第一，根据隧道围岩与支护结构相互作用机理，建立应力控制的隧道工程可靠度计算功能函数；第二，利用数值差分原理，导出了一阶、二阶及二阶混合偏导数的近似计算公式，将近似计算公式替代原一次二阶矩及二次二阶矩法相关内容，构建了基于差分求导的一次二阶矩和二次二阶矩可靠度拓展算法；其三，利用三个数值实例对拓展算法的准确性、简便性和实用性进行对比分析验证；第四，基于某工程实例，利用拓展方法分析其功能函数为高度复杂非线性形式的隧道锚喷支护体系的稳定可靠度问题。　　再次，由于理论解析模型均以圆形开挖断面为基本，而实际中隧道开挖往往呈现非圆形断面，使得解析法在使用过程中需要一定的转换。为克服上述假设条件，使隧道稳定分析更能接近工程实际，利用数值模拟方法作为研究手段，建立一种基于非解析模型的隧道工程结构稳定性定量评估方法。主要内容为：第一，根据地下工程开挖扰动时围岩应力响应原理及目前对地应力计算研究成果，确定模型的边界条件、位移条件、应力条件等；第二，建立数值计算模型，求解隧道围岩收敛曲线及纵向变形规律曲线；第三，根据纵向变形规律曲线，确定基于不同施工工艺的支护结构安装起始位置，从而建立隧道围岩的收敛-约束图；第四，根据收敛曲线与各支护结构特征曲线的力学响应机理分别建立支护结构及隧道围岩稳定性评估方法；第五，进行工程实例分析，详细展示了上述操作流程。　　最后，相比理论解析方法及数值模拟方法，实验室模型研究所需的假设条件较少，能够获得直观的实验数据与观测结果，可以对理论解析及数值模拟结果进行对比验证。因此，有必要对隧道工程按照一定的相似原理进行缩尺，将其模型在实验室内开展力学特性研究。主要分为以下几个部分：第一，采用常用的如水泥、粉煤灰、石膏等作为原材料，根据实际岩体的物理力学特性按照相似原理进行相似材料的配合比设计，并经过相关的单轴抗压试验或直剪试验进行配合比修正；第二，根据所需要模拟的围岩级别及实验室场地条件，设计试验加载系统，包含分力系统、荷载传
作者：	刘少峰
专业：	土木工程
导师：	苏永华
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文