隧道结构生命全过程可靠度研究
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摘要
隧道结构生命全过程由施工期、使用期和老化期三个阶段构成。在施工期隧道围岩中原有应力平衡被破坏，喷射混凝土及锚杆的强度还在增长过程当中，随时可能遇到各种险情。隧道进入老化期后，受到自然环境和使用环境腐蚀介质的长期作用，导致结构抗力不断下降，且由于围岩介质具有流变效应，衬砌所受到的作用不断增长，导致隧道结构在这一时期呈现较高的风险。风险率较低的使用期，在灾害性地震作用下，隧道结构风险率又上升到较高的水平，有关研究目前尚不充分。在隧道结构可靠度已有研究成果的基础上，抓住隧道结构生命全过程三个阶段的特征进行研究，是隧道结构可靠度研究的一个新的拓展，对于保证隧道结构的安全性、适用性、耐久性和经济性具有重要的指导意义。为此本文以隧道结构生命周期全过程为主线，开展了以下几方面的研究工作：
1、施工期盾构隧道开挖面稳定及初期支护结构可靠度研究
采用数值模拟方法，研究了隧道开挖面的极限支护压力；以不同工况下地层参数及其极限支护压力比为样本，待BP神经网络训练完毕后，即可预测大量给定地层参数工况下开挖面的极限支护压力比，对其进行统计分析，得到概率分布特征；在理论分析的基础上并结合工程实际，探讨了盾构施工土压力的确定原理；建立了隧道开挖面稳定的极限状态方程，运用具有全局优化能力的遗传算法，对其进行了可靠度分析。本文除能够科学合理的评价开挖面的稳定程度外，对于盾构施工过程中合理地确定开挖面支护压力也具有一定的参考作用。
对于隧道施工过程中的初期支护结构，目前还没有一个高效、通用的可靠度计算方法。本文通过围岩应力释放系数，用二维问题来对隧道开挖过程进行准三维分析。将施工过程中的隧道视为时变结构，建立了初期支护结构可靠度几何优化模型。针对该模型搜索区域大而可行区域小的特点，提出了基于改进遗传算法的可靠度计算方法，并用蒙特卡罗直接重要抽样方法对本文方法的求解精度进行了验证。然后用本文方法分别求得了在不同开挖速度工况下初期支护结构可靠度指标随时间变化的关系。另外，还对初期支护结构可靠度进行了敏感性分析，对明确隧道施工质量控制重点具有指导意义。
2、使用期隧道空间结构体系可靠度和抗震可靠度研究
针对求解隧道空间结构体系可靠度问题，做了如下工作。首先，在地质统计理论的基础上，提出了围岩物性参数等效方差增大函数这一概念，将同级围岩长度范围内围岩对衬砌空间作用的变异性简化为平面问题。其次，运用Weibull—Бологин脆性破坏统计理论，求得二次衬砌空间结构等效抗力，从而将同级围岩长度范围内的隧道空间结构体系可靠度问题化为平面问题。最后，探讨了隧道结构破坏的主要失效模式及其体系可靠度计算方法。文中以某隧道为例，对其进行了空间结构体系可靠度评估。本研究成果为实现隧道空间结构体系可靠度评估开辟了一条新的途径。
从隧道结构地震反应谱出发，基于地层反应位移法，运用误差传递函数，对隧道结构进行不确定性分析，得出隧道结构在地震作用下最不利内力的统计特征。建立了隧道结构承载能力极限状态方程，开发了基于MATLAB优化工具箱的工程结构可靠度计算方法。以某隧道Ⅴ级围岩浅埋段为例，分别求解了小震、中震及大震作用下隧道结构最不利位置处的可靠度指标。从所求结果可以看出，随着震级的升高，隧道结构可靠度明显降低。
3、老化期隧道结构可靠度研究
立足于现行计算理论，对由于锈蚀引起小偏心受压构件的结构性能退化和破坏特征进行了分析，推导了隧道结构小偏心受压的时变承载能力极限状态方程。针对隧道工程中存在的大量不确定性，将围岩产生的粘性变形作为其弹性变形的初始变形，在线弹性有限元分析理论的基础上，推导了围岩粘弹性随机有限元增量列式，并编制了粘弹性随机有限元程序，计算了某隧道二次衬砌结构不同时刻的内力及其标准差。以二次衬砌拱顶处为例，探讨了混凝土强度折减系数η对可靠度指标的影响，并对二次衬砌结构三个控制截面不同时刻的可靠度进行了评估，发现隧道结构可靠度指标随时间的延长而几乎呈线性衰减，并对可靠度指标的衰减原因进行了分析。这对于隧道结构日常管理、维护、加固等环节具有一定的实用价值和理论意义。
The life-cycle of tunnel structure is composed of construction stage, serving stage and aging stage. Balance of initial stress in the surrounding rock mass is destroyed, and the strength of jet concrete and rock bolting is increasing in the construction stage. So, all kinds of dangerous situations are faced any time. In the aging stage, for entironment and corrosive media acting on the structure long time, load carrying capacity decreases gradually. Simultaneity for the creeping of surrounding rock mass, internal force of liner increases gradually. As a result, the structure shows the higher risk in the stage. In serving stage, the risk is lower. However, the risk is elevated to a higher level under the disastrous earthquake action. The study is not fully. Based on the published research result, the research on character of three stages in the tunnel structure life-cycle is new development for tunnel structural reliability. The research is of significance for tunnel structural safety, applicability, durability and economy. So research work is conducted along tunnel structure life-cycle as follows:
1. Study on stability reliability of excavation face of shield tunneling and reliability of initial support in the construction stage
