隧道衬砌设计过程中,必须科学合理地应对围岩物理力学参数、支护材料性能等的变异性,才能保证衬砌安全、经济、可靠。当前铁路隧道设计规范以破损阶段法和容许应力法为主,将单一安全系数应用于不同围岩条件、不同衬砌类型的设计,造成一定的材料浪费和安全风险。铁路隧道近似概率极限状态设计的研究多直接引用其它工程结构的研究成果,缺乏对衬砌抗力和作用效应的详细研究,存在部分概念模糊和统计数据可信度不高的情况。另外,隧道衬砌可靠指标计算广泛采用JC法,忽略了衬砌受力状态的不确定性,计算步骤不够严谨,计算结果可能存在偏差。鉴于此,本文以时速350km、250km客运专线铁路双线、单线隧道复合式衬砌为研究对象,提出了隧道衬砌可靠指标的优化计算方法,明确衬砌抗力和作用效应的概念和计算方法,对以分项系数形式表达的高速铁路隧道衬砌概率极限状态设计进行了研究。主要工作及研究结论如下:(1)采用Monte Carlo方法,抽样计算高速铁路隧道28种衬砌的力学响应,得到各单元轴力、弯矩及偏心距的统计特征和分布类型;利用MATLAB编制了有约束可靠指标优化的求解程序,通过与JC法求解的对比分析,证明了 Global Search函数良好的寻优性能和实用性;计算得到各类衬砌的可靠指标,说明通用参考图中设计存在过于保守和可靠性过低的情况;拱顶位置可靠指标最小,且全为抗拉或大偏心受压的受力状态。(2)从结构抗力的基本概念出发,以偏心距作为基本变量对衬砌抗力进行推导,考虑衬砌受力状态的不确定性,分析了偏心距对素混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌抗力的影响;抽样计算得到各类衬砌不同受力状态的抗力统计参数,衬砌抗力基本符合对数正态分布,不同衬砌的抗力均值系数和变异系数均不同,与建筑结构构件抗力统计参数相比具有显著差异。(3)明确了本研究框架下衬砌作用效应的具体意义,抽样计算得到各类衬砌分别在衬砌自重、围岩压力作用下的作用效应,均基本符合正态分布,变异性较小,多低于5%;自重和围岩压力的作用效应比值一般较小,围岩条件越差,作用效应比值越小,深埋情况下的比值多大于浅埋情况。在作用效应比值范围内,作用效应比值对可靠指标的影响很小,并对作用效应均值系数的意义进行讨论和说明,确定其值。(4)通过分项系数优化实例说明了衬砌抗力和作用效应统计参数的意义;根据衬砌结构实用设计表达式和分项系数的确定原则,采用枚举优化法,计算得到适用于时速350km、250km客运专线铁路双线和单线隧道衬砌设计中承载能力验算的分项系数组合;自重和围岩压力分项系数分别为1.2和1.4,抗力分项系数随围岩条件和衬砌类型不同而变化。(5)针对新八达岭隧道几何参数和地质条件,依《铁路隧道设计规范》、《铁路隧道极限状态法设计暂行规范》和本文研究成果分别开展不同围岩条件下的隧道衬砌设计,对三类设计方案的安全性和可靠性水平进行对比分析,并根据全概率可靠性分析结果给出适用于该隧道的抗力分项系数推荐值。
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