地下工程約束混凝土支護理論與技術研究進展

王 琦，許 碩,3，江 貝，李術才，肖宇馳,3，辛忠欣,3，劉博宏,3

(1.山東大學 巖土工程中心，山東 濟南 250061; 2.中國礦業大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083; 3.山東天勤工程科技有限公司，山東 菏澤 274799)

隨著我國地下工程的迅速發展，建設規模不斷擴大，工程建設過程中面臨大量高應力、極軟巖、強采動和斷層破碎帶等復雜條件。受上述復雜條件影響，傳統支護體系破斷失效，圍巖變形量大、持續時間長，復修率高，冒頂、塌方等突發性工程災害和重大事故頻發[1-3]。

在新奧法理論指導下，地下工程大量采用錨網噴支護技術。國內外學者針對錨桿支護技術進行大量研究，形成一系列的成果，如Cone錨桿[4]、Roofex錨桿[5]、Garford錨索[6]等，何滿潮[7]、孫曉明等[8]提出了深部圍巖非線性大變形設計理論，并基于此研發了恒阻大變形錨桿支護技術，對于復雜條件下圍巖控制有很好的效果。但是復雜條件地下工程圍巖破碎嚴重，可錨性較差，錨桿的錨固性能難以有效發揮[9]，錨網噴支護強度不足，圍巖控制困難，采用錨網噴、錨注、拱架等多種方式的聯合支護是解決該類控制難題的必然選擇。

康紅普等[10]針對超千米深井巷道圍巖、支護體變形及破壞狀況，提出了高預應力、高強度錨桿與錨索及注漿聯合加固技術，能夠有效控制超千米深井巷道大變形，保持圍巖長期穩定;謝生榮等[11]針對深部軟巖巷道圍巖總變形量大、收斂速率快，提出了錨噴注強化支護技術;劉泉聲等[9]針對淮南礦區煤礦深部破碎軟弱圍巖支護問題，提出分步聯合支護的設計理念和優化支護方案;筆者團隊[12]針對三軟地層沿空巷道圍巖控制難題，提出了注漿錨桿+注漿錨索聯合支護方法，同時，針對千米深井軟弱圍巖巷道控制難題，提出了方鋼約束混凝土支護體系，有效控制了圍巖變形[2];李樹忱等[13]針對膨脹力作用下的隧道支護難題，提出了格柵拱架+鋼拱架+噴射混凝土聯合支護方式;文競舟等[14]建立了由系統錨桿為支護外層拱以及噴層與鋼拱架為支護內層拱所共同構成的復合拱力學模型，結果表明，以型鋼拱架和噴層組成的支護內層拱起主要承載作用。

拱架作為聯合支護的最后一道防線，需具有高強、高剛的性質。傳統型鋼拱架包括U型鋼拱架和工字鋼拱架，其與錨網噴聯合支護起到了較好的圍巖控制作用。但是在超高應力、軟弱圍巖等復雜地質條件下，傳統型鋼拱架易出現局部屈曲、整體折斷、法蘭節點破壞、卡纜節點失效、搭接部位撕裂折損等現象[15]，導致支護體系整體失效，不能滿足復雜條件圍巖控制需求。

地下工程約束混凝土支護體系能夠解決上述問題，有效控制復雜條件圍巖變形[2-3,18]。筆者對約束混凝土支護體系的研究內容進行了總結，同時對該體系設計、施工與驗收規范制定以及在不同工程領域的推廣應用方面進行了展望。

1 約束混凝土支護發展歷程

1.1 約束混凝土支護體系

約束混凝土支護體系[2-3,16-23]的核心為內部高強承載層，即高強約束混凝土拱架(圖1)。高強約束混凝土拱架是在鋼管等外部約束材料中灌注混凝土形成的，鋼管混凝土是約束混凝土中的一類形式，為了方便論述，本文將鋼管混凝土以及其他形式約束混凝土統稱為約束混凝土。約束混凝土由于外部結構的約束作用使核心混凝土具有更高的抗壓強度，核心混凝土又保證了外部約束不易發生失穩破壞，約束結構與核心混凝土共同承載，兩者表現出力學性能上的“共生現象”，使其具有強度高、延性好、造價低的優點。

