隧道衬砌支护施作时机研究综述★

王华山 党立平 周远强

(1.中国机械设备工程股份有限公司，北京 100055； 2.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043)

1 概述

衬砌最佳支护时机，就是最大限度调动围岩变形释放能量，充分发挥围岩自承载能力，最大程度调整支护体系作用，使二次支护结构使用最为合理、抗力降为最低[1]。

确定隧道衬砌最佳支护时机是有效发挥围岩自承能力和尽可能合理利用衬砌结构的关键[2]。选择合适的支护参数与确定合理的支护时机已成为隧道工程的重中之重。

2 研究现状

2.1 支护结构的研究方法

Panet[3]提出了收敛限制法。根据隧道围岩的最终变形量，再引入支护特征线以及围岩特征线的概念，就可以确定隧道衬砌的最佳支护时间。Sulem[4]在Panet等人研究基础上，研究出了能够比较准确地预测隧洞围岩收敛位移的新方法，极大扩展了早期的收敛限制法。Bizjak，Karmen等[5]采用有限差分法分析了隧道围岩应力，得出了隧道位移和演化的预测新方法。数值仿真技术发展速度迅猛，使得越来越多复杂的支护结构工程模拟更能接近实际情况。谢锋等[6]、鲁岩等[7]采用数值模拟和理论分析等方法，详细讨论了二次衬砌支护的最佳时机问题。郑州大学徐建国等[8]，依托岭南高速公路分水岭隧道工程，基于现场监测结果，考虑该工程地质条件及特点，运用于围岩特性参数反分析，开展了隧道周边及拱顶位移量测，为确定最佳二次支护时机提供了依据。何晖等[9]、李宝平等[10]以实际工程为工程背景，基于现场监控量测数据，应用MATLAB软件，回归分析了工程现场典型断面监测数据，通过对比研究，确定了隧道二次衬砌最佳支护时机。综上所述，基于理论分析、数值模拟和解析分析三种基本研究方法，不同学者根据实际工程又提出一些具体的研究方法和研究理论。

2.2 支护时机影响因素研究

2.2.1围岩级别对支护时机影响

对于不同围岩级别对支护实际影响分析，荣耀[11]根据巷道开挖过程中各类围岩的能量释放时间不同，找到了围岩级别与围岩支护时机的互相关系。围岩级别越好则支护施作时间可越推迟，但往往不超过3 d。唐霞等[12]基于充分利用围岩自承能力的新奥法理念，对现场多个Ⅳ级围岩断面初期支护变形监测数据进行统计分析，得出二次衬砌的最佳支护时间段。结果表明：监测数据分析所得二衬支护时机是合理的，适当提前施作二衬支护对工程是有利的。

2.2.2不同支护结构类型施作时机

关于不同支护结构类型的支护时机研究，朱珍德等[13]基于流变力学的基本理论，分析了隧道采用锚杆支护下，锚杆区围岩位移与应力随时间变化的规律。乐茂华[14]依托某地下隧洞，做了锚杆支护、喷网、衬砌及格栅钢架等不同支护结构形式在该隧洞运用的研究。李之达,黄强等[15]以某联拱隧道为工程背景，采用环形模筑混凝土衬砌支护，整理分析了围岩周边收敛和拱顶下沉的现场监测资料，得出了拱顶下沉和围岩收敛的变化规律，研究了隧道受力与二次衬砌施作最佳时机之间的关系，最后给出了隧道最佳衬砌施作时机。

2.2.3不同开挖工法支护施作时机

由于隧道因地质环境不同，往往采用开挖方式不同。对于不同开挖工法对支护施作时机影响研究，黄水泉等[16]采用数值模拟方法，分析了不同隧道开挖工法对不同围岩级别二衬合理支护时机的影响。董磊、宋红艳等[17]以某公路隧道建设为背景，采用“先让后治”的原则，补强初期支护强度并提供二次衬砌施作条件，提出双层初期支护设计方案，并通过数值技术仿真分析三台阶七步、CRD和双侧壁导坑3种工法下拱顶沉降、水平收敛及塑性区的分布特征。结果表明：二次支护施作的最佳时机在上台阶右半幅断面开挖前。

