陈钒等：石膏围岩隧道衬砌结构破坏模式及时变可靠度模型 ·1627· KEY WORDS gypsum rock;lining structure;failure mode:plastic zone;time-dependent reliability 隧道工程结构设计、施工和运营过程中存在大量 场和位移场的变化规律，在其可能开裂部位通过设置 不确定性因素”，结构可靠度分析考虑了各因素的随 预裂单元模拟衬砌开裂后其切向应力的释放、转移过 机性，比传统的安全系数法更能合理的反映结构的真 程.可见二次衬砌结构内塑性区体积可做为二次衬砌 实状态四.隧道衬砌结构时变可靠度可以评价现有隧 结构破坏判定指标 道的可靠性并及时预测隧道剩余寿命，为合理制定养 重庆梁忠高速礼让隧道穿越近600m石膏岩地 护方案提供决策依据 层，石膏岩段衬砌结构设计为C45钢筋混凝土结构， 自隧道建设完成并投入使用开始，衬砌结构时变 以礼让隧道为工程依托，研究石膏围岩隧道衬砌结构 失效概率的变化趋势与一般公认的失效概率随时间的 破坏模式及可靠度，可确保隧道运营期的稳定性及可 变化模型，即“浴盆曲线”的偶然失效期和损耗失效期 靠性，指导衬砌结构维修方案，具有重要科研价值及工 相似.赵国藩等四把结构从施工建造到投入使用划分 程意义 为施工期（幼年期）、使用期（壮年期）和老化期（老年 期)三个阶段.由于石膏岩膨胀性、腐蚀性特点的存 1石膏围岩隧道二次衬砌结构破坏模式分析 在，其可靠度时变效应更加明显.目前许多学者针对 石膏围岩具有很强的膨胀性和腐蚀性，在隧道全 岩土体膨胀性和腐蚀性对工程体可靠度的影响进行了 寿命周期内均会引起衬砌结构自身强度劣化及受力增 大量的研究，杨芳芳日以南水北调中线总干渠某标段 加，严重影响隧道衬砌结构可靠性且影响规律复杂 膨胀土渠道为背景，进行了膨胀土渠道边坡稳定可靠 因此，针对石膏围岩膨胀特性和腐蚀性对隧道衬砌结 度研究：李丹通过大量的直剪试验，研究膨胀土的强 构的影响分别建立了衬砌结构膨胀破坏模式和腐蚀破 度参数与含水率之间的关系及膨胀土强度参数随含水 坏模式；考虑石膏围岩膨胀性和腐蚀性对隧道衬砌结 率变化的变异性，并在此基础上对膨胀土边坡进行可 构的综合影响，建立了石膏围岩隧道衬砌结构综合破 靠度分析：龚文惠等网针对膨胀土路基沉降的不稳定 坏模式 性和随机性等特点，以膨胀土的膨胀率、线收缩系数、 1.1膨胀破坏模式 初始含水量、工后沉降期始末的孔隙比变化量和固结 膨胀破坏模式中不考虑石膏围岩对隧道结构的腐 度变化量、工后沉降期末的含水量等为基本变量，提出 蚀性，隧道衬砌结构受到三类荷载：(1)永久荷载，包 了膨胀土路基沉降的可靠度分析方法和可靠度指标的 括围岩应力、土压力、结构自重应力及地下水压力等： 迭代计算步骤：彭建新等切采用时变可靠度模型来计 (2)基本可变荷载，包括车辆荷载、人群荷载等：(3) 算混凝土结构在多种C02排放策略作用下和不同耐久 其他可变荷载，主要为石膏围岩的膨胀应力.隧道衬 性设计下将来100a内的开始腐蚀概率和腐蚀开裂比 砌建设完成初期仅受到永久荷载作用，投入使用后开 例：赵宇辉网通过理论分析建立混凝土极限强度腐蚀 始受到基本可变荷载的作用，随着时间的推移，石膏围 衰变模型和区间隧道衬砌结构极限状态方程，采用一 岩的膨胀应力逐渐增加，当衬砌结构荷载达到一定程 次二阶矩验算点法，利用计算机编程实现区间隧道主 度时，达到衬砌结构强度极限则发生破坏，其受力示意 体结构可靠度分析与计算.