隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究現(xiàn)狀

項(xiàng)金志，肖文斌，卓友林, 賈政鵬，萬(wàn)志強(qiáng)

[摘要]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)理論發(fā)展現(xiàn)狀以及含軟弱層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。最后論述了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究不足之處，并對(duì)其進(jìn)行展望。

[關(guān)鍵詞]隧道圍巖； 軟弱層； 隧道支護(hù)； 支護(hù)結(jié)構(gòu)； 力學(xué)行為；

[中國(guó)分類號(hào)]U455.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

0引言

隨著我國(guó)基建水平能力的不斷提升，在山區(qū)修建隧道也越來(lái)越多。由于山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜性，山區(qū)公路隧道的開(kāi)挖將要面臨錯(cuò)綜復(fù)雜的問(wèn)題。山區(qū)隧道圍巖大多數(shù)是巖體。由于巖體長(zhǎng)時(shí)間的地質(zhì)作用，在巖體中常常形成了具有不良性質(zhì)的各向異性不連續(xù)面，其地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)較差。根據(jù)結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)情況，可分為軟弱結(jié)構(gòu)面和硬性結(jié)構(gòu)面，巖體在長(zhǎng)時(shí)間的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)等外在因素條件下，會(huì)形成具有不同厚度、不同分布形態(tài)的軟弱薄層。隨著軟弱結(jié)構(gòu)體數(shù)量增多，便會(huì)形成軟弱層。軟弱層是巖體中最容易發(fā)生變形和破壞的特殊軟弱結(jié)構(gòu)面或者軟弱帶，其制約著巖體變形和破壞。山嶺隧道修建時(shí)，時(shí)常會(huì)穿越不良力學(xué)性質(zhì)的軟弱層，如圖1所示。

軟弱層是強(qiáng)度較高的巖體中所含有的強(qiáng)度相對(duì)較低巖體。由于其遇水容易泥化和軟化，易擾動(dòng)，因此軟弱層容易改變巖體結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，容易致使巖體在隧道施工過(guò)程中發(fā)生較大變形和破壞。因此很難對(duì)含軟弱層巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂啤１娝苤?，隧道圍巖的穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)隧道工程的安全運(yùn)營(yíng)起決定性作用。然而山嶺隧道圍巖中的坍塌破壞大多數(shù)是沿軟弱結(jié)構(gòu)面所產(chǎn)生，軟弱結(jié)構(gòu)面直接了影響隧道圍巖的穩(wěn)定性，嚴(yán)重的話其會(huì)造成在施工過(guò)程中隧道滲漏水、支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等問(wèn)題［2-8］。因此，對(duì)含軟弱夾層隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用的認(rèn)識(shí)深度以及對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)對(duì)含軟弱夾層的隧道的成功修建起著至關(guān)重要的作用。

近年來(lái)，由于巖土力學(xué)學(xué)科、監(jiān)測(cè)儀器和機(jī)械設(shè)備的發(fā)展，極大的提升了隧道工程的勘察、設(shè)計(jì)以及施工技術(shù)的水平。然而，由于巖土材料的復(fù)雜性，科研工作者對(duì)隧道施工影響下的巖土的變形特性、應(yīng)力場(chǎng)的重分布規(guī)律的了解仍然有不足，從而導(dǎo)致對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和二次襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理、支護(hù)參數(shù)的確定與優(yōu)化、支護(hù)時(shí)機(jī)的選擇等問(wèn)題沒(méi)有辦法做出科學(xué)判斷和解釋，很多情況下借助工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)隧道工程進(jìn)行建設(shè)，增加了工程不確定性［9］?？紤]以上原因，國(guó)內(nèi)外大量的科研工作者，對(duì)含軟弱夾層隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征等開(kāi)展了大量有意義的研究。因此本文整合國(guó)內(nèi)外研究成果，總結(jié)國(guó)內(nèi)外支護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況、支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展現(xiàn)狀以及在對(duì)含軟弱層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為方面進(jìn)展進(jìn)行概述。最后指出當(dāng)前研究現(xiàn)狀不足之處，并對(duì)其進(jìn)行展望。

1國(guó)內(nèi)外隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)展情況

眾所周知，隧道開(kāi)挖之后會(huì)引起圍巖的應(yīng)力重新分布以及部分殘余應(yīng)力的釋放。隨著圍巖應(yīng)力的釋放，圍巖將產(chǎn)生一定程度的變形，這時(shí)需要設(shè)置的有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)，防止圍巖產(chǎn)生塑性松動(dòng)區(qū)，進(jìn)而使巖體質(zhì)量惡化，產(chǎn)生破壞［9］。隨著時(shí)代的發(fā)展，為適應(yīng)不同地質(zhì)情況、考慮不同因素對(duì)隧道施工的安全性影響，不同時(shí)期國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者外對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)材料、施工方法等都有不同程度的考慮。