The limit support pressure at excavation face of shield tunneling is studied with numerical simulation method. BP neural net work is trained, which parameters of surrounding rock mass and ratio of limit support pressure of tunnel face as for samples. After training, the net work can predict ratio of limit support pressure when lots of parameters are imported. The statistics character of ratio of limit support pressure is gained. Principle of designed earth pressure of shield tunneling is discussed based on theory and engineering practice. Limit state function of tunnel face stability is established, and reliability is solved with the genetic algorithms. In the thesis, not only stability of tunnel face is appraised rationally, but also it is reference to select support pressure rightly.
Up to date there is no broad applicability method for reliability of the initial support calculation in the construction stage. The model of plane is used to simulate the space effect near tunnel face by free coefficient of stress of surrounding rock. Initial support of tunnel is looked as time-dependent structure, and geometric optimization model of initial support is founded. To large search space and small feasible space of the optimization model, the method for reliability calculation based on improved Genetic Algorithms is putted in the thesis. The precision of the result solved by the method in the thesis is compared with the one solved by crude importance sampling method. Reliability of initial support at every time is solved by the method in the thesis under different speed of dig. Furthermore, the sensitivity analysis of the reliability to changes in distribution parameters is also made. The result is of significance for ascertaining the key quality controlled item during construction stage.
2. Study on reliability of spatial tunnel structural system and the reliability under earthquake action in the serving stage
Research work of tunnel spatial structural system reliability is conducted as follows. Firstly, equivalent deviation increasing function is putted in this thesis based on geostatistics theory. So the variability of spatial interaction among the surrounding rock mass and second liner is simplified to plane problem. Secondly, spatial resistance of second liner is solved by the Weibull-???????? statistical theory for brittleness material. The problem of tunnel spatial structural system reliability is simplified plane problem. At last, main failure model of tunnel structure and the method for reliability calculation are discussed. Jinzhou tunnel as for example in this thesis, its' spatial structural system reliability is estimated. The research creates a new way for estimation of tunnel spatial structural system reliability.
The statistical characteristics of internal forces most disadvantageous position of tunnel structure under earthquake action is solved using stratum response displacement reaction method based on the response spectrum of tunnel structure. Limit state function of carrying capacity of tunnel structure is founded, and the method for reliability calculation based on Matlab's optimization tool box is researched. Shallow part of Jinzhou tunnel as for example, reliability of most disadvantageous position of tunnel structure under minor earthquake, moderate earthquake, major earthquake action respectively. The reliability decreases clearly with the increasing of seismic levels.
