高速鐵路隧道極限狀態設計理論及其套用

《高速鐵路隧道極限狀態設計理論及其套用》是依託北京交通大學，由張頂立擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：高速鐵路隧道極限狀態設計理論及其套用
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：張頂立
• 依託單位：北京交通大學

項目摘要

目前，我國高速鐵路隧道建設取得了舉世矚目的成就，然而隧道工程中的諸多不確定性導致了當前岩體測試技術和數值分析技術的精密性、確定性與圍岩性狀巨觀判斷的模糊性、隨機性之間的矛盾，這也是目前隧道力學分析難以滿足工程需求的根本原因。針對隧道賦存環境的複雜性給隧道結構設計帶來的一系列問題，本項目以隧道“支護-圍岩”系統作用為核心，從典型地質條件下高鐵隧道圍岩的破壞模式和變形特性出發，系統研究隧道支護結構的工作特性，以及支護與圍岩共同作用下隧道結構體系的變形、受力及破壞演化的時空規律；同時對隧道支護與圍岩作用體系中諸因素的變異性進行耦合分析，形成高速鐵路隧道襯砌結構的可靠度設計的基礎；進而建立我國高速鐵路隧道以圍岩變形控制為目標，考慮“支護-圍岩”動態作用特點的極限狀態設計方法。本研究對推動我國高速鐵路隧道結構設計的科學化、精細化、規範化，以及可靠度設計理論的發展具有重要的現實意義和理論價值。

結題摘要

基於對複雜隧道圍岩變形發展和破壞模式的研究，揭示出圍岩變形的分組特性，即圍岩破壞和支護結構荷載變化的不連續性和階段性，圍岩結構包括淺層圍岩和深層圍岩兩部分，圍岩荷載大小取決於結構層變形量的控制標準、淺層圍岩的傳遞剛度以及兩者的耦合作用效果。根據室內試驗結果，圍岩的超前破壞包括正面擠出型、前傾冒落型和後傾冒落型三種基本模式，結合其時空演化特點，以圍岩超前變形、超前破壞和地層加固有效性作為圍岩安全性評價的核心指標建立了包括3個層次9項基礎指標在內的綜合評價體系，並據此將複雜圍岩分為A、B和C三個安全性級別，工程套用效果良好。以圍岩變形過程和支護結構特點為基礎，對隧道施工全過程中支護體系的協同作用原理進行了闡述，並提出了支護體系協同作用指標和評價方法，建立了協同作用最佳化模型。基於大量隧道圍岩變形和支護結構受力監測數據的統計結果，無論隧道結構體系和外界環境條件如何變化，圍岩變形的發展均呈現“開始變形-加速變形-緩慢變形-變形趨穩”的單調遞增趨勢。支護與圍岩的相互作用具有過程特性、周期特性和整體特性三個基本特點，以圍岩急劇變形點、初期支護施作和變形穩定為三個關鍵節點，可將其劃分為四個典型階段，並闡明了各個階段的作用特點、關鍵問題和控制要點。最後基於隨機場理論編寫了考慮圍岩參數空間變異性的非侵入式隨機分析計算程式，確定了變異係數和波動範圍兩個重要因素，提煉出了圍岩參數空間變異性影響下的四種典型工程效應，即圍岩結構性低強度荷載占優效應、圍岩結構空間相關各向異性效應、功能函式敏感性差異及非線性效應和功能函式轉變分布類型效應。