支擋結構安全風險識別與設計參數自洽

魏永幸 王占盛 羅一農 劉會娟

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

支擋結構是用來支撐、加固巖土體，以保持其穩定性的結構，常見的支擋結構形式有擋土墻、抗滑樁、加筋土擋墻、預應力錨索等。支擋結構在我國鐵路工程中應用較多，西部山區鐵路尤其如此，常設置于路堤和路塹邊坡、滑坡、巖堆等地段。由于支擋結構對整個鐵路工程的安全性至關重要，因此識別其安全風險、研究其設計參數是一項極有價值的工作。

在風險識別研究方面，國外一些國家開展此工作較早，已制定了相關技術標準，如2002年國際隧道協會編制的《隧道工程風險管理指南》。在國內，鐵道部于2007年頒布了《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》[1]，交通部于2010年和2011年先后頒布了《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南(試行)》[2]和《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》[3]，建設部于2007年頒布了《地鐵及地下工程建設風險管理指南》[4]，住房和城鄉建設部于2011年頒布《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》[5]。具體到鐵路路基工程領域，文獻[6]認為路基工程具有3個特點：①工程由巖土材料構成；②處于露天環境；③由人工在現場建造，這3個特點決定了路基工程必然存在許多潛在的影響其安全質量的不確定因素，也是路基工程風險的三大來源。文獻[6]還將風險識別方法分為了三大類：①經驗類比法，該類方法基于經驗對風險因素或風險事件進行核對、排查，這是風險識別的常用方法，需識別人員掌握系統的工程知識并具備相當的工程經驗；②理論分析法，該類方法借助理論分析方法或工具對風險事件發生部位、發生概率以及風險因素的敏感性等進行計算分析，為風險識別提供依據；③試驗求證法，該類方法是在面對復雜或影響重大的風險問題時采取的必要手段。三大類方法中經驗類比法應用最多。文獻[7]詳細列出了目前風險識別常用的具體方法，包括專家調查法、分解分析法、核對表法、頭腦風暴法、故障樹分析法、圖解法、敏感性分析法、蒙特卡洛模擬分析法、影響圖分析法、層次分析法、專家打分法、仿真分析法、模型試驗法等，并結合路基工程的特點，給出了以上各方法的技術特點和適用條件，并從填方路基、挖方路基、特殊土路基、路基支擋結構、滑坡與巖堆地段路基、斜坡異物侵入災害等具體工程的特點入手，分析了其風險特點，提出了相應的工程風險管理對策。

在設計參數研究方面，鐵路行業工程結構設計自2011年開始了新階段的系統性修編工作，目前已發布了鐵路工程結構可靠性設計統一標準及路基、橋梁、隧道、隧道專業的極限狀態設計規范[8-11]。支擋結構屬于重要的路基工程結構，《鐵路路基支擋結構設計規范》[12]也進行了相應的修編工作。在此過程中，中鐵二院工程集團有限責任公司作為該規范修編的主持單位，先后對支擋結構分項系數進行了驗算提取、設計驗證、合理性分析、工程試設計等工作，部分成果已納入了此規范。

整體來說，支擋結構安全風險識別與設計參數都有較豐富的研究成果，但同時將二者聯合起來的研究成果卻較少。將二者聯合起來研究不僅可提供更系統的視角以理解問題本身，還可更有力地支撐設計、施工人員的工作。

2 支擋結構安全風險識別

從我國支擋結構的使用情況來看，各類支擋結構面臨的安全風險事件及風險因素都比較多，為做好安全風險防控，需對風險事件及相應因素進行梳理、分析、歸納和總結，下面以樁板墻為例作進一步分析。

2.1 安全風險事件

樁板墻在形式上是一種在樁間設置擋土板以穩定巖土體的支擋結構，在使用過程中面臨的安全風險事件可以分為以下三大類〗：第一類是樁體部分承載能力極限狀態失穩，包括樁身出現橫向或斜向裂紋、樁身發生明顯斷裂的斷樁以及樁身向前傾斜超過一定位移或承載力允許值的倒伏等；第二類是樁體部分正常使用極限狀態失穩，主要是樁頂水平位移超過規范限定值的樁頂位移超限；第三類是擋土板部分正常使用極限狀態失穩，主要是擋土板的開裂問題。樁板墻安全風險類型示意如圖1所示。

圖1 樁板墻安全風險類型示意圖

2.2 風險因素

支擋結構面臨的風險因素，從極限狀態設計的角度，可分為作用(S)不確定性、計算不確定性、抗力(R)不確定性三大類，如圖2所示。其中作用不確定性包括列車荷載、土壓力等，抗力不確定性包括材料參數、幾何尺寸等，計算不確定性包括力、位移、應力、應變等力學量的計算方法。

