隧道支护结构力学行为研究现状

项金志，肖文斌，卓友林, 贾政鹏，万志强

[摘要]总结了国内外隧道支护结构的发展情况，并对支护结构理论发展现状以及含软弱层隧道支护结构的力学行为研究现状进行综述。最后论述了隧道支护结构的力学行为研究不足之处，并对其进行展望。

[关键词]隧道围岩； 软弱层； 隧道支护； 支护结构； 力学行为；

[中国分类号]U455.7                        [文献标志码]A

0引言

随着我国基建水平能力的不断提升，在山区修建隧道也越来越多。由于山区地质构造复杂性，山区公路隧道的开挖将要面临错综复杂的问题。山区隧道围岩大多数是岩体。由于岩体长时间的地质作用，在岩体中常常形成了具有不良性质的各向异性不连续面，其地质力学性质较差。根据结构面的力学性质情况，可分为软弱结构面和硬性结构面，岩体在长时间的地质运动等外在因素条件下，会形成具有不同厚度、不同分布形态的软弱薄层。随着软弱结构体数量增多，便会形成软弱层。软弱层是岩体中最容易发生变形和破坏的特殊软弱结构面或者软弱带，其制约着岩体变形和破坏。山岭隧道修建时，时常会穿越不良力学性质的软弱层，如图1所示。

软弱层是强度较高的岩体中所含有的强度相对较低岩体。由于其遇水容易泥化和软化，易扰动，因此软弱层容易改变岩体结构整体强度，容易致使岩体在隧道施工过程中发生较大变形和破坏。因此很难对含软弱层岩体的稳定性进行恰当的控制。众所周知，隧道围岩的稳定性对整个隧道工程的安全运营起决定性作用。然而山岭隧道围岩中的坍塌破坏大多数是沿软弱结构面所产生，软弱结构面直接了影响隧道围岩的稳定性，严重的话其会造成在施工过程中隧道渗漏水、支护结构开裂等问题［2-8］。因此，对含软弱夹层隧道围岩和支护结构的相互作用的认识深度以及对支护结构的合理设计对含软弱夹层的隧道的成功修建起着至关重要的作用。

近年来，由于岩土力学学科、监测仪器和机械设备的發展，极大的提升了隧道工程的勘察、设计以及施工技术的水平。然而，由于岩土材料的复杂性，科研工作者对隧道施工影响下的岩土的变形特性、应力场的重分布规律的了解仍然有不足，从而导致对初期支护结构和二次衬砌等支护结构的作用机理、支护参数的确定与优化、支护时机的选择等问题没有办法做出科学判断和解释，很多情况下借助工程经验对隧道工程进行建设，增加了工程不确定性［9］。考虑以上原因，国内外大量的科研工作者，对含软弱夹层隧道的支护结构的受力特征等开展了大量有意义的研究。因此本文整合国内外研究成果，总结国内外支护结构的发展情况、支护结构理论的发展现状以及在对含软弱层隧道支护结构力学行为方面进展进行概述。最后指出当前研究现状不足之处，并对其进行展望。

1国内外隧道支护结构发展情况

众所周知，隧道开挖之后会引起围岩的应力重新分布以及部分残余应力的释放。随着围岩应力的释放，围岩将产生一定程度的变形，这时需要设置的有效的支护结构，防止围岩产生塑性松动区，进而使岩体质量恶化，产生破坏［9］。随着时代的发展，为适应不同地质情况、考虑不同因素对隧道施工的安全性影响，不同时期国内外研究学者外对支护结构材料、施工方法等都有不同程度的考虑。

19世纪初，由于隧道隧道埋深较浅，规模较小，工程师们普遍认为作用在隧道结构上的荷载与上覆土层的重力相同的。这一时期，大多数的隧道采用断面分部开挖方法，同时多以砖石材料做为衬砌，而木材料作为临时的内部支撑。

1912年由于锚杆支护的经济技术的优越性，德国最先把锚杆支护技术应用于井下隧道，与此同时美国在煤矿巷道中采用锚杆支护结构顶板。20世纪50年代时，中国也开始逐渐开始应用锚杆技术。直到1970年时，锚喷技术越来越被工程界所认可，其也被认定为煤矿井巷未来支护的发展方向。当前，锚杆技术和锚喷技术已经取得了大量的进步。其主要体现在锚杆类型和相应材料的快速发展，如机械式锚杆、混合锚头锚杆、树脂锚固锚杆等，而主要的喷射材料从素混凝土、素砂浆水泥等到不同种纤维材料组成的柔度纤混凝土。这种技术大大的加固软弱破碎的岩土体，充分发挥了岩土的自承能力，提高了结构工程的稳定性。然而实践证明，仅仅使用锚喷支护技术不能完全适用于含软弱夹层隧道围岩大变形的要求。所以，目前含软弱夹层围岩隧道锚喷技术多往可缩量方向发展［11］。

