考慮超前支護(hù)作用效應(yīng)的圍巖-支護(hù)相互作用機(jī)制研究

王志龍, 王明年, 嚴(yán)志偉, 劉大剛, *

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

0 引言

隧道開挖擾動(dòng)破壞了圍巖的原始應(yīng)力狀態(tài)，圍巖應(yīng)力狀態(tài)的變化導(dǎo)致圍巖變形，施作支護(hù)結(jié)構(gòu)后，形成了圍巖-支護(hù)相互作用的三次應(yīng)力狀態(tài)。而關(guān)于“圍巖-支護(hù)”相互作用關(guān)系的研究，一直是隧道工程界研究的熱點(diǎn)之一。

隨著國內(nèi)外大量隧道工程的建設(shè)發(fā)展，眾多學(xué)者對(duì)圍巖-支護(hù)相互作用進(jìn)行了研究，研究成果可為支護(hù)結(jié)構(gòu)形式的選擇及支護(hù)時(shí)機(jī)的確定提供有力依據(jù)[1]。其中，孫振宇等[2]基于彈塑性軟化模型和非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，建立深埋隧道初期支護(hù)-圍巖耦合模型，分析了距開挖面不同距離的各斷面支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)相互作用關(guān)系。侯公羽等[3-7]基于不同的屈服準(zhǔn)則，對(duì)理想彈塑性模型下圍巖-支護(hù)相互作用進(jìn)行了全過程解析，并分析了圍巖彈塑性變形條件下錨桿、噴射混凝土和U型鋼的支護(hù)效果。Galli等[8]通過建立三維隧道模型，研究了施工過程中圍巖與支護(hù)間相互作用的全過程。李健等[9]根據(jù)格柵鋼架組合襯砌的支護(hù)特征曲線和圍巖變形特征曲線探明了圍巖-支護(hù)相互作用機(jī)制，研究了格柵鋼架組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的適用條件，并對(duì)不同圍巖條件下初期支護(hù)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

眾所周知，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)可分為超前支護(hù)與隧道支護(hù)2種。而現(xiàn)有圍巖-支護(hù)相互作用模型均是針對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互關(guān)系建立起來的，并未考慮超前支護(hù)對(duì)其相互作用的影響。而一些工程實(shí)踐及研究成果均表明隧道超前支護(hù)可有效控制隧道圍巖變形[10]。例如： 文獻(xiàn)[11-14]對(duì)管棚的加固機(jī)制及加固效果進(jìn)行了研究，表明超前管棚能有效抑制軟弱破碎圍巖的變形； 文獻(xiàn)[15-17]通過對(duì)超前小導(dǎo)管加固參數(shù)與加固效果的研究，表明超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)能夠提高圍巖的穩(wěn)定性并減少圍巖變形； 文獻(xiàn)[18-20]總結(jié)并分析了水平旋噴樁的施工要點(diǎn)及工程應(yīng)用效果。

為方便分析說明，將隧道開挖后施作的以噴射混凝土、鋼拱架或格柵拱架、錨桿等為主組成的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)稱為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)。關(guān)于圍巖-支護(hù)相互作用模型與傳統(tǒng)圍巖-支護(hù)相互作用模型的研究區(qū)別主要體現(xiàn)在對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的分析上，傳統(tǒng)圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用模型中關(guān)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的分析主要集中在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)方面，并未提及超前支護(hù)的影響。而目前關(guān)于超前支護(hù)的研究，主要是集中在對(duì)開挖面的加固、保證開挖面穩(wěn)定等方面，并未提及其對(duì)隧道圍巖變形的控制作用，且沒有對(duì)超前支護(hù)與隧道支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)作用進(jìn)行分析。

本文基于前人建立的圍巖-支護(hù)相互作用全過程解析模型，考慮隧道超前支護(hù)對(duì)圍巖變形的控制作用，建立了新的圍巖-支護(hù)(超前支護(hù)、隧道支護(hù))相互作用全過程解析分析模型。通過算例，展開對(duì)超前支護(hù)、隧道支護(hù)以及超前支護(hù)與支護(hù)隧道聯(lián)合支護(hù)對(duì)圍巖變形控制效果的分析，并根據(jù)研究結(jié)果，為超前支護(hù)與隧道支護(hù)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供新思路，給出隧道控制圍巖變形支護(hù)類型的選擇建議，完善收斂-約束法在隧道支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 模型建立