圖2 支擋結構安全風險因素圖

采用層級分析與專家打分綜合評估的方法對樁板墻三類安全風險的風險因素進行分析，得到各因素的風險值(此處為風險概率)，結果如表1所示。由表1可知，每一種風險因素對三類安全風險的影響程度不同，每一種風險的主控因素也不同。因此，需依據結構的具體風險及因素進行針對性設計。

表1 樁板墻各風險因素及風險值表

2.3 可在設計中考慮的風險因素

根據風險因素的性質，在設計階段可從以下幾個方面予以規避。

(1)完善不同設計狀況下的設計規定。大(暴)雨沖刷及洪水、填料不透水導致的水壓力過大、地震、施工臨時荷載大等風險因素可分別通過完善偶然(洪水位)、地震、短暫(臨時荷載)等設計狀況下的穩定性檢算規避風險。

(2)合理選擇材料參數取值。填料參數、基底巖土參數、基底摩擦系數、地層類型參數、基底承載力標準值等風險因素均可通過可靠性方法合理選擇。

(3)制定優化的設計參數。若安全系數、分項系數較小，設計將不安全；若二者較大，設計將不經濟。因此，工程設計應優化設計參數，確保安全的同時達成工程經濟性的目標，這對提高工程設計質量極為重要。

(4)明確抗力與作用的計算方法。明確長大邊坡、高邊坡地段支擋結構土壓力的計算方法將有利于極限狀態設計中作用部分的準確計算。

3 支擋結構設計參數自洽

為防控各風險因素可能導致的不良影響，工程上一般采用可靠性設計方法，具體來說就是對每個風險因素采用一定的設計參數(如安全系數、分項系數)以保證設計結果的可靠性。TB 10025-2019《鐵路路基支擋結構設計規范》中，抗滑、抗傾、基底承載力等結構外部穩定性檢算采用的設計參數為安全系數，抗壓、抗拉、抗彎、抗剪、抗扭等結構內部穩定性檢算采用的設計參數為分項系數。本文將對二者的自洽性展開論述。

3.1 設計參數的內涵及類別

從發展歷程來看，安全系數是可靠性設計方法最早采用的設計參數。該參數為單一參數，各種風險因素籠統考慮，給出的是結構安全程度的整體輪廓。由于安全系數并不能與概率確切掛鉤，安全系數難以清楚地表現真實的安全程度，但由于該參數使用時間較長，工程工作者們累積了大量的經驗，因此仍有很多規范采用此參數作為設計指標。

分項系數是概率方法引入可靠性設計后出現的設計參數，該參數為多個參數，因此能較為仔細地考慮與材料、荷載以及與工作條件有關的風險因素。如荷載分項系數主要反映荷載和內力中的風險因素，材料分項系數主要反映材料和構件抗力中的風險因素。從我國分項系數的使用情況來看，其實際內涵有以下兩種。

(1)將分項系數視為多系數的安全系數。安全系數取值的思想是“放大荷載，折小抗力”，因此分項系數也將基于這一思想，在多個抗力與多個荷載的多重平衡中擇優取值。當然，此分項系數也難以清楚地表現真實的安全程度。

(2)將分項系數與概率掛鉤。分項系數取值取決于參數的統計特征和結構的可靠指標，因此此分項系數比多系數安全系數在概率意義上更進一步。

分項系數兩種內涵的差異導致了分項系數取值方法的不同，因此，分析規范分項系數的合理性時，需把握好這種內涵上的差異。

根據支擋結構風險因素類型、設計參數內涵、以及可靠性設計規定的需求，設計參數可分為3個類別，具體如表2所示。

表2 設計參數類別表

3.2 設計參數的自洽規律

工程結構設計參數的目的在于保證設計的可靠性，因此應首先考慮多種可能存在的設計工況。根據荷載出現的頻率和持續時間，設計工況應包含持久、短暫、偶然、地震四類。各設計工況的設計參數應符合以下宏觀規律：

(1)

式中：K、β——安全系數、可靠指標；

L、S、A、E——持久、短暫、偶然、地震設計狀況。

需要說明的是，在支擋結構設計規范中，安全系數是明確給出的，而可靠指標一般要基于分項系數反算才能得到。

自洽是規范設計參數必須遵循的基本規律。鐵路行業分項系數是基于安全系數校準得到的滿足自洽規律的安全系數，在考慮不同變量統計特征的影響后，其分項系數對應的可靠指標未必仍能滿足該規律，因此在工程設計實踐中應予以高度重視。

3.3 設計參數的自洽算法

為使設計參數滿足自洽規律，合理可靠的設計參數計算方法是必不可少的。目前，無論是我國工程結構可靠性設計通標，還是各行業的可靠性設計規范，給出的可靠指標與分項系數的計算式均為：

