复杂条件下隧道支护体时效可靠性及风险管理研究

论文摘要

近几年来，由于隧道及地下空间工程开发逐渐向深埋、长大方向发展，隧道支护结构失稳而导致的隧道工程事故越来越多，究其原因，主要有两方面：一方面是由于大埋深隧道围岩表现出较强的流变特性，其稳定与可靠性有显著的时效特征，但对隧道围岩及支护体时效稳定及可靠性的研究不足；另一方面，目前，在国内还缺乏一套系统的隧道工程风险评估体系，对隧道工程事故缺乏预见性及有效的管理与评估。对此，本文结合国家自然科学基金“隧道与地下空间工程结构物的稳定性与可靠性”项目，以方斗山大埋深隧道开挖工程为工程研究背景，研究了隧道及地下空间工程支护体的时效可靠性及风险管理问题，主要内容包括： （1） 在复杂条件下隧道围岩工程力学特性研究中，首先通过方斗山隧道围岩岩石的单轴、三轴及流变实验和实验结果的曲线拟合及分析，确定了Kelvin-Voigt流变模型作为方斗山大埋深隧道围岩流变模型，并检验了该模型的可行性。 （2） 以Kelvin-Voigt流变模型为理论基础上，推导了隧道围岩与支护体间的接触压力及位移时效方程；定义了支护体时效破坏概率的概念和计算方法，即支护体时效破坏概率等于支护体位移时程曲线与支护体位移阀值的交点到位移时程曲线收敛点间的弧段长比上支护体与围岩发生作用点与位移时程曲线收敛点之间的弧段长；在此基础上，确定了基于“荷载—结构”模型的隧道支护体受拉、受压时效可靠性方程和基于“收敛—约束”模型的隧道支护体时效可靠性方程：并运用自编程序，重点分析了基于“收敛—约束”模型的隧道支护体时效可靠性。 （3） 在理论分析的指导下，在方斗山隧道大埋深段布置了6个监测断面，重点对工字钢拱应力、喷射混凝土与围岩接触压力、喷射混凝土内应力、锚杆轴力、临时钢支撑应力、二次衬砌钢筋应力、二次衬砌与喷射混凝土接触应力以及支护体水平收敛位移及拱顶下沉进行现场监测，并分析了其变化规律。结果表明，运用联合支护形式，方斗山大埋深隧道围岩及支护体历时3个月左右均趋于稳定；初次支护应力小于其极限强度，说明其可靠性较高；二次衬砌上的应力比较小，起到安全储备的作用。监测结果与理论计算结果基本一致。 （4） 在数值模拟分析中，提出了运用“开挖步”实现支护体时间效应的学术思想。运用3D-σ有限元分析程序，对方斗山隧道大埋深段支护体的稳定状态进行模拟分析，确定了隧道断面上初次支护和二次衬砌的水平应力、竖向应力、竖向位移、支护体破坏域、屈服接近度、安全率等的时效变化特征。 （5） 在隧道工程风险管理研究中，对风险损失的表达式进行推导、修正，并运用风险模拟原理，对风险损失的评估结果进行“可信性”验证；在此基础上，结

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出、研究目的及意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的目的及意义
• 1.2 隧道工程可靠性及风险管理研究现状
• 1.2.1 可靠性理论的发展
• 1.2.2 隧道工程可靠性理论研究现状
• 1.2.3 隧道工程风险管理研究现状
• 1.3 传统的隧道工程可靠性计算
• 1.3.1 隧道工程结构功能函数
• 1.3.2 隧道工程结构可靠度
• 1.3.3 隧道工程结构可靠性指标
• 1.4 传统可靠性理论分析大埋深隧道可靠性存在的问题
• 1.5 本文主要研究内容及技术路线
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 技术路线
• 2 复杂条件下隧道围岩工程力学特性研究
• 2.1 工程概况
• 2.1.1 方斗山隧道概况
• 2.1.2 方斗山隧道地质概况
• 2.2 方斗山隧道围岩流变特性试验研究
• 2.2.1 隧道围岩流变理论
• 2.2.2 方斗山隧道围岩力学特性实验研究
• 2.2.3 方斗山隧道围岩蠕变特性实验研究
• 2.3 方斗山隧道围岩流变模型的建立
• 2.3.1 方斗山隧道围岩流变特性
• 2.3.2 方斗山隧道围岩流变模型设计
• 2.4 本章小结
• 3 复杂条件下隧道支护体时效可靠性研究
• 3.1 概述
• 3.2 隧道围岩及支护体粘弹性分析
• 3.2.1 隧道围岩及支护体粘弹特性
• 3.2.2 隧道围岩粘弹性分析
• 3.2.3 隧道支护体粘弹性分析
• 3.3 隧道支护体时效可靠性研究
• 3.3.1 基于荷载——结构模型的时效可靠性分析
• 3.3.2 基于收敛——约束模型的时效可靠性分析
• 3.4 隧道支护体时效可靠实例分析计算
• 3.5 本章小结
• 4 复杂条件下隧道支护体稳定性监测
• 4.1 隧道工程监测的作用及分类
• 4.1.1 监控量测的作用
• 4.1.2 隧道工程监测项目及测点布置
• 4.2 隧道工程围岩分类及其应用
• 4.2.1 隧道工程围岩分类方法
• 4.2.2 方斗山隧道围岩分类
• 4.3 方斗山隧道支护结构及其监测
• 4.3.1 隧道支护体的作用机理
• 4.3.2 方斗山隧道支护结构
• 4.3.3 方斗山隧道支护体监测
• 4.3.4 方斗山隧道支护体受力和应力分析
• 4.3.5 方斗山隧道支护体可靠性分析
• 4.4 方斗山隧道监测结果与理论计算对比分析
• 4.5 本章小结
• 5 复杂条件下隧道支护体可靠性数值模拟研究
• 5.1 概述
• 5.2 隧道支护体数值模拟研究
• 5.2.1 有限元分析软件
• 5.2.2 隧道计算模型建立
• 5.2.3 隧道支护体模拟结果及分析
• 5.3 本章小结
• 6 隧道工程风险管理研究
• 6.1 概述
• 6.1.1 隧道工程风险管理的概念及意义
• 6.1.2 隧道工程风险发生机理
• 6.1.3 隧道工程风险类型
• 6.2 隧道工程风险管理
• 6.2.1 隧道工程风险识别
• 6.2.2 隧道工程风险评估
• 6.2.3 隧道工程风险决策
• 6.3 基于时效可靠性的隧道工程风险评估
• 6.3.1 隧道围岩及支护时效可靠性计算
• 6.3.2 隧道工程风险损失评估的可信性验证
• 6.3.3 基于时效可靠性的隧道工程风险评估
• 6.4 隧道工程风险管理体制的建立
• 6.5 本章小结
• 7 结论与建议
• 7.1 本文主要的研究成果及结论
• 7.2 后续研究工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书