圖1 約束混凝土支護體系Fig.1 Confined concrete support system

針對高強約束混凝土支護技術，眾多學者在室內試驗、數值試驗、計算理論與設計方法和現場實踐等方面進行了研究(圖2)，為約束混凝土支護技術的廣泛應用奠定了基礎。

圖2 約束混凝土支護研究內容Fig.2 Research contents of confined concrete support

1.2 礦山工程約束混凝土支護發展歷程

自2000年以來，眾多學者針對約束混凝土支護體系開展了系列研究，淮南工業學院臧德勝[24-25]首次采用圓鋼約束混凝土拱架在平煤四礦進行了現場應用，與型鋼拱架相比，約束混凝土拱架耗鋼量更少，成本更低。此后，高延法教授課題組在錢家營礦[26]首次采用先架后灌的灌注工藝和套管節點進行拱架拼裝連接，首次將地上約束混凝土結構普遍采用的“頂升法”灌注工藝引入了地下工程，保證了核心混凝土的灌注質量，并在查干淖爾礦[27]進行了應用。2011年，筆者課題組[18-23,28-30]首次提出了與圍巖接觸緊密、縱向連接方便、壓彎承載力強的U型鋼、方鋼等多種約束混凝土支護體系，系統開展了室內全比尺對比試驗，建立了非等剛度、任意節數內力計算模型，形成了約束混凝土支護設計方法，研發了成套關鍵技術與施工工法，并在深部高應力、海域極軟巖、巨厚沖積層等典型礦井中成功應用。2015年，劉立民等[31]首次提出了曲面D型約束混凝土支護形式，并在平煤十礦進行了應用，取得了良好的圍巖控制效果。

在以上典型技術革新的基礎上，眾多學者對上述約束混凝土支護技術進行了改進優化，取得了眾多技術成果，典型技術革新見表1。

表1 礦山工程約束混凝土支護典型技術革新Table1 Typical technological innovation of confined concrete support in mine engineering

1.3 隧道工程約束混凝土支護發展歷程

20世紀70年代，日本首次采用將箍筋插入鋼管內并灌注砂漿的剛性支撐形式，應用到世界最長海底隧道——青函海底隧道的膨脹區段，成功穿過了斷層[32]。這是關于約束混凝土支護在世界范圍內被應用到隧道工程領域的首次報道。

1984年，原鐵道部[33]首次將約束混凝土拱架應用到了南嶺隧道中，通過對比試驗和現場監測后得出:約束混凝土支護是強度高、穩定性好、經濟效果顯著、加固效果明顯的支護形式。這是我國首次關于約束混凝土支護被應用到隧道工程領域的報道。

為解決大斷面隧道拱架重量大、人力施工效率低、在爆破完成后容易出現拱頂掉塊、垮塌造成嚴重安全事故等問題，山東大學筆者課題組[34-37]提出了“高強高剛、精確裝配”的約束混凝土支護體系施工理念，首次將方鋼約束混凝土支護技術應用在我國超大斷面交通隧道中，同時自主研發了高精度約束混凝土拱架機械化施工裝備以及自動裝配式節點、快速定位縱向連接裝置等配套裝置，實現了約束混凝土支護技術的快速機械化施工，同時首次將約束混凝土支護技術推廣應用到市政隧道工程中。隧道工程約束混凝土典型技術革新見表2。

表2 隧道工程約束混凝土支護典型技術革新Table 2 Typical technological innovation of confined concrete support in tunnel engineering

2 約束混凝土支護原理與承載性能研究

高強約束混凝土拱架能夠實現外部約束和核心混凝土力的共生，既發揮了約束材料強度高、延性好的優點，又發揮了核心混凝土抗壓性能優、造價成本低的特點。與傳統型鋼拱架相比，其承載能力大幅提高，可對軟弱圍巖提供更大的徑向作用力，提高圍巖自身承載能力，有效控制圍巖變形和塑性區發展。同時，高強約束混凝土拱架作為內部高強承載結構，是維護圍巖自承結構完整性和有效性的主體，其與外部圍巖形成整體承載體系，避免了支護體系木桶效應的產生，實現了復雜條件圍巖的“高強、完整”控制。