(2)

式中：β、γ——可靠指標與分項系數；

R、S——抗力與作用；

μ、σ——均值與標準差；

δ——變異系數(標準差與均值的比值)；

從適用性角度來講，式(2)適用于抗力與作用互不相關情況下設計參數來計算，但許多工程結構的抗力和作用之間是高度耦合的，鐵路路基支擋結構的抗力與作用也屬于這種情況。以持久設計狀況下的重力式擋墻為例，其抗滑、抗傾計算示意如圖3所示?？够?、抗傾極限狀態方程分別如式(3)所示。

圖3 重力式擋墻抗滑、抗傾計算示意圖

(3)

由圖3和式(4)可知，主動土壓力Ea的豎直分量Ey與水平分量Ex，在抗傾檢算中分別屬于抗力項與作用項；而主動土壓力Ea的垂直底面分量En與平行底面分量Et在抗滑檢算中也分別屬于抗力項與作用項。這就表明抗滑與抗傾檢算中均有部分抗力與作用有相同來源，二者存在一定程度的相關性也就不言而喻了。支擋結構設計的目的是抵抗巖土壓力，因此所有支擋結構的設計必然都會遇到抗力與作用相關的情況。

文獻[14-15]對相關性這一普遍性問題進行了分析，給出考慮變量相關性后的可靠指標與分項系數表達式。

(4)

式中：ρ——抗力R與作用S之間的相關系數；

對于抗力、作用有多項的情況，其可靠指標與分項系數表達式可根據式(4)類推得到，此處不再贅述?？梢钥吹?，當相關系數ρ=0時，式(4)與式(2)是一致的，這表明現行規范給出的計算式只適用于抗力與作用不相關的情況，因此并不具有廣泛適用性。相比之下，式(4)具有更強的適用性。

3.4 支擋結構的自洽設計

基于設計參數的自洽算法，支擋結構可進行極限狀態自洽設計，其流程如圖4所示。與一般極限狀態設計流程相比，自洽設計方法主要增加了設計參數自洽的流程，該流程的目的在于考慮設計參數之間相關性影響。采用極限狀態自洽設計可顯著提升結構安全可靠性與風險因素之間的針對性，在確保安全的同時達成良好的經濟性。此外，由于自恰設計有堅實的理論基礎，給出的設計參數對應有明確的安全度，因此有助于支撐支擋結構安全可靠性設計由半經驗設計向理論設計的提升。

圖4 支擋結構極限狀態參數自洽設計方法流程圖

4 支擋結構極限狀態設計建議

基于對支擋結構安全風險識別及設計參數自洽的分析，提出支擋結構極限狀態設計建議如下：

(1)完善各支擋結構極限狀態設計的適用性?，F行規范支擋結構設計整體偏重于承載能力設計(即強度控制設計)，隨著鐵路運行速度和安全性的不斷提升，正常使用設計(即變形控制設計)將扮演越來越重要的角色，支擋結構設計應對承載能力設計與正常使用設計并重，梳理不同設計狀況下的正常使用極限狀態功能需求。

(2)完善各支擋結構極限狀態設計的功能項。各支擋結構設計均有約定俗成的功能項，而最終的設計結果應由結構的某一項或某幾項功能控制。若結構設計由功能之外的一些規定所控制，則應考慮將這些規定根據極限狀態的分類設置為具體的功能項。如若“高速鐵路路肩樁板墻樁頂位移不宜大于60 mm”的規定，在某些情況下控制設計，則可考慮設置成相應的功能項。

(3)基于極限狀態梳理材料參數的取值?？煽慷仍O計方法的核心在于能較科學地衡量并分析考慮各個部分的不確定性，若不能明確材料參數的標準值，難免會影響可靠性設計方法的應用價值。目前，現有規范的參數取值多繼承了安全系數，有些參數取值本身就蘊含了一定的可靠性，因此有必要基于材料應力應變試驗的極限狀態對材料參數取值進行梳理。

(4)給出滿足自洽規律的支擋結構設計參數。安全系數、可靠指標、分項系數均應滿足本文給出的自洽宏觀規律。特別需要注意的是，經安全系數校準后的分項系數，即使安全系數滿足自洽規律，分項系數也未必滿足，在支擋結構極限狀態設計中應尤其注意這一點。

5 結束語

支擋結構極限狀態設計應在風險識別的基礎上優化設計參數，以實現從設計源頭上對風險因素進行針對性的規避，同時應注意設計參數的自洽性，進行參數自洽設計，以確保工程設計的合理、可靠，從工程源頭上提升工程的可靠性。