[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

说明书

一种基于隧道主失效模式筛选下的支护优化设计方法，涉及安全风险评估技术领域，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要失效模式；步骤4、筛选出符合条件的支护方案。本发明考虑隧道围岩参数的不确定性，借助隧道有限元数值模拟结合响应面法和蒙特卡罗法实现了对隧道结构多失效模式下的可靠度分析和多失效模式中主要失效模式的甄选，并针对主失效模式进行了支护结构的优化设计，通过实例证明，本发明有效可行，其对隧道施工风险评估及优化设计具有积极的指导意义。

技术领域

本发明涉及安全风险评估技术领域，特别是涉及一种基于隧道主失效模式筛选下的支护 优化设计方法。

背景技术

隧道工程在其具有高投资、高价值的同时伴随高施工难度、高风险、坍塌后高损失的特 点，这些是由于隧道工程中存在大量不确定性因素所带来的，譬如岩土参数不确定性、支护 结构材料强度不确定性、施工人员素质不确定性等。

现阶段采用较多的经验类比设计方法针对这些不确定性会采用较大安全系数来解决，但 是，安全系数方法依赖于大量的工程经验，会造成较大经济浪费并且不能对不确定因素所导 致的失效风险进行具体分析。然而，以概率为表现形式的可靠度分析方法由于其可以量化分 析不确定性因素所导致的失效风险而得到了较多的认可，基于可靠度分析的设计方法必然具 有很好的应用前景，这就需要有具体的基于可靠度分析的隧道设计或优化设计方法提出。

发明内容

为了解决这些问题，本发明针对采用管棚超前支护、喷锚初期支护及隔墙临时支护的隧 道，同时考虑隧道系统可靠度及施工成本、难度，提出了一种基于隧道主失效模式筛选下的 支护优化设计方法，其基于求得的多失效模式下的隧道失效概率，根据各失效模式之间的相 关性筛选出主失效模式，并针对其进行支护的优化设计。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于隧道主失效模式筛选下的支护优化设计方法，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。

优选的，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。

优选的，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)