1.1 問題提出

為概化分析超前支護(hù)及隧道支護(hù)對(duì)圍巖變形控制的聯(lián)合作用，本文對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，數(shù)值計(jì)算模型(如圖1所示)的建立及具體參數(shù)的計(jì)算方法均參考文獻(xiàn)[21]中的研究思路，文中不再贅述。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果(如圖2所示)，超前支護(hù)、隧道支護(hù)的施作均能夠有效地減少隧道圍巖的變形量。但是，關(guān)于兩者的聯(lián)合作用效果及對(duì)圍巖變形控制效果的分配量，目前研究成果較少，故本文擬通過理論分析方法，建立考慮超前支護(hù)及隧道支護(hù)聯(lián)合支護(hù)效果的圍巖-支護(hù)相互作用模型，并對(duì)其全過程解進(jìn)行分析。

圖1 隧道施工圍巖變形數(shù)值計(jì)算模型(單位： m)

x為距掌子面距離， m； R0為隧道半徑， m。

1.2 基本假設(shè)

隨著隧道開挖面不斷向前推進(jìn)，沿隧道的縱向剖面方向，因?yàn)橛虚_挖面的支撐作用，使得開挖后隧道圍巖彈塑性變形得不到充分釋放，彈塑性應(yīng)力重分布不能很快完成，某一斷面的彈塑性變形隨著與開挖面距離的增大而逐步釋放直至完成，這稱為開挖面的空間效應(yīng)，如圖3所示。為了定量描述開挖面的空間約束作用，引入“虛擬支護(hù)力”概念[2]。

圖3 開挖面空間效應(yīng)

根據(jù)開挖卸荷和開挖面空間效應(yīng)原理[5]，提出基于開挖面空間效應(yīng)的等效力學(xué)模型，如圖4所示。通過引入圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸面上的應(yīng)力、位移協(xié)調(diào)條件，對(duì)圍巖-支護(hù)相互作用全過程進(jìn)行求解。

圖4 基于開挖面空間效應(yīng)的等效力學(xué)模型

在圍巖-支護(hù)相互作用全過程解析求解思路中[5]，關(guān)于虛擬支護(hù)力的求解是基于開挖面空間效應(yīng)及彈塑性解析解得到的，其中關(guān)于表征開挖面空間效應(yīng)的擬合方程是采用Hoek提出的圍巖縱向變形曲線，即

(1)

式(1)是在無支護(hù)條件下得到的圍巖徑向位移值，并沒有考慮隧道支護(hù)對(duì)圍巖變形值的影響。

考慮超前支護(hù)對(duì)圍巖變形控制的影響，將超前支護(hù)的作用效應(yīng)簡化為對(duì)圍巖縱向變形曲線的影響，即將超前支護(hù)的作用假設(shè)為提高開挖面的空間效應(yīng)，概化公式如式(2)所示，進(jìn)而對(duì)虛擬支護(hù)力的求解進(jìn)行修正，建立新的考慮超前支護(hù)作用效應(yīng)的圍巖-支護(hù)相互作用計(jì)算模型。

(2)

(3)

式(2)—(3)中:Uul-sup為超前支護(hù)作用下圍巖變形釋放系數(shù)；Uul為無超前支護(hù)作用下圍巖變形釋放系數(shù)；η為超前支護(hù)作用控制系數(shù)(η=0時(shí)，表示無超前支護(hù)影響；η≠0時(shí)，表示超前支護(hù)對(duì)圍巖變形量的影響，其取值為0～1，值越小，表明超前支護(hù)效果越明顯)。

1.3 計(jì)算模型

隧道圍巖變形的產(chǎn)生及發(fā)展受到各種力場的影響，主要包括原巖應(yīng)力、開挖面空間效應(yīng)產(chǎn)生的虛擬支護(hù)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)的被動(dòng)反力等。本文基于開挖面空間效應(yīng)的等效力學(xué)模型及彈塑性位移解析解(卡氏M-C準(zhǔn)則)，參考圍巖-支護(hù)相互作用建模思路[6]，建立了新的考慮超前支護(hù)效應(yīng)的圍巖-支護(hù)耦合作用解析計(jì)算模型，如圖4和式(4)—(5)所示。

