往復(fù)動(dòng)載下明挖隧道結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)

張祖迪, 王玉鎖, 盧雅欣, 肖宗揚(yáng), 何鎖宋, 張 瑞

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610031)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,快速交通網(wǎng)絡(luò)正處于高速發(fā)展時(shí)期,由市政公路、軌道交通及飛機(jī)等交通方式組成的復(fù)雜城市交通線路在交織時(shí),難免會(huì)產(chǎn)生重疊、近接等情況,而無可避免會(huì)出現(xiàn)多動(dòng)載耦合情況,這無疑會(huì)給隧道結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)帶來極大挑戰(zhàn),為此,評(píng)價(jià)多動(dòng)載往復(fù)作用下隧道結(jié)構(gòu)的可靠性,以滿足運(yùn)營(yíng)安全需求,是隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亟待解決的難題。

針對(duì)運(yùn)營(yíng)期間動(dòng)載作用下隧道結(jié)構(gòu)可靠性問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了一定的研究。謝楠等[1]采用隨時(shí)間衰減的抗力模型模擬二次襯砌抗力的劣化,采用連續(xù)介質(zhì)模型+響應(yīng)面法求解荷載效應(yīng),用不等寬的脈沖隨機(jī)過程近似描述抗力,提出100年設(shè)計(jì)使用期內(nèi)可靠度的計(jì)算公式。楊建國(guó)等[2]基于熵權(quán)的模糊物元分析方法,把隧道結(jié)構(gòu)的狀態(tài)級(jí)別作為物元的事物,用襯砌裂縫、混凝土強(qiáng)度、襯砌背后空洞等評(píng)價(jià)指標(biāo)及其相應(yīng)的模糊量值構(gòu)造復(fù)合模糊物元,通過關(guān)聯(lián)度計(jì)算,得到服役公路隧道可靠性評(píng)價(jià)結(jié)果。李小勇[3]基于隧道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選取5個(gè)指標(biāo)作為城市隧道結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)依據(jù),建立了基于單指標(biāo)可靠性等級(jí)評(píng)價(jià)的多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)模型。歐爾峰[4]考慮圍巖荷載和列車振動(dòng)荷載共同作用,分析研究高速鐵路黃土隧道列車振動(dòng)響應(yīng)的極值分布,采用JC法計(jì)算分析高速鐵路黃土隧道結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo),來評(píng)價(jià)其安全性。

綜上所述,對(duì)于運(yùn)營(yíng)期間隧道結(jié)構(gòu)可靠性研究,目前已取得了一定的成果,但主要集中在列車荷載作用下的單體隧道結(jié)構(gòu)可靠性研究,對(duì)于多種類往復(fù)動(dòng)載作用下多跨復(fù)雜斷面明挖隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期可靠性評(píng)價(jià)方法,還缺乏相關(guān)研究,而這無疑也給相關(guān)地區(qū)地鐵隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全性評(píng)估及線路的維保帶來了諸多不便。在此背景下,本文以成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)為例,結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出評(píng)價(jià)多種類往復(fù)動(dòng)載下結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)方法,以滿足運(yùn)營(yíng)安全需求。

1 往復(fù)動(dòng)載下基底累積沉降預(yù)測(cè)模型

土體在長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下的變形特性是研究土體在多種運(yùn)行荷載作用下的累積沉降以及動(dòng)力穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。為了研究土體在多種運(yùn)行荷載作用下的累積沉降規(guī)律,首先必須研究土體在循環(huán)荷載作用下的長(zhǎng)期變形特性,這樣才能給實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供比較可靠地設(shè)計(jì)依據(jù)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者根據(jù)土體循環(huán)動(dòng)力特性試驗(yàn)提出了基于第一次循環(huán)變形的計(jì)算模型,最常用的是Monismith[5]在總結(jié)前人研究成果基礎(chǔ)上提出的簡(jiǎn)單指數(shù)模型見式(1)。

εp=A×Nb

(1)

式中:εp為累積塑性應(yīng)變,N為循環(huán)加載次數(shù),A和b為地基特性參數(shù),對(duì)于復(fù)雜多層土體時(shí),參數(shù)取值離散性大。

Li 和 Selig[6]改進(jìn)了對(duì)參數(shù)A的確定見式(2)。

(2)

于是Li和Selig改進(jìn)后的累積塑性應(yīng)變公式為式(3)。

(3)

