初期支护安全性理论与方法研究摘要：文章阐述了隧道初期支护结构可靠度分析的基本原理，研究了目前结构可靠度分析的常用方法，运用有限元响应面方法计算隧道初期支护结构荷载效应的统计特征，并结合可靠度计算的验算点法进行了结构可靠指标的计算。关键词：初期支护；有限元响应面法；可靠度；验算点法：TD353文献标识码：A1引言在隧道设计施工中，复合支护已成为广泛采用的一种支护形式。这种支护的结构层通常由两层或者三层组成。其中外层常为喷射混凝土层或是与锚杆、钢支撑、格栅的联合支护，称为初期支护。初期支护的作用在于:保持隧道断面的使用净空，承受可能出现的各种荷载，与永久支护相互配合。因此评估初期支护的安全状况对于隧道安全施工及正常使用具有重要的意义。应用可靠性理论和推行概率极限状态设计，是当今国内外工程结构发展的必然趋势，也是提高我国工程结构设计水准的有效途径。隧道工程的特点是影响作用效应的随机变量多，包括岩土、支护结构的各种物理力学特性及儿何尺寸的随机变异。这些随机变量与作用效应的关系复杂，常常难以用简单的显式函数表达出来，而且其主要影响作用的随机变量的变异性和离散性都比较高,它们对可靠度的影响比计算模式不定性的影响大得多。一般的泰勒技术展开和摄动法为基础的随机有限元方法，对于变异性较大(大于0.2时)的随机结构分析结果都将带来较大的误差。隧道衬砌作用效应分析面临的问题是：能否找到保证分析精度和能近似反映各种随机变量与作用效应显式函数的有限元分析方法，以满足隧道截面可靠度分析和隧道系统可靠度分析的需要。经过儿年来对各种方法实现结构可靠度分析的可行性，发现蒙特卡罗响应面法能够很好的模拟隧道围岩参数的不确定性，适合用于分析隧道初期支护的可靠度，具有很强的可操作性。2结构可靠度的基本理论2.1结构可靠度与极限状态结构的安全性、适用性和耐久性这三者总称为结构的可靠性，可靠性的数量描述一般用可靠度。极限状态是衡量结构完成各项功能的标志,主要用来分区结构工作状态的可靠程度。结构的极限状态一般分为三类:①承载能力极限状态，这种极限状态对应于结构达到最大承载能力，或达到不适应于极限承载的变形；②正常使用极限状态，这种极限状态对应于结构达到正常使用和耐久性的各项规定极限值；③逐渐破坏极限状态，指偶然作用后产生的次生灾害限度，即结构因偶然作用造成局部破坏后，其余部分不发生连续破坏的状态。在结构可靠度分析中，结构的极限状态一般由功能函数加以描述。当有n个随机变量影响结构的可靠度时，结构功能函数为：(2-1)式中-为结构上的作用效应、结构构件的性能等基本变量。当Z>0时，结构处于可靠状态；当#0时，结构处于极限状态；当Z<0时，结构处于失效状态。其中方程(2-2)称为结构的极限状态方程，它是结构可靠度分析的重要依据。2.2结构可靠度与失效概率结构功能函数出现小于零(Z<0)的概率称为该构件的失效概率(Pf)。P1值原则看通过多维积分式计算求得。但当功能函数中有多个基本随机变量,或函数为非线性时,上述计算非常复杂,甚至难以求解。一般只需求得可靠度与失效概率的关系等式即可。设功能函数仅与荷载效应S(荷载引起结构构件的内力、位移等)和结构抗力R(结构抵抗破坏或变形的能力，如极限内力、极限强度、刚度以及抗滑力、抗倾力矩等)两个正态分布随机变量有关，则结构承载能力的功能函数为(2-3)当Z>0时，结构处于可靠状态；当ZCO时，结构处于失效状态。由于R、S均为正态分布，令其均值和标准差分别为和，因此对应的功能函数Z也是正态随机变量，并具有均值Z二R-S,标准差。这样通过计算Z的概率密度函数，且令结构的失效概率pf结构的可靠度为Pr。由概率论可知：(2-4)即失效概率和可靠度的关系为。在工程实际中，R、S不一定为正态分布，这时可根据R、S的概率分布函数，通过积分求解结构的可靠度和失效概率。2.3结构可靠度与可靠指标以极限状态方程Z二R-S的两个正态的变量R和S为例。首先把Z的正态分布转换为标准正态分布，由概率论知识可得到失效概率的表达式，再引入符号，并令得到失效概率(2-5)式中为无因次的系数，称为可靠指标。利用可靠度与失效概率的关...