隧道支護結構力學行為研究現狀

項金志，肖文斌，卓友林, 賈政鵬，萬志強

[摘要]總結了國內外隧道支護結構的發展情況，并對支護結構理論發展現狀以及含軟弱層隧道支護結構的力學行為研究現狀進行綜述。最后論述了隧道支護結構的力學行為研究不足之處，并對其進行展望。

[關鍵詞]隧道圍巖； 軟弱層； 隧道支護； 支護結構； 力學行為；

[中國分類號]U455.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

隨著我國基建水平能力的不斷提升，在山區修建隧道也越來越多。由于山區地質構造復雜性，山區公路隧道的開挖將要面臨錯綜復雜的問題。山區隧道圍巖大多數是巖體。由于巖體長時間的地質作用，在巖體中常常形成了具有不良性質的各向異性不連續面，其地質力學性質較差。根據結構面的力學性質情況，可分為軟弱結構面和硬性結構面，巖體在長時間的地質運動等外在因素條件下，會形成具有不同厚度、不同分布形態的軟弱薄層。隨著軟弱結構體數量增多，便會形成軟弱層。軟弱層是巖體中最容易發生變形和破壞的特殊軟弱結構面或者軟弱帶，其制約著巖體變形和破壞。山嶺隧道修建時，時常會穿越不良力學性質的軟弱層，如圖1所示。

軟弱層是強度較高的巖體中所含有的強度相對較低巖體。由于其遇水容易泥化和軟化，易擾動，因此軟弱層容易改變巖體結構整體強度，容易致使巖體在隧道施工過程中發生較大變形和破壞。因此很難對含軟弱層巖體的穩定性進行恰當的控制。眾所周知，隧道圍巖的穩定性對整個隧道工程的安全運營起決定性作用。然而山嶺隧道圍巖中的坍塌破壞大多數是沿軟弱結構面所產生，軟弱結構面直接了影響隧道圍巖的穩定性，嚴重的話其會造成在施工過程中隧道滲漏水、支護結構開裂等問題［2-8］。因此，對含軟弱夾層隧道圍巖和支護結構的相互作用的認識深度以及對支護結構的合理設計對含軟弱夾層的隧道的成功修建起著至關重要的作用。

近年來，由于巖土力學學科、監測儀器和機械設備的發展，極大的提升了隧道工程的勘察、設計以及施工技術的水平。然而，由于巖土材料的復雜性，科研工作者對隧道施工影響下的巖土的變形特性、應力場的重分布規律的了解仍然有不足，從而導致對初期支護結構和二次襯砌等支護結構的作用機理、支護參數的確定與優化、支護時機的選擇等問題沒有辦法做出科學判斷和解釋，很多情況下借助工程經驗對隧道工程進行建設，增加了工程不確定性［9］。考慮以上原因，國內外大量的科研工作者，對含軟弱夾層隧道的支護結構的受力特征等開展了大量有意義的研究。因此本文整合國內外研究成果，總結國內外支護結構的發展情況、支護結構理論的發展現狀以及在對含軟弱層隧道支護結構力學行為方面進展進行概述。最后指出當前研究現狀不足之處，并對其進行展望。

1國內外隧道支護結構發展情況

眾所周知，隧道開挖之后會引起圍巖的應力重新分布以及部分殘余應力的釋放。隨著圍巖應力的釋放，圍巖將產生一定程度的變形，這時需要設置的有效的支護結構，防止圍巖產生塑性松動區，進而使巖體質量惡化，產生破壞［9］。隨著時代的發展，為適應不同地質情況、考慮不同因素對隧道施工的安全性影響，不同時期國內外研究學者外對支護結構材料、施工方法等都有不同程度的考慮。

19世紀初，由于隧道隧道埋深較淺，規模較小，工程師們普遍認為作用在隧道結構上的荷載與上覆土層的重力相同的。這一時期，大多數的隧道采用斷面分部開挖方法，同時多以磚石材料做為襯砌，而木材料作為臨時的內部支撐。

1912年由于錨桿支護的經濟技術的優越性，德國最先把錨桿支護技術應用于井下隧道，與此同時美國在煤礦巷道中采用錨桿支護結構頂板。20世紀50年代時，中國也開始逐漸開始應用錨桿技術。直到1970年時，錨噴技術越來越被工程界所認可，其也被認定為煤礦井巷未來支護的發展方向。當前，錨桿技術和錨噴技術已經取得了大量的進步。其主要體現在錨桿類型和相應材料的快速發展，如機械式錨桿、混合錨頭錨桿、樹脂錨固錨桿等，而主要的噴射材料從素混凝土、素砂漿水泥等到不同種纖維材料組成的柔度纖混凝土。這種技術大大的加固軟弱破碎的巖土體，充分發揮了巖土的自承能力，提高了結構工程的穩定性。然而實踐證明，僅僅使用錨噴支護技術不能完全適用于含軟弱夾層隧道圍巖大變形的要求。所以，目前含軟弱夾層圍巖隧道錨噴技術多往可縮量方向發展［11］。