為對比分析約束混凝土拱架與傳統型鋼拱架的承載性能，國內外學者系統開展了約束混凝土短柱試驗、直梁與圓弧拱試驗、縮尺與全比尺拱架試驗，并針對約束混凝土自身結構特點，開展了約束混凝土拱架密實度試驗、灌注口與組合節點性能試驗研究。

2.1 約束混凝土短柱試驗

2.1.1軸壓試驗

1984年，蔡紹懷等[38]進行了約束混凝土短柱軸壓試驗，得到了約束混凝土短柱軸壓承載力;1999年，韓林海[39]通過大量約束混凝土短柱試驗，研究了不同因素對約束混凝土短柱破壞形態及承載力的影響;2006年，王來等[40]對十字形約束混凝土短柱的軸壓過程進行數值試驗，分析了鋼材型號和混凝土等級對短柱力學性能的影響;2014年至今，筆者課題組[17,21,35,41-42,62]對U型約束混凝土(以下簡稱UCC)與方鋼約束混凝土(以下簡稱SQCC)及對應的型鋼短柱進行了軸壓對比試驗，并利用聲發射技術研究了核心混凝土破裂機理及其與約束鋼管的耦合性能。

綜合上述研究可知:約束混凝土短柱受約束效應的影響，整體為塑性破壞，形態主要為腰鼓狀破壞和剪切破壞，有效避免了型鋼短柱由于早期失穩導致承載能力大幅下降的現象。荷載-應變曲線呈現上升→平緩上升的形式，沒有下降段，反映出約束混凝土結構具有較好的延性和后期承載能力。以U型約束混凝土短柱為例，在截面含鋼量基本相同的情況下，其軸壓極限承載力是相同類型U型鋼短柱的2.6倍以上(圖3)。

圖3 約束混凝土與型鋼短柱試驗結果對比Fig.3 Comparison of test results of confined concrete and steel short columns

2.1.2偏壓試驗

1997年，韓林海[43]對約束混凝土構件進行偏壓數值試驗，分析了偏壓構件力學性能;2006年，陳志波[44]進行了約束混凝土短柱偏壓室內試驗，分析了短柱偏壓力學性能，并提出偏壓承載力計算方法;2008年，聶建國等[45]進行了圓鋼、方鋼約束混凝土短柱偏壓試驗，對比分析了不同偏心距下兩種截面形式的短柱承載力;2015年，郭曉松[46]進行了橢圓形短柱在兩種偏心距下繞短軸的偏壓試驗，同時采用ABAQUS軟件進行數值分析，提出了承載力計算公式;2016年，江貝[34]對不同類型約束混凝土短柱進行偏壓數值試驗，對各短柱偏壓承載能力進行了對比分析;2017年，向星赟[47]進行了約束混凝土短柱偏心受壓試驗，對其承載力及影響因素進行研究，并提出了偏壓承載力計算公式。

目前關于約束混凝土短柱軸壓、偏壓試驗的研究已經成熟，上述研究通過不同類型約束混凝土短柱試驗，得到了短柱的軸壓極限承載力、壓彎承載力及影響因素，為短柱與拱架承載力計算及設計方法提供了依據。

2.2 約束混凝土直梁、圓弧拱抗彎試驗

2001年，楊有福等[48]進行了矩形約束混凝土純彎構件室內試驗，對矩形約束混凝土構件在純彎狀態下的力學性能進行研究;2006—2008年，于清[49]、陶忠等[50]進行了不同鋼管壁厚、混凝土強度的圓鋼和方鋼約束混凝土構件純彎試驗，得到了構件抗彎承載力，試驗結果表明，約束混凝土構件具有較強的抗彎能力和良好的延性。

2013年，劉國磊[51]和曲廣龍[52]等進行了約束混凝土圓弧拱抗彎試驗研究，對約束混凝土、空鋼管、U36,22 b工字鋼等不同類型的圓弧拱構件進行承載性能對比分析;2018年，單仁亮等[53]對約束混凝土拱架中單拱構件進行徑向加載試驗，結合數值試驗，得到了圓弧拱的極限承載力及影響因素。

