公路山岭隧道施工期衬砌及结构系统可靠性的研究

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1、StudyonLiningandSystemReliabilityDuringConstruc-·tionPeriodofHighwayMountainTunnelADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCandidate：YangJianguoSupervisor：Prof．XieYongliChang’anUniversity,Xi’all，China论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和

2、集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：j囱止l习20

3、t年{6只f7日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。(保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：才仂触公铷一韶≯l＼刎年；只17日≥c··年∥月，7日摘要公路隧道结构可靠度，是隧道工程领域内的难

4、点和热点问题，受到国内外学者的广泛关注。工程实践表明：公路山岭隧道的长期可靠性主要取决于施工期支护和衬砌结构的可靠性。旌工期结构可靠性的定性分析和可靠度的定量计算方法是公路隧道结构可靠度研究的重要内容。限于理论研究和计算工具的限制，目前这方面的研究相对较少。本文通过概率有限元方法计算结构可靠度，并进行概率灵敏度分析：研究了施工期公路隧道衬砌及结构系统可靠性问题；通过模型试验、现场测试等方法对隧道结构安全性进行了分析；建立了基于熵权的模糊物元评价模型，对隧道衬砌结构可靠性进行全面评价。研究内容主要包含以下几个方面。(1)全面阐述了影响隧道结构可靠度的各

5、种不确定性因素，讨论了各种结构可靠度计算方法。结合传统确定性有限元分析方法，分析了随机场的离散方法和概率有限元可靠度方法。选用连续介质模型作为锚喷支护和衬砌结构可靠度分析的力学模型，提出采用LatinhypereubeMC方法与连续介质模型相结合进行公路山岭隧道可靠度分析的思路。并通过工程实例，计算了衬砌结构概率可靠度。(2)提出采用基于现场实测和模拟实验数据的Spearman秩相关系数的灵敏度分析方法计算隧道结构概率灵敏度。利用计算结果分析了影响支护和衬砌结构可靠度的的主要因素、次要因素，并针对公路山岭隧道结构的特点，提出了提高隧道结构可靠度的途经

6、。(3)从三个不同的层面分析了隧道结构系统的失效模式，绘制了反映系统失效的功能逻辑框图，建立了公路隧道结构系统可靠性模型，研究了提高整个结构系统可靠度的方法。提出采用一阶上下界法、PNET法、MC与RSM相结合等方法计算公路隧道结构系统可靠度。通过实例，对比分析了各种方法的适用性和计算效率等。(4)分析了公路隧道失效概率随时间的变化规律，将设计基准期内可变荷载效应和抗力随机过程进行离散，提出可靠度的近似估算方法。运用随机过程理论对公路隧道结构状态进行分析，建立系统的Markov链，分析了公路隧道结构系统的状态转移过程。从隧道工程建设实践出发，用时间有

7、效度表征可维修加固条件下公路隧道结构系统可靠度水平，使分析结果更加符合工程实际。(5)以天(水)宝(鸡)高速公路麦积山隧道为依托，在隧道施工期开展了较大规模的隧道支护和衬砌结构内力现场测试。从结构安全性角度出发，阐述了锚杆轴力、初期支护围岩压力、格栅拱架钢筋轴力、初期支护和二次衬砌接触压力以及二衬混凝土应变大小、分布及其变化规律，分析了支护和衬砌结构可靠性。采用FBG传感器对隧道二次衬砌混凝土应变进行了现场监测。根据相似理论对围岩与支护之间接触压力和二衬受力进行室内模型试验，得到了衬砌结构内力特征；并通过超载破坏试验，分析了衬砌结构破坏特征及极限承载

8、力。将模型试验和现场实测成果与概率可靠度计算结果进行了对比分析。(6)从非概率可靠性角度出发，根据模糊物元分析原理，提出基于熵权的模糊物元可靠性评价方法。通过全面分析影响隧道衬砌结构可靠性的影响因子，建立了全面、系统的递阶层次结构可靠性评价模型。将AI-IP法确定的主观权重与熵权法确定的客观权重相结合，最终确定各评价因子权重值。并通过关联度计算，获得隧道衬砌结构所处的状态级别。概率可靠度计算和非概率可靠性分析的有机结合，使公路山岭隧道结构可靠度(性)评价结果更趋合理、全面、系统和科学。关键词：公路山岭隧道，结构可靠度，模糊物元模型，可靠性灵敏度，系统

9、可靠度，时变可靠度，可靠性评价AbstractStructuralreliabilityofhighwayt