張頂立

(北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京100044)

隧道及地下工程的基本問題及其研究進(jìn)展1)

張頂立2)

(北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京100044)

作為隧道及地下工程學(xué)科的3個基本問題，隧道圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)--圍巖相互作用和結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)一直都是本學(xué)科研究的核心問題，本文圍繞上述問題重點分析了隧道圍巖力學(xué)特性及其載荷效應(yīng)，建立了深淺層圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，并通過分析深層圍巖中結(jié)構(gòu)層穩(wěn)定性得到了圍巖特性曲線的解析公式，提出了圍巖結(jié)構(gòu)性特點及載荷效應(yīng)的計算方法；通過對隧道支護(hù)與圍巖作用關(guān)系的分析，將支護(hù)與圍巖的動態(tài)作用分為4個階段：即自由變形、超前支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌階段.由此提出了動態(tài)作用全過程的描述方法；基于廣義與狹義載荷的理念，提出隧道支護(hù)具有調(diào)動和協(xié)助圍巖承載基本功能的觀點，明確了兩種功能的實現(xiàn)方式，即通過圍巖加固、超前加固及錨桿支護(hù)實現(xiàn)調(diào)動圍巖承載，通過支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)助圍巖承載；針對復(fù)雜的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，提出了多目標(biāo)、分階段協(xié)同作用動態(tài)優(yōu)化概念，可使各種支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作實現(xiàn)時間和空間上的協(xié)調(diào)，提高可靠性；針對極不穩(wěn)定的復(fù)雜隧道圍巖的安全性特點，建立了3種模式的安全事故機(jī)理模型，基于工程響應(yīng)特點提出了安全性分級的新理念，并形成了分級指標(biāo)體系和分級方法；針對水下隧道及富水圍巖條件，建立了3種模式的隧道突涌水機(jī)理模型，提出了基于圍巖變形控制的安全性控制理論和方法.最后，對本學(xué)科發(fā)展的熱點和核心問題進(jìn)行了分析和展望.

隧道圍巖,支護(hù)結(jié)構(gòu)體系,支護(hù)--圍巖動態(tài)作用,支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

截止到2015年底，中國已建成運(yùn)營的鐵路隧道13038km，其中高鐵隧道3200km，建成運(yùn)營的公路隧道12683.9km，城市軌道交通3286km、水工隧道11000km，此外還有大量的市政隧道以及城市地下空間開發(fā)工程，可以說，中國已成為名副其實的隧道及地下工程大國.然而，鑒于隧道及地下工程學(xué)科的實踐性特點，對工程經(jīng)驗的依賴較多，目前尚未形成系統(tǒng)理論與技術(shù)體系，這一方面是由于中國地質(zhì)條件及其力學(xué)行為極其復(fù)雜，另一方面也說明隧道建造理論嚴(yán)重滯后于工程實踐，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)工程實踐取得了快速發(fā)展，在世界范圍內(nèi)，尤其是國內(nèi)近年來建成了諸多復(fù)雜的隧道及地下工程，但其中理論指導(dǎo)作用顯然沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用，在工程可靠性與經(jīng)濟(jì)合理性的平衡中缺乏必要的理論支撐.

(2)工程建設(shè)中安全事故頻發(fā)，其深層次的原因是對安全事故孕育、演化和形成機(jī)理缺乏系統(tǒng)深入的研究和認(rèn)識，由此造成控制措施不到位，難以做到精細(xì)化設(shè)計和施工，安全控制沒能實現(xiàn)定量化和規(guī)范化.

(3)隧道工程設(shè)計仍然是以工程經(jīng)驗為主的設(shè)計方法，工程案例數(shù)量的有限性、工程條件的局限性以及工程經(jīng)驗的可靠性都使得既有工程經(jīng)驗對復(fù)雜隧道工程設(shè)計方案的指導(dǎo)作用受到很大限制.