3. Study on reliability of tunnel structure in the aging stage
Degradation of small eccentric compression member and character of destroying for the corrosion of steel bar are analyzed. Time-dependent carrying capacity of small eccentric compression tunnel structure limit state function is deduced based on the existing theory. The viscous deformation of surrounding rock mass as initial elastic deform, visco-elastic stochastic finite element incremental formulations were derived based on elastic finite element theory. Program of visco-elastic stochastic finite element is compiled. Average and deviation of internal force of Jinzhou tunnel structure at different time is solved. Reliability of three key section of tunnel structure at different time is solved. The result show that reliability decreases linearly with the extension of time. The reason of reliability decreasing is analyzed. The research is very significance in academic and practical for tunnel's management, maintenance, reinforcement.
1、施工期盾构隧道开挖面稳定及初期支护结构可靠度研究
采用数值模拟方法，研究了隧道开挖面的极限支护压力；以不同工况下地层参数及其极限支护压力比为样本，待BP神经网络训练完毕后，即可预测大量给定地层参数工况下开挖面的极限支护压力比，对其进行统计分析，得到概率分布特征；在理论分析的基础上并结合工程实际，探讨了盾构施工土压力的确定原理；建立了隧道开挖面稳定的极限状态方程，运用具有全局优化能力的遗传算法，对其进行了可靠度分析。本文除能够科学合理的评价开挖面的稳定程度外，对于盾构施工过程中合理地确定开挖面支护压力也具有一定的参考作用。
对于隧道施工过程中的初期支护结构，目前还没有一个高效、通用的可靠度计算方法。本文通过围岩应力释放系数，用二维问题来对隧道开挖过程进行准三维分析。将施工过程中的隧道视为时变结构，建立了初期支护结构可靠度几何优化模型。针对该模型搜索区域大而可行区域小的特点，提出了基于改进遗传算法的可靠度计算方法，并用蒙特卡罗直接重要抽样方法对本文方法的求解精度进行了验证。然后用本文方法分别求得了在不同开挖速度工况下初期支护结构可靠度指标随时间变化的关系。另外，还对初期支护结构可靠度进行了敏感性分析，对明确隧道施工质量控制重点具有指导意义。
2、使用期隧道空间结构体系可靠度和抗震可靠度研究
针对求解隧道空间结构体系可靠度问题，做了如下工作。首先，在地质统计理论的基础上，提出了围岩物性参数等效方差增大函数这一概念，将同级围岩长度范围内围岩对衬砌空间作用的变异性简化为平面问题。其次，运用Weibull—Бологин脆性破坏统计理论，求得二次衬砌空间结构等效抗力，从而将同级围岩长度范围内的隧道空间结构体系可靠度问题化为平面问题。最后，探讨了隧道结构破坏的主要失效模式及其体系可靠度计算方法。文中以某隧道为例，对其进行了空间结构体系可靠度评估。本研究成果为实现隧道空间结构体系可靠度评估开辟了一条新的途径。
从隧道结构地震反应谱出发，基于地层反应位移法，运用误差传递函数，对隧道结构进行不确定性分析，得出隧道结构在地震作用下最不利内力的统计特征。建立了隧道结构承载能力极限状态方程，开发了基于MATLAB优化工具箱的工程结构可靠度计算方法。以某隧道Ⅴ级围岩浅埋段为例，分别求解了小震、中震及大震作用下隧道结构最不利位置处的可靠度指标。从所求结果可以看出，随着震级的升高，隧道结构可靠度明显降低。
3、老化期隧道结构可靠度研究
立足于现行计算理论，对由于锈蚀引起小偏心受压构件的结构性能退化和破坏特征进行了分析，推导了隧道结构小偏心受压的时变承载能力极限状态方程。针对隧道工程中存在的大量不确定性，将围岩产生的粘性变形作为其弹性变形的初始变形，在线弹性有限元分析理论的基础上，推导了围岩粘弹性随机有限元增量列式，并编制了粘弹性随机有限元程序，计算了某隧道二次衬砌结构不同时刻的内力及其标准差。以二次衬砌拱顶处为例，探讨了混凝土强度折减系数η对可靠度指标的影响，并对二次衬砌结构三个控制截面不同时刻的可靠度进行了评估，发现隧道结构可靠度指标随时间的延长而几乎呈线性衰减，并对可靠度指标的衰减原因进行了分析。这对于隧道结构日常管理、维护、加固等环节具有一定的实用价值和理论意义。
The life-cycle of tunnel structure is composed of construction stage, serving stage and aging stage. Balance of initial stress in the surrounding rock mass is destroyed, and the strength of jet concrete and rock bolting is increasing in the construction stage. So, all kinds of dangerous situations are faced any time. In the aging stage, for entironment and corrosive media acting on the structure long time, load carrying capacity decreases gradually. Simultaneity for the creeping of surrounding rock mass, internal force of liner increases gradually. As a result, the structure shows the higher risk in the stage. In serving stage, the risk is lower. However, the risk is elevated to a higher level under the disastrous earthquake action. The study is not fully. Based on the published research result, the research on character of three stages in the tunnel structure life-cycle is new development for tunnel structural reliability. The research is of significance for tunnel structural safety, applicability, durability and economy. So research work is conducted along tunnel structure life-cycle as follows:
1. Study on stability reliability of excavation face of shield tunneling and reliability of initial support in the construction stage
The limit support pressure at excavation face of shield tunneling is studied with numerical simulation method. BP neural net work is trained, which parameters of surrounding rock mass and ratio of limit support pressure of tunnel face as for samples. After training, the net work can predict ratio of limit support pressure when lots of parameters are imported. The statistics character of ratio of limit support pressure is gained. Principle of designed earth pressure of shield tunneling is discussed based on theory and engineering practice. Limit state function of tunnel face stability is established, and reliability is solved with the genetic algorithms. In the thesis, not only stability of tunnel face is appraised rationally, but also it is reference to select support pressure rightly.
