铁路隧道衬砌结构分项系数的优化分析研究

研究目的:采用带有分项系数的实用设计表达式,不仅能继承传统结构设计式的形式,而且能体现结构设计对目标可靠指标的要求,是应用可靠指标衡量结构设计安全水平的重要途径。本文根据铁路隧道衬砌结构的受力特点和材料性能,采用混凝土衬砌结构抗压、混凝土衬砌结构抗裂和钢筋混凝土衬砌结构三种极限状态设计式建立"荷载-结构"模型。研究结论:利用Monte-Carlo随机有限元的方法分析铁路隧道衬砌结构作用效应的统计特征,根据材料特性分析抗力的概率统计特征以及计算可靠指标与目标可靠指标差值最小化的原则,分析得到:(1)铁路隧道衬砌结构检算时,围岩压力分项系数为1.4,自重荷载分项系数为1.2;(2)钢筋混凝土、混凝土抗压、混凝土抗裂三种工况下的调整系数分别为1.05、1.85、2.35;(3)该研究结果可为《铁路隧道设计规范》的修订提供理论依据。     

铁路隧道概率极限状态设计分项系数标定与讨论

目前，我国结构设计规范中广泛采用以荷载和抗力分项系数代表概率可靠性的概率极限状态设计方法。然而，在Eurocode 7等岩土工程结构的设计规范及相关研究中，对荷载与抗力分项系数方法，即以一组固定分项系数来保证不同工况下工程结构可靠性提出质疑。基于多年来我国铁路隧道衬砌结构概率极限状态设计的研究成果与应用情况，进一步细化不同围岩分级、埋深和衬砌类型的分项系数标定，共标定28种工况下衬砌结构设计的分项系数；分别采用本文、《铁路隧道极限状态法设计暂行规范》和《铁路隧道设计规范》的衬砌结构可靠性与安全性评价指标，对京张高铁八达岭隧道8种工况下设计方案的安全性与可靠性进行对比分析，不同工况下的隧道衬砌结构设计可靠指标与安全系数差异较大，说明荷载与抗力分项系数方法在铁路隧道衬砌可靠性设计中的稳健性较差。建议在隧道设计规范层面应逐步开展基于概率可靠性地勘和计算两阶段的研究，并提出铁路隧道设计方法转轨的部分建议。     

铁路隧道复合式衬砌极限状态设计研究

研究目的:随着我国隧道设计施工技术的不断发展,现行《铁路隧道设计规范》规定的极限状态设计法在实际应用中逐现不足,为更好地将可靠度理论应用于实践,本文以铁路隧道复合衬砌部颁通用图为研究对象,对铁路隧道复合式衬砌极限状态设计进行研究。研究结论:(1)建立了更具实用性的铁路隧道衬砌极限状态设计表达式,表达式中不直接含有基本变量的标准值、作用效应和抗力分项系数,但却体现了结构可靠性要求;(2)提出了新的分项系数优化原则与确定方法,并给出了相应的调整系数;(3)当结构自重分项系数取1.0、围岩压力分项系数取1.4时,各类型复合式衬砌的可靠指标与目标可靠指标取得良好的一致性;(4)该研究成果可直接指导铁路复合衬砌极限状态设计并为《铁路隧道设计规范》的修订提供依据。     

基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计

研究目的：客运专线铁路隧道结构设计中往往会碰到水荷载作用计算难题，考虑抗水压衬砌结构设计仍然是隧道设计与研究热点之一。为检验隧道衬砌结构设计的安全性及防水性，有必要对抗水压衬砌设计结构进行内力计算。研究方法：针对金沙洲隧道特定地质条件和工程设计要求，采用基于有限单元法的荷载结构模型，对按围岩类别设计的3种隧道断面衬砌结构受力进行数值模拟。研究结果：研究得到了衬砌外水压力以及结构内力及分布特征，并验算了衬砌结构的安全系数。通过对计算结果分析验证，选出了各自围岩级别下合适的衬砌结构。研究结论：在全断面封闭排水的衬砌结构设计中，应着重考虑发挥混凝土的抗压性能；在富水区地下水头较大时。采用帷幕注浆法改善堵水圈的渗透系数，可有效降低衬砌的外水压力；选择仰拱外轮廓隅角半径、仰拱与曲边墙的连接处的半径以及仰拱厚度作为控制变量，可以改善衬砌结构受力特征。     