隧道及地下結(jié)構(gòu)是一個由圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng).圍巖條件的復(fù)雜多變性、載荷效應(yīng)的動態(tài)特性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)性能的不確定性，使得本學(xué)科的理論指導(dǎo)作用不像其他學(xué)科更易于實現(xiàn)定量化.隧道工程建設(shè)及地下空間開發(fā)規(guī)模不斷加大，僅僅依靠工程經(jīng)驗難以滿足其安全性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)先進(jìn)性的要求，建立相應(yīng)的技術(shù)體系顯得非常必要和迫切，同時大量理論研究與工程經(jīng)驗的積累也為系統(tǒng)理論體系的建立提供了重要的工作基礎(chǔ).

為此，本文從隧道及地下工程的本質(zhì)特征出發(fā)，凝練出本學(xué)科的關(guān)鍵科學(xué)問題，并指出了學(xué)科所面臨的挑戰(zhàn)、問題破解途徑以及相關(guān)工作研究進(jìn)展，旨在提升本學(xué)科的科學(xué)內(nèi)涵和學(xué)術(shù)層次.

1 隧道及地下工程學(xué)科的基本問題

本質(zhì)上，隧道及地下工程就是在地面以下的地層中開掘一個空間，以滿足不同的功能需求，由此使長期處于平衡狀態(tài)的地層因開挖擾動而發(fā)生應(yīng)力調(diào)整及變形，并試圖盡快形成新的平衡狀態(tài).然而，地層條件的差異性使圍巖出現(xiàn)不同的穩(wěn)定狀態(tài)，有些圍巖通過應(yīng)力調(diào)整達(dá)到了新的平衡狀態(tài)，而有些圍巖則難以實現(xiàn)自行平衡，隨變形的發(fā)展而出現(xiàn)破壞和失穩(wěn)，危及工程安全.顯然，隧道工程學(xué)科所要解決的關(guān)鍵問題就是促使圍巖盡快形成新的平衡狀態(tài)，而不致發(fā)生破壞和失穩(wěn).因此必須在圍巖穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行適時、適當(dāng)?shù)耐獠扛深A(yù)，這便構(gòu)成了隧道設(shè)計和施工的核心內(nèi)容.

綜上可見，隧道及地下工程的基本問題包括隧道圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)與圍巖的作用關(guān)系以及支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)特點等3個方面，如圖1所示.圍巖穩(wěn)定性的分析和判別是隧道工程設(shè)計的基礎(chǔ)，支護(hù)與圍巖動態(tài)作用關(guān)系的深化研究是支護(hù)體系及其可靠性設(shè)計的前提，而支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作用體系的動力響應(yīng)機(jī)制則是隧道結(jié)構(gòu)抗震和耐久性設(shè)計的保障.

圖1 隧道及地下工程的基本問題Fig.1 Essential issues of tunnel and underground engineering

(1)隧道圍巖穩(wěn)定性及其評價方法

不同地層中的隧道工程活動使圍巖穩(wěn)定性差異極大，這也是世界各國普遍開展圍巖穩(wěn)定性分級的原因.盡管世界各國及不同行業(yè)提出了各種不同的圍巖分級分類方案，但都大同小異.這雖然對隧道工程的安全建造和結(jié)構(gòu)設(shè)計起到了積極作用.但對穩(wěn)定性極差圍巖的認(rèn)識卻存在較大的分歧，而且總體上尚未得到很好的解決.

事實上，隧道圍巖作為一種地質(zhì)材料，其穩(wěn)定性是一個相對模糊的概念，從本質(zhì)上來說圍巖穩(wěn)定性是指在一定的尺度和空間條件下圍巖能夠自行穩(wěn)定的時間，這顯然與圍巖的結(jié)構(gòu)是顯著相關(guān)的.對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或松軟破碎的地層，圍巖在掌子面前方就已發(fā)生了嚴(yán)重的變形和破壞，無法實現(xiàn)自穩(wěn)，這時需要及時的外部干預(yù)方能保證隧道工程的安全.

(2)隧道支護(hù)與圍巖的動態(tài)作用關(guān)系

對隧道圍巖干預(yù)的方式和時機(jī)是復(fù)雜隧道圍巖設(shè)計的核心內(nèi)容，而支護(hù)與圍巖的動態(tài)作用關(guān)系及其演化機(jī)制則是地層加固和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ).隧道圍巖變形和破壞是一個復(fù)雜的過程，通常始于掌子面前方，而在得到有效支護(hù)以后其變形才趨于穩(wěn)定，在此期間,各種不同形式的干預(yù)共同構(gòu)成復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，并實現(xiàn)協(xié)同作用.