圍巖發(fā)生徑向彈性位移階段進(jìn)行支護(hù)時(shí)，圍巖-支護(hù)耦合作用過程的實(shí)時(shí)解析式為

(4)

圍巖發(fā)生徑向彈塑性位移且在塑性位移階段進(jìn)行支護(hù)時(shí)，圍巖-支護(hù)相互作用全過程的實(shí)時(shí)解析方程為

(5)

圖5 隧道縱向變形曲線概化圖

目前，關(guān)于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)常見的形式主要有錨桿、噴射混凝土及拱架等構(gòu)成的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)。蘇永華等[22]給出了各支護(hù)單元的剛度計(jì)算方法，并根據(jù)Carranza-Torresa 等的經(jīng)驗(yàn)[23]給出了組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度計(jì)算方法：

(6)

式中：Kc為支護(hù)總剛度;kset為鋼拱架支護(hù)剛度;kbolt為錨桿支護(hù)剛度;kshot為噴射混凝土支護(hù)剛度。

2 算例與分析

2.1 超前支護(hù)對(duì)圍巖變形影響分析

隧道超前支護(hù)主要構(gòu)件包括超前錨桿、超前小導(dǎo)管、超前管棚、超前水平旋噴、超前管幕、機(jī)械預(yù)切槽等。超前支護(hù)種類繁多，作用模式各異，主要有梁效應(yīng)、拱效應(yīng)、強(qiáng)化圍巖效應(yīng)3種支護(hù)效應(yīng)。一方面可增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度，提高圍巖自穩(wěn)能力，減弱地下水滲流； 另一方面以加固圈形成承載結(jié)構(gòu)，可減弱初期支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)的受力。

超前管棚作為超前支護(hù)措施的一種，是沿開挖輪廓線，以較小的外插角，向開挖面打入鋼管與鋼架組合形成棚架結(jié)構(gòu)，用以阻止或限制圍巖變形。本文以超前管棚為例進(jìn)行分析。

Masoud等[24]將管棚簡化為簡支梁，如圖6所示，理論推導(dǎo)了簡支梁的剛度計(jì)算公式，并通過彈塑性解析解分析了不同地應(yīng)力、不同管棚參數(shù)(鋼管外徑、鋼管厚度、鋼管間距)下圍巖最終變形量折減系數(shù)η。

(a) 管棚及參數(shù)示意圖

(b) 簡支梁模型

根據(jù)Masoud等[24]的分析計(jì)算數(shù)據(jù)，本文利用非線性回歸分析方法，擬合并提出了超前管棚作用下圍巖最終變形量折減系數(shù)與地應(yīng)力、管棚參數(shù)的相關(guān)計(jì)算公式，如式(7)所示，相關(guān)系數(shù)R2=0.994 3，相關(guān)性較高。

(7)

式中:β1為管棚環(huán)向間距,m；β2為截面慣性矩的對(duì)數(shù)，即β2=lg (I)，即為圖6(a)中的dt,其中，I為截面慣性矩(cm4),I=(πD3t)/8;β3為強(qiáng)度應(yīng)力比σcm/p0(σcm為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;p0為原巖應(yīng)力,MPa)。

結(jié)合式(1)和式(2)，得到考慮超前管棚作用下的圍巖縱向變形曲線計(jì)算公式：

(8)

將式(8)帶入式(3)和式(4)，得到考慮超前管棚影響的彈塑性變形條件下圍巖-支護(hù)相互作用全過程的實(shí)時(shí)解。

2.2 敏感性分析

某圓形隧道半徑R0為3 m，原巖應(yīng)力p0為5 MPa，巖體力學(xué)參數(shù)為： 剪切模量G=1 000 MPa，黏聚力c=3 MPa，摩擦角φ=25°。由于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)類型較多，且目前關(guān)于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的處理方法均為簡化疊加處理(如式(5)所示)，故本文不以具體的支護(hù)構(gòu)件作為分析對(duì)象，而是以各支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度為變量進(jìn)行分析。