但目前很少有学者针对膨 图如图1.膨胀破坏模式适用于具有膨胀性但无腐蚀 胀腐蚀类围岩（如石膏围岩）两种特性耦合作用下隧 性的围岩隧道，防腐蚀措施十分完善可以不考虑衬砌 道衬砌结构的可靠性进行研究 结构劣化的膨胀腐蚀类围岩隧道 塑性区体积大小是影响二次衬砌结构稳定性的重 1.2腐蚀破坏模式 要因素，许多学者采用塑性区评价隧道衬砌结构的稳 在腐蚀破坏模式下，不考虑石膏围岩隧道衬砌结 定性：杨森等回将强度折减法应用于静水压力下海底 构受到的膨胀应力，其应力边界主要为永久荷载和基 隧道素混凝土衬砌的安全稳定性分析，提出综合分析 本可变荷载之和，记为sr.由于石膏围岩对隧道衬砌 隧道衬砌塑性区、剪应变增量和位移的变化情况，判断 结构的腐蚀作用，导致衬砌结构承载能力随时间逐渐 隧道的极限平衡状态：叶东方@分别对比中空注浆锚 降低，但衬砌所受荷载并不会因此减小，依然为sr,当 杆支护和普通砂浆锚杆支护两种工况下的隧道顶板沉 衬砌结构的承载能力降低到一定程度时不能再承受所 降量、衬砌的塑性区和剪应力场的变化，说明中空注浆 受荷载，衬砌结构将发生破坏.此时，衬砌结构受力示 锚杆比普通砂浆锚杆锚固作用更好；李映指出当喷 意图如图2所示.腐蚀破坏模式同样适用于以下两种 射混凝上出现塑性区贯通和大量锚杆屈服时，由于支 情况的隧道：（(1)围岩中含有腐蚀性成份，但不具有膨 护结构的破坏，可以认定隧道已经丧失整体稳定性 胀性的隧道：(2)围岩具有膨胀性，但在施工过程采取 张强勇和俞裕泰网根据接触过程中衬砌塑性区、应力 了一定措施使得膨胀应力得到了充分释放，在运营过陈 钒等: 石膏围岩隧道衬砌结构破坏模式及时变可靠度模型 KEY WOＲDS gypsum rock; lining structure; failure mode; plastic zone; time-dependent reliability 隧道工程结构设计、施工和运营过程中存在大量 不确定性因素［1］，结构可靠度分析考虑了各因素的随 机性，比传统的安全系数法更能合理的反映结构的真 实状态［2］． 隧道衬砌结构时变可靠度可以评价现有隧 道的可靠性并及时预测隧道剩余寿命，为合理制定养 护方案提供决策依据． 自隧道建设完成并投入使用开始，衬砌结构时变 失效概率的变化趋势与一般公认的失效概率随时间的 变化模型，即“浴盆曲线”的偶然失效期和损耗失效期 相似． 赵国藩等［3］把结构从施工建造到投入使用划分 为施工期( 幼年期) 、使用期( 壮年期) 和老化期( 老年 期) 三个阶段． 由于石膏岩膨胀性、腐蚀性特点的存 在，其可靠度时变效应更加明显． 目前许多学者针对 岩土体膨胀性和腐蚀性对工程体可靠度的影响进行了 大量的研究，杨芳芳［4］以南水北调中线总干渠某标段 膨胀土渠道为背景，进行了膨胀土渠道边坡稳定可靠 度研究; 李丹［5］通过大量的直剪试验，研究膨胀土的强 度参数与含水率之间的关系及膨胀土强度参数随含水 率变化的变异性，并在此基础上对膨胀土边坡进行可 靠度分析; 龚文惠等［6］针对膨胀土路基沉降的不稳定 性和随机性等特点，以膨胀土的膨胀率、线收缩系数、 初始含水量、工后沉降期始末的孔隙比变化量和固结 度变化量、工后沉降期末的含水量等为基本变量，提出 了膨胀土路基沉降的可靠度分析方法和可靠度指标的 迭代计算步骤; 彭建新等［7］采用时变可靠度模型来计 算混凝土结构在多种 CO2排放策略作用下和不同耐久 性设计下将来 100 a 内的开始腐蚀概率和腐蚀开裂比 例; 赵宇辉［8］通过理论分析建立混凝土极限强度腐蚀 衰变模型和区间隧道衬砌结构极限状态方程，采用一 次二阶矩验算点法，利用计算机编程实现区间隧道主 体结构可靠度分析与计算． 