19世紀(jì)初，由于隧道隧道埋深較淺，規(guī)模較小，工程師們普遍認(rèn)為作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載與上覆土層的重力相同的。這一時(shí)期，大多數(shù)的隧道采用斷面分部開(kāi)挖方法，同時(shí)多以磚石材料做為襯砌，而木材料作為臨時(shí)的內(nèi)部支撐。

1912年由于錨桿支護(hù)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)的優(yōu)越性，德國(guó)最先把錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于井下隧道，與此同時(shí)美國(guó)在煤礦巷道中采用錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)頂板。20世紀(jì)50年代時(shí)，中國(guó)也開(kāi)始逐漸開(kāi)始應(yīng)用錨桿技術(shù)。直到1970年時(shí)，錨噴技術(shù)越來(lái)越被工程界所認(rèn)可，其也被認(rèn)定為煤礦井巷未來(lái)支護(hù)的發(fā)展方向。當(dāng)前，錨桿技術(shù)和錨噴技術(shù)已經(jīng)取得了大量的進(jìn)步。其主要體現(xiàn)在錨桿類型和相應(yīng)材料的快速發(fā)展，如機(jī)械式錨桿、混合錨頭錨桿、樹(shù)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(shù)大大的加固軟弱破碎的巖土體，充分發(fā)揮了巖土的自承能力，提高了結(jié)構(gòu)工程的穩(wěn)定性。然而實(shí)踐證明，僅僅使用錨噴支護(hù)技術(shù)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(shù)多往可縮量方向發(fā)展［11］。

在20世紀(jì)80年代末期，由于錨噴深埋特長(zhǎng)隧道中時(shí)常發(fā)生錨噴支護(hù)底鼓、引幫、大變形等問(wèn)題，導(dǎo)致支護(hù)效果的成效低下［11］。為解決這一類問(wèn)題，有科研人員把錨噴支護(hù)改為鋼架支護(hù)和錨噴支護(hù)共同作用，從而很大程度上降低了此類災(zāi)害的出現(xiàn)。然而，隨著鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用，在一些隧道施工案例中發(fā)現(xiàn)這種支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了所使用的鋼材料在很小的相對(duì)壓縮量時(shí)就發(fā)生破壞，各種型鋼與噴層不能協(xié)調(diào)變形等問(wèn)題，因此也限制了其使用。

目前，我國(guó)隧道工程的設(shè)計(jì)與施工中大部分采用錨噴支護(hù)和二次襯砌相結(jié)合的復(fù)合式襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)［10］。這種方式可以充分發(fā)揮圍巖自承能力，使其與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用承擔(dān)荷載，增強(qiáng)隧道圍巖的穩(wěn)定性［12］。除此之外，隧道工程建設(shè)中，還使用了一些超前預(yù)支護(hù)法，如管棚法、超前小導(dǎo)管法、水平、垂直旋噴注漿法等［13］。其被認(rèn)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(yīng)用。

2國(guó)內(nèi)外隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來(lái)隧道工程都是沿用地面上的工程設(shè)計(jì)理論與方法來(lái)解決地下工程所面臨的問(wèn)題。事實(shí)上，地下工程與地面上的結(jié)構(gòu)工程所處的環(huán)境是不同的。因而這些理論不能科學(xué)準(zhǔn)確地解釋地下工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)現(xiàn)象。這使得隧道工程長(zhǎng)時(shí)間依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和施工。為謀求地下工程的技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，大量的科研工作者都在努力解決當(dāng)前所遇到的問(wèn)題并提出適用于地下工程結(jié)構(gòu)的理論和方法。

經(jīng)歷上百年的時(shí)間，支護(hù)結(jié)構(gòu)理論已經(jīng)發(fā)展出了很多理論，其理論如圖2所示。

20世紀(jì)初，古典理論時(shí)隧道圍巖穩(wěn)定性分析主要方法，其認(rèn)為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的覆蓋地層的重力是其所承受的荷載。然而隨著開(kāi)挖深度的不斷加大，古典理論在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中存在一定的問(wèn)題［14］。造成建設(shè)成本偏高和工程本身不可行。于是出現(xiàn)散體壓力理論，其認(rèn)為隨著埋深加大，即施加在支護(hù)結(jié)構(gòu)的上的荷載不在是上覆蓋地層的重力，而是圍巖塌落拱內(nèi)松動(dòng)的巖體的自重［15］。