在復(fù)雜的支護(hù)體系中，不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)各自承擔(dān)不同的支護(hù)功能.地層的超前加固和預(yù)支護(hù)可以實現(xiàn)圍巖基本的自穩(wěn)要求，保證圍巖暴露后不致發(fā)生嚴(yán)重破壞和大范圍的失穩(wěn)；錨桿支護(hù)系統(tǒng)既是有效的臨時支護(hù)，也是永久支護(hù)的組成部分，在具有一定穩(wěn)定性的圍巖條件下是一種高效的支護(hù)形式；而現(xiàn)行的初期支護(hù)則是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，與前述的各種支護(hù)一道實現(xiàn)對圍巖安全性的可靠控制；二次襯砌結(jié)構(gòu)通常作為安全儲備，并因其施作時機(jī)和結(jié)構(gòu)剛度的不同而承擔(dān)不同的載荷份額.

(3)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)

隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)主要包括地震響應(yīng)和時間效應(yīng)，在一定程度上表征了隧道工程的長期安全性，地震作為一種復(fù)雜的特殊載荷作用對隧道結(jié)構(gòu)以及支護(hù)--圍巖的整體性具有更高的要求；隨著隧道使用時間的延長，建筑材料不斷老化，結(jié)構(gòu)逐漸劣化，同時由于圍巖變形的累積也會使得支護(hù)與圍巖關(guān)系發(fā)生變化，考慮到這種作用的漸進(jìn)發(fā)展特點，對隧道結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)為一種動力作用過程.

隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的突出特點就是隧道結(jié)構(gòu)體系承受一種超常強(qiáng)度和規(guī)模的外載作用，并且呈現(xiàn)周期性，而結(jié)構(gòu)體系的響應(yīng)模式和程度則取決于隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及兩者的作用關(guān)系，這在某種程度上也決定了動力作用的結(jié)果.地下結(jié)構(gòu)的抗震性能和結(jié)構(gòu)體系耐久性也是目前研究較為薄弱的重要內(nèi)容.

在隧道工程的上述3個核心問題中，圍巖穩(wěn)定性是最為關(guān)鍵的問題，也是研究的重點，它一方面是其他兩個問題研究的基礎(chǔ)，同時也是隧道及地下工程的特色和難點，那么，對隧道圍巖變形破壞機(jī)制的研究和穩(wěn)定性判別就顯得尤其重要和迫切.

隧道設(shè)計的核心問題一是圍巖結(jié)構(gòu)的基本形式及其穩(wěn)定性，二是支護(hù)結(jié)構(gòu)載荷的確定方法，而將兩者建立聯(lián)系的則是支護(hù)與圍巖關(guān)系，這種關(guān)系具有動態(tài)性、過程性和多變性等特點，并通過力學(xué)轉(zhuǎn)換和變形協(xié)調(diào)實現(xiàn)圍巖結(jié)構(gòu)體系與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同作用.

2 隧道圍巖力學(xué)特性及其載荷效應(yīng)

隧道圍巖的工程響應(yīng)通常表現(xiàn)為圍巖的變形破壞及穩(wěn)定性狀況.由于圍巖條件極其復(fù)雜，圍巖的變形破壞過程呈現(xiàn)多樣性.圍巖變形起始于掌子面前方，而在支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用下最終達(dá)到平衡與穩(wěn)定.由此可見，對隧道圍巖穩(wěn)定性的判別及載荷效應(yīng)的預(yù)測是隧道設(shè)計的基本任務(wù).事實上，任何隧道設(shè)計理論都必須明確回答兩個關(guān)鍵問題，即圍巖結(jié)構(gòu)的基本形式和支護(hù)載荷的確定方法，按照對上述問題的不同認(rèn)識和回答方式便形成了各種隧道設(shè)計理論與方法.