通過上述研究可知:由于約束混凝土拱架尺寸大、成本高，進行拱架局部構件試驗可一定程度上反映拱架力學性能，便于研究拱架局部破壞機制。此類拱架局部構件試驗未考慮節點等因素影響，試驗結果不能充分反映拱架破壞和承載機制。

2.3 約束混凝土拱架試驗

2001年，臧德勝等[54]開展了直腿半圓形約束混凝土拱架縮尺試驗;2009—2014年，高延法課題組開展了圓形[51]和淺底拱圓形[52]等拱架縮尺或大比尺力學性能試驗(圖4(a)～(d));2014年，魏建軍等[55]進行了直腿半圓形拱架縮尺試驗(圖4(c));2015年至今，筆者課題組研發了組合式約束混凝土拱架全比尺力學試驗系統[56]，開展了礦山巷道U型約束混凝土、方鋼約束混凝土、圓鋼約束混凝土(以下簡稱CCC)拱架以及U型鋼和工字鋼拱架的1∶1系列對比試驗[2,16,20-21,34-37,57](圖4(e)～(i))。首次進行了交通隧道三心圓拱架的大比尺室內試驗。系統分析了不同加載模式、不同斷面形狀、不同截面參數以及不同核心混凝土強度等因素對拱架承載能力的影響機制，并于2019年首次進行了大斷面隧道組合拱架的室內大比尺試驗[58]。

約束混凝土拱架室內試驗具體參數見表3，對比分析可以得到如下結論:

圖4 約束混凝土拱架承載特性試驗Fig.4 Bearing characteristics test of confined concrete arch

表3 約束混凝土拱架承載特性試驗統計Table 3 Statistics of confined concrete arch bearing characteristics test

續 表

(1)拱架尺寸有2種形式:第1種是縮尺，模型尺寸較小;第2種是全比尺，可實現不同形狀、不同尺寸拱架的1∶1力學試驗。

(2)試驗有2種加載方式:第1種加載方式為頂部加載，其他位置多點約束;第2種加載方式為多點加載，能夠更真實模擬拱架在現場的實際受力狀況。

(3)約束混凝土拱架承載力是相同截面含鋼量的傳統型鋼拱架的2倍以上，且具有更好的延性和后期承載力。

(4)方鋼約束混凝土拱架承載力比相同含鋼量的圓鋼約束混凝土拱架最高可提高22.7%，且與混凝土噴層結合更緊密，抗彎性能和穩定性能更好，在地下工程拱架均承受壓彎荷載的情況下，方鋼約束混凝土拱架更具有適用性。

2.4 約束混凝土密實度試驗

核心混凝土不密實是造成約束混凝土破壞的主要原因。核心混凝土空腔及脫空缺陷導致混凝土自身承載力下降(圖5)，鋼管與混凝土膠結力減弱，鋼管和混凝土無法形成“力的共生”效應。

眾多學者對含不同空腔及脫空缺陷的約束混凝土拱架及構件進行了大量試驗，結果表明，核心混凝土不密實會引起約束混凝土構件的強度折減[59-62]。核心混凝土脫空率為2.2%時，約束混凝土壓彎扭試件的極限承載力下降11.5%，脫空率為4.4%時，約束混凝土壓彎扭試件的極限承載力下降17.95%[59];約束混凝土拱架中核心混凝土空腔率超過14.3%時，在長期荷載作用下，整體抗彎承載能力下降較大，易發生拱架斷裂等現象，嚴重威脅地下工程施工與生產安全[62]。

提高核心混凝土密實度十分必要。傳統提高密實度的方法主要為改善核心混凝土灌注方式和改善自密實性質兩種。目前常用的核心混凝土灌注方法是頂升法，即從下向上灌注混凝土，依靠混凝土自重擠壓密實，頂升法多用自密實混凝土。目前在地上工程中針對自密實混凝土已經進行了大量研究，有效控制了核心混凝土的早期膨脹和后期收縮[63-65]，但在地下約束混凝土結構中尚未得到應用。筆者課題組[62]開展了核心混凝土外加膨脹劑試驗研究，結果表明，添加膨脹劑可以增加混凝土與鋼管之間的黏結特性，防止由于混凝土收縮帶來的脫空影響。