Chai和Miura依據(jù)Samnag試驗(yàn)結(jié)果,考慮土體地應(yīng)力影響,假設(shè)累積塑性應(yīng)變隨初始地應(yīng)力增加而增大,在Li和Selig模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了發(fā)展,提出新的修正公式[7],見式(4)。

(4)

式中:qs為靜偏應(yīng)力,參數(shù)a、b和m與土體的類型和塑性指數(shù)有關(guān),按建議值n取常數(shù)1[7],qf為土體靜止破壞應(yīng)力,可通過室內(nèi)試驗(yàn)或原位試驗(yàn)獲得,也可根據(jù)有效固結(jié)應(yīng)力理論[9],利用強(qiáng)度指標(biāo)c和φ計(jì)算,見式(5)、式(6)。

(5)

K0=1-sinφ

(6)

式中:K0為靜止土壓力系數(shù),σ1為第一主應(yīng)力。

根據(jù)以上理論,利用分層總和法計(jì)算循環(huán)荷載累積塑性變形的具體步驟如下:

1.1 應(yīng)力偏量

根據(jù)不同荷載折減系數(shù)下的數(shù)值模擬結(jié)果,利用Midas后處理提取單元的正應(yīng)力、剪應(yīng)力,按式(7)計(jì)算應(yīng)力偏量。

(7)

(8)

1.2 靜偏應(yīng)力

利用有限元分析的方法,得到土體在僅存在自重荷載時(shí)各單元的應(yīng)力值,將其代入式(9),計(jì)算響應(yīng)的靜偏應(yīng)力。

(9)

1.3 動(dòng)偏應(yīng)力

利用動(dòng)力有限元分析方法,得到土體在動(dòng)荷載作用下各單元對(duì)應(yīng)應(yīng)力值,然后將其代入式(10),計(jì)算響應(yīng)動(dòng)偏應(yīng)力。

(10)

1.4 累積沉降

將式qf、qd代入計(jì)算式(4)中計(jì)算得到各層土的塑性應(yīng)變?chǔ)舙。首先按一定的厚度對(duì)隧道襯砌下方土體進(jìn)行分層,假設(shè)各層的塑性應(yīng)變不變;然后計(jì)算出各層關(guān)鍵單元處的累積塑性應(yīng)變?chǔ)舙;最后用分層總和法計(jì)算土體的長(zhǎng)期累積沉降,見式(11)[6]。

(11)

式中:εpi為第i層土體的累積塑性應(yīng)變;Hi為第i層土的厚度,共n層土。

2 可靠性評(píng)價(jià)方法

2.1 非概率可靠性指標(biāo)計(jì)算方法

多種類往復(fù)動(dòng)載作用下的隧道結(jié)構(gòu),所涉及的動(dòng)載速度、基底材料的力學(xué)參數(shù)及其在動(dòng)載作用下隨時(shí)間劣化無明顯統(tǒng)計(jì)特征規(guī)律,在此條件下,傳統(tǒng)的概率可靠性計(jì)算方法難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可靠性分析,因此引入非概率可靠性計(jì)算方法,基于非概率可靠性計(jì)算原理,將動(dòng)載速度及土體力學(xué)參數(shù)看作均勻分布,定義不確定參數(shù)區(qū)間,研究結(jié)構(gòu)可靠性。

區(qū)間分析法可以說是凸集合的一種特殊情況[8]。假定在實(shí)數(shù)域R內(nèi),對(duì)于任意給定的2個(gè)實(shí)數(shù)x1,xu存在以下關(guān)系:x1,xu∈R,且x1

xI=[x1,xu]={x∈R|xl≤x≤xu}

(12)

式中:x為區(qū)間變量;xI為區(qū)間變量x所在區(qū)間;x1,xu為區(qū)間變量x的上下界。

當(dāng)功能函數(shù)中自變量是有界變量,且功能函數(shù)Z是連續(xù)函數(shù)時(shí),那么Z也是一區(qū)間變量,由此可以求得zmin、zmax見式(13)、式(14)。

zmin=R-Fmin

(13)

zmax=R-Fmax

(14)

設(shè)變量Z均值和離差分別為Rc和RΓ,可求得其對(duì)應(yīng)的均值Rc和離差RΓ見式(15)、式(16)。

(15)

(16)

代入式(17),可求得結(jié)構(gòu)非概率可靠指標(biāo)μ。

(17)