软土隧道衬砌结构的可靠性设计方法

以可靠度理论为基础,对软土隧道预制混凝土管片衬砌结构的可靠性设计方法进行了初步探索,包括：软土隧道预制混凝土管片衬砌结构的失效模式与极限状态方程,土性参数、混凝土的力学性质、荷载效应等随机变量的统计分析,可靠度指标与分项系数的计算,以分项系数表示的设计表达式的提出等,以期对软土隧道的设计进入概率极限状态设计阶段起到抛砖引玉的作用。     

考虑水荷载作用的铁路隧道衬砌结构设计

采用室内模型试验方法,通过改变围岩注浆圈模拟介质的渗透系数,进行10组铁路隧道衬砌结构的水荷载折减系数测试试验,研究水荷载折减系数与注浆圈综合渗透系数的关系。试验结果表明,当围岩注浆圈渗透系数小于10-5cm.s-1时,水荷载折减系数取0~0.3为宜;反之,取值为0.3~1。按考虑水荷载和不考虑水荷载两种受力模式对隧道衬砌结构进行计算分析结果表明,存在较大水荷载作用的隧道衬砌结构设计不宜套用标准图,建议采用钢筋混凝土圆形衬砌结构。     

深埋隧道素混凝土衬砌可靠度计算模型研究

采用拉丁超立方抽样技术,研究了围岩压力及结构自重作用下基于荷载—结构模型的素混凝土衬砌可靠度计算模型、作用效应及结构抗力的分布类型和统计特征。隧道衬砌的功能函数可归纳为作用效应和结构抗力两个综合随机变量。研究结果表明,作用效应和结构抗力的概率分布类型直接影响到衬砌可靠度指标计算方法和计算结果的合理性。根据经验判断,隧道素混凝土衬砌的作用效应的概率分布类型为正态分布,结构抗力的概率分布类型可能是正态分布,也可能是对数正态分布。隧道衬砌可靠度指标计算时需要严格判断各截面的抗力分布类型。     

重力式挡土墙可靠度设计方法研究

研究目的：为《铁路路基支挡结构设计规范》按可靠度方法进行修订编制提供依据。 研究方法：采用理论研究、试验分析、计算统计以及校核分析相结合的方法。 研究结果：建立了重力式挡土墙基于可靠度理论的设计表达式；计算并统计了按现行规范设计的挡土墙可靠指标；推荐了目标可靠指标建议值、荷载分项系数和抗力分项系数参考值；提出了重力式挡土墙可靠度理论的设计原则和计算方法。 研究结论：选取的目标可靠指标能满足工程安全要求；按本课题提出的设计方法设计出的挡墙尺寸，与传统方式的计算结果接近；荷载分项系数的取值与美国规范相近。课题研究所提出的重力式挡墙设计公式、目标可靠指标及分项系数建议值，可作为《铁路路基支挡结构设计规范》修订的参考。     

铁路混凝土抗压疲劳设计参数研究

根据我国铁路混凝土强度的已有统计结果,对混凝土抗压疲劳设计参数进行研究。利用抗力灵敏度系数0.8反推铁路混凝土抗压疲劳设计目标可靠指标为3.5,进而得到抗压混凝土的疲劳抗力分项系数为1.45,疲劳荷载分项系数为1.0。研究结论为修正和完善铁路混凝土抗压疲劳设计提供了依据。     

外水压力对渭河隧道下穿河谷段衬砌结构的影响研究

由于我国复杂的地形地质条件许多山岭隧道修建在地下水丰富的地区,但是目前铁路、公路隧道设计规范并未对衬砌承受水荷载的计算方法予以明确规定,隧道结构设计常采用全水压力或经验方法,导致设计不合理或过于保守。针对这种情况,本文以渭河隧道为工程背景,利用有限差分法对下穿河道的隧道进行流固耦合数值模拟分析,得出考虑外水压力时衬砌设计应采用的折减系数;同时,将考虑与不考虑外水压力条件下结构受力进行对比分析,得出了外水压力对隧道衬砌结构受力的影响,可供类似工程设计及施工参考。     

盾构隧道地层抗力系数的修正计算方法研究

研究目的:地层抗力系数的合理取值对于盾构隧道管片衬砌结构的设计的合理性、安全性至关重要。鉴于此,本文从既有的盾构隧道地层抗力计算方法出发,通过引入荷载修正和断面不同位置修正的系数ξ,考虑地层中隧道结构与地层的相互作用,推导出基于简化二向不等地应力场假定的地层抗力系数的修正计算公式,并与既有地层抗力系数的计算方法及现场实测数据进行对比分析,对该修正计算方法进行验证。研究结论:(1)采用本文得到的地层抗力系数修正计算方法与Muir Wood方法、Plizzari-Tiberti方法等三种地层抗力理论算法下管片衬砌结构受力分布规律基本相同,但内力的量值有所差异;(2)三种算法下最大正负弯矩对应轴力均与现场实测结果相差不大,采用本文方法管片结构弯矩偏差明显小于其他两种方法;(3)本研究成果可为盾构隧道结构分析中地层抗力系数的合理取值提供有益参考。     