關(guān)于超前支護(hù)對(duì)縱向變形曲線的影響，以上述超前管棚的支護(hù)作用為例進(jìn)行分析，關(guān)于其他超前支護(hù)的影響，將會(huì)在后期的研究中進(jìn)行分析。

為分析超前支護(hù)及隧道支護(hù)對(duì)圍巖變形的影響，現(xiàn)擬以下4種支護(hù)類型進(jìn)行對(duì)比分析，即無支護(hù)工況(A1)、隧道支護(hù)(A2)、超前支護(hù)(A3)、超前支護(hù)+隧道支護(hù)(A4)，其分析結(jié)果如圖7所示。

Kc為支護(hù)剛度。

由圖7可知：1)隧道支護(hù)(A2)、超前支護(hù)(A3)、超前支護(hù)+隧道支護(hù)(A4)均可有效控制圍巖變形的發(fā)展，且支護(hù)結(jié)構(gòu)施作后，明顯降低了圍巖的變形速率。2)由A3曲線可知，超前支護(hù)施作不僅可降低圍巖的預(yù)收斂變形，且可有效控制開挖面后方圍巖的變形，這與臺(tái)啟民等[21]關(guān)于軟弱圍巖超前支護(hù)設(shè)計(jì)方法的研究結(jié)果是一致的。3)由A2和A3曲線可知，2條曲線相交于D點(diǎn)，且相交后曲線變化規(guī)律較為相似，說明單一采用超前支護(hù)或隧道支護(hù)可同時(shí)達(dá)到相同的對(duì)圍巖變形的控制效果。若2種支護(hù)類型同時(shí)設(shè)計(jì)(如曲線A4所示)，則對(duì)圍巖變形可達(dá)到更好的控制效果。

為分析超前支護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖變形的協(xié)調(diào)控制規(guī)律，擬定3種計(jì)算類型，共計(jì)18種工況進(jìn)行分析，如表1所示，分析結(jié)果如圖8—10所示。

表1 計(jì)算工況

圖8 不同支護(hù)類型下圍巖變形曲線(改變隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù))

由圖8可知，隨著隧道支護(hù)剛度的提高，對(duì)圍巖變形的控制效果越顯著； 超前管棚參數(shù)一定時(shí)，隨著隧道支護(hù)剛度的提高，圍巖變形控制效果逐漸達(dá)到超前管棚支護(hù)效果，即當(dāng)超前支護(hù)折減系數(shù)η=0.8時(shí)，隨著隧道支護(hù)剛度的提高，圍巖變形逐漸減小，當(dāng)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)Kc=300 MPa/m時(shí)，對(duì)圍巖變形的控制效果與超前支護(hù)相同； 如不斷增加隧道支護(hù)剛度，則對(duì)圍巖變形的控制效果好于超前支護(hù)。由此可知，從控制隧道圍巖變形角度分析，超前支護(hù)與隧道支護(hù)可達(dá)到同樣的支護(hù)效果。

圖9 不同支護(hù)類型下圍巖變形曲線(改變超前支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù))

由圖9可知，超前支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖變形的控制效果影響顯著。隧道支護(hù)參數(shù)一定時(shí)，隨著超前支護(hù)參數(shù)的提高，對(duì)圍巖變形的控制效果逐漸與隧道支護(hù)的控制效果相同，即當(dāng)隧道支護(hù)總剛度Kc=500 MPa/m時(shí)，隨著超前支護(hù)參數(shù)的提高，圍巖變形逐漸減?。?當(dāng)超前支護(hù)折減系數(shù)η=0.7時(shí)，對(duì)圍巖變形的控制效果與隧道支護(hù)的控制效果相同； 如繼續(xù)提高超前支護(hù)參數(shù)，則對(duì)圍巖變形的控制效果將好于隧道支護(hù)的控制效果。由此可知，從控制隧道圍巖變形角度分析，超前支護(hù)與隧道支護(hù)可達(dá)到同樣的支護(hù)效果。