在20世紀80年代末期，由于錨噴深埋特長隧道中時常發生錨噴支護底鼓、引幫、大變形等問題，導致支護效果的成效低下［11］。為解決這一類問題，有科研人員把錨噴支護改為鋼架支護和錨噴支護共同作用，從而很大程度上降低了此類災害的出現。然而，隨著鋼架支護結構的使用，在一些隧道施工案例中發現這種支護結構出現了所使用的鋼材料在很小的相對壓縮量時就發生破壞，各種型鋼與噴層不能協調變形等問題，因此也限制了其使用。

目前，我國隧道工程的設計與施工中大部分采用錨噴支護和二次襯砌相結合的復合式襯砌支護結構［10］。這種方式可以充分發揮圍巖自承能力，使其與支護結構共同作用承擔荷載，增強隧道圍巖的穩定性［12］。除此之外，隧道工程建設中，還使用了一些超前預支護法，如管棚法、超前小導管法、水平、垂直旋噴注漿法等［13］。其被認為是控制圍巖變形最為有效的輔助功法，可以在含軟弱夾層的隧道中得到應用。

2國內外隧道支護結構理論的發展現狀

長期以來隧道工程都是沿用地面上的工程設計理論與方法來解決地下工程所面臨的問題。事實上，地下工程與地面上的結構工程所處的環境是不同的。因而這些理論不能科學準確地解釋地下工程結構的力學現象。這使得隧道工程長時間依靠經驗設計和施工。為謀求地下工程的技術的發展與進步，大量的科研工作者都在努力解決當前所遇到的問題并提出適用于地下工程結構的理論和方法。

經歷上百年的時間，支護結構理論已經發展出了很多理論，其理論如圖2所示。

20世紀初，古典理論時隧道圍巖穩定性分析主要方法，其認為作用在支護結構上的覆蓋地層的重力是其所承受的荷載。然而隨著開挖深度的不斷加大，古典理論在實際應用當中存在一定的問題［14］。造成建設成本偏高和工程本身不可行。于是出現散體壓力理論，其認為隨著埋深加大，即施加在支護結構的上的荷載不在是上覆蓋地層的重力，而是圍巖塌落拱內松動的巖體的自重［15］。

與此同時，也有科研工作提出了坍落拱理論。即認為圍巖壓力是拱內巖體的自重，并提出了圍巖具有自我承載能力［15］。20世紀60年代，得益于巖土力學理論的發展和新技術的應用，奧地利隧道工程專家鑒見隧道施工經驗，創立了新奧法，其也是隧道圍巖的支護理論之一。其核心內容是最大程度的發揮圍巖的自我承載能力，使圍巖形成支撐環。然而新奧法也存在一定問題，比如新奧法的理論基礎是彈塑性理論，然而當涉及到軟巖流變等問題時，該理論已經不再適用。因此需要對新奧法做進一步的完善。

聯合支護理論是對新奧法的發展。其核心在于不在強求加強剛度，而適宜采用“先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩定支護”。并以此發展了錨帶噴架等支護技術。

中國學者董方庭教授等［17］提出了松動圈支護理論。該理論的認為松動圈的大小與收斂變形大小成正比，及松動圈越大的隧道，其收斂變形也越大，進而造成支護也越困難”，并認為圍巖松動圈過程中產生的不利變形可以通過支護阻止。與此同時，董教授對松動圈的圍巖進行了分類，如表1所示。

軟巖工程力學支護理論是以工程地質學和現代大變形力學理論為基礎，分析軟巖變形力學機制，提出復合變形力學機制為核心的一種新的隧道支護理論。

3含軟弱夾層隧道支護結構力學行為研究現狀

針對含軟弱層隧道支護結構力學行為的研究，研究者們主要對軟弱層分布位置以及分布形態對支護結構影響，軟弱層隧道支護結構受力特性以及支護參數優化等方面進行了研究。

在研究軟弱層分布位置以及分布形態對支護結構影響方面，張農等［18］采用物理模擬方法，研究了不同軟弱層層位條件下巷道頂板破壞失穩模式以及錨桿支護效應，并且基于巷道頂板安全性評估，給出了軟弱層處于巷道圍巖不同位置時的煤巷分級強化應對策略；黎盼［19］通過穿越斷層破碎帶隧道模型試驗，研究了不同傾角斷層條件下，不同施工方法對圍巖壓力、位移的變化規律；李達［20］采用FLAC 3D軟件，探討了不同傾角斷層與隧道軸向正交情況下其二次襯砌支護結構的受力特性，最后總結不同傾角斷層的二次襯砌受力規律；張志強等［21］采用有限元分析軟件final研究了軟弱夾層隧道分布部位對洞室的穩定性以及支護結構的影響，為地下洞室的優化設計提供了科學依據。許林峰［22］采用ANSYS軟件，通過對活化斷層不同寬度對圍巖-襯砌-斷層帶的能量轉換研究，總結了圍巖應力場、位移場以及支護結構應力的變化規律。

