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。     

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。     

铁路隧道钢筋混凝土衬砌结构可靠度分析

研究目的:针对现行《铁路隧道设计规范》中钢筋混凝土构件极限状态方程存在的不足,本文细分钢筋混凝土衬砌中钢筋的各种受力状态,并寻求更精确适用的功能函数及可靠度计算方法,为按可靠度理论修订《铁路隧道设计规范》提供参考。研究结论:(1)基于荷载-结构法模型,通过调研分析得出钢筋受力状态判断的界定方程,建立了适用于隧道钢筋混凝土衬砌结构的大、小偏心受压构件的功能函数及极限状态方程;(2)根据钢筋混凝土衬砌功能函数,应用JC法基本原理,通过分析推导提出一套钢筋混凝土衬砌结构可靠度分析方法,并在铁路隧道标准图衬砌可靠指标计算中得到成功验证;(3)本文提出的钢筋混凝土衬砌的功能函数及可靠度分析方法可直接指导铁路隧道钢筋混凝土衬砌设计。     

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。     

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。     

铁路隧道混凝土强度参数取值探讨

现行《铁路隧道设计规范》中采用的混凝土极限强度与《混凝土结构设计规范》不一致，现行《铁路混凝土强度检验评定标准》中也没有给出混凝土极限强度的定义及检验方法，上述问题给铁路隧道结构设计带来困扰。采用调研与计算相结合的方法，对混凝土极限强度的由来和极限强度与强度标准值关系开展了分析论证，研究结果表明：铁路隧道结构设计中采用的混凝土极限强度最早来源于202组棱柱体混凝土试件的试验统计结果；混凝土极限强度与混凝土强度标准值存在数值对应关系，但两者的保证率不同(混凝土极限强度的保证率为84%,而混凝土强度标准值的保证率为95%);若铁路隧道结构统一采用混凝土强度标准值进行设计，对于钢筋混凝土衬砌无影响，对于素混凝土衬砌会导致衬砌厚度增大；《铁路隧道设计规范》中混凝土强度参与宜与《混凝土结构设计规范》中的规定相统一，这样即可保证隧道结构与其它结构的可靠性的一致性，也可消除的混凝土强度检验无标准可参照的困扰。     

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。     

铁路隧道洞门体系极限状态及可靠度研究

研究目的:铁路隧道洞门结构体系受力极为复杂,本文从结构可靠度理论出发,建立一套系统完善的铁路隧道洞门极限状态研究方法,为铁路隧道洞门的设计和规范转轨提供参考。研究结论:(1)铁路隧道洞门结构体系可靠度是串联系统,可通过失效概率或可靠指标进行度量,采用近似方法计算铁路隧道洞门结构的可靠度是一种有效而实用的途径;(2)提出铁路隧道洞门体系可靠度分析和计算方法,实现了铁路隧道洞门的可靠度分析计算,并通过实例进行了验证,通过对时速为140 km单线铁路隧道端墙式洞门的安全概率进行计算,其安全概率在99.22%以上,倾覆极限状态是隧道洞门结构失效主要控制模式;(3)本文提出的铁路隧道洞门极限状态设计方法,可直接指导铁路隧道洞门设计。     

铁路隧道衬砌极限状态法设计软件开发及应用

目前,铁路隧道设计方法已由安全系数法向极限状态法转轨,但缺乏隧道衬砌结构极限状态法设计专用软件,衬砌设计仍需采用多软件协同作业的传统方法完成,过程繁琐,效率较低.提出基于VB6.0开发的铁路隧道衬砌极限状态法设计软件的构建思路、软件功能、软件模块及操作流程,介绍软件在铁路隧道极限状态法转轨工作中的应用成果.该软件集建模...     

铁路隧道衬砌质量综合检测与安全性评定实例

为满足铁路电气化改造的需求,在病害调查的基础上,采用地质雷达法、超声回弹综合法结合钻芯法,对铁路隧道混凝土衬砌进行综合检测,并根据衬砌缺陷和病害的量化指标,分段评定隧道衬砌缺陷及病害的等级。结合隧道工程地质、水文地质等因素综合评定该段隧道衬砌的安全等级,按各段中病害最严重地段的安全等级确定该座隧道衬砌的安全等级。最后,根据不同的病害类型提出了具有针对性的治理措施建议。