专利名称：：基于风险的隧道支护结构设计方法
技术领域：
：本发明涉及公路隧道支护结构设计的方法，特别涉及一种基于风险的隧道支护结构设计方法。
背景技术：
：我国幅员辽阔，山地众多，近年来随着公路建设的高速发展，岩石隧道数量及建设规模大大增加。随之涌现的各种问题也日益受到人们的关注。与地面结构不同，隧道工程中包含有大量的不确定性因素。这些不确定性因素一方面是结构本身材料的物理性质的不确定性；另一方面是，隧道工程所面对的来自自然环境的和人为施加作用的不确性。这些不确定性因素的存在给隧道工程建设带来极大的风险。隧道设计要对其中涉及到的不确定性因素进行合理评价，才能给出合理的设计。风险管理是近20年才发展起来的一门综合性边缘学科，是处理由不确定性产生的各种问题的一整套方法。应用风险的理念来处理隧道结构设计中的各种不确定性问题，有利于对隧道结构设计中不确定性因素的影响进行定量化分析和评判。基于风险的隧道结构设计可简单定义为从风险理念出发，寻求恰当方法和措施考虑结构设计中涉及到的各种不确定因素，来满足结构总体性能最优的设计理念和方法。设计是隧道建设中的重要一环，对工程建设中及建成后的稳定及造价起着决定性的作用，对于隧道结构设计而言亦是如此。为了保证工程安全，有效地降低整个工程造价及生产运营费用，提出基于风险的隧道结构设计具有重要意义。将风险的理念引入隧道结构设计的工程实践中，将会使隧道的安全和投资控制得到更有力和更全面的保证。符合隧道建设以人为本、节约资源的科学发展要求，因而有长远的理论和工程价值。
发明内容本发明的目的在于提供一种基于风险的隧道支护设计方法。本发明提出的基于风险的隧道支护设计方法，具体步骤如下(l)收集隧址附近的地质资料，确定沿隧道轴向的类似地质单元，根据具体工程情况选用TCM模型、马尔可夫地质预测模型、风险矩阵方法、悲观的地质解释与乐观的地质解释方法或Boringlengthratio评价中任一种方法处理地质勘察中的不确定因素，定量描述各地质单元的物理力学特性；(2)根据各地质单元的物理力学参数，应用现有隧道支护设计方法确定所有可能的隧道支护初步设计方案，并给出对应的施工参数；(3)为考虑围岩及支护参数中的不确定性，根据初步设计方案及其对应的施工参数以及围岩参数的分布，运用蒙特卡洛抽样方法进行抽样生成不同计算方案；以上述计算方案中的参数为输入，利用收敛约束法的计算程序，经运算得到各计算方案的围岩位移及支护应力；建立适合于围岩及支护结构稳定性分析的两个极限状态方程，一是从拱顶下沉，周边收敛的变形角度出发，建立基于变形过大的围岩失稳的极限状态方程；二是从支护受力角度出发，建立基于支护结构失稳的强度极限状态方程；根据极限状态方程对各计算方案的计算结果进行稳定性判断，经统计得到各支护设计方案的失效概率，也即得到了各支护方案风险事故发生的可能性；(4)各支护方案的风险损失类型涉及直接经济损失、工期损失、环境损失和社会损失等。支护方案风险损失估计中，首先根据塌方规模对直接经济损失进行计算，采用层次分析法确定所有可能损失，从而给出各支护方案风险损失的定量化评价；也可以根据可能的塌方规模和直接经济损失的比重给出风险损失的等级(见表1)，结合各支护方案风险发生可能性评价，利用风险矩阵(见表2)，给出相应支护方案风险等级(表2)。表1塌方风险可能损失的等级划分直接经济损失比重塌方规模/m3<100100-300300-10001000-5000>5000〉0.5IIIIIIIVIV0.4-0.5IIImIVIV0.3-0.4IIIIIIIVV0.2-0.3IIIinIVV<0.2IIIIIIVVV表2隧道塌方风险评价的风险矩阵风险可能损失等级风险发生可能性等级不可能i极少n偶尔in很可能IV频繁发生v可忽略的IiiiiII中等的niiniiIII严重的niiiinniIII重大的IViiiniIVIV灾难性的vninniIVIV4(5)隧道结构设计方案的最终决策是基于风险评估结果进行的，在确定合适的支护方案之前，对拟定的各支护方案进行风险评估并确定风险接受标准，由决策者确定合适的支护设计方案。与现有技术相比，本发明具有以下优点(1)将风险的理念引入隧道支护设计中，运用风险分析方法处理隧道支护结构设计中的各种不确定性问题，对隧道结构设计中不确定性因素及其影响进行定量化分析和评判，为隧道支护结构的设计和决策提供技术支持。