地鐵隧道復合式襯砌系統(tǒng)可靠度研究.pdf

1、在地鐵隧道支護結構的設計中，存在很多的不確定因素。近些年，應用可靠性理論和推行概率極限狀態(tài)設計，并制定相應的標準，已經成為必然趨勢。針對地鐵隧道復合式襯砌結構系統(tǒng)，以隨機有限元法為基礎，對隧道復合式襯砌結構的系統(tǒng)可靠度進行分析，揭示復合式襯砌結構系統(tǒng)可靠度的影響規(guī)律，形成隧道復合式襯砌結構系統(tǒng)可靠度分析理論，為實現(xiàn)隧道復合式襯砌可靠性設計奠定理論基礎。
　　根據(jù)地鐵隧道的特點，分析對比目前常用的地層壓力理論，采用巖柱法的基本思想，

2、對于埋置深度小于隧道洞跨的隧洞，以全土柱理論為基礎進行計算地層壓力，認為作用在隧洞支護上的壓力等于上覆巖層的全部重量。對于埋置深度大于隧道洞跨的隧洞，考慮巖柱之間的應力傳遞，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算表達式。
　　以地層—結構模型為基礎，建立復合式襯砌結構計算模型，并通過隧道開挖前、后的主應力矢量圖進行對比，證實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，而支護結構僅僅承受壓力拱范圍內圍巖的作用。通過數(shù)值模擬分析得到:當隧道埋深較淺時，隧道開挖后在拱頂部位主應力發(fā)生了偏轉，二次水平應力曲線和二次豎直應力曲線沒有交點，即直到地表水平應力一直是最大主應力，沒有形成壓力拱。隨著埋深的增加，隧道開挖后二次水平應力曲線和二次豎直應力曲線出現(xiàn)了交點，即洞頂部位發(fā)生了二次應力偏轉，形成了穩(wěn)定的壓力拱，由無交點到有一個交點的埋深即為壓力拱的臨界埋深，交點處的

4、埋深即為壓力拱的計算邊界。同時，研究了壓力拱的臨界埋深和計算邊界隨隧道跨度、埋深以及圍巖圍巖物理力學參數(shù)的變化規(guī)律，壓力拱臨界埋深與計算邊界均隨著跨度的增大而增大;隨著圍巖級別的增大，即圍巖穩(wěn)定性逐漸變弱，兩者亦均增大。根據(jù)多元非線性回歸分析的理論，將圍巖級別、隧道跨度兩個影響因素考慮到壓力拱臨界埋深和計算邊界計算公式中，從而得到了關于壓力拱臨界埋深和壓力拱計算邊界的計算公式。
　　通過對比分析現(xiàn)階段復合式襯砌內力分析的荷載結構模

5、型和地層結構模型的優(yōu)缺點，提出一種荷載作用于地層邊界的復合式襯砌計算模型。與荷載結構模型不同，荷載結構法是用彈簧支撐來模擬圍巖和支護結構之間的關系，將被動抗力直接作用在支護結構上，荷載作用于地層邊界模型考慮了圍壓和支護結構的相互作用，地層壓力經圍巖傳遞重分布后再作用在支護結構上，使得荷載作用于地層邊界模型所得到的內力小，受力規(guī)律也與實際情況更為相似，能符合復合式襯砌的基本思想。
　　運用Monte carlo隨機有限法對地鐵區(qū)間隧

6、道復合式襯砌斷面進行隨機有限元分析，可以得到:在對地鐵隧道支護結構進行作用效應概率統(tǒng)計特征分析時，選擇抽樣5萬次抽樣對隨機變量進行模擬。從復合襯砌作用效應的直方圖可以看出，初期支護和二次襯砌的作用效應基本上都呈現(xiàn)出正態(tài)分布的形態(tài)，因此在對復合襯砌進行可靠度分析過程中認為作用效應是正態(tài)分布;同時，分析了基本隨機變量對作用效應統(tǒng)計特征的影響程度，采用荷載結構模型時，地層荷載的參數(shù)如摩擦角、粘聚力是影響初期支護和二次襯砌作用效應的最主要因素，

7、其次是材料的彈性模量和結構的厚度。而采用荷載作用于地層邊界模型時，襯砌的彈性模量和結構的厚度成為影響作用效應的主要因素。
　　根據(jù)地鐵隧道復合式襯砌的特點，對地鐵隧道鋼筋混凝土支護結構的極限狀態(tài)方程進行了推導，詳細劃分了各種情況下對應的功能函數(shù);采用荷載結構模型和荷載作用于地層邊界模型，對地鐵隧道復合式襯砌結構初期支護和二次襯砌的可靠度進行分析，得出采用荷載作用于地層邊界模型時由于考慮荷載經圍巖傳遞重分布后再作用在支護結構上，使得

8、初期支護和二次襯砌“控制截面”的可靠度都有所增加。
　　地鐵隧道復合式襯砌結構系統(tǒng)可靠度是復合式襯砌斷面整體安全性的重要度量，在對復合式襯砌進行可靠度分析時存在復合式襯砌主要失效模式難以識別、系統(tǒng)失效概率難以計算等。結合攝動隨機有限元法和彈性模量縮減法，將隨機彈性模量縮減法應用到地鐵隧道復合式襯砌結構系統(tǒng)可靠度分析中，根據(jù)彎曲失效的情況，考慮支護結構彎矩圖的形狀，把支護結構劃分為若干個子系統(tǒng)，以子系統(tǒng)中可靠指標最小的截面作為整個子