基于稳健性理论的深埋长大隧道支护系统协同优化设计方法

围绕建立深埋长大隧道支护系统的非概率稳健性协同优化设计方法展开研究。针对系统中各类参数不确定性程度大，样本难于获取的困难，研究了数据要求低的不确定性参数信息断缺描述方法。通过模型试验揭示不同结构类型岩体介质在加固形成复合体材料后的强化机制。建立基于复合体材料强化机制的数值模型，通过数值试验研究深埋长大隧道支护系统中主承载结构的力学机理和形成模式。引入稳健性原理，结合信息断缺方法，研究出以稳健指数为新的表征指标、基于不确定性非概率理论的支护结构稳健性分析方法。按照功能及相互之间的交叉和耦合关系，将支护系统分解为两级三个子系统，构建了以支护系统稳健性指数为控制目标、基于系统论思想和协同算法结合的深埋隧道支护系统优化设计方法，并研制开发其实用分析程序。本项目研究成果使深埋隧道支护系统设计方案性能稳健，造价合理，总体效能最佳。对于推动支护系统设计方法进步，提高其抗灾能力，具有重要理论与实际意义。

目前西南山区在高速公路、高速铁路等交通基础设施中，深埋长大隧道成为工程的基本组成部分。由于山高地险，影响隧道衬砌稳定的各类因素存在很大的不确定性。在大多数情况下，围岩响应机理不明，各类不确定性因素的可用信息不足，导致经典的不确定性分析方法误差大。针对这些特点，利用相似理论，建立各类岩体结构模型，获得了层状、块状、碎裂等类型结构岩体受荷条件的力学传播机制及相应的应力-应变方程，通过数值模拟揭示了深埋隧道开挖围岩的响应规律。基于现代地下结构力学原理，采用强度折减法，研究了围岩主承载结构支护能力机理及定量分析方法。以岩体结构力学介质为基础，依据可用信息量的层次，初步构建起支护结构稳健协调分析系统，该系统包含确定性方法、不确定性可靠度方法及不确定性非概率方法。对于单一完整连续介质围岩，在推演出基于Hoek-Brown失效准则地层响应特征函数、喷层、锚杆等支护单元力学性能的基础上，建立起锚、网、喷等联合支护结构特征函数。两类特征函数植入收敛约束模型中，导出了衬砌稳定性系数计算系列公式及收敛约束图形。当可用信息量具有均值、方差等统计特征值时，根据变形压力和锚喷主动加固围岩理论，导出支护结构的隐式状态方程，提出了其稳定可靠概率差分求解格式，通过应用验证了求解格式的准确性。对于各类复杂影响条件围岩，将试验设计和显著性检验理论结合克服经典响应面模型不能辨识影响因素重要性程度的缺陷，利用约束优化搜索理论解决可靠度指标结果失真问题，建立起基于二次正交试验优化的隧道围岩稳定可靠度计算方法，工程应用表明该方法能够较好地预测围岩失稳。对于围岩及支护只有区间信息量情况，利用仿射原理，克服了经典区间理论计算结果的扩张缺陷，构成基于仿射算法的区间求解方法。以衬砌结构的弹性支承力学模型为例，推演出了支护结构力学状态的区间分析方法。通过实例分析结果与准精确解的比较，验证了方法的有效性和适用性。为了进一步改进支护稳定可靠度概率理论对于失效风险被动接受的设计思维，根据支护结构失效准则响应值与临界值关系，参量取值范围及波动幅度对结构安全性能的影响，构建了稳健函数并提出稳健可靠性指标及其计算程序，初步形成了反映了结构性能主动抵抗不确定性参量变化的能力设计方法。本项研究，从安全系数、概率可靠度及非概率稳健性三方面初步形成了山区深埋长大隧道支护结构设计方法，对于地下结构理论发展及实际工程建设起到了较大的促进作用。