(2)利用改进的收敛约束法计算不同支护方案情况下的围岩位移和支护应力。改进的收敛约束法可以考虑隧道开挖的空间效应和支护过程中喷混凝土层硬化过程的影响，能够更加准确的计算围岩位移及支护应力，从而使支护设计趋于更加合理。(3)优化隧道支护结构设计方案，避免或减少因支护不当造成的损失，同时便于利用施工过程中的监测数据，在施工过程中检验支护结构的方案的适用性，从而做出相应改进，充分发挥信息化设计施工的优势。具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步说明。实施例l:某隧道全长约6.2公里，采用矿山法施工，隧道结构采用多心圆组合断面形式，宽15.7米，高12.0米。依据上述步骤进行隧道支护结构设计。(1)根据地质资料，隧址处围岩级别为IIV级，隧道穿越4组14条破碎带，按照地质条件的类似性，可沿隧道轴线方向将隧道划分为13个地质单元。利用悲观的预测和乐观的预测方法对隧道穿越的破碎带的宽度进行预测。(2)根据地质勘察报告中给出的围岩级别，利用工程类比法，为每种地质单元作出可能的初期支护设计方案。如针对围岩级别为IVa的地质单元可给出如下支护设计方案表3支护结构参数表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>施工参数为支护紧跟掌子面施作，对于上述三种支护方案的开挖步长分别为0.8m、0.9m、l.Om。(3)假定各地质单元围岩主要参数如弹性模量、摩擦角及粘聚力的概率分布形式为正态分布，根据围岩物理力学试验结果的统计，给出各地质单元的围岩参数及其分布。为简便起见，本实例中仅给出与表3中支护方案对应的地质单元的参数，如表4所示表4地质单元的围岩参数参数均值方差弹性模量(MPa)50050粘聚力(MPa)0.150.02摩擦角(°)25°3Q根据初步支护设计方案、施工参数、围岩参数及其分布，同时考虑支护方案中喷混凝土层厚度的不确定性(根据支护厚度的统计值按照正态分布考虑)，运用蒙特卡洛抽样方法进行抽样，每种支护方案生成1000组计算参数。如针对表3中的支护方案1可生成如下计算方案-表5支护方案1的计算方案计算方案围岩参数支护参数内摩擦角(。)粘聚力(MPa)围岩弹性模量(MPa)支护厚度(cm)12.37E+011.64E-015.42E+02L88E-0122.00E+011.82E-014.95E+021.80E-0132.5犯+011.0犯-014.77E+022.24E-01……………10002.16E+011.54E-014.32E+022.45E-01根据围岩物理力学参数及支护方案，可建立如下稳定性判定准则(a)洞周围岩位移u》0.0067R，其中R为隧道半径；(b)喷混凝土支护内壁的切向应力大于混凝土的抗压强度，即R2凡；以蒙特卡洛抽样生成的计算方案中的参数为输入，利用改进的收敛约束法计算程序，计算得出各计算方案的围岩位移及支护应力，利用上述稳定性判断准则进行判断，经统计分析得到各支护方案的失效概率。经计算可得到表3中3种支护方案的失效概率;v分别为2.31%，2.27%,2.25%。(4)根据隧道规模及已有的统计资料(见表6)，可以推测各地质单元可能发生的隧道塌方规模。因本例中隧道断面较大，可取塌方规模统计值的上限。如表4中所示地质条件对应的塌方规模为可取为7000m3。对于断层破碎带处可能发生的塌方规模推测则要结合断层破碎带的估算宽度进行。表6不同围岩级别对应的隧道塌方规模统计值<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>根据各地质单元塌方规模估计值，以及塌方后所采取措施的单价计算塌方直接经济损失:c=gxi/c(1)式中q为直接经济损失，^为塌方处理的单价。根据塌方规模，利用如下方法估计其他损失相对于直接损失的比重(一1…4;产1…4)(2)式中为不同损失之间的比较标度，其取值见表7;Ci...q分别为直接经济损失、工期损失、环境损失和社会影响损失。