Up to date there is no broad applicability method for reliability of the initial support calculation in the construction stage. The model of plane is used to simulate the space effect near tunnel face by free coefficient of stress of surrounding rock. Initial support of tunnel is looked as time-dependent structure, and geometric optimization model of initial support is founded. To large search space and small feasible space of the optimization model, the method for reliability calculation based on improved Genetic Algorithms is putted in the thesis. The precision of the result solved by the method in the thesis is compared with the one solved by crude importance sampling method. Reliability of initial support at every time is solved by the method in the thesis under different speed of dig. Furthermore, the sensitivity analysis of the reliability to changes in distribution parameters is also made. The result is of significance for ascertaining the key quality controlled item during construction stage.
2. Study on reliability of spatial tunnel structural system and the reliability under earthquake action in the serving stage
Research work of tunnel spatial structural system reliability is conducted as follows. Firstly, equivalent deviation increasing function is putted in this thesis based on geostatistics theory. So the variability of spatial interaction among the surrounding rock mass and second liner is simplified to plane problem. Secondly, spatial resistance of second liner is solved by the Weibull-???????? statistical theory for brittleness material. The problem of tunnel spatial structural system reliability is simplified plane problem. At last, main failure model of tunnel structure and the method for reliability calculation are discussed. Jinzhou tunnel as for example in this thesis, its' spatial structural system reliability is estimated. The research creates a new way for estimation of tunnel spatial structural system reliability.
The statistical characteristics of internal forces most disadvantageous position of tunnel structure under earthquake action is solved using stratum response displacement reaction method based on the response spectrum of tunnel structure. Limit state function of carrying capacity of tunnel structure is founded, and the method for reliability calculation based on Matlab's optimization tool box is researched. Shallow part of Jinzhou tunnel as for example, reliability of most disadvantageous position of tunnel structure under minor earthquake, moderate earthquake, major earthquake action respectively. The reliability decreases clearly with the increasing of seismic levels.
3. Study on reliability of tunnel structure in the aging stage
Degradation of small eccentric compression member and character of destroying for the corrosion of steel bar are analyzed. Time-dependent carrying capacity of small eccentric compression tunnel structure limit state function is deduced based on the existing theory. The viscous deformation of surrounding rock mass as initial elastic deform, visco-elastic stochastic finite element incremental formulations were derived based on elastic finite element theory. Program of visco-elastic stochastic finite element is compiled. Average and deviation of internal force of Jinzhou tunnel structure at different time is solved. Reliability of three key section of tunnel structure at different time is solved. The result show that reliability decreases linearly with the extension of time. The reason of reliability decreasing is analyzed. The research is very significance in academic and practical for tunnel's management, maintenance, reinforcement.
引文
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