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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。本文在隧道结构可靠度研究的基础上，分析了衬砌断面的可靠度和洞门结构可靠度。
关键词：隧道结构 衬砌断面 可靠度
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
2001年和 2005 年发布实施的《铁路隧道设计规范》均列出了“概率极限状态设计”一节，从那时候开始，我国铁路隧道的整体式衬砌已经转换设计阶段，即从半概率设计阶段进入到近似概率设计阶段。但是整个规范还只是针对衬砌断面中的其中一个截面的可靠度进行规范，按照传统的办法，控制截面应采用可靠指标非常低的截面进行，整个衬砌断面的可靠度可用控制截面的可靠度来代替。事实上衬砌斷面是多次超静定结构，一个截面的破损并不意味着整个断面丧失承载能力，需要求出整个衬砌断面的可靠度和同级围岩长度范围内衬砌的可靠度以及整座隧道的可靠度等等，这些就属于隧道结构系统可靠度问题。因结构破坏状态的多样性和复杂性，加上数学推导上的一些困难，系统可靠度在实际工程中的应用还不普遍。但系统可靠度在结构设计决策和评估中的重要性不容忽视。文献明确指出：“当有条件时，工程结构宜按结构系统可靠度设计”。有很多个构件组成的结构系统包括多种模式，即多重失效模式，结构失效模式与结构，这些都是静定或者超静定以及材料性质决定的破坏形式有直接的关系。多重失效模式可以选用串联事件或者并联事件，也就是说，并集事件或交集事件，在计算这些事件的进程中，可能会有高维积分的概率事件出现，在实际操作中，很难得到结果，这就需要找到一些非常简单又能够符合工程要求的方法。当前，很多书籍和文献中，都有相关于失效概率上、下限的区间估计法的介绍，从而将复杂的问题用很简易操作的点估计算法进行计算。本文就隧道生命全过程中结构系统的特点，运用一些分析方法，解决关于隧道系统可靠度的一些问题。
1衬砌断面的可靠度
整体式衬砌断面按“荷载-结构”模式分析计算时是多次超静定结构。加入按照矩阵模式分析，可以把他分成很多直梁部分，围岩的弹性反力链杆因此形成。存在越多的弹性反力链杆，那么超静定次数越多。每个节点和单元的作用效应因抗力的不同而有很多不同的可靠度。应用各单元可靠度的函数来衡量衬砌断面的可靠度。因人们对关于衬砌断面失效模式的看法各不相同，所以处理单元失效与衬砌断面失效的逻辑关系也各不相同，因此得到不同的结果。
2衬砌断面的可靠度分析
2.1不同围岩压力作用对初砌断面的可靠度分析
很长一段时间以内，整体式衬砌设计的主动荷载为水平均匀分布的围岩压力，一般情况下，围岩压力不是那种水平均匀分布的。自上个世纪70年代进行完衬砌裂缝的调查后，还提出了用小量偏压等多种作用形式来进行围岩压力的计算工作，这种要求下的围岩压力一般都能通过安全度检算。其实这么多形式的围岩压力的出现不是有规律的，它们会随机出现。任何时候的出现的具体情况，都与这个断面所在处的地质构造形式、施工的具体方法等等的一些因素有关系，这种情况下，有很大可能性出现不均匀分布。就这种随机出现的压力作用形式，要针对具体情况作概率分析。
2.2同种围岩地段的衬砌可靠度分析
一般隧道可能由几种不同围岩地段组成，宏观上认为在同种围岩长度范围内围岩性质是相同的，施工方法、断面形状、所用材料也都相同。各设计参数都取同样的统计特征，因而各衬砌断面的可靠度是相同的。但由于围岩性质和对衬砌作用等的随机性和变异性存在，不大可能同种围岩地段所有衬砌断面都同时破坏或在同样部位破坏，破损常在一定长度范围发生。
同种围岩长度范围内各地段或各断面组成一个串联体系，只要一个地段或一个断面失效，就认为该种围岩地段失效。由于同种围岩地段衬砌设计都取同一数值，因而是完全相关。式同样适用，即同种围岩地段的失效概率为其中各失效地段或各衬砌断面失效的最大值，也就是按前两节算出的衬砌断面失效概率。
3 洞门结构可靠度分析