在20世纪80年代末期，由于锚喷深埋特长隧道中时常发生锚喷支护底鼓、引帮、大变形等问题，导致支护效果的成效低下［11］。为解决这一类问题，有科研人员把锚喷支护改为钢架支护和锚喷支护共同作用，从而很大程度上降低了此类灾害的出现。然而，随着钢架支护结构的使用，在一些隧道施工案例中发现这种支护结构出现了所使用的钢材料在很小的相对压缩量时就发生破坏，各种型钢与喷层不能协调变形等问题，因此也限制了其使用。

目前，我国隧道工程的设计与施工中大部分采用锚喷支护和二次衬砌相结合的复合式衬砌支护结构［10］。这种方式可以充分发挥围岩自承能力，使其与支护结构共同作用承担荷载，增强隧道围岩的稳定性［12］。除此之外，隧道工程建设中，还使用了一些超前预支护法，如管棚法、超前小导管法、水平、垂直旋喷注浆法等［13］。其被认为是控制围岩变形最为有效的辅助功法，可以在含软弱夹层的隧道中得到应用。

2国内外隧道支护结构理论的发展现状

长期以来隧道工程都是沿用地面上的工程设计理论与方法来解决地下工程所面临的问题。事实上，地下工程与地面上的结构工程所处的环境是不同的。因而这些理论不能科学准确地解释地下工程结构的力学现象。这使得隧道工程长时间依靠经验设计和施工。为谋求地下工程的技术的发展与进步，大量的科研工作者都在努力解决当前所遇到的问题并提出适用于地下工程结构的理论和方法。

经历上百年的时间，支护结构理论已经发展出了很多理论，其理论如图2所示。

20世纪初，古典理论时隧道围岩稳定性分析主要方法，其认为作用在支护结构上的覆盖地层的重力是其所承受的荷载。然而随着开挖深度的不断加大，古典理论在实际应用当中存在一定的问题［14］。造成建设成本偏高和工程本身不可行。于是出现散体压力理论，其认为随着埋深加大，即施加在支护结构的上的荷载不在是上覆盖地层的重力，而是围岩塌落拱内松动的岩体的自重［15］。

与此同时，也有科研工作提出了坍落拱理论。即认为围岩压力是拱内岩体的自重，并提出了围岩具有自我承载能力［15］。20世纪60年代，得益于岩土力学理论的发展和新技术的应用，奥地利隧道工程专家鉴见隧道施工经验，创立了新奥法，其也是隧道围岩的支护理论之一。其核心内容是最大程度的发挥围岩的自我承载能力，使围岩形成支撑环。然而新奥法也存在一定问题，比如新奥法的理论基础是弹塑性理论，然而当涉及到软岩流变等问题时，该理论已经不再适用。因此需要对新奥法做进一步的完善。

联合支护理论是对新奥法的发展。其核心在于不在强求加强刚度，而适宜采用“先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护”。并以此发展了锚带喷架等支护技术。

中国学者董方庭教授等［17］提出了松动圈支护理论。该理论的认为松动圈的大小与收敛变形大小成正比，及松动圈越大的隧道，其收敛变形也越大，进而造成支护也越困难”，并认为围岩松动圈过程中产生的不利变形可以通过支护阻止。与此同时，董教授对松动圈的围岩进行了分类，如表1所示。

软岩工程力学支护理论是以工程地质学和现代大变形力学理论为基础，分析软岩变形力学机制，提出复合变形力学机制为核心的一种新的隧道支护理论。

3含软弱夹层隧道支护结构力学行为研究现状

针对含软弱层隧道支护结构力学行为的研究，研究者们主要对软弱层分布位置以及分布形态对支护结构影响，软弱层隧道支护结构受力特性以及支护参数优化等方面进行了研究。

在研究软弱层分布位置以及分布形态对支护结构影响方面，张农等［18］采用物理模拟方法，研究了不同软弱层层位条件下巷道顶板破坏失稳模式以及锚杆支护效应，并且基于巷道顶板安全性评估，给出了软弱层处于巷道围岩不同位置时的煤巷分级强化应对策略；黎盼［19］通过穿越断层破碎带隧道模型试验，研究了不同倾角断层条件下，不同施工方法对围岩压力、位移的变化规律；李达［20］采用FLAC 3D软件，探讨了不同倾角断层与隧道轴向正交情况下其二次衬砌支护结构的受力特性，最后总结不同倾角断层的二次衬砌受力规律；张志强等［21］采用有限元分析软件final研究了软弱夹层隧道分布部位对洞室的稳定性以及支护结构的影响，为地下洞室的优化设计提供了科学依据。许林峰［22］采用ANSYS软件，通过对活化断层不同宽度对围岩-衬砌-断层带的能量转换研究，总结了围岩应力场、位移场以及支护结构应力的变化规律。