按照結(jié)構(gòu)可靠性理論,當(dāng)Z=0時(shí)結(jié)構(gòu)失穩(wěn),則:當(dāng)μ>1時(shí),則對(duì)于任意自變量均有Z>0,結(jié)構(gòu)安全;當(dāng)μ<1時(shí),則對(duì)于任意自變量均有Z<0,結(jié)構(gòu)失效;當(dāng)-1≤μ≤1時(shí),Z>0和Z<0的情況均存在,此時(shí)結(jié)構(gòu)狀態(tài)無法確定。

2.2 功能函數(shù)的建立

由第三強(qiáng)度理論可知,剪應(yīng)力是綜合考慮第一、第三主應(yīng)力的結(jié)果,且最大剪應(yīng)力是引起材料屈服的原因,因此對(duì)于明挖復(fù)雜隧道結(jié)構(gòu)的可靠性分析以結(jié)構(gòu)所受剪應(yīng)力為判斷依據(jù)。由建立的結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力τmax與其他基本變量的顯示公式,可得到其功能函數(shù)Z,并求得Z的取值范圍Y=[YL=zmin,YR=zmax],則由該功能函數(shù)的可靠性分析,得到3種情況,如圖1所示。

根據(jù)第2節(jié)可知,在長(zhǎng)期荷載作用下基底的累積塑性應(yīng)變滿足εp=A×Nb的關(guān)系,但考慮到荷載的長(zhǎng)期作用可能會(huì)導(dǎo)致基底材料的劣化,故需要對(duì)上式進(jìn)行修正?？紤]到材料的劣化是由多種因素公共作用的結(jié)果,本文參考強(qiáng)度折減法的原理,模擬材料的劣化,其中c、φ值的劣化系數(shù)為F1,彈性模量E的劣化系數(shù)為F2,即式(18)～式(20)。

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

由于基底的沉降會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形,從而引起結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力變化,本節(jié)擬采用基底沉降作為結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期荷載作用下的豎向變形值,故結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力τmax與F1,F2也成一定的數(shù)學(xué)關(guān)系,即往復(fù)動(dòng)載下隧道結(jié)構(gòu)可靠度功能函數(shù)為式(23)。

τmax=f(F1,F2,t)

(23)

2.3 計(jì)算流程

首先確定劣化系數(shù),建立多種類往復(fù)動(dòng)載作用下的數(shù)值模型,計(jì)算不同劣化系數(shù)下土體的累積沉降,將土體沉降看作隧道結(jié)構(gòu)在動(dòng)載作用下的變形,對(duì)隧道結(jié)構(gòu)施加強(qiáng)制位移,模擬由于變形而導(dǎo)致的隧道結(jié)構(gòu)受力,利用基于凸集理論的穩(wěn)健可靠性原理,引入非概率可靠指標(biāo),提出一套考慮長(zhǎng)期往復(fù)動(dòng)載作用的隧道結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)的方法(圖2)。

圖2 計(jì)算流程

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)北垂滑隧道群包括3條飛機(jī)滑行道,9條下穿機(jī)場(chǎng)滑行道明挖隧道,形成了以下穿機(jī)場(chǎng)北側(cè)滑行道的地鐵13號(hào)、18號(hào)線及機(jī)場(chǎng)輕型自動(dòng)導(dǎo)向軌道交通(PRT)的五跨及中跨兩層的“品”字形明挖隧道結(jié)構(gòu)(圖3)。

圖3 復(fù)雜斷面明挖隧道

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 動(dòng)載激勵(lì)的模擬

3.2.1.1 地鐵列車動(dòng)載激勵(lì)的模擬

根據(jù)調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)的做法[10],參考英國(guó)德比鐵道技術(shù)中心根據(jù)試驗(yàn)及理論研究成果,用一個(gè)激振力函數(shù)來模擬列車荷載,其表達(dá)式為式(24)。

F(t)=p0+p1sinω1t+p2sinω2t+p3sinω3t

(24)

根據(jù)國(guó)內(nèi)地鐵列車行駛速度,行車速度v取100 km/h,列車簧下質(zhì)量M0取75 kN·s2/m,列車靜載p0取80 kN,可得地鐵列車運(yùn)行荷載時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 地鐵列車運(yùn)行荷載時(shí)程曲線