洞门是隧道的重要组成部分，长期以来都将洞门作为挡土墙，近似用分条法校核墙厚，还整体验算倾覆、滑动稳定性。挡土墙的可靠度分析运用较多，可以参照求出洞门可靠度。文献[8]指出，洞门分条计算方法粗略保守，没有考虑各种有利因素，出现一些不合理结果，因此，再用这种分条设计模型去分析可靠度实际意义不大。
洞门作为空间整体挡土防护结构，其可能的失效模式有 4 种：墙体某个部位由于抗压或抗拉强度不足引起的压坏或开裂、洞门整体倾覆、洞门整体滑动、基底承压能力不够等。后 3 种失效模式的功能函数都可以用解析式表达出来，求失效概率并不困难。只有第 1 种失效模式的作用效应宜用空间有限元分析找出，这在空间有限元分析以进入实用化的今天是有可能的。求出作用效应后，以各部位应力最大处作为控制点，求这些控制点的抗压或抗裂可靠指标，即为第 1 种失效模式的失效概率。这 4种失效模式宜按串联处理，即任一种失效都认为是洞门失效。由于几种失效模式所受的土压力和洞门材料性质等都一样，可以认为这些功能函数密切相关。各种失效模式中最大失效概率即为洞门结构的失效概率。
4 结 语
本文对隧道生命全过程中结构系统可靠度进行最初阶段分析探索，目前的这项工作还处于起步阶段。这项工作的关键是失效模式的建立，衬砌断面按照不同的方法处理会得到截然不同的结果，一般采用串联或并联处理的方法，断面承载力的极限状态需要并联时出现很多偏压。还很很多比较难的问题需要处理，比如计算各失效模式之间的相关系数，具体的相关系数在无法列出功能函数解析式时就无法算出，可以参考一些文献中的相关探索。除此之外，还有一些方面的问题需要进一步讨论。
参考文献：
[1] 张伟. 山岭隧道开挖灾害预防与控制技术研究[D]. 中南大学 2008
[2] 王海涛. 隧道管棚预支护体系的力学机理与开挖面稳定性研究[D]. 大连理工大学 2009
[3] 蔡来炳. 软弱围岩浅埋偏压连拱隧道力学效应研究[D]. 同济大学 2008
作者简历：1983年2005年毕业于青岛理工大学。
2005年12月—2006年3月 蓝商高速公路LS-B7标 施工技术员
2006年4月—2008年6月 蓝商高速公路LS-B7标计划部部长
2008年7月—2009年6月 十天高速公路十天四标计划部长
2009年7月—至今西商高速公路LJ-22合同段副经理兼计划部长
关键词：隧道结构 衬砌断面 可靠度
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
2001年和 2005 年发布实施的《铁路隧道设计规范》均列出了“概率极限状态设计”一节，从那时候开始，我国铁路隧道的整体式衬砌已经转换设计阶段，即从半概率设计阶段进入到近似概率设计阶段。但是整个规范还只是针对衬砌断面中的其中一个截面的可靠度进行规范，按照传统的办法，控制截面应采用可靠指标非常低的截面进行，整个衬砌断面的可靠度可用控制截面的可靠度来代替。事实上衬砌斷面是多次超静定结构，一个截面的破损并不意味着整个断面丧失承载能力，需要求出整个衬砌断面的可靠度和同级围岩长度范围内衬砌的可靠度以及整座隧道的可靠度等等，这些就属于隧道结构系统可靠度问题。因结构破坏状态的多样性和复杂性，加上数学推导上的一些困难，系统可靠度在实际工程中的应用还不普遍。但系统可靠度在结构设计决策和评估中的重要性不容忽视。文献明确指出：“当有条件时，工程结构宜按结构系统可靠度设计”。有很多个构件组成的结构系统包括多种模式，即多重失效模式，结构失效模式与结构，这些都是静定或者超静定以及材料性质决定的破坏形式有直接的关系。多重失效模式可以选用串联事件或者并联事件，也就是说，并集事件或交集事件，在计算这些事件的进程中，可能会有高维积分的概率事件出现，在实际操作中，很难得到结果，这就需要找到一些非常简单又能够符合工程要求的方法。当前，很多书籍和文献中，都有相关于失效概率上、下限的区间估计法的介绍，从而将复杂的问题用很简易操作的点估计算法进行计算。本文就隧道生命全过程中结构系统的特点，运用一些分析方法，解决关于隧道系统可靠度的一些问题。
1衬砌断面的可靠度