在研究含软弱层隧道支护结构受力特性以及支护参数优化方面，Hsu等［23］通过数值模拟，研究了软弱层隧道支护结构在改变锚杆角度、间距以及位置等参数变化时的响应；陈思宇［24］、方树林等［25］等结合工程实例，改变软弱层隧道支护参数，提出了支护要点；Ding等［26］通过试验研究了含软弱层隧道在施工开挖过程中围岩变形时的锚杆应力分布和支护机理，并说明了锚杆为受拉或受剪破坏；万飞等［27］依托工程项目，开展了对含断层破碎带隧道支护结构优化设计研究。通过对隧道围岩位移、应力以及锚杆、钢拱架的受力情况进行现场监测的基础之上，提出了支护结构优化方法，并论证了优化方案的可行性。为后期类似隧道的支护参数提供了依据和数据；Jeon等［28］等通过模型实验和数值模拟方法研究了断层、软弱层等因素对隧道稳定性的影响，并以此提出了支护结构的优化参数；白运洲［29］、雷军等［30］等通过现场监测手段，研究了含断层破碎带隧道围岩和支护结构受力规律，并总结了初期支护和二次衬砌荷载分担比。Miura等 ［31］、Feng等［32］、Annalis等 ［33］、Zhang等 ［34］、Fan等［35］ 、Liu等 ［36］研究了复杂地层隧道的施工关键技术和支护结构效应。伍国军［37］为解决实巷道中软弱夹层容易破坏的等特点，通过有限元ABAQUS数值模拟软件计算，提出了钢架全封闭等措施，从而减小了软弱夹层的失稳破坏。李冬伟等［38］基于工程项目，对含软弱层顶板巷道围岩变形规律和支护技术进行了研究。通过FLACD3D软件对巷道的支护结构进行优化，并对比分析了支护结构优化前后的效果。

基于上述文献总结，国内外研究学者采用理论分析、数值模拟以及模型试验等方法，研究了支护结构力学行为，分析围岩与隧道结构实际的受力情况与变形特征，得出隧道围岩与支护系统的受力变化规律。有些学者依托含软弱层隧道实际工程，对隧道支护结构参数进行优化，提出若隧道施工处于软弱层段时应尽快进行初期柔性支护，及时封闭仰拱、适时施筑二次衬砌以控制围岩挤入大变形等施工措施。软弱层形态主要包括软弱层厚度、倾向以及倾角等。目前对于软弱层的研究主要是具有特定且单一形态的，但实际上，在山区复杂地层中的软弱层差异显著、多种多样，而现有的研究中对系统研究软弱层处于隧道不同空间位置形态时隧道围岩与隧道结构实际的受力情况与变形规律则较少。

4结束语

本文在整理阅读国内外文献的基础之上，总结了国内外支护结构的发展情况、支护结构理论的发展现状以及在对含软弱层隧道支护结构力学行为方面进展。关于隧道支护结构的理论、力学特性等已经有很大程度的进展，但由于隧道地下工程原有问题的复杂性以及研究方法存在局限性，当前对隧道支护结构的力学行为研究仍有许多不足之处，尚待进一步的研究。笔者认为主要包括几个方面：

（1）对围岩的变形破坏机理认识不足。支护的过程是与围岩变形相互协调的一个过程。然而当前由于隧道工程地质环境的复杂性等原因，对于围岩的变形破坏机理还未能深入了解，因此无法对支护过程的支护时机、支护类型的以及支护参数进行最优的选择。因此有必要對围岩的变形破坏机理做进一步的研究。

（2）支護与围岩的相互作用过程认识不足。隧道围岩变形以及支护结构受力演化规律的研究当前主要依靠于理论分析数值模拟分析方法。通常这种分析方法设定了一些简化条件。因此这种分析方法不能较好的反映隧道工程的复杂性条件，从而难以对实际工程进行指导。

（3）支护结构设计过于依赖已有的工程经验。目前隧道设计和施工方法长期依赖于工程经验，无法对隧道结构进行精细化的设计。例如：不同种围岩需要哪种支护；不同的支护结构又适应于哪一种围岩......这些问题均没有办法得到较好的解答。与此同时，当工程地质条件相对简单时，采取工程经验的方法对支护参数的选取能够满足要求，但是当地质条件复杂时，如高地应力隧道，支护参数的选取通过工程类比的方法便不能够得到满足。

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