高速铁路隧道极限状态设计理论及其应用

Nowadays, the construction of the high-speed railway tunnel in China has achieved great achievements. However, due to the inherent uncertainties of the rock mass in nature, a probability analysis is deemed more rational since it provides a means of explicitly reflecting the effects of the uncertainties. Therefore, the objective of this project is to present a kind of tunnel design method to perform reliability analysis. In this research, the “surrounding ground-tunnel structure” system is systematically studied. The deformation characteristics as well as the failure modes of the surrounding ground of the high speed railway tunnel, excavated in typical ground conditions, are analyzed. The support characteristics of the high speed railway tunnel support are then investigated. The collaborative characteristics of both the surrounding ground and the tunnel support are also explored. Moreover, the uncertainties exist in both the surrounding ground and the tunnel support are thoroughly studied and described, according to which the basis of the limit state design method adopted in the high-speed railway tunnel design can be established. This research is of great practical value to promote the scientific, standardization and refinement level of the high-speed railway tunnel design and also of great theoretical value in the development of the reliability design theory.

目前，我国高速铁路隧道建设取得了举世瞩目的成就，然而隧道工程中的诸多不确定性导致了当前岩体测试技术和数值分析技术的精密性、确定性与围岩性状宏观判断的模糊性、随机性之间的矛盾，这也是目前隧道力学分析难以满足工程需求的根本原因。针对隧道赋存环境的复杂性给隧道结构设计带来的一系列问题，本项目以隧道“支护-围岩”系统作用为核心，从典型地质条件下高铁隧道围岩的破坏模式和变形特性出发，系统研究隧道支护结构的工作特性，以及支护与围岩共同作用下隧道结构体系的变形、受力及破坏演化的时空规律；同时对隧道支护与围岩作用体系中诸因素的变异性进行耦合分析，形成高速铁路隧道衬砌结构的可靠度设计的基础；进而建立我国高速铁路隧道以围岩变形控制为目标，考虑“支护-围岩”动态作用特点的极限状态设计方法。本研究对推动我国高速铁路隧道结构设计的科学化、精细化、规范化，以及可靠度设计理论的发展具有重要的现实意义和理论价值。

基于对复杂隧道围岩变形发展和破坏模式的研究，揭示出围岩变形的分组特性，即围岩破坏和支护结构荷载变化的不连续性和阶段性，围岩结构包括浅层围岩和深层围岩两部分，围岩荷载大小取决于结构层变形量的控制标准、浅层围岩的传递刚度以及两者的耦合作用效果。根据室内试验结果，围岩的超前破坏包括正面挤出型、前倾冒落型和后倾冒落型三种基本模式，结合其时空演化特点，以围岩超前变形、超前破坏和地层加固有效性作为围岩安全性评价的核心指标建立了包括3个层次9项基础指标在内的综合评价体系，并据此将复杂围岩分为A、B和C三个安全性级别，工程应用效果良好。以围岩变形过程和支护结构特点为基础，对隧道施工全过程中支护体系的协同作用原理进行了阐述，并提出了支护体系协同作用指标和评价方法，建立了协同作用优化模型。基于大量隧道围岩变形和支护结构受力监测数据的统计结果，无论隧道结构体系和外界环境条件如何变化，围岩变形的发展均呈现“开始变形-加速变形-缓慢变形-变形趋稳”的单调递增趋势。支护与围岩的相互作用具有过程特性、周期特性和整体特性三个基本特点，以围岩急剧变形点、初期支护施作和变形稳定为三个关键节点，可将其划分为四个典型阶段，并阐明了各个阶段的作用特点、关键问题和控制要点。最后基于随机场理论编写了考虑围岩参数空间变异性的非侵入式随机分析计算程序，确定了变异系数和波动范围两个重要因素，提炼出了围岩参数空间变异性影响下的四种典型工程效应，即围岩结构性低强度荷载占优效应、围岩结构空间相关各向异性效应、功能函数敏感性差异及非线性效应和功能函数转变分布类型效应。