科學有效的核心混凝土密實度檢測方法，能及時指導對約束混凝土結構缺陷區采取補強措施。地上工程中多采用超聲波無損檢測法[66-69]，判別不密實缺陷的范圍及其嚴重程度。地下工程約束混凝土結構截面較小且施工環境復雜，超聲波無損檢測受尺寸效應影響，檢測結果誤差較大，且由于缺陷位置和大小的不確定性，導致超聲波無損檢測方法在地下工程無法有效運用。地下工程約束混凝土結構常采用敲擊法[62]。

檢測出約束混凝土結構缺陷區后，一般采取鉆孔壓漿法進行補強[60,70]，但鋼管鉆孔缺陷對約束混凝土承載能力影響較大。針對混凝土不密實引起約束混凝土結構承載能力下降的問題，筆者課題組[62]進行了側彎強化板、四面強化板及周邊強化板補強方案試驗研究，得到了補強優化比選方法，并在萬福煤礦支護設計中進行了現場應用。

通過上述研究，總結可知:

(1)核心混凝土不密實會造成自身承載力下降，引起約束混凝土結構的強度折減。

(2)地上約束混凝土結構多通過超聲波無損方法檢測核心混凝土密實度，但由于其精度較小和地下工程空間的局限性，地下工程中常采用敲擊法檢測密實度。應進一步開展約束混凝土拱架密實度實時定量檢測方法研究。

(3)通過頂升灌注、采用自密實混凝土和添加膨脹劑等方式，可提高核心混凝土的密實度;當檢測出約束混凝土結構缺陷區后，通過鋼板補強的方式，可有效提高約束混凝土結構的承載力。

2.5 灌注口補強研究

約束混凝土拱架大多進行現場灌注，需要在拱架上預留灌注口。灌注口的留設會造成拱架局部強度降低和應力集中，導致拱架整體承載能力的下降，是拱架破壞的關鍵部位，因此有必要對灌注口進行系統研究并提出補強設計方法。高延法等[71]在拱架灌注口處采用焊接加強鋼板的方法進行補強;CHANG Xu等[72]基于對一系列的有缺口的約束混凝土短柱進行軸壓試驗，分析其破壞模式，研究鋼管的缺口對約束混凝土短柱力學性能的影響，并提出用于預測帶有缺口的約束混凝土短柱極限抗壓強度的經驗方程。

筆者課題組[34,73-74]進行了方鋼和U型約束混凝土留設灌注口短柱及灌注口補強短柱試驗研究(圖6)，對比分析了短柱變形破壞形態、荷載位移曲線及承載力等力學性能，建立約束混凝土強度及經濟指標，綜合對比短柱補強效果。結果表明，留設灌注口短柱極限承載力比普通短柱降低29.9%;在側彎鋼板補強、開孔鋼板補強和周邊鋼板3種補強方法中，側彎鋼板補強效果最好，極限承載力比留設灌注口短柱的提高了70.2%，該類側彎鋼板補強方案效果在拱架室內試驗和現場應用中得到有效驗證。

圖6 留設灌注口短柱破壞及補強效果Fig.6 Damage and reinforcement effect of short columns with grouting hole

2.6 約束混凝土節點試驗

在地上約束混凝土結構中，約束混凝土構件多通過法蘭節點進行連接，其相關研究已較為充分。在地下工程中，套管節點連接強度與施工效率高，裝配式節點能夠實現拱架的折疊與自動卡合，均具有廣泛的研究價值。

目前關于節點的研究相對較少，筆者課題組[34-35,37,75]對地下工程約束混凝土拱架節點進行了試驗研究(圖7):明確了法蘭節點和套管節點的力學性能及影響機制，提出了套管節點兩種臨界彎曲破壞模式，推導了套管節點抗彎強度的實用計算公式，建立了套管節點壓彎承載力學判據，得到了約束混凝土拱架套管節點設計計算依據;進行了約束混凝土裝配式節點室內試驗，并將裝配式節點約束混凝土拱架應用于現場，取得了較好的應用效果。