對圍巖變形破壞機(jī)制的認(rèn)識是解決上述問題的基礎(chǔ)和前提，受隧道施工擾動的影響，圍巖的變形和破壞具有顯著的時空效應(yīng)，即表現(xiàn)為圍巖的漸進(jìn)破壞.在復(fù)雜隧道圍巖的破壞發(fā)展過程中，通常會經(jīng)過變形、破壞、松動和失穩(wěn)垮落等階段，并具有分區(qū)和分層破壞特性.由于不同區(qū)域的圍巖穩(wěn)定性和變形過程不同，它們也表現(xiàn)為不同的圍巖載荷效應(yīng)，并進(jìn)而影響到支護(hù)與圍巖的作用模式和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法.

2.1 隧道圍巖變形及破壞特性

在隧道施工影響下，圍巖發(fā)生應(yīng)力調(diào)整和轉(zhuǎn)移，通常伴隨著變形與破壞.隨著圍巖變形的增大,破壞逐漸發(fā)展，圍巖失穩(wěn)范圍增大，出現(xiàn)不同形式的破壞[1].圍巖變形先后經(jīng)歷4個階段，自掌子面前方開始，依次為緩慢變形、急劇變形、變形減緩和變形穩(wěn)定，如圖2所示.隨著變形的發(fā)展圍巖破壞范圍不斷增大，如圖3所示.

圖2 隧道圍巖變形過程Fig.2 Deformation process of tunnel surrounding rock

圖3 隧道圍巖破壞區(qū)的發(fā)展Fig.3 Development of tunnel surrounding rock failure zone

緩慢變形階段.隧道施工擾動下掌子面前方一定范圍內(nèi)的圍巖因受到應(yīng)力集中的作用而開始變形，但由于該處地層尚處于三向應(yīng)力狀態(tài)，受到外部地層的約束,變形量較小，發(fā)展比較緩慢.這一階段的圍巖尚未發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和破壞.穩(wěn)定性較好的圍巖僅發(fā)生少許的變形即可自行平衡和穩(wěn)定.

急劇變形階段.進(jìn)入掌子面附近的圍巖受集中應(yīng)力作用且約束條件發(fā)生變化,地層結(jié)構(gòu)首先失穩(wěn)和破壞，變形急劇增大.處于這一階段的圍巖極易失穩(wěn)，這是隧道施工過程中發(fā)生坍塌事故的主因.直到圍巖得到有效支護(hù)后變形才趨于緩和，這部分圍巖變形所占比例較大，應(yīng)作為圍巖變形和安全性控制的重點.

變形減緩階段.初期支護(hù)施作后,圍巖變形迅速趨緩.隨著初期支護(hù)作用力的增大,圍巖破壞范圍和圍巖變形趨于穩(wěn)定.若初期支護(hù)結(jié)構(gòu)不能提供圍巖所需的支撐力,結(jié)構(gòu)則會失效，進(jìn)而導(dǎo)致掌子面后方大范圍坍塌.這一階段的核心工作是使圍巖變形盡快穩(wěn)定下來.

變形穩(wěn)定階段.隧道圍巖與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡狀態(tài)，這時圍巖變形的增加極為緩慢，已無顯著變形，理論上這時可以施作二次襯砌結(jié)構(gòu).如在某些條件下圍巖變形持續(xù)發(fā)展而無法實現(xiàn)平衡，則需要施作更強(qiáng)的初期支護(hù)或者改善圍巖條件.

需要指出，上述4個發(fā)展階段因圍巖不同存在較大的差異，并且每個階段的范圍、圍巖變形量以及穩(wěn)定狀況也各不相同，其控制難度也相差懸殊.工程實踐中所謂的圍巖大變形通常是指不對圍巖變形控制，或者僅采取常規(guī)控制措施條件下所出現(xiàn)的現(xiàn)象，而事實上對于這類圍巖采取相應(yīng)的控制對策后可將圍巖變形控制在可接受的水平，因此在實際工程中并不存在真實的圍巖大變形，但有不同的控制方案.