但目前很少有学者针对膨 胀腐蚀类围岩( 如石膏围岩) 两种特性耦合作用下隧 道衬砌结构的可靠性进行研究． 塑性区体积大小是影响二次衬砌结构稳定性的重 要因素，许多学者采用塑性区评价隧道衬砌结构的稳 定性; 杨森等［9］将强度折减法应用于静水压力下海底 隧道素混凝土衬砌的安全稳定性分析，提出综合分析 隧道衬砌塑性区、剪应变增量和位移的变化情况，判断 隧道的极限平衡状态; 叶东方［10］分别对比中空注浆锚 杆支护和普通砂浆锚杆支护两种工况下的隧道顶板沉 降量、衬砌的塑性区和剪应力场的变化，说明中空注浆 锚杆比普通砂浆锚杆锚固作用更好; 李映［11］指出当喷 射混凝上出现塑性区贯通和大量锚杆屈服时，由于支 护结构的破坏，可以认定隧道已经丧失整体稳定性． 张强勇和俞裕泰［12］根据接触过程中衬砌塑性区、应力 场和位移场的变化规律，在其可能开裂部位通过设置 预裂单元模拟衬砌开裂后其切向应力的释放、转移过 程． 可见二次衬砌结构内塑性区体积可做为二次衬砌 结构破坏判定指标． 重庆梁忠高速礼让隧道穿越近 600 m 石膏岩地 层，石膏岩段衬砌结构设计为 C45 钢筋混凝土结构， 以礼让隧道为工程依托，研究石膏围岩隧道衬砌结构 破坏模式及可靠度，可确保隧道运营期的稳定性及可 靠性，指导衬砌结构维修方案，具有重要科研价值及工 程意义． 1 石膏围岩隧道二次衬砌结构破坏模式分析 石膏围岩具有很强的膨胀性和腐蚀性，在隧道全 寿命周期内均会引起衬砌结构自身强度劣化及受力增 加，严重影响隧道衬砌结构可靠性且影响规律复杂． 因此，针对石膏围岩膨胀特性和腐蚀性对隧道衬砌结 构的影响分别建立了衬砌结构膨胀破坏模式和腐蚀破 坏模式; 考虑石膏围岩膨胀性和腐蚀性对隧道衬砌结 构的综合影响，建立了石膏围岩隧道衬砌结构综合破 坏模式． 1. 1 膨胀破坏模式 膨胀破坏模式中不考虑石膏围岩对隧道结构的腐 蚀性，隧道衬砌结构受到三类荷载: ( 1) 永久荷载，包 括围岩应力、土压力、结构自重应力及地下水压力等; ( 2) 基本可变荷载，包括车辆荷载、人群荷载等; ( 3) 其他可变荷载，主要为石膏围岩的膨胀应力． 隧道衬 砌建设完成初期仅受到永久荷载作用，投入使用后开 始受到基本可变荷载的作用，随着时间的推移，石膏围 岩的膨胀应力逐渐增加，当衬砌结构荷载达到一定程 度时，达到衬砌结构强度极限则发生破坏，其受力示意 图如图 1． 膨胀破坏模式适用于具有膨胀性但无腐蚀 性的围岩隧道，防腐蚀措施十分完善可以不考虑衬砌 结构劣化的膨胀腐蚀类围岩隧道． 1. 2 腐蚀破坏模式 在腐蚀破坏模式下，不考虑石膏围岩隧道衬砌结 构受到的膨胀应力，其应力边界主要为永久荷载和基 本可变荷载之和，记为 str． 由于石膏围岩对隧道衬砌 结构的腐蚀作用，导致衬砌结构承载能力随时间逐渐 降低，但衬砌所受荷载并不会因此减小，依然为 str，当 衬砌结构的承载能力降低到一定程度时不能再承受所 受荷载，衬砌结构将发生破坏． 此时，衬砌结构受力示 意图如图 2 所示． 腐蚀破坏模式同样适用于以下两种 情况的隧道: ( 1) 围岩中含有腐蚀性成份，但不具有膨 胀性的隧道; ( 2) 围岩具有膨胀性，但在施工过程采取 了一定措施使得膨胀应力得到了充分释放，在运营过 · 7261 ·