圖10 不同支護(hù)類型下圍巖變形曲線(改變超前、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù))

由圖10分析可知，當(dāng)圍巖變形量控制基準(zhǔn)確定時(shí)，采用單一的超前支護(hù)、隧道支護(hù)及超前支護(hù)+隧道支護(hù)，即在不同的支護(hù)參數(shù)組合下(Kc=600 MPa，η=1.0；Kc=450 MPa，η=0.95；Kc=350 MPa，η=0.9；Kc=200 MPa，η=0.8；Kc=0 MPa，η=0.7)，可達(dá)到同樣的支護(hù)效果。從控制隧道圍巖變形的角度考慮，超前支護(hù)與隧道支護(hù)存在一定的協(xié)調(diào)配合作用。故采用超前支護(hù)施工隧道，隧道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮超前支護(hù)的影響。若忽視超前支護(hù)的作用，則會(huì)導(dǎo)致隧道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)較為保守，經(jīng)濟(jì)性差。

綜上分析可知，隧道超前支護(hù)與隧道支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)存在一定的協(xié)調(diào)配合作用，而目前關(guān)于隧道軟弱圍巖變形控制設(shè)計(jì)方法的研究，均是采用超前支護(hù)、隧道支護(hù)分開設(shè)計(jì)的方法。李鵬飛等[25]將隧道圍巖變形分為3部分，即開挖面超前變形、開挖面處變形和開挖面后方變形，并針對(duì)各部分變形提出了相應(yīng)的控制措施，但并未指出各部分控制措施之間的影響作用。本文在此基礎(chǔ)上分析了超前支護(hù)對(duì)隧道圍巖變形的影響，并分析了超前支護(hù)與隧道支護(hù)對(duì)圍巖變形的協(xié)調(diào)控制作用，為軟弱圍巖隧道圍巖變形控制提供了新的設(shè)計(jì)思路。

3 討論

本文基于開挖面空間效應(yīng)的等效力學(xué)模型，考慮超前支護(hù)作用，建立了新的圍巖-支護(hù)相互作用模型，分析了超前支護(hù)、隧道支護(hù)對(duì)圍巖變形的控制效果，但在模型建立過程中，存在一定的假設(shè)，將從以下幾方面展開說明。

3.1 縱向變形曲線的選取

目前關(guān)于圍巖縱向變形曲線的研究成果較多，根據(jù)研究方法主要分為2大類： 數(shù)值計(jì)算和工程實(shí)測數(shù)據(jù)擬合。文獻(xiàn)[26] 已作詳細(xì)說明，不再贅述。在建立圍巖-支護(hù)相互作用分析模型時(shí)，采用Mingtan地下水電站的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)[27]，用最佳擬合方法，給出無支護(hù)條件下圍巖縱向變形曲線。本文選取該縱向變形曲線計(jì)算方法并無特殊含義，只是選取了眾多圍巖變形曲線中的一種，相關(guān)研究人員可選用其他縱向變形曲線進(jìn)行研究。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)主要指工程中常用的以錨桿、鋼架、噴射混凝土為主的支護(hù)結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件支護(hù)剛度的計(jì)算方法較為成熟。工程上為了計(jì)算簡便，將組合支護(hù)結(jié)構(gòu)看成是各支護(hù)單元組成的并聯(lián)體系，其總剛度近似等于各支護(hù)單元?jiǎng)偠戎停时疚慕y(tǒng)一用總支護(hù)剛度來分析隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)作用。

關(guān)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，目前認(rèn)為必須是其各個(gè)支護(hù)單元沒有被破壞，按照并聯(lián)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定判斷原則，組合支護(hù)結(jié)構(gòu)允許變形由各個(gè)支護(hù)單元中允許變形中最小的支護(hù)單元決定[22]，但并未對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性做相關(guān)的分析。本文提出的關(guān)于圍巖-支護(hù)相互作用計(jì)算分析模型，重在突出超前支護(hù)對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響作用，是對(duì)傳統(tǒng)超前支護(hù)和隧道支護(hù)分開設(shè)計(jì)方法的一種革新，重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)思路方面。而關(guān)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)方法較為成熟，故并未做詳細(xì)分析，主要是從超前支護(hù)與隧道支護(hù)對(duì)隧道圍巖變形的協(xié)調(diào)控制角度分析的，并沒有對(duì)超前支護(hù)下開挖面穩(wěn)定加固作用進(jìn)行分析，僅假設(shè)超前支護(hù)作用下開挖面是穩(wěn)定的。