圖7 約束混凝土套管節點性能試驗Fig.7 Performance test of confined concrete casing joint

3 約束混凝土計算理論與設計方法

約束混凝土拱架計算理論主要包括拱架內力計算、強度與穩定承載能力計算。根據約束混凝土拱架試驗、計算理論和現場實踐研究，本節總結了拱架整體選型，核心混凝土、灌注口與排氣口、節點設計以及拱架間距與縱向連接設計等內容在內的約束混凝土支護設計方法。

3.1 拱架內力計算

拱架內力一般利用荷載結構法進行計算。作用在拱架上的圍巖外荷載主要根據工程所在區域地應力大小與方向、巖體類型與性質、地質構造與結構面特性等地質條件，結合現場監測、理論分析與數值計算進行綜合確定[76-79]。

2009年，谷拴成等[80]假設作用在圓形約束混凝土拱架的彈性抗力為三角形分布，建立了拱架結構內力計算模型，采用彈性中心法計算拱架各截面的內力。

2016年，筆者課題組[17]針對巷(隧)道常用斷面—直腿半圓形拱架、圓形拱架及多心圓拱架，建立了任意節數、非等剛度約束混凝土拱架內力計算模型(圖8中，EI為拱架剛度；EI′為節點等效剛度；Oi為三心圓拱架的第i個圓心；Ri為第i段圓弧的半徑；θi為第i個節點的等效長度對應的圓心角；αi為節點定位角，表示第i個節點的位置；q為施加在拱架上的圍巖等效荷載)，利用試驗得到的節點等效剛度結果，將節點影響區域剛度和長度進行等效，得到約束混凝土拱架內力計算方法。

圖8 拱架內力計算模型及計算結果Fig.8 Arch internal force calculation model and calculation result

3.2 拱架強度與穩定承載能力計算

約束混凝土拱架承載能力包括強度承載能力與穩定承載能力。

3.2.1強度承載能力

2001年，臧德勝等[24]將原巖應力場簡化為均勻應力場，從安全的角度出發，取無支護時的松動區半徑，利用彈塑性理論求解最大支護壓力Pjmax和最小支護壓力Pjmin，得到約束混凝土支護反力Pj范圍，從而驗算約束混凝土拱架的軸壓強度承載能力。

2010年，高延法課題組[26]建立了均布荷載作用下約束混凝土半圓形拱架承載力計算模型。通過積分半圓形拱架上的徑向支護反力，建立徑向支護反力與拱架軸向承載力之間的關系式。采用等效系數的方法考慮壓彎影響，驗算半圓形拱架軸向強度承載能力。

約束混凝土拱架強度承載能力主要包括拱架基本承載能力和拱架節點承載能力。筆者課題組[75]根據套管節點的破壞模式，推導了節點破壞判據，建立了套管節點承載能力計算公式;根據裝配式節點的破壞模式[81]，對節點中銷軸抗剪、承壓板承壓及耳板承壓進行強度驗算，得到了裝配式節點承載力計算公式，結合約束混凝土拱架任意節數、非等剛度內力計算模型與壓彎強度承載力判據，得到了反映真實圍巖條件下的約束混凝土支護強度承載力計算方法[20]。

3.2.2穩定承載能力

2016年，江貝[34]采用靜力平衡法，通過曲桿的平衡微分方程和幾何條件建立了非等剛度兩鉸多心和固接多心拱架穩定承載力計算公式。2019年，筆者課題組[81]結合靜力平衡法和數值分析方法，研究了多心約束混凝土拱架及拱架的空間組合支護體系的平面內及平面外穩定性問題。

3.3 設計方法

基于上述約束混凝土支護的室內試驗與數值試驗、計算理論和現場實踐研究，形成了較為完善的約束混凝土支護設計理論。約束混凝土支護設計內容主要包括拱架整體選型設計、核心混凝土設計、灌注口與排氣口設計、節點設計以及拱架間距與縱向連接設計，如圖9所示。

圖9 約束混凝土支護設計內容Fig.9 Confined concrete support design content

拱架整體選型設計包括巷(隧)道斷面選型、約束鋼管截面選型及拱架間距設計。常用的巷(隧)道斷面形狀包括圓形、直腿半圓形、馬蹄形及三心圓形。根據地質條件和現場需求對巷(隧)道斷面形狀進行選型。常用的約束鋼管截面形式包括圓形、方形和U形。基于內力計算結果，結合壓彎強度承載力判據，對約束鋼管截面形狀和尺寸進行選型。