3.2.1.2 PRT列車動(dòng)載激勵(lì)的模擬

對(duì)于PRT列車,由于相關(guān)荷載激勵(lì)的模擬較少,其荷載作用方式同汽車荷載類似,可將車輛荷載分解成一系列的正弦波荷載[11],其表達(dá)式為式(25)。

P(t)=p0+psinωt

(25)

式中:P(t)為PRT動(dòng)載(kN);p0為PRT靜載(kN);p為振動(dòng)荷載幅值,p=M0aω2;M0為汽車模型簧下質(zhì)量(kN·s2/m);a為幾何不平順矢高,反映了路面的不平整度狀況,a取2 mm;ω為振動(dòng)圓頻率,ω=2πv/l;v為車速(km/h);l為路面幾何曲線波長(zhǎng)(m)。

PRT列車靜載取p04.73 kN,簧下質(zhì)量M0取60 kN·s2/m,車速v取40 km/h,路面幾何曲線波長(zhǎng)l取3.7 m。得到PRT列車運(yùn)行荷載時(shí)程曲線,見圖5。

圖5 PRT列車運(yùn)行荷載時(shí)程曲線

3.2.1.3 飛機(jī)動(dòng)載激勵(lì)的模擬

以A380載客飛機(jī)為主要研究對(duì)象,飛機(jī)產(chǎn)生的最不利動(dòng)荷載采用相關(guān)文獻(xiàn)[9]計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,飛機(jī)前輪動(dòng)荷載F1=84.3 kN,飛機(jī)后輪動(dòng)荷載F2=272.6 kN。

F11=F1+10%F1·sin(ωt)=84.3+8.43sin(22t)kN

(26)

F22=F2+10%F2·sin(ωt)=272.6+87.26sin(22t)kN

(27)

可得到前后輪的動(dòng)載時(shí)程曲線如圖6所示。

圖6 飛機(jī)動(dòng)荷載時(shí)程

3.2.2 模型建立

本節(jié)基于成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)下穿機(jī)場(chǎng)滑行道多洞并行明挖隧道群建立數(shù)值模型,將3.2.1節(jié)確定的動(dòng)載以集中力的形式,通過控制荷載的到達(dá)時(shí)間和作用時(shí)間,施加在鋼軌及機(jī)場(chǎng)跑道相應(yīng)位置處,通過定義接觸界面的法向剛度模量kn、切向剛度模量kt來模擬隧道襯砌與軌道板之間的接觸界面,并在模型四周添加粘彈性邊界,建立數(shù)值模型,如圖7所示。

圖7 數(shù)值模型

下穿機(jī)場(chǎng)滑行道“品”字形明挖隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、橫向多跨、中部上下重疊,在地鐵列車、PRT以及飛機(jī)多動(dòng)載耦合作用下,結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)受力機(jī)理更為復(fù)雜,因此本次研究主要以此斷面為對(duì)象進(jìn)行分析,如圖8所示。

圖8 “品”字形隧道結(jié)構(gòu)模型細(xì)部

數(shù)值模擬所涉及的相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

3.3 動(dòng)載組合對(duì)“品”字形隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)影響

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中,結(jié)構(gòu)所受往往是多種動(dòng)載組合作用,通過對(duì)PRT、地鐵、飛機(jī)動(dòng)載的兩兩或者三者組合,荷載組合工況如表2所示,來研究不同動(dòng)載組合下“品”字形隧道結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力響應(yīng)。

表2 交通荷載組合

通過數(shù)值模擬,得到隧道結(jié)構(gòu)在不同荷載組合下的最大剪應(yīng)力值,如表3所示。

表3 不同組合下結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力 單位:MPa

對(duì)比可知,組合3下結(jié)構(gòu)所受剪應(yīng)力最大,為1.17 MPa,故組合3為最不利荷載組合。

3.4 累積沉降計(jì)算

由于實(shí)際土體材料的劣化過程是一個(gè)多因素耦合作用的結(jié)果,本次研究考慮采用區(qū)間分析的理論,劣化系數(shù)F1、F2的取值區(qū)間參考相關(guān)文獻(xiàn)[13-14],本次數(shù)值模擬中的取值F=[1,1.3],通過控制劣化系數(shù)上下限,來保證土體的實(shí)際劣化處于假定區(qū)間(圖9)。

