小样本容量下深埋隧道结构体系稳健优化分析及动态风险评估研究

There are characteristics of small samples and value boundaries with uncertain parameters for structural system of deep buried tunnel. There is lack of the statistical data of similar project. Then the application of probabilistic reliability analysis method based on large samples is limited. The optimization design, stable reliability evaluation and construction risk control of structural system with small samples have become the key problem of deep buried tunnel construction, which need to be solved urgently. The relevant research has the important theory significance and application value. Therefore, the interval expression method of uncertain parameters is established for structural system of deep buried tunnel, which is accords to the outdoor and indoor experiments data, field measured data and interval number determining method. The numerical simulation tests are done based on the field monitoring information and dynamic feedback adjustment analysis method. The deformation mechanism of structural system to deep buried tunnel can be got. Then the mechanical robustness functions of rock mass and main bearing structure and auxiliary bearing structure can be established, which regards stress, displacement or deformation as the goal. The non-probabilistic robust optimization analysis method is suggested. The robust reliability index can be got. The sensitivity and tolerance of the calculation parameters and their affecting factors to the supporting performance function and robust reliability index are also analyzed. The control measures of robust optimization design are suggested. The risk assessment method of deep buried tunnel is founded. The sensitivity factors and sensitive area to the risk assessment are analyzed. The dynamic risk assessment of deep buried tunnel can be realized based on the robust optimization design and dynamic updating of construction information.

深埋隧道结构体系不确定性参数具有小样本与取值界限特性，且缺乏类似工程统计数据，使基于大样本的概率可靠性分析方法应用受到限制，如何在小样本容量下对深埋隧道结构体系进行优化设计、可靠性评价及施工风险评估，已成为工程建设亟待解决的关键问题，开展相关研究具有重要的理论意义与应用价值。为此，将根据室内外试验与现场量测数据及区间数构建方法，建立深埋隧道结构体系不确定性参数区间表述方法；结合现场监测信息与动态反馈调整分析方法，进行数值模拟试验，揭示深埋隧道结构体系变形机理；以应力、位移或变形量为目标，拟合围岩与主、辅助承载结构的力学稳健性功能函数，通过建立非概率稳健优化分析方法，得到稳健可靠性指标，分析支护性能与可靠性指标对计算参数及影响因素的敏感性与容差性，提出稳健优化设计调控措施；建立深埋隧道风险评估方法，分析敏感性因素与敏感区，基于稳健优化设计与施工信息动态更新，实现深埋隧道动态风险评估。

深埋隧道或地下工程支护结构不确定性参数具有小样本与取值界限特性，且缺乏类似工程统计数据，使基于大样本的概率可靠性分析方法应用受到限制，如何在小样本容量下对隧道支护结构进行优化设计、可靠性评价及施工风险评估，已成为工程建设亟待解决的关键问题，开展相关研究具有重要的理论意义与应用价值。为此，在岩石室内三轴试验基础上，根据岩石抗剪强度不确定性取值方法及其原理对试验数据进行编程计算，得出最可能的抗剪强度参数取值及抗剪强度参数取值区间，结合基于地质强度指标GSI的Hoek-Brown准则与经验公式构建岩体不确定性参数区间。其次，采用数值分析方法，并结合正交试验探讨了隧道埋深与围岩变形模量对深埋隧道开挖后支护结构承载变形的影响规律，拟合了拱顶下沉和周边收敛的功能函数。然后，以围岩变形为主要指标，确定了硬性结构面对深埋硬岩隧道的最大影响距离和有效影响距离，以及结构面特性变化时对隧道围岩变形的影响规律；分析了岩性参数与不同高地应力形式对隧道稳定性的影响规律；确定了小尺寸结构面在倾角和距离一定时的最不利分布，提出最大有效影响尺寸的概念；分析了结构面在高地应力硬岩条件下的尺寸效应，得出最大有效影响尺寸与倾角、距离的关系式以及尺寸效应公式。再者，采用模糊数表示岩体物理力学参数取值，确定出隧道围岩喷锚支护结构可靠性分析功能函数，建立出隧道围岩锚喷支护结构模糊能度可靠性分析方法；针对隧道施工特点以及影响因素的层次性与模糊性，建立出隧道施工风险非线性模糊综合评判方法与隧道施工支护结构风险评估模糊分析方法。最后，收集统计洞室群工程案例，分别从岩性、岩体质量、岩体结构、岩石强度、地应力条件等方面进行统计分析，获得相关工程地质参数、现场监测结果、破坏类型与处置措施的相互关系，为类似工程设计、稳定性评价与风险评估提供决策依据；结合洞室群施工前、施工过程对工程地质资料掌握程度的不同，提出分三阶段对洞室群进行施工期风险评估，即：根据前期地质勘察资料的施工前分区段整体风险评估、根据前期地质勘察资料与数值分析结果的施工前典型断面局部风险评估以及根据开挖揭露地质信息与动态反馈分析结果的施工过程典型断面局部风险评估，根据各阶段所掌握的工程地质资料与监测结果，分别建立了相应的风险评估方法；同时根据深埋隧道施工特点建立了隧道施工风险评估方法以及隧道支护结构失稳风险评估方法。