铁路隧道复合型衬砌计算模型及构成可靠度概述

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1、铁路隧道复合型衬砌计算模型及构成可靠度概述第一章绪论1.1研究背景与研究意义新奥法的概念从20世纪70年代末为我国所了解和接受，80年代开始，随着铁路大瑶山隧道、南岭隧道、岭前隧道对新奥法基本原理的贯彻，以及1988年对《铁路隧道新奥法指南》的颁布，这种以复合式衬砌结构为主进行施工和设计的隧道虽然开始较晚，但其发展十分迅速，如太行山特长隧道，该隧道采用复合式衬砌，最大埋深445m，设计为双洞单线隧道，两线间距35m。左线隧道长27839m，右线隧道长27848m；设计速度目标值为250km/h，是目前我国在建最长的铁路山岭隧道。郑西客运专线函谷关隧道位于河南省灵宝市附近，隧道采用复

2、合式衬砌，全长7851m，最大埋深220m，为我国最长及断面最大的黄土隧道。该隧道按双线客运专线设计，净空有效面积为100m2，可满足行车速度350km/h的要求。武广客运专线浏阳河隧道位于湖南省长沙市东部，设计速度目标值为350km/h，线间距5.0m，并且随着施工技术的不断提升，逐步形成了具有中国特色的浅埋暗挖法。复合式衬砌即将衬砌分为两层或两层以上的结构，目前大多采用内外两层衬砌，即内侧采用早强的喷射混凝土为支护手段，待初期支护和围岩变形基本稳定后再在外侧采用混凝土进行支护，一般为了防水，还会在初期支护和二次衬砌之间设置防水层。对于复合式衬砌初支、二衬的受力情况，目前有两种看

3、法：(1)一种认为在初期支护与围岩共同变形达到稳定以后才安置二次衬砌，此时除二衬自身重量外，并无外荷载作用，所以二衬作为安全储备存在；(2)另一种看法认为二次衬砌起主要承载作用。其一是认为二次衬砌承受隧道完工后产生的荷载。对于围岩情况较差，围岩与初支长时间达不到变形稳定的隧道，由于工期的要求，在初期支护变形接近稳定时就构筑二次衬砌；尤其在膨胀地层中，初期支护变形达到完全稳定的时间很长，因此在变形未稳定就开始构筑二次衬砌，此时二次衬砌就会承担围岩变形所引起的荷载。..1.2国内外研究现状目前多数的隧道工程衬砌设计仅是针对支护结构中的二次衬砌，采用荷载结构模式，让衬砌承受来自围岩的主动

4、与被动荷载，按照现行规范中已制定的深埋按照塌方高度计算、浅埋按照临界高度来计算的荷载计算方法，验算衬砌强度，优选合理的衬砌厚度或配筋率。随着新奥法的引入和岩体力学的发展，地层结构法开始被应用，隧道围岩不再被单纯地看作荷载，也被看成是隧道支护系统的组成部分，将隧道围岩、荷载与支护结构视为三位一体的系统[2]。一方面，经过长期观测的结果，证明了二次衬砌是受力的，它必须按承载结构来对待。另一方面，初期支护的承载能力存在被低估的情形，从而导致常常设计出过于保守的二次衬砌。传统的矿山法也采用与喷锚构筑法类似的喷锚支护体系，只是设计者在心理上把喷锚支护当作了取代传统支架作为确保施工安全的一种临

5、时支护措施，而模筑混凝土衬砌的厚度依然如故，这不能不说是一种巨大的浪费，基于喷锚构筑法的二次衬砌作为保障安全储备的必要手段，比之传统意义上的模筑衬砌厚度应有锁减薄，从而可以说在造价上会相对有所降低[3]。关于二衬是作为安全储备还是与初支共同作用的说法，两者都反应了隧道衬砌的实际受力情况，只不过它们使用的围岩级别不同，安全储备的说法适用于Ⅱ、Ⅲ级坚硬围岩，而后者更适用于Ⅳ、Ⅴ级的软弱但尚且能自立的围岩，如果在软弱围岩中还把二衬只作为安全储备来考虑，这就与隧道实际受力不相符了。..第二章可靠度基本原理及计算方法简述2.1可靠度基本理论过去较长时间都采用安全系数结果来判定衬砌结构的安全性

6、，但隧道工程与其它岩土工程相比，设计过程中涉及到更多不确定性。但对于安全性的传统判别方法只用一个笼统的安全系数来判定，并没有同时兼顾到如此之多的不确定因素的，而是将各个参数及变量假设为定值，未能考虑到各参数离散型对安全度的影响，所以传统的大老K已经不能真正反映结构的安全性。自《铁路工程结构可靠度设计统一标准(GB50216-94)》发布实施以后，可靠性技术在地下工程方面迅速发展，可靠性分析方法被誉为近代工程的重要发展方向。与概率理论相结合的可靠度理论从宏观出发，从围岩类别判别准确的概率和各种工程参数的随机性，从实测变形和坑道稳定的相互关系，把新奥法的动态设计过程和概率方法结合起来，

7、可以更为准确的反映隧道结构的可靠与否。2.2可靠指标的计算方法计算结构可靠概率和失效概率的精确解法为：首先寻求基本变量的联合概率密度函数，然后对概率密度进行积分，即采用水准Ⅲ的全概率法进行分析。但是，实际问题中影响因素繁多、庞杂，极难精确了解变量的分布类型，亦即很难寻求变量的密度函数。再者，当功能函数中有多个基本随机变量，或函数为非线性时，上述计算就变得十分复杂，甚至难以求解。因此，在实际计算中，人们并不采用这种直接积分的方法，而用比较简单的水准Ⅱ的近似方法求解，且往