與此同時(shí)，也有科研工作提出了坍落拱理論。即認(rèn)為圍巖壓力是拱內(nèi)巖體的自重，并提出了圍巖具有自我承載能力［15］。20世紀(jì)60年代，得益于巖土力學(xué)理論的發(fā)展和新技術(shù)的應(yīng)用，奧地利隧道工程專家鑒見(jiàn)隧道施工經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)立了新奧法，其也是隧道圍巖的支護(hù)理論之一。其核心內(nèi)容是最大程度的發(fā)揮圍巖的自我承載能力，使圍巖形成支撐環(huán)。然而新奧法也存在一定問(wèn)題，比如新奧法的理論基礎(chǔ)是彈塑性理論，然而當(dāng)涉及到軟巖流變等問(wèn)題時(shí)，該理論已經(jīng)不再適用。因此需要對(duì)新奧法做進(jìn)一步的完善。

聯(lián)合支護(hù)理論是對(duì)新奧法的發(fā)展。其核心在于不在強(qiáng)求加強(qiáng)剛度，而適宜采用“先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩(wěn)定支護(hù)”。并以此發(fā)展了錨帶噴架等支護(hù)技術(shù)。

中國(guó)學(xué)者董方庭教授等［17］提出了松動(dòng)圈支護(hù)理論。該理論的認(rèn)為松動(dòng)圈的大小與收斂變形大小成正比，及松動(dòng)圈越大的隧道，其收斂變形也越大，進(jìn)而造成支護(hù)也越困難”，并認(rèn)為圍巖松動(dòng)圈過(guò)程中產(chǎn)生的不利變形可以通過(guò)支護(hù)阻止。與此同時(shí)，董教授對(duì)松動(dòng)圈的圍巖進(jìn)行了分類，如表1所示。

軟巖工程力學(xué)支護(hù)理論是以工程地質(zhì)學(xué)和現(xiàn)代大變形力學(xué)理論為基礎(chǔ)，分析軟巖變形力學(xué)機(jī)制，提出復(fù)合變形力學(xué)機(jī)制為核心的一種新的隧道支護(hù)理論。

3含軟弱夾層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究現(xiàn)狀

針對(duì)含軟弱層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的研究，研究者們主要對(duì)軟弱層分布位置以及分布形態(tài)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響，軟弱層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性以及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行了研究。

在研究軟弱層分布位置以及分布形態(tài)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響方面，張農(nóng)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(wěn)模式以及錨桿支護(hù)效應(yīng)，并且基于巷道頂板安全性評(píng)估，給出了軟弱層處于巷道圍巖不同位置時(shí)的煤巷分級(jí)強(qiáng)化應(yīng)對(duì)策略；黎盼［19］通過(guò)穿越斷層破碎帶隧道模型試驗(yàn)，研究了不同傾角斷層條件下，不同施工方法對(duì)圍巖壓力、位移的變化規(guī)律；李達(dá)［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(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性，最后總結(jié)不同傾角斷層的二次襯砌受力規(guī)律；張志強(qiáng)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(duì)洞室的穩(wěn)定性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，為地下洞室的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。許林峰［22］采用ANSYS軟件，通過(guò)對(duì)活化斷層不同寬度對(duì)圍巖-襯砌-斷層帶的能量轉(zhuǎn)換研究，總結(jié)了圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化規(guī)律。