表7因素比较标度比较标度含义1两个因素具有相同重要性3两个因素中前者比后者稍微重要5两个因素中前者比后者明显重要7两个因素中前者比后者强烈重要9两个因素中前者比后者极端重要根据比较标度的取值，建立判断矩阵A^(^)^("-4)，利用层次分析法计算得到直接经济损失在所有损失中的比重。如表4的地质条件下，隧道塌方直接经济损失与其他经济损失的比较标度判断矩阵为11/21/31/4.212/31/233/213/4424/31A=(■)4x4=(3)计算矩阵的特征值、特征向量并进行一致性检验，最后得到直接经济损失在整个损失中的比重^为0.125。由直接经济损失值和直接经济损失的比重计算得到塌方总体损失CA=&^/《(4)7结合各地质单元支护方案的失效概率计算各支护方案的风险值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(5)利用各支护方案的风险计算值与工程造价的比例来描述各支护方案的风险，根据隧道结构重要性级别，确定风险接受准则，如认为超过工程造价的0.5%的风险是不可接受的，则凡是不满足此项要求的支护方案首先被排除。最后，将各地质单元对应的各支护方案的造价、风险计算值及对应的施工方案的工期综合为统一的经济指标，最终由决策者根据这一指标及工程各方的风险态度对各地质单元的支护方案做出决策。权利要求1、一种基于风险的隧道支护结构设计方法，其特征在于具体步骤如下(1)收集隧址附近的地质资料，根据地质条件的相似性进行隧址处类似地质单元的划分；根据具体工程情况选用TCM模型、马尔可夫地质预测模型、风险矩阵方法、悲观的地质解释与乐观的地质解释方法或Boringlengthratio评价中任一种方法评价地质勘察中的不确定因素，定量描述各地质单元的特性；(2)根据各地质单元的物理力学指标，利用现有方法给出所有可能的隧道支护的初步设计方案，并给出对应的施工参数；(3)为考虑围岩及支护参数中的不确定性，根据初步设计方案及其对应的施工参数以及围岩参数的分布，运用蒙特卡洛抽样方法进行抽样生成不同计算方案；以上述计算方案中的参数为输入，利用改进的收敛约束法的计算程序，经运算得到各计算方案的围岩位移及支护应力；建立适合于围岩及支护结构稳定性分析的两个极限状态方程，一是从拱顶下沉，周边收敛的变形角度出发，建立基于变形过大的围岩失稳的极限状态方程；二是从支护受力角度出发，建立基于支护结构失稳的强度极限状态方程；根据极限状态方程对各计算方案的计算结果进行稳定性判断，经统计得到各支护设计方案的失效概率，也即得到了各支护方案风险事故发生的可能性；(4)对各支护方案的风险损失进行评估；损失类型涉及直接经济损失、工期损失和环境损失和社会影响损失；首先对塌方规模进行估计，根据塌方规模估计直接经济损失；采用层次分析法确定直接经济损失在所有损失中所占比重，从而计算所有可能损失，给出各支护方案风险损失的定量化评价；或根据可能的塌方规模和直接经济损失的比重给出风险损失的等级或利用风险矩阵给出相应支护方案风险等级；(5)隧道结构设计方案的最终决策是基于风险评估结果进行的，在确定合适的支护方案之前，对拟定的各支护方案进行风险评估并确定风险接受标准，由决策者确定合适的支护设计方案。全文摘要本发明涉及一种基于风险的隧道支护结构设计方法。该方法包括三大环节隧道支护结构初步设计方案的拟定，各支护方案的风险评估，支护方案决策分析。该方法应用概率方法和风险分析模型对围岩物理力学指标及地质勘察中的不确定性加以定量描述；根据围岩级别给出支护的初步设计方案；考虑隧道开挖的空间效应以及喷混凝土支护的硬化过程对收敛约束法进行改进，运用改进的收敛约束法计算程序对拟定支护设计方案进行分析，给出不同施工参数情况下支护和围岩的失效概率；然后对支护设计方案进行风险评估，确定事故风险接受标准，由决策者确定合适的支护设计方案。本方法将风险的理念引入工程实践中来处理隧道结构设计中的各种不确定性问题，有利于对隧道支护结构设计中不确定性因素的影响进行定量化分析和评判，将会使隧道的安全和投资控制得到更有力和更全面的保证。文档编号E21D11/00GK101634229SQ20091005670公开日2010年1月27日申请日期2009年8月20日优先权日2009年8月20日发明者坚吴,燕王,薛亚东,黄宏伟申请人:同济大学