圖9 土體材料劣化示意

通過對(duì)劣化系數(shù)F1、F2進(jìn)行不同組合(表4),計(jì)算考慮地基材料劣化條件下隧道結(jié)構(gòu)可靠度。

以組合5為例進(jìn)行計(jì)算,基于第3節(jié)所述往復(fù)動(dòng)載作用下明挖回填土體累積沉降預(yù)測(cè)模型,研究隧道在PRT+地鐵列車+飛機(jī)(圖10)長(zhǎng)期累積荷載作用下的豎向變形值。

圖10 數(shù)值模型

表5 “品”字形隧道特征點(diǎn)土體累積塑性變形 單位:mm

(1)隧道襯砌下方土體累積沉降隨深度的增加而逐漸減小,在深度為10 m時(shí),累積沉降值趨近于0 mm。

(2)隨著時(shí)間增長(zhǎng),各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降速率呈現(xiàn)先是增加較快,之后逐漸趨于平穩(wěn)規(guī)律。

(3)結(jié)構(gòu)兩側(cè)土體的累積沉降值明顯大于結(jié)構(gòu)中部土體的累積沉降值。

3.5 功能函數(shù)的建立

基于3.4節(jié)研究在不同折減系數(shù)以及荷載作用時(shí)間下土體的豎向變形,利用有限元軟件,對(duì)隧道襯砌施加強(qiáng)制位移,如圖12所示,強(qiáng)制位移量取各測(cè)點(diǎn)下方土體的沉降量。由此可以得到了不同折減系數(shù)下結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線,如圖13所示。

圖12 施加強(qiáng)制位移

圖13 變形導(dǎo)致的最大剪應(yīng)力示意

用同樣的方法確定不同劣化系數(shù)組合下隧道襯砌各測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變化的最大剪應(yīng)力,如圖14所示。

圖14 不同劣化系數(shù)下最大剪應(yīng)力

在不同劣化系數(shù)下,結(jié)構(gòu)所受的最大剪應(yīng)力不相等,且劣化程度越高,結(jié)構(gòu)所受最大剪應(yīng)力值越大。隨著時(shí)間增長(zhǎng),結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力增大速率呈現(xiàn)先是增加較快,之后逐漸趨于平穩(wěn)規(guī)律。

通過線性回歸擬合圖14中的最大剪應(yīng)力變化曲線,得到各曲線對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,如表6所示。

表6 不同劣化系數(shù)組合下的功能函數(shù)

表7 可靠指標(biāo)μ隨時(shí)間變化

A=-1.217F1-4.750F2+5.142

(28)

B=1.417F1+5.767F2-6.185

(29)

1.417F1+5.76F2-6.185

(30)

式中:τmax為最大剪應(yīng)力(MPa);F1為c、φ值的劣化系數(shù);F2為彈性模量E值的劣化系數(shù);t為荷載作用時(shí)間(a)。

運(yùn)營(yíng)期隧道結(jié)構(gòu)的可靠度分析需考慮抗力衰減引起的時(shí)變特性。目前,結(jié)構(gòu)抗力的時(shí)變模型常表示為初始抗力與衰減函數(shù)的乘積[17]。結(jié)構(gòu)抗力的隨機(jī)過程可表示為式(31)。

R=R0φ(t)

(31)

式中:R0為抗力初始值,φ(t)為確定性衰減函數(shù)。

在針對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的抗力進(jìn)行時(shí)變衰減分析時(shí),衰減函數(shù)的選擇是模型分析的關(guān)鍵。參考相關(guān)文獻(xiàn)[16],衰減函數(shù)為式(32)。

φ(t)=1-k1t+k2t2

(32)

式中:k1、k2為衰減系數(shù),取值與抗力退化速率有關(guān),隧道襯砌的抗力退化速率屬于中等退化情況,取參數(shù)k1=0.0005,k2=0[17]。

綜上,參考本文第2節(jié)非概率可靠性計(jì)算方法,建立功能函數(shù)式(33)。

Z=R-S=[τ]·φ(t)-τmax=1.35(1-0.0005t)+

1.417F1-5.767F2+6.185

(33)

當(dāng)劣化系數(shù)區(qū)間取F=[1,1.3]時(shí),代入式(17)得結(jié)構(gòu)非概率可靠指標(biāo)μ隨時(shí)間變化情況如表7所示。