2.2 隧道圍巖的復(fù)合結(jié)構(gòu)特性

受到施工擾動后，隧道圍巖呈現(xiàn)出由內(nèi)向外漸進(jìn)破壞的特點.內(nèi)層圍巖首先發(fā)生破壞和失穩(wěn)，隧道上部圍巖表現(xiàn)為垮落，下部圍巖則表現(xiàn)為滑移，由此構(gòu)成隧道圍巖的松動區(qū)域，這部分圍巖需要及時地加以控制，而在此區(qū)域以外的圍巖則處于相對穩(wěn)定狀態(tài).

(1)隧道圍巖變形破壞的結(jié)構(gòu)性特點

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及工程影響的時空演化特點，圍巖應(yīng)力狀態(tài)處于不斷變化中，部分圍巖垮落以后應(yīng)力得到轉(zhuǎn)移，因而伴隨著應(yīng)力的調(diào)整，新的傳力拱結(jié)構(gòu)隨即形成，如此循環(huán).當(dāng)圍巖中所形成的傳力拱結(jié)構(gòu)具有一定的自穩(wěn)能力時，圍巖垮落即行停止，可維持一定時間的穩(wěn)定.在此時間內(nèi)可對圍巖實行有效的支護(hù).事實上，這部分松動巖體已由及時施作的支護(hù)結(jié)構(gòu)所支撐，因此通常情況下并不會發(fā)生垮落和冒頂事故.

考慮松動區(qū)邊界內(nèi)外圍巖穩(wěn)定性的差異性，可將隧道周邊一定范圍內(nèi)喪失整體穩(wěn)定性而無法實現(xiàn)長期自穩(wěn)的松動區(qū)定義為淺層圍巖，如圖4所示.這部分圍巖需要及時支護(hù)；在此范圍以外,整體穩(wěn)定性較好而且能夠承擔(dān)地層載荷的圍巖則為深層圍巖.若對深層圍巖采取及時有效的支護(hù)和干預(yù)則可保持其穩(wěn)定性.顯然，隧道圍巖通常是由淺層圍巖和深層圍巖復(fù)合而成.

圖4 深淺層圍巖的邊界范圍Fig.4 Boundaries of deep and shallow surrounding rock

(2)深層圍巖的分組破壞特性

由于地層條件以及工程擾動效應(yīng)的復(fù)雜性，圍巖失穩(wěn)具有顯著的突發(fā)性和階段性特點，如圖5所示.數(shù)值試驗中不同階段的圍巖垮落高度見圖6.

圖5 隧道圍巖壓力拱的發(fā)展過程Fig.5 Arch development process of shallow buried tunnel

圖6 圍巖復(fù)合結(jié)構(gòu)的形成Fig.6 The formation of surrounding rock compound structure

每組圍巖失穩(wěn)后都將保持相對較長時間的平衡.突發(fā)性表明了圍巖變形破壞發(fā)展由量變到質(zhì)變的累積過程，而階段性則顯然是圍巖失穩(wěn)和破壞的分組性特點，而處于同一組的圍巖具有本質(zhì)的共性特點.

作為一種天然材料的地質(zhì)體，結(jié)構(gòu)形式多樣，圍巖應(yīng)力傳遞和變形傳播的時效性以及工程影響的空間轉(zhuǎn)化特點決定了圍巖破壞的分組特性.

處于同一組的深層圍巖通常同時垮落，而最內(nèi)側(cè)的一組深層圍巖穩(wěn)定性是控制的關(guān)鍵，它不僅決定了隧道安全狀態(tài)，而且也是支護(hù)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的重要依據(jù).

隧道內(nèi)側(cè)的巖層組失穩(wěn)后，外部的拱式結(jié)構(gòu)隨即形成，以便及時承擔(dān)傳遞的圍巖壓力.而在此過程中通過支護(hù)對圍巖變形進(jìn)行約束是控制圍巖安全性的重要手段.