核心混凝土設計包括混凝土型號設計、灌注方法設計和不密實處強化設計。核心混凝土可采用自密實混凝土和微膨脹混凝土提高密實度，混凝土的強度等級[82]應不低于C30，一般選用C40碎石混凝土，粗骨料粒徑宜采用5～15 mm，水灰比不宜大于0.45，坍落度不宜小于150 m，以滿足泵送頂升灌注的要求。針對核心混凝土不密實區域進行強化設計，可采取鉆孔壓漿法進行強化。同時，可以采用筆者課題組[62]提出的側彎強化板、四面強化板及周邊強化板強化方案。灌注方法應采用先架后灌頂升灌注，保證核心混凝土密實度。

灌注口設計包括尺寸設計、位置設計和補強設計。灌注口形狀多采用圓形開口，灌注口在滿足施工要求的前提下盡量靠下布置。在補強設計方面，可采用高延法課題組[71]提出的注漿短管、加強板和封孔塞的組合補強方式，也可采用筆者課題組[73]提出的側彎鋼板、開孔鋼板和周邊鋼板補強方式。排氣口在滿足施工條件下盡量靠上布置。

約束混凝土節點設計包括套管節點設計、法蘭節點設計和裝配式節點設計。相關設計可參考筆者課題組的研究結果，其中套管節點參數設計方法可參考文獻[75]，法蘭節點設計方法可參考文獻[34]，裝配式節點設計方法可參考文獻[81，83]。

筆者課題組[75]綜合考慮了方鋼約束混凝土套管節點力學性能和經濟性要求，給出了套管長度、套管間隙及套管壁厚的設計方法。江貝[34]通過數值試驗的方式進行法蘭節點參數的設計。孫會彬、筆者[81]根據銷軸、耳板及承壓板的破壞模式，給出了裝配式節點的承載力計算公式與設計方法。

拱架間距根據單榀拱架的極限承載能力與所需圍巖支護強度計算。縱向連接主要包括人力施工形式和機械化施工形式[84]，基于精確定位和保證整體穩定的原則，對拱架縱向連接進行設計。

4 約束混凝土現場應用與施工工藝

4.1 約束混凝土典型現場應用

通過前期大量的研究工作，約束混凝土支護技術得到了快速發展。在礦山工程領域，除了表1中所列舉的臧德勝在平煤四礦[24]，高延法在錢家營礦[26]、查干淖爾礦[27]，筆者在趙樓煤礦[21]、梁家煤礦[3]和萬福煤礦[28]以及劉立民在平煤十礦[31]進行的典型工程應用外，眾多學者與工程技術人員也對約束混凝土支護技術進行了推廣:王思[86]、谷拴成[90]分別將直腿半圓形約束混凝土拱架應用到了大淑村煤礦和澄合二礦中，李帥[91]將橢圓形約束混凝土拱架應用到了口孜東煤礦，李劍鋒[92]和楊惠元等[93]分別將圓形約束混凝土拱架應用到了新安煤礦和清水營煤礦，楊明等[94]、毛慶福等[95]分別將淺底拱圓形約束混凝土拱架應用到了查干淖爾與陽城煤礦;在隧道工程領域，主要為表2中所列舉的日本青函海底隧道[32]，符華興在南嶺隧道[33]，筆者在龍鼎隧道[35]、濟南市政隧道[36]和樂疃隧道[37]，以及谷拴成[80]在地鐵區間隧道進行的約束混凝土支護技術應用。約束混凝土在礦山工程和隧道工程的典型現場應用情況如圖10，11所示。

圖10 礦山工程典型現場應用Fig.10 Typical field applications of mine engineering

圖11 隧道工程典型現場應用Fig.11 Typical field applications of tunnel engineering

在礦山工程中，約束混凝土拱架的形式主要包括:馬蹄形，圓(橢圓)形以及直(弧)腿半圓形;在隧道工程中，約束混凝土拱架的形式主要采用圓(圓拱)形和三心圓形。

約束混凝土拱架前期截面基本為圓形，后期出現了方形、U形和D形截面，其中以方形截面應用最為廣泛。拱架的節數以4～6節為主，間距主要集中在0.5～1.0 m，核心混凝土等級主要采用C40～C60。