基于可靠度理论的铁路隧道复合式衬砌结构设计软件研究及应用

《铁路隧道设计规范(极限状态法)》(Q/CR 9129—2018)使得概率极限状态法在铁路隧道结构设计领域得到迅速发展,但常规计算中引用的经验值“荷载分担比”对结果有很大影响,可建立初期支护与二次衬砌共同作用的复合式衬砌模型避免其影响。为了排除“荷载分担比”的模糊影响、实现独立进行复合衬砌结构设计,开发了铁路隧道复合式衬砌结构设计的专业软件CLAS,该软件支持对单层衬砌模型和复合衬砌模型进行3种设计方法计算,包括破损阶段法、极限状态法、可靠度分析。该软件由软件界面、前处理、截面检算、可靠度分析、后处理5部分组成。前处理支持导入AutoCAD文件完成几何建模;截面检算可采用破损阶段法和极限状态法,实现内力分析、安全性检算和配筋计算;可靠度分析提供JC法和蒙特卡罗法的计算;后处理提供结果数值导出与云图显示、计算报告生成功能。工程应用表明,CLAS功能全面、操作简单,精度满足工程要求;“荷载分担比”经验值对二次衬砌拱顶处的荷载有明显低估,复合衬砌模型能更有效地反映衬砌结构的受力情况。     

中日德铁路山岭隧道设计对比研究

为更好、更经济地修建铁路山岭隧道，完善中国铁路隧道标准体系，将中国与同样采用复合式衬砌隧道的典型国家——日本及德国关于铁路山岭隧道结构设计进行对比分析，分析项目包括三国铁路隧道标准体系、荷载计算以及结构设计理念及方法。研究结果表明：(1)中德日都形成了比较完备、相似、系统的隧道设计标准体系；(2)中德日铁路隧道均采用新奥法理念，但结构体系不同，中国在Ⅳ～Ⅵ级围岩下利用荷载分担比的概念考虑二衬的作用，德国则只在运营期考虑二次衬砌的承载作用，日本则是将二次衬砌作为安全储备；(3)设计方法大体相似，区别在于德国隧道按逐个隧道工点设计，中国、日本颁布了通用参考图按标准化设计，德国针对性更强，中国日本效率更高。     

隧道衬砌结构体系可靠度研究

针对隧道二次衬砌结构,从其在围岩荷载作用下的内力分布出发,建立了衬砌结构的串并联体系,由此确定其体系失效模式,进而以蒙特卡罗-随机有限元法为基础,充分考虑材料性能参数、几何尺寸、围岩弹性抗力系数及荷载等的随机性影响,采用区间估计的"宽界限法"对隧道衬砌结构的体系可靠度进行了分析。最后结合一典型工程实例对隧道结构体系的可靠指标进行了计算,计算结果表明:尽管隧道衬砌结构存在局部截面的可靠指标较小,但其体系可靠指标仍较高,整个隧道衬砌结构处于安全状态。     

铁路隧道洞门目标可靠度及分项系数确定方法

研究目的:铁路隧道洞门受力复杂、断面变化大,洞门可靠度研究少。研究隧道洞门目标可靠度及分项系数计算方法可为铁路隧道洞门的可靠度设计提供参考。研究结论:(1)目标可靠指标由各极限状态中最小的可靠指标决定,目标可靠度分项系数基于目标可靠指标求得;(2)目标可靠指标计算中,不同计算方法计算结果有差异,通过对三种适用于铁路隧道洞门目标可靠指标计算方法进行分析比较和结合实例计算,认为分位值法相对比较简便实用,可用于隧道洞门目标可靠指标的计算;(3)明确了分位值法计算铁路隧道洞门目标可靠指标分项系数的详细计算过程,并通过实例计算验证了分位值法计算分项系数的可行性;(4)土压力分项系数对铁路隧道洞门各极限状态均有影响且最大,因此应加强隧道洞门土压力统计特征研究;(5)本文提出的铁路隧道洞门目标可靠度及分项系数确定方法,可直接用于铁道隧道洞门结构设计。     