在研究含軟弱層隧道支護結構受力特性以及支護參數優化方面，Hsu等［23］通過數值模擬，研究了軟弱層隧道支護結構在改變錨桿角度、間距以及位置等參數變化時的響應；陳思宇［24］、方樹林等［25］等結合工程實例，改變軟弱層隧道支護參數，提出了支護要點；Ding等［26］通過試驗研究了含軟弱層隧道在施工開挖過程中圍巖變形時的錨桿應力分布和支護機理，并說明了錨桿為受拉或受剪破壞；萬飛等［27］依托工程項目，開展了對含斷層破碎帶隧道支護結構優化設計研究。通過對隧道圍巖位移、應力以及錨桿、鋼拱架的受力情況進行現場監測的基礎之上，提出了支護結構優化方法，并論證了優化方案的可行性。為后期類似隧道的支護參數提供了依據和數據；Jeon等［28］等通過模型實驗和數值模擬方法研究了斷層、軟弱層等因素對隧道穩定性的影響，并以此提出了支護結構的優化參數；白運洲［29］、雷軍等［30］等通過現場監測手段，研究了含斷層破碎帶隧道圍巖和支護結構受力規律，并總結了初期支護和二次襯砌荷載分擔比。Miura等 ［31］、Feng等［32］、Annalis等 ［33］、Zhang等 ［34］、Fan等［35］ 、Liu等 ［36］研究了復雜地層隧道的施工關鍵技術和支護結構效應。伍國軍［37］為解決實巷道中軟弱夾層容易破壞的等特點，通過有限元ABAQUS數值模擬軟件計算，提出了鋼架全封閉等措施，從而減小了軟弱夾層的失穩破壞。李冬偉等［38］基于工程項目，對含軟弱層頂板巷道圍巖變形規律和支護技術進行了研究。通過FLACD3D軟件對巷道的支護結構進行優化，并對比分析了支護結構優化前后的效果。

基于上述文獻總結，國內外研究學者采用理論分析、數值模擬以及模型試驗等方法，研究了支護結構力學行為，分析圍巖與隧道結構實際的受力情況與變形特征，得出隧道圍巖與支護系統的受力變化規律。有些學者依托含軟弱層隧道實際工程，對隧道支護結構參數進行優化，提出若隧道施工處于軟弱層段時應盡快進行初期柔性支護，及時封閉仰拱、適時施筑二次襯砌以控制圍巖擠入大變形等施工措施。軟弱層形態主要包括軟弱層厚度、傾向以及傾角等。目前對于軟弱層的研究主要是具有特定且單一形態的，但實際上，在山區復雜地層中的軟弱層差異顯著、多種多樣，而現有的研究中對系統研究軟弱層處于隧道不同空間位置形態時隧道圍巖與隧道結構實際的受力情況與變形規律則較少。

4結束語

本文在整理閱讀國內外文獻的基礎之上，總結了國內外支護結構的發展情況、支護結構理論的發展現狀以及在對含軟弱層隧道支護結構力學行為方面進展。關于隧道支護結構的理論、力學特性等已經有很大程度的進展，但由于隧道地下工程原有問題的復雜性以及研究方法存在局限性，當前對隧道支護結構的力學行為研究仍有許多不足之處，尚待進一步的研究。筆者認為主要包括幾個方面：

（1）對圍巖的變形破壞機理認識不足。支護的過程是與圍巖變形相互協調的一個過程。然而當前由于隧道工程地質環境的復雜性等原因，對于圍巖的變形破壞機理還未能深入了解，因此無法對支護過程的支護時機、支護類型的以及支護參數進行最優的選擇。因此有必要對圍巖的變形破壞機理做進一步的研究。

（2）支護與圍巖的相互作用過程認識不足。隧道圍巖變形以及支護結構受力演化規律的研究當前主要依靠于理論分析數值模擬分析方法。通常這種分析方法設定了一些簡化條件。因此這種分析方法不能較好的反映隧道工程的復雜性條件，從而難以對實際工程進行指導。

（3）支護結構設計過于依賴已有的工程經驗。目前隧道設計和施工方法長期依賴于工程經驗，無法對隧道結構進行精細化的設計。例如：不同種圍巖需要哪種支護；不同的支護結構又適應于哪一種圍巖......這些問題均沒有辦法得到較好的解答。與此同時，當工程地質條件相對簡單時，采取工程經驗的方法對支護參數的選取能夠滿足要求，但是當地質條件復雜時，如高地應力隧道，支護參數的選取通過工程類比的方法便不能夠得到滿足。

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