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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：Because of the complexity of environment where tunnel structure is built in，the load value on
2、tunnel structure，the property of wall rock and the calculation mode are hard to determine；at present the method of reliability design is relatively difficult in tunnel engineering. This paper is mainly summarizes the characteristics of reliability research in tunnel engineering，the tunnel project de
3、sign theory of “Relaxation Load Theory” and “Rock Supporting Theory”, the research method “Response Surface Method” and “Monte-Carlo Simulation” in tunnel project reliability in present, and the achievements which we have obtained. Key words: tunnel engineering， reliability， Response Surface Method，
4、 Monte-Carlo Simulation1. 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
5、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
6、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
7、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，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、施工技术等，是一门
8、涉及多学科并与工程有着密切关系的学科，研究隧道结构的可靠性的重要意义是分析结构设计能否符合安全可靠、耐久适用、经济合理、技术先进、确保质量的要求。2. 隧道工程设计理论隧道工程设计的基本特点是“地质环境复杂，基础信息匮乏”。在隧道施工的实践中，人们普遍认识到隧道设计施工的核心问题，是开挖和支护两个关键工序。在国内外隧道及地下工程的设计施工中，针对上述核心问题，经过多年实践研究，形成了两大理论体系3。2.1松弛荷载理论一种理论是20世纪20年代提出的传统的“松弛荷载理论”，其核心内容是：稳定的岩体有自稳能力，对隧道不产生荷载；而不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支承岩体荷载。作用在支
9、护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并有可能塌落的岩(土)体的重力。“松弛荷载理论”又称为传统的结构力学模型，它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，建立的是“荷载一结构”力学体系。在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来实现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间方而考虑。这一类计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主要承担围岩“松动”压力的情况。所以，利用这类模型进行隧道支护结构设计的关键问题，是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的是围岩所产生的松动
10、压力，以及弹性支承给支护结构的弹性抗力。属于这一类模型的计算方法有：弹性连续框架(含拱形)法、假定抗力法和弹性地基梁(含曲梁和圆环)法等。当软弱地层对结构变形的约束能力较差时(或衬砌与地层间的空隙回填、灌浆不密实时)，地下结构内力计算常用弹性连续框架法，反之，可用假定抗力法或弹性地基法。弹性连续框架法即为进行地面结构内力计算时的力法与变形法，假定抗力法和弹性地基梁法则己形成了一些经典计算方法。由于这个模型概念清晰，计算简便，易于被接受，故至今仍很通用，尤其适用于模筑衬砌。2.2岩承理论 另一种理论是20世纪50年代提出的现代支护理论，或称为“岩承理论”。其核心内容是：隧道围岩稳定是由于岩体自身
11、有承载自稳能力；不稳定围岩丧失稳定是具有一个过程的，如在这个过程中提供必要的支护或限制，则围岩仍能保持稳定状态。这种理论体系的代表人物有腊布希维兹(K.VRabcewicz)、米勒菲切尔(Miller-Fecher)、芬纳塔罗勃(Fenner.T alobre)和卡斯特奈(H.Kastner)等学者。“岩承理论”建立的是岩体力学模型，它是将支护结构和围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为“围岩结构”模型或复合整体模型。在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩变形，这一点正好和上述模型相反。复合整体模型是当前隧道结构体系设计中力求采用的并在发展的模型，与新奥法
12、隧道施工的思想一致，符合当前的施工技术水平。在“围岩结构”模型中可以考虑各种几何形状、围岩和支护材料的非线性特性、开挖面空间效应所形成的三维状态，以及地质中不连续面等等。在这个模型中有些问题是可以用解析法求解，或用“收敛约束”法图解，但绝大部分问题，因数学上的困难，必须依赖数值方法，尤其是有限元法。利用这个模型进行隧道结构体系设计的关键问题，是如何确定围岩的初始应立场，以及表示材料非线性特征的各种参数及其变化情况。显然，“松弛荷载理论”更着重注意结果和对结果的处理；而“岩承理论”则更加注意过程和对过程的控制，即对围岩自承能力的充分利用。因此，两大理论体系在原理和方法上各自表现出不同的特点。由于
13、隧道与地下工程支护系统的工作环境十分复杂以及理论上还不够完善，因此，目前还没有一种设计计算模式能全面、合理地表达各种情况下支护系统与围岩之间的相互作用以及支护系统的工作条件。3. 国内外隧道工程可靠度研究现状由于隧道工程具有前述的特点其作用和抗力不甚明确，有些因素还没有充分认识或对它的变异性缺乏统计资料，所以普遍认为按概率极限状态设计其难度较地面结构大得多。近十几年来，国内外同行专家学者作了大量的研究，取得了丰硕成果4。3.1 国外隧道可靠度研究进展1983年，Matsuo和Kawamura用概率的概念计算了松散岩体支护系统的失效概率，从而确定最优设计；1984年，日本的松尾捻编著的地基工程学
14、对边坡稳定、挡土墙、板桩、地下埋管以及新奥法支护等阐述了以概率理论为基础的设计和计算方法，并提出了“动态可靠度的概念；同年，Dershowitz和Einsteln提出用概率法解决隧道或边坡岩石楔体的稳定分析问题；前苏联曾提出过毛洞可靠度评定办法，并对地铁隧道衬砌进行了可靠度分析；1989年，shigeyukiKohnoAl-fred H-sll对隧道支护结构的可靠度进行了分析，并提出了隧道支护系统体系可靠度的概念及分析方法；1991年，美国的ALnginow、A.H.s-AngL.A.Twisdaie等人在研究人防工程结构可靠性时，就动载作用下防护结构可靠性的设计理论作了大量的工作，并提出了R
15、DSF可靠性设计方法；1999年，Kok-KWang Phoon和Fred H.Kulhawy提出了分析地下结构监测中的内在随机性、测量误差和尺寸效应等的不确定性的方法；2000年，N.O.Nawari和R.Liang提出用模糊方法估计岩土参数的标准值；2001年，Andrzej S、Park、chan-Hee及Ojala Peter等在地下工程方面做了一些工作，并提出地下结构的可靠度水平应高于地面结构的见解；ELaso、M. s. Gomez Lera和EAhrcon等人采用基于连续介质模式的响应面法对II类围岩的衬砌结构进行了可靠度计算分析。3.2 国内隧道可靠度研究进展我国在隧道及地下工
16、程的可靠度研究始于70年代，当时，铁路部门对隧道衬砌的裂纹和围岩的塌方高度进行了大量的现场调查 “，所得资料对后来的可靠度分析极为有用。进入80年代，我国各部门对岩土工程、隧道及地下工程的可靠性设计开始进行探索，发表了一些论文。清华、同济、河海、哈建工、工程兵等院校都投入了这方面的研究，西南交通大学、石家庄铁道学院等几所铁路高校针对荷载结构模型作了大量研究：他们以单个截面大偏心压碎或小偏心压碎为承载能力的极限，以及以大偏心拉裂为正常使用状态的极限，采用随机有限元方法对铁路隧道进行了按可靠度建立设计方法的研究，内容同时包括对深埋隧道松弛压力的作用、隧道的几何参数及混凝土构件的偏心影响系数等参数确定分布概型和变异系数等，对体系破坏则研究较少，1999年，铁道部根据铁路高校多年从事地下结构可靠度研究取得的成果，发布了以可靠度理论为基础的铁路隧道设计规范(TBl0003-99)，特点为以