拱架連接節點主要包括套管節點、法蘭節點與裝配式節點。套管節點連接強度高，施工效率高，被廣泛采用;法蘭節點連接強度低、施工效率慢，主要被用于拱腿與反底拱的連接中;裝配式節點主要用于機械化施工中，能夠實現拱架折疊與自動卡合，具有安全高效的優點。

核心混凝土灌注工藝主要包括3種形式:① 先在地上灌注養護再將拱架移至現場架設。這種灌注工藝可保證核心混凝土的灌注質量，但是導致了拱架重量增加，增大了運輸與現場施工難度，需配合機械化施工工藝;② 先架設拱架，現場進行“由上至下”的灌注工藝。該方法減小了拱架在安裝過程中的施工難度，但混凝土極容易產生氣泡，造成混凝土的不密實，大幅降低拱架承載能力;③ 先架設拱架，現場進行“頂升灌注”的灌注工藝。該方法能夠有效排出氣體、保證核心混凝土密實度，從而保證約束混凝土拱架的整體承載能力。

約束混凝土拱架現場應用具體參數見表4，5。

表4 隧道工程典型現場應用Table 4 Typical field applications of tunnel engineering

表5 礦山工程典型現場應用Table 5 Typical field applications of mine engineering

4.2 施工工藝

約束混凝土支護技術在礦山巷道方面主要應用于高應力、極軟巖、強采動等條件中，在交通隧道方面主要應用于大斷面、小凈距、極淺埋與斷層破碎帶等條件中。針對礦山巷道和交通隧道不同的地質條件、形狀尺寸以及施工特點，形成了兩類不同的施工工藝。

礦山巷道斷面尺寸小，對應拱架每節尺寸也較小，多采用套管節點連接，使用人力施工，在架設后頂升灌注核心混凝土。針對巷道支護特點，建立了礦山巷道復合施工工法，主要包括定量讓壓拱架組合拼裝、核心混凝土高效灌注、釋能讓壓材料快速充填、拱架關鍵部位重點補強等關鍵技術[85-86]。礦山巷道典型施工工藝如圖12所示。

圖12 礦山工程現場施工工藝Fig.12 Field construction technology of mine engineering

交通隧道斷面尺寸大，對應的拱架每節尺寸也較大，多采用使用機械化施工，拱架提前預制，在架設前灌注核心混凝土。針對隧道支護的特點，研制了高精度拱架安裝機、高自由度拱架輔助安裝機等機械化施工裝備，建立了交通隧道機械施工工法，主要包括約束混凝土拱架預制折疊、裝配式節點自動卡合、拱架縱向精確定位等關鍵技術[87-88]。交通隧道典型施工工藝如圖13所示。

5 結論與展望

(1)約束混凝土拱架具有高強、高剛的性質，其承載力是相同截面含鋼量傳統型鋼拱架的2～5倍，可對軟弱圍巖提供更大的徑向作用力，提高深部巖體的峰后強度和圍巖自承能力，能夠實現“高強、完整”控制，有效控制復雜條件圍巖變形，避免工程安全事故。

(2)約束混凝土支護設計方法主要包括拱架整體選型設計、核心混凝土設計、灌注口與排氣口設計、節點設計以及拱架間距與縱向連接設計。目前建立的設計方法實現了約束混凝土支護的科學定量設計，發揮了約束混凝土高強承載特性，保證了支護體系整體強度與穩定性。

(3)約束混凝土支護體系現場施工主要包括礦山巷道復合施工工法與交通隧道機械施工工法，實現了復雜條件地下工程安全經濟施工。機械化施工裝備與配套設備的研發，為約束混凝土支護的高效智能施工提供了條件，是未來施工的發展方向。

(4)約束混凝土支護技術已經在礦山工程中進行了廣泛應用，并在隧道工程中推廣使用，下一步應制定約束混凝土支護設計、施工和驗收規范，并推進約束混凝土支護技術在交通、水利、市政等不同行業領域的推廣應用。