复合式衬砌隧道的总安全系数设计方法探讨

研究目的:铁路、公路等交通隧道常采用复合式衬砌,其中初期支护一般采用地层-结构法或工程类比法进行设计,二次衬砌采用荷载-结构法进行设计,由于二者采用的分析方法不同,难以统一评价整体结构的安全性。现有隧道设计规范仅提出了二次衬砌的安全系数要求,但复合式衬砌并非单一结构,有必要研究初期支护和二次衬砌的总安全系数。同时为建立总安全系数设计法,有必要研究初期支护的荷载-结构模型。研究结论:(1)对于采用喷锚支护的复合式衬砌隧道结构,围岩压力随埋深的增加而增加,隧道支护参数应根据埋深进行相应调整;(2)采用荷载-结构模型可以建立复合式衬砌初期支护和二次衬砌的统一设计方法;(3)复合式衬砌隧道的总安全系数应包含初期支护和二次衬砌各自的贡献,当二次衬砌为钢筋混凝土时,总安全系数建议不低于3.0,否则不低于3.6;(4)不同设计方法所建议的初期支护和二次衬砌的安全系数分配可按表2采用;(5)采用本文设计方法对现有高速铁路隧道结构安全性进行再分析,结果表明,在埋深为300 m左右时,Ⅲ、Ⅳ级围岩支护参数有进一步优化的空间;(6)本研究结果可为复合式衬砌隧道结构设计提供思路和方法。     

土的侧向压力对盾构隧道衬砌圆环内力的影响

通过采用荷载结构模式中连续的自由变形圆环法，对某城市地铁区间隧道衬砌圆坏内力的计算，发现土的侧抗力、侧土压力值对内力影响很大，特别是对弯矩的影响，这将对工程造谷产生很大影响，提出如将抗力系数取为实验值1／4到1／6，或土压力系数稍高于静止土压力系数，将侧向抗力和侧向土压力综合考虑，内力计算结果将是合理的。     

Ⅴ级围岩深埋双线铁路隧道衬砌结构设计影响因素分析

基于地层-结构和荷载-结构理论分别建立了数值计算模型,研究了仰拱矢跨比、侧压力系数、弹性反力系数对隧道开挖稳定性、二次衬砌承载性能的影响规律。结果表明:随着仰拱矢跨比增大,隧道因开挖引起的洞周位移减小,二次衬砌弯矩减小,轴力增大,安全系数增大;增大侧压力系数或弹性反力系数,均可提高二次衬砌结构的安全系数。建议在隧道结构设计中,岩性较好时可采用小矢跨比的仰拱结构,岩性较差时可采用大矢跨比的仰拱结构;为确保结构安全性,同一围岩级别下侧压力系数和弹性反力系数可选择规范中的下限值。     

客运专线隧道断面方案研究和优化设计

研究目的:客运专线铁路隧道的建设在我国尚属首次,其断面选型和结构设计无成熟经验可以参考,原设计的时速250 km客运专线隧道衬砌断面和时速350 km客运专线隧道衬砌断面有不足之处。为满足客运专线隧道建设的需要,需要对客运专线隧道断面形式和结构进行优化设计研究。研究方法:广泛调研国外高速铁路隧道设计方案和施工经验,从隧道结构受力条件、排水系统布设及工程量大小等方面进行多方案比选研究。研究结果:合理选定了时速250 km客运专线隧道衬砌断面和时速350 km客运专线隧道衬砌断面形式,进一步优化了衬砌结构设计。研究结论:通过客运专线隧道断面研究和优化设计工作,克服了原设计客运专线铁路隧道衬砌断面的缺点。优化后的隧道衬砌断面具有受力更加合理、救援通道的使用更加方便、减少了隧道断面工程数量等优点。     

爆破振动对邻近铁路隧道衬砌结构的影响北大核心

依托海南西环铁路新建隧道爆破工程,选择三角形等效爆破荷载模拟爆破过程。结合现场爆破振动监测,验证隧道爆破三维模型的准确性。进而逐级提高爆破荷载,分析5、10、15、20、25倍五种爆破荷载工况下,隧道围岩塑性区分布情况、既有铁路隧道衬砌结构的爆破振动速度和拉应力变化规律。结果表明:新建隧道爆破开挖时,既有隧道衬砌结构迎爆侧拱肩爆破振动合速度最大,仰拱一直处于受拉状态;随着爆破荷载不断提高,隧道围岩塑性区范围不断扩大,既有隧道衬砌结构最大爆破振动速度和最大拉应力均不断增大;当采用20倍爆破荷载作用时,既有隧道衬砌结构迎爆侧边墙最大爆破振动速度为29.90 cm/s。