[发明专利]一种基于隧道主失效模式筛选下的支护优化设计方法

权利要求书

1.一种基于隧道主失效模式筛选下的支护优化设计方法，其特征为：包括如下步骤：

步骤1、建立隧道开挖数值分析模型；

步骤2、确定隧道结构的多个失效模式并利用响应面法和蒙特卡罗法求解其单一及系统失效概率；

步骤3、根据各失效模式之间的相关性筛选出主失效模式；

步骤4、针对主失效模式关联的支护结构进行单一或组合优化，以系统失效概率和施工的成本、难度为优化控制标准，给出系统失效概率限值和支护参数范围，筛选出符合条件的支护方案。

2.如权利要求1所述的一种基于隧道主失效模式筛选下的支护优化设计方法，其特征为：所述的步骤1中，建立隧道开挖数值分析模型的方法为：根据工程地质勘查报告及相关文献确定隧道开挖断面的弹性模量、粘聚力、内摩擦角、容重与泊松比的统计值，根据《地下铁道工程施工质量验收标准》(GB/T50299-2018)以及隧道监测方案确定隧道开挖断面变形限值以及支护结构承载力，根据支护设计方案及施工方案建立隧道开挖有限元数值模型进行有限元数值模拟。

3.如权利要求2所述的一种基于隧道主失效模式筛选下的支护优化设计方法，其特征为：所述的步骤2包括如下具体步骤：

具体步骤A1、根据隧道结构的变形限值及支护结构内力大小可以确定隧道结构的n个与支护结构相关联的失效模式f_i，(i＝1,2,…,n)；

具体步骤A2、建立各单一失效模式所对应的极限状态函数g_i(x)及系统极限状态函数G(x)，借助响应面法和蒙特卡罗模拟求解各单一失效概率P_fi及系统失效概率P_f,sys，其中，单一失效模式所对应的极限状态函数g_i(x)的计算公式如下所示：

g_i(x)＝A_i(x)-Y_i(x) (1)

式中：g_i(x)：单一失效模式f_i所对应的的极限状态函数；A_i(x)：与f_i相对应的限值；Y_i(x)：与f_i相对应的有限元模型计算值；

系统极限状态函数G(x)的计算公式如下所示：

式中：G(x)：隧道系统极限状态函数；g_i(x)：单一失效模式f_i所对应的的极限状态函数；任意g_i(x)均大于等于0；存在g_i(x)小于0。

4.如权利要求3所述的一种基于隧道主失效模式筛选下的支护优化设计方法，其特征为：所述的具体步骤A1中，所述的失效模式包括：与管棚控制变形能力相关联的隧道拱部变形超限、与锚杆支护能力相关联的锚杆承载力不足及与隔墙支护能力相关联的隔墙承载能力不足。

5.如权利要求4所述的一种基于隧道主失效模式筛选下的支护优化设计方法，其特征为：所述的步骤3包括如下具体步骤：

具体步骤B1、确定单一失效概率P_fi(i＝1,2,…n)中的最大值，其相应的失效模式记为第一主失效模式，依据第一主失效模式不发生时其他失效模式出现的次数，找出失效次数最大者，记为第二主失效模式，统计第一、二主失效模式均不发生时其他失效模式出现的次数……，以此类推，直至不再有失效样本出现，这样可将筛选出的失效模式依次记为第一、二、……、N(N≤n)主失效模式，其他失效模式记为普通失效模式。

6.如权利要求5所述的一种基于隧道主失效模式筛选下的支护优化设计方法，其特征为：所述的步骤4包括如下具体步骤：

具体步骤C1、针对主失效模式所关联的支护结构提出具体的优化措施，以降低系统失效概率：1、针对锚杆承载力不足失效：在采用加长锚杆同时考虑施工可行性引入锚杆施工可行性系数k_bolt，锚杆长度L应符合公式(3)要求；2、针对拱部变形超限失效：采取增加管棚加固区厚度H以增加其控制变形能力，同时为降低施工成本及难度，应使加固区厚度H在满足失效限制要求的前提下尽可能小；3、针对隔墙承载能力不足失效：采取增加隔墙宽度D的方法，考虑施工成本，在满足失效限制要求的前提下选取较小宽度；

L≤k_boltR (3)

式中：L：锚杆长度；k_bolt：锚杆施工可行性系数，根据《铁路隧道设计规范TB 10003-2016》中隧道跨度规定，大跨度取0.9，中跨度取0.85，小跨度取0.8；R：隧道开挖洞径或导洞洞径；

具体步骤C2、给出隧道系统失效概率限值P_f,limit，根据具体步骤C1所述的支护优化措施，单一或组合优化支护结构，直至隧道系统失效概率低于限值P_f,limit。