擬合可靠指標(biāo)μ與時(shí)間t的曲線如圖17所示。

圖17 可靠指標(biāo)μ隨時(shí)間變化

從圖17可知,考慮隧道底部地基材料參數(shù)劣化,結(jié)構(gòu)可靠指μ隨荷載作用時(shí)間的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),且可靠指標(biāo)μ降低速率呈現(xiàn)先是降低較快,之后逐漸趨于平穩(wěn)規(guī)律,在前30年,可靠指標(biāo)急劇降低,之后降低速率逐漸減緩;同時(shí)可以看出在累積荷載作用約42年后,結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)小于1,故在考慮土體材料劣化的條件下,當(dāng)劣化系數(shù)區(qū)間取F=[1,1.3]時(shí),在累積荷載作用約42年后結(jié)構(gòu)可能發(fā)生失效風(fēng)險(xiǎn),此時(shí)還未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限,因此有必要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,以保證結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期間的安全。

3.6 優(yōu)化措施

為了保證結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期累積荷載作用下的運(yùn)營(yíng)安全,有必要對(duì)結(jié)構(gòu)采取一定的優(yōu)化措施,減小結(jié)構(gòu)在動(dòng)載作用下的受力變形,具體優(yōu)化方案(圖18):

圖18 數(shù)值模型

方案1:在PRT通道下方增設(shè)底板。

方案2:機(jī)械可進(jìn)入范圍內(nèi)采用土石回填,其余部分采用由泡沫混凝土對(duì)PRT空腔實(shí)施填充。

方案3:在方案2基礎(chǔ)上增設(shè)底板。

方案4:在結(jié)構(gòu)下方布設(shè)樁基,樁基長(zhǎng)15.6 m。

根據(jù)3.5節(jié)研究可知,原方案下結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)42年后會(huì)發(fā)生失效風(fēng)險(xiǎn),因此,本節(jié)對(duì)提出的4種優(yōu)化方案下結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期累積荷載作用下的可靠性進(jìn)行研究,按照計(jì)算流程計(jì)算得出劣化系數(shù)F=[1,1.3]時(shí)可靠指標(biāo)μ隨時(shí)間變化情況如表8所示。擬合可靠指標(biāo)μ與時(shí)間t的曲線,如圖19所示。

表8 F=[1,1.3]時(shí)可靠指標(biāo)μ隨時(shí)間變化

圖19 可靠指標(biāo)μ隨時(shí)間變化

根據(jù)圖19可以看出,與原方案相比,方案1～方案3對(duì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在往復(fù)動(dòng)載下的安全運(yùn)營(yíng)年限影響不大,而方案4條件下(圖18(e)),在累積荷載作用約100年后,結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)仍大于1,故在考慮土體材料劣化的條件下,當(dāng)劣化系數(shù)區(qū)間取F=[1,1.3]時(shí),在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限100年內(nèi),結(jié)構(gòu)都不存在失效風(fēng)險(xiǎn),因此方案4可以有效延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)年限。

4 結(jié)論

基于非概率可靠性計(jì)算原理,建立考慮回填材料劣化的隧道結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力預(yù)測(cè)模型,提出了一套考慮長(zhǎng)期往復(fù)動(dòng)載作用的隧道結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)新方法,并應(yīng)用于成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)復(fù)雜斷面明挖隧道結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)中,得到主要結(jié)論:

(1)針對(duì)最不利荷載組合,考慮隧道底部地基材料劣化,對(duì)往復(fù)動(dòng)載下結(jié)構(gòu)底部地基沉降隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)兩側(cè)累積沉降明顯大于結(jié)構(gòu)中部,同時(shí),累積沉降隨時(shí)間逐漸增大,10年內(nèi)增長(zhǎng)速率較快后趨于平穩(wěn)。

(2)利用強(qiáng)制位移法,對(duì)地基差異沉降引起的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)所受最大剪應(yīng)力增長(zhǎng)規(guī)律與累積沉降變化趨勢(shì)一致。

(3)通過研究結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)與荷載時(shí)間作用時(shí)間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在考慮土體材料劣化以及襯砌材料結(jié)構(gòu)抗力衰減的條件下,結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)隨時(shí)間的增加而逐漸降低,呈現(xiàn)先降低較快,后隨著時(shí)間的增加逐漸趨于平穩(wěn)。

(4)通過在“品”字形隧道結(jié)構(gòu)下方布設(shè)樁基,可以有效延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)年限,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限100年內(nèi),結(jié)構(gòu)都不存在失效風(fēng)險(xiǎn),故在類似工程中可以參考該優(yōu)化方案對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工,以保證結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全。