在研究含軟弱層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性以及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方面，Hsu等［23］通過(guò)數(shù)值模擬，研究了軟弱層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在改變錨桿角度、間距以及位置等參數(shù)變化時(shí)的響應(yīng)；陳思宇［24］、方樹(shù)林等［25］等結(jié)合工程實(shí)例，改變軟弱層隧道支護(hù)參數(shù)，提出了支護(hù)要點(diǎn)；Ding等［26］通過(guò)試驗(yàn)研究了含軟弱層隧道在施工開(kāi)挖過(guò)程中圍巖變形時(shí)的錨桿應(yīng)力分布和支護(hù)機(jī)理，并說(shuō)明了錨桿為受拉或受剪破壞；萬(wàn)飛等［27］依托工程項(xiàng)目，開(kāi)展了對(duì)含斷層破碎帶隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。通過(guò)對(duì)隧道圍巖位移、應(yīng)力以及錨桿、鋼拱架的受力情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)之上，提出了支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，并論證了優(yōu)化方案的可行性。為后期類似隧道的支護(hù)參數(shù)提供了依據(jù)和數(shù)據(jù)；Jeon等［28］等通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了斷層、軟弱層等因素對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，并以此提出了支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)；白運(yùn)洲［29］、雷軍等［30］等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，研究了含斷層破碎帶隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律，并總結(jié)了初期支護(hù)和二次襯砌荷載分擔(dān)比。Miura等 ［31］、Feng等［32］、Annalis等 ［33］、Zhang等 ［34］、Fan等［35］ 、Liu等 ［36］研究了復(fù)雜地層隧道的施工關(guān)鍵技術(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)效應(yīng)。伍國(guó)軍［37］為解決實(shí)巷道中軟弱夾層容易破壞的等特點(diǎn)，通過(guò)有限元ABAQUS數(shù)值模擬軟件計(jì)算，提出了鋼架全封閉等措施，從而減小了軟弱夾層的失穩(wěn)破壞。李冬偉等［38］基于工程項(xiàng)目，對(duì)含軟弱層頂板巷道圍巖變形規(guī)律和支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)FLACD3D軟件對(duì)巷道的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)比分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的效果。

基于上述文獻(xiàn)總結(jié)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬以及模型試驗(yàn)等方法，研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為，分析圍巖與隧道結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力情況與變形特征，得出隧道圍巖與支護(hù)系統(tǒng)的受力變化規(guī)律。有些學(xué)者依托含軟弱層隧道實(shí)際工程，對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提出若隧道施工處于軟弱層段時(shí)應(yīng)盡快進(jìn)行初期柔性支護(hù)，及時(shí)封閉仰拱、適時(shí)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(tài)主要包括軟弱層厚度、傾向以及傾角等。目前對(duì)于軟弱層的研究主要是具有特定且單一形態(tài)的，但實(shí)際上，在山區(qū)復(fù)雜地層中的軟弱層差異顯著、多種多樣，而現(xiàn)有的研究中對(duì)系統(tǒng)研究軟弱層處于隧道不同空間位置形態(tài)時(shí)隧道圍巖與隧道結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力情況與變形規(guī)律則較少。

4結(jié)束語(yǔ)

本文在整理閱讀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)之上，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外支護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況、支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展現(xiàn)狀以及在對(duì)含軟弱層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為方面進(jìn)展。關(guān)于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的理論、力學(xué)特性等已經(jīng)有很大程度的進(jìn)展，但由于隧道地下工程原有問(wèn)題的復(fù)雜性以及研究方法存在局限性，當(dāng)前對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究仍有許多不足之處，尚待進(jìn)一步的研究。筆者認(rèn)為主要包括幾個(gè)方面：

（1）對(duì)圍巖的變形破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)不足。支護(hù)的過(guò)程是與圍巖變形相互協(xié)調(diào)的一個(gè)過(guò)程。然而當(dāng)前由于隧道工程地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性等原因，對(duì)于圍巖的變形破壞機(jī)理還未能深入了解，因此無(wú)法對(duì)支護(hù)過(guò)程的支護(hù)時(shí)機(jī)、支護(hù)類型的以及支護(hù)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)的選擇。因此有必要對(duì)圍巖的變形破壞機(jī)理做進(jìn)一步的研究。

（2）支護(hù)與圍巖的相互作用過(guò)程認(rèn)識(shí)不足。隧道圍巖變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力演化規(guī)律的研究當(dāng)前主要依靠于理論分析數(shù)值模擬分析方法。通常這種分析方法設(shè)定了一些簡(jiǎn)化條件。因此這種分析方法不能較好的反映隧道工程的復(fù)雜性條件，從而難以對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行指導(dǎo)。

（3）支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于依賴已有的工程經(jīng)驗(yàn)。目前隧道設(shè)計(jì)和施工方法長(zhǎng)期依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化的設(shè)計(jì)。例如：不同種圍巖需要哪種支護(hù)；不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)又適應(yīng)于哪一種圍巖......這些問(wèn)題均沒(méi)有辦法得到較好的解答。與此同時(shí)，當(dāng)工程地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單時(shí)，采取工程經(jīng)驗(yàn)的方法對(duì)支護(hù)參數(shù)的選取能夠滿足要求，但是當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，如高地應(yīng)力隧道，支護(hù)參數(shù)的選取通過(guò)工程類比的方法便不能夠得到滿足。

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