隧道工程可靠度研究进展

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1、隧道工程结构可靠度研究进展摘要：因隧道结构所处环境的复杂性，荷载的不确定性，围岩物性参数的不确定性，计算模式的不确定性等随机因素的存在，目前可靠度设计方法在隧道设计中相对困难。本文主要总结了隧道工程可靠度研究的特点，隧道工程的设计理论“松弛荷载理论”与“岩承理论”，目前常用的隧道工程可靠度研究方法“响应面法”与“蒙特卡罗法”以及目前所取得的成绩。关键词：隧道工程，可靠度，响应面法，蒙特卡罗法Abstract：Becauseofthecomplexityofenvironmentwheretunnelstructureisbui

2、ltin，theloadvalueontunnelstructure，thepropertyofwallrockandthecalculationmodearehardtodetermine；atpresentthemethodofreliabilitydesignisrelativelydifficultintunnelengineering.Thispaperismainlysummarizesthecharacteristicsofreliabilityresearchintunnelengineering，thetun

3、nelprojectdesigntheoryof“RelaxationLoadTheory”and“RockSupportingTheory”,theresearchmethod“ResponseSurfaceMethod”and“Monte-CarloSimulation”intunnelprojectreliabilityinpresent,andtheachievementswhichwehaveobtained.Keywords:tunnelengineering，reliability，ResponseSurface

4、Method，Monte-CarloSimulation1.隧道工程可靠度研究特性隧道工程是可靠度理论应用的一个重要领域，但由于隧道工程研究的主要对象是岩土材料，这种千变万化的自然产物与混凝土、钢筋混凝土等人工材料相比具有更加复杂的小确定性影响因素，因此隧道工程的可靠度研究更加困难。隧道工程可靠度分析具有如下的一些特点〔1〕：1．岩土体是在漫长的地质年代中形成的，又经历着包括自然和人类作用所引起的各种变化，其性质十分复杂，不仅不同地点岩土的性质差别很大，即使同一地点的不同深度不同时间其性质也不相同，因此，岩土性质具有随空间和时

5、间都很大的变异性。2．隧道工程的规模和尺寸比一般结构工程大得很多，并且其计算边界是不够十分明确的。3.隧道及地下结构与周围岩土介质结合成一个连续的或不连续的整体系统，相互作用，共同受力。围岩既是荷载又是结构，荷载和结构没有明显的界限。4.衬砌和围岩通常都处于二维或三维的复杂应力状态。基于这些特点，隧道及地下工程的支护理论必须建立在岩体与支护结构之间相互作用的基础上。5．岩土体是一种高度非线性材料，在不同的应力水平下具有很不相同的变形特性，相应的极限状态方程的非线性也很显著。6．岩土性质具有较强的自相关性和互相关性。7．岩土试样

6、的性质与原状岩土的性质存在较大差异，即使进行原位测试也不能完全真实反映出原状土的性质。隧道工程中存在的不确定性，使人们对采用传统的取定值分析方法研究隧道工程稳定性问题，即用安全系数来表示安全程度产生了疑问。隧道工程中的不确定性导致了当前岩体测试技术和计算技术精密性、确定性与岩体性状宏观判断的模糊性、随机性之间的极大矛盾，这也是目前岩体力学分析难以满足工程实际要求的主要原因。在隧道工程中，为保证各种结构的安全性或可靠性，就应从岩体介质、计算模型、所受载荷等方面研究可能存在的各种随机不确定性，并利用适当的数学方法将这些随机不确定性

7、与工程结构的安全性或可靠性联系起来，这就是近年迅速发展起来的工程结构可靠性理论。可靠性分析就是在承认计算所用数据的正确性、破坏机理的合理性、以及分析方法本身的适用性都具有一定程度不确定性的前提下，建立可靠性评价的随机模型，把其输入参数如介质的物理力学参数、地下水压分布，地应力以及各种荷载等视不同情况看成为随机变量、随机过程或随机场，通过随机模型把有关假定、参数值、边界条件和初始条件的不确定性引伸到结果的不确定性，借助于概率论、数理统计和随机过程理论，求得可靠指标或失效概率。因此，可靠性分析的结果能反映各种类型的不确定性或随机性

8、，不但能给出结果的确定性平均值，同时也给出相应的可能承担的风险，即失效概率。显然，可靠性分析方法对现有数据资料进行概率统计分析，使许多不确定性因素定量化，为工程计算提供更有理论依据、更客观的工具〔2〕。隧道结构的可靠性分析涉及多个专业领域，诸如结构工程、土力学与岩土工程、施工