整体式衬砌断面按“荷载-结构”模式分析计算时是多次超静定结构。加入按照矩阵模式分析，可以把他分成很多直梁部分，围岩的弹性反力链杆因此形成。存在越多的弹性反力链杆，那么超静定次数越多。每个节点和单元的作用效应因抗力的不同而有很多不同的可靠度。应用各单元可靠度的函数来衡量衬砌断面的可靠度。因人们对关于衬砌断面失效模式的看法各不相同，所以处理单元失效与衬砌断面失效的逻辑关系也各不相同，因此得到不同的结果。
2衬砌断面的可靠度分析
2.1不同围岩压力作用对初砌断面的可靠度分析
很长一段时间以内，整体式衬砌设计的主动荷载为水平均匀分布的围岩压力，一般情况下，围岩压力不是那种水平均匀分布的。自上个世纪70年代进行完衬砌裂缝的调查后，还提出了用小量偏压等多种作用形式来进行围岩压力的计算工作，这种要求下的围岩压力一般都能通过安全度检算。其实这么多形式的围岩压力的出现不是有规律的，它们会随机出现。任何时候的出现的具体情况，都与这个断面所在处的地质构造形式、施工的具体方法等等的一些因素有关系，这种情况下，有很大可能性出现不均匀分布。就这种随机出现的压力作用形式，要针对具体情况作概率分析。
2.2同种围岩地段的衬砌可靠度分析
一般隧道可能由几种不同围岩地段组成，宏观上认为在同种围岩长度范围内围岩性质是相同的，施工方法、断面形状、所用材料也都相同。各设计参数都取同样的统计特征，因而各衬砌断面的可靠度是相同的。但由于围岩性质和对衬砌作用等的随机性和变异性存在，不大可能同种围岩地段所有衬砌断面都同时破坏或在同样部位破坏，破损常在一定长度范围发生。
同种围岩长度范围内各地段或各断面组成一个串联体系，只要一个地段或一个断面失效，就认为该种围岩地段失效。由于同种围岩地段衬砌设计都取同一数值，因而是完全相关。式同样适用，即同种围岩地段的失效概率为其中各失效地段或各衬砌断面失效的最大值，也就是按前两节算出的衬砌断面失效概率。
3 洞门结构可靠度分析
洞门是隧道的重要组成部分，长期以来都将洞门作为挡土墙，近似用分条法校核墙厚，还整体验算倾覆、滑动稳定性。挡土墙的可靠度分析运用较多，可以参照求出洞门可靠度。文献[8]指出，洞门分条计算方法粗略保守，没有考虑各种有利因素，出现一些不合理结果，因此，再用这种分条设计模型去分析可靠度实际意义不大。
洞门作为空间整体挡土防护结构，其可能的失效模式有 4 种：墙体某个部位由于抗压或抗拉强度不足引起的压坏或开裂、洞门整体倾覆、洞门整体滑动、基底承压能力不够等。后 3 种失效模式的功能函数都可以用解析式表达出来，求失效概率并不困难。只有第 1 种失效模式的作用效应宜用空间有限元分析找出，这在空间有限元分析以进入实用化的今天是有可能的。求出作用效应后，以各部位应力最大处作为控制点，求这些控制点的抗压或抗裂可靠指标，即为第 1 种失效模式的失效概率。这 4种失效模式宜按串联处理，即任一种失效都认为是洞门失效。由于几种失效模式所受的土压力和洞门材料性质等都一样，可以认为这些功能函数密切相关。各种失效模式中最大失效概率即为洞门结构的失效概率。
4 结 语
本文对隧道生命全过程中结构系统可靠度进行最初阶段分析探索，目前的这项工作还处于起步阶段。这项工作的关键是失效模式的建立，衬砌断面按照不同的方法处理会得到截然不同的结果，一般采用串联或并联处理的方法，断面承载力的极限状态需要并联时出现很多偏压。还很很多比较难的问题需要处理，比如计算各失效模式之间的相关系数，具体的相关系数在无法列出功能函数解析式时就无法算出，可以参考一些文献中的相关探索。除此之外，还有一些方面的问题需要进一步讨论。
参考文献：
[1] 张伟. 山岭隧道开挖灾害预防与控制技术研究[D]. 中南大学 2008
[2] 王海涛. 隧道管棚预支护体系的力学机理与开挖面稳定性研究[D]. 大连理工大学 2009
[3] 蔡来炳. 软弱围岩浅埋偏压连拱隧道力学效应研究[D]. 同济大学 2008
作者简历：1983年2005年毕业于青岛理工大学。
2005年12月—2006年3月 蓝商高速公路LS-B7标 施工技术员
2006年4月—2008年6月 蓝商高速公路LS-B7标计划部部长
2008年7月—2009年6月 十天高速公路十天四标计划部长
2009年7月—至今西商高速公路LJ-22合同段副经理兼计划部长