综上所述，影响支护时机的因素很多：围岩级别、支护结构类型、隧道开挖方法等。目前往往采用现场监测和数值分析等研究手段做影响衬砌结构支护时机的因素研究，研究成果针对性较强。

2.3 不同支护时机对围岩稳定性影响

围岩对支护结构有影响，反之支护结构对围岩稳定性也有影响。任旭华等[18]以锦屏二级水电站(一期)引水隧洞工程为背景，研究了隧洞在不同渗控方案所形成的外部水环境条件下围岩及衬砌的工作性态，不同支护时间对围岩及衬砌结构的应力及变形会产生不利影响。杨建平等[19]以复杂施工工艺的小净距隧道为工程背景，做了隧道在不同荷载释放比例下不同支护时机对围岩稳定性影响的相关探索。支护越早，衬砌承担的荷载越大，围岩的塑性变形越小。王迎超等[20]在复合式衬砌在围岩蠕变过程中的受力规律研究中，利用有限元程序ANSYS建立计算模型，采用广义开尔文本构关系，分别分析了二次衬砌在不同支护时机和不同刚度下，复合式衬砌的受力规律。二次衬砌在不同支护时机施作时，其受力都先逐步增大再趋于稳定。

综上所述，支护时机越早则围岩塑性变形越小，支护结构受力越多，但最终受力达到稳定状态。

2.4 特殊地质环境支护时机探究

2.4.1软岩围岩支护时机

通常软岩围岩强度较低，常常有蠕变效应，故该特殊围岩支护时机确定往往较为复杂。辛全山等[21]以某软岩巷道为依托，进行了最佳支护时机研究，采用位移反演方法给出了尽可能利用围岩自承能力的二次支护系统最佳支护时间。李俊鹏[22]对隧道开挖过程进行模拟研究，探讨围岩应力释放规律及软岩支护时机。张鹏，李宁等[23]采用非静水压力的柱状孔扩张与芬纳理论，结合软岩的应变软化力学特征，推导了圆形隧洞非静水压力下塑性区、松动区最大半径的求解公式，并基于实际工程经验建立了隧洞顶拱变形与塑性区、松动区半径大小的关系式，提出了衬砌施作时机的收敛变形监测判据。

2.4.2复杂地质条件支护时机

蒋斌松等[24]采用解析方法对深埋圆形隧道应力与变形作了研究，给出了关于深埋圆形隧道破裂围岩的变形和应力的封闭解。姚国圣等[25]针对已有弹塑性解不能描述围岩应力随时间发展的破坏关系，在岩体的塑性软化特性及扩容等基础上，给出了在均匀介质中破碎岩巷道变形及应力的理论解答。汪波等[26]从隧道开挖方式及洞周应力调整角度出发，利用数值分析方法，选择了典型施工断面，分析并预测了计算范围内岩爆的状况，并与现场监测数据对比分析，最终确定出了不同地段时的二次衬砌最佳支护时机。综上所述，软岩隧道最佳支护时机确定得考虑其蠕变效应。在特殊地质环境中最佳支护时机确定存在已有解答在该工程实际中不适用的现象，需要特殊问题特殊对待。

3 展望

1)目前研究方法从经验法到理论计算法都有其局限性。而尝试将多种手段进行结合与比较，采集现场实测数据，对比室内试验，结合理论计算分析，进行数值模拟来反复对衬砌施作时间进行修正可能是以后研究的重要内容。2)隧道支护工程隐蔽性高、地域性强、地下环境复杂，最佳支护时间研究的普适性与一般性仍然有待继续探索。不仅是理论层面，更需要更先进的测量仪器和技术手段。