3.3 超前支護(hù)的假設(shè)問題

隧道超前支護(hù)作為一項(xiàng)保證隧道開挖安全的技術(shù)，在鐵路隧道等地下工程建設(shè)施工中具有十分重要的作用。超前支護(hù)通過對(duì)開挖面前方圍巖的加固，可有效減少開挖面塌方的風(fēng)險(xiǎn)。世界各國隧道超前支護(hù)技術(shù)的發(fā)展理念不盡相同，我國受建設(shè)成本、大型施工裝備發(fā)展的限制，建設(shè)者對(duì)于超前支護(hù)的認(rèn)識(shí)多停留在施工階段，以防止塌方、掉塊和減少沉降為主，對(duì)于采用超前加固圍巖、減弱后期支護(hù)強(qiáng)度的認(rèn)識(shí)較少，這與隧道建設(shè)理念也有關(guān)系。

但隨著國內(nèi)裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，用于隧道開挖等地下工程的超前支護(hù)工藝技術(shù)得到不斷發(fā)展，特別是有關(guān)施工工藝、工程力學(xué)計(jì)算方法和專用大型機(jī)械設(shè)備的快速進(jìn)步，對(duì)于隧道超前支護(hù)的理念認(rèn)識(shí)也會(huì)越來越深。

本文并沒有從超前支護(hù)改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)等細(xì)觀角度研究超前支護(hù)的作用，而是基于現(xiàn)有成果從宏觀角度對(duì)其進(jìn)行分析。分析深度不足(施工工法未考慮)，但對(duì)于隧道支護(hù)設(shè)計(jì)理念有了新的探索，尤其是對(duì)超前支護(hù)對(duì)隧道支護(hù)強(qiáng)度的影響有了更深的認(rèn)識(shí)。本文以超前管棚為例展開分析，關(guān)于超前支護(hù)對(duì)圍巖隧道變形控制效果的研究僅限于超前管棚。而關(guān)于其他超前支護(hù)措施并沒有提及，將在后續(xù)研究中綜合各種超前支護(hù)的影響展開研究。

新奧法在常規(guī)隧道開挖中具有方法簡單、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢，但在軟弱圍巖中為了保證隧道施工的安全性，新奧法往往采用多臺(tái)階法來緩解隧道開挖引起的變形過大等問題，但同時(shí)也增加了對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)，且無法滿足大型機(jī)械的施工空間。而新意法是在隧道設(shè)計(jì)施工方面具有革命性意義的新方法，加之，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)隧道三維力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)，使得新意法得到了較好的發(fā)展。故研究超前支護(hù)對(duì)圍巖變形的控制機(jī)制，對(duì)于我國隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念具有重要的研究意義。

4 結(jié)論與討論

基于開挖面空間效應(yīng)的等效力學(xué)模型，引入超前支護(hù)對(duì)開挖面空間效應(yīng)的影響，建立了超前支護(hù)、隧道支護(hù)-圍巖耦合作用模型，得到了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖動(dòng)態(tài)相互作用的全過程解析。通過計(jì)算實(shí)例，從控制隧道圍巖變形角度分析了超前支護(hù)、隧道支護(hù)對(duì)隧道圍巖變形的控制作用，強(qiáng)調(diào)了超前支護(hù)對(duì)于隧道支護(hù)設(shè)計(jì)的影響作用，說明了合理調(diào)配兩者之間的協(xié)調(diào)作用對(duì)于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性。

本文研究成果可為未來隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供新的思路，但由于超前支護(hù)結(jié)構(gòu)及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)類型眾多，且受力特性較為復(fù)雜，加之圍巖復(fù)雜的物理力學(xué)特性，并沒有從定量的角度對(duì)兩者之間的協(xié)調(diào)作用進(jìn)行分析，將在后期的研究中加強(qiáng)分析。