隧道可靠度研究进展

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1、隧道可靠度研究进展沈粥（中南大学土木工程学院）摘要通过大量文献，统计出隧道结构可靠度在材料、构件、结构层次有了较大发展，系统整体分析、时变可靠度分析、动力可靠度分析、混合可靠度分析、地铁，盾构可靠度分析等将成为热点研究方向。关键词隧道可靠度时变可靠度地铁RELIABILITYRESEARCHPROGRESSINTUNNELShenZhou（SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity)Abstract:Throughalargenumberofdocuments,thetunnelstructurereliabil

2、ityhasgreatdevelopmentinmaterials,componentsandstructurelevels.Thesystemanalysis,time-variantreliabilityanalysis,dynamicreliabilityanalysis,mixedreliabilityanalysis,subwayshieldreliabilityanalysis,etcwillbecomepopularresearchdirection.Keywords:tunnelreliabilitytime-variantreliabilitym

3、etro1引言应用可靠性理论、推行结构概率设计方法、制定相应的结构设计标准以取代传统的安全系数设计法，是当今国内外设计发展的必然趋势。2001年和2005年发布实施的《铁路隧道设计规范》[2,3]均列出了“概率极限状态设计”一节，从此我国铁路隧道整体式衬砌已从半概率进入到近似概率设计阶段。2概率极限状态设计20世纪90年代初，铁道部建设司组织西南交通大学、北京交通大学、石家庄铁道学院等5所高校和相关设计院所深入进行了隧道结构荷载统计特征、衬砌混凝土偏压构件强度统计特征及抗力计算公式、衬砌几何尺寸变异性的结构可靠度分析等基础性研究工作，取得了大量研究成果。文献[7]

4、通过对搜集到的隧道塌方高度数据进行统计分析，获得了隧道塌方高度的概率分布和数字特征，认为隧道塌方高度与围岩级别呈等比级数关系。吴剑、仇文革、杨建宏等通过激光断面仪和地质雷达综合方法对新建公路隧道初期支护和二次衬砌混凝土内轮廓和厚度进行了检测，得出隧道二次衬砌混凝土结构的衬砌厚度和内轮廓的统计规律符合正态分布[8~9]文献[10~12]论述了隧道衬砌结构可靠指标的计算方法。文献[13]根据可靠性理论的基本原则和方法，按“荷载-结构”模型，对单线电气化铁路隧道衬砌结构进行了可靠性分析，并用“校准法”对目标可靠指标进行试算，得出目标可靠指标的建议值。景诗庭全面总结了地下

5、结构概率极限状态设计方面的研究成果，包括可行性研究、基础性研究、设计研究等重要阶段所提出的各项具体建议、计算公式和各种系数[14]。基于国内各有关高校、铁路科研院所和专家学者们的研究成果，《铁路隧道设计规范》[2]于2001年6月发布。文献[2]以及后来修订的新规范[3]，以规范形式将可靠度理论引入隧道结构设计，使隧道结构设计方法实现了由半概率法向近似概率法的过渡。至此，我国三个层次的工程结构设计规范体系形成。这些规范对进行概率极限状态设计时的“设计基准期”、“安全级别”、“极限状态”、“破坏特征”、“设计状况”、“作用及效应组合”等作了明确规定[2,3]。需要说

6、明的是，铁路隧道设计规范中概率极限状态设计方法仅适用于旅客列车行车速度小于或等于140km/h、货物列车速度小于或等于80km/h且不运行双层集装箱列车的一般地区单线铁路隧道整体式衬砌及洞门、单线铁路隧道偏压衬砌及洞门、单线铁路拱形明洞衬砌及洞门结构设计。对于其它铁路隧道结构和公路隧道、水工隧洞、采矿巷道等，目前尚未采用概率极限状态法，仍按工程类比法或采用破损阶段法和容许应力法设计，并采用相关有限元软件进行模拟分析，然后根据施工过程中支护、衬砌和围岩等的现场监控量测数据对预设计进行修正。隧道结构设计现状表明，基于可靠度理论的概率极限状态设计方法尚不成熟。主要表现在

7、：(1)结构荷载和抗力中主要随机变量的概率分布和统计特征是建立在小样本统计基础上的，用小样本观察值去推断总体分布显然是不完善的；围岩弹性抗力及物性指标、施工荷载、衬砌几何轴线变异等不确定因素目前尚未获得较准确的统计规律。(2)如何在连续介质模型(地层结构模型)、收敛-约束模型和工程类比模型中运用概率极限状态设计，目前研究的还不够深入，还需进一步研究。3可靠度研究计算1969年C.A.Cornell提出与失效概率有直接联系的可靠度指标，在建立了一次二阶矩方法[4]之后，工程结构可靠度的计算方法不断得到发展和完善。一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法、二次二阶矩法、JC法

8、、蒙特卡罗