(3)深層圍巖的結(jié)構(gòu)層效應(yīng)

同一組深層圍巖的同時或近乎同時失穩(wěn)這一現(xiàn)象表明，在施工影響下，這組巖層具有相似的力學(xué)行為.然而，由于地層材料參數(shù)的差異性、結(jié)構(gòu)的空間尺度效應(yīng)以及外部載荷分布性特點，每組圍巖中各巖層的力學(xué)性能和承載拱又是不同的.通常內(nèi)側(cè)巖層具有較好的承載能力和穩(wěn)定性，可將此具有承載作用的巖層稱為“結(jié)構(gòu)層”；而此外的巖層穩(wěn)定性較差，需依托“結(jié)構(gòu)層”而存在，可將其稱為“載荷層”.可見每組深層圍巖均由“結(jié)構(gòu)層”與“載荷層”組成.顯然“結(jié)構(gòu)層”的穩(wěn)定性即決定了該組巖層的穩(wěn)定性，也將成為控制的核心.考慮到地層與工程條件的復(fù)雜性，每組圍巖中“載荷層”并非總是存在，在某些條件下整個圍巖組均表現(xiàn)出“結(jié)構(gòu)層”的性能，顯然這對圍巖組的穩(wěn)定性是有利的[2].

2.3 隧道圍巖載荷的確定

隧道圍巖廣義載荷本質(zhì)上就是開挖地層原承擔(dān)的地層載荷，但這其中大部分會轉(zhuǎn)移到相鄰地層，而僅靠地層無法承擔(dān)的載荷需要通過支護(hù)來實現(xiàn)平衡，這部分稱為狹義載荷.因此狹義載荷本質(zhì)上就是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系所分擔(dān)的地層載荷，體現(xiàn)了維持圍巖穩(wěn)定而需要外部提供的干預(yù)能力和水平[3].對于復(fù)合隧道圍巖，其載荷效應(yīng)主要由兩部分組成，即淺層圍巖的“給定載荷”和深層圍巖的“形變載荷”.處于松動狀態(tài)的淺層圍巖所產(chǎn)生的載荷需要支護(hù)結(jié)構(gòu)全部承擔(dān)；而處于相對穩(wěn)定狀態(tài)的深層圍巖所產(chǎn)生的載荷大小則取決于對其結(jié)構(gòu)層的控制水平及傳力效果，對結(jié)構(gòu)層變形控制越嚴(yán)則其載荷越大，反之亦然.可見，復(fù)合圍巖的載荷效應(yīng)主要取決于淺層圍巖的范圍和對深層圍巖變形的控制目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn).

事實上，穩(wěn)定性較差的圍巖載荷效應(yīng)通?？煞譃?個層次：①原始圍巖載荷，即在不對圍巖進(jìn)行任何預(yù)處理條件下由隧道開挖所引起的載荷，通常僅為理論預(yù)測載荷.與此載荷相對應(yīng)的支護(hù)則包括圍巖超前預(yù)加固和預(yù)支護(hù)在內(nèi)的所有支護(hù)結(jié)構(gòu)，也稱廣義附加圍巖載荷；②基本圍巖載荷，即經(jīng)過圍巖預(yù)加固和必要的預(yù)支護(hù)，能保證隧道開挖后具有一定自穩(wěn)能力的載荷，與此相對應(yīng)的支護(hù)則不包括在掌子面前方對圍巖的預(yù)加固和預(yù)支護(hù)的作用；③結(jié)構(gòu)圍巖載荷，即把超前預(yù)支護(hù)、錨噴支護(hù)以及初期支護(hù)等均當(dāng)作對圍巖的改良和處置，進(jìn)行如此處理后的載荷才看作圍巖載荷.通常以此為二次支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計依據(jù)，這也是目前隧道設(shè)計規(guī)范中認(rèn)定的結(jié)構(gòu)載荷.

基于復(fù)合圍巖基本載荷的理念，可利用圖7所示的計算模型對支護(hù)反力進(jìn)行分析.

取一組結(jié)構(gòu)層進(jìn)行分析，重點關(guān)注支護(hù)徑向載荷.假設(shè)支護(hù)反力為pa，結(jié)構(gòu)層與淺層圍巖界面接觸反力為pb，載荷層施加于結(jié)構(gòu)層載荷為pc.

圖7 載荷計算模型Fig.7 Load calculation model

支護(hù)載荷pa分別來源于淺層圍巖自重載荷p1和結(jié)構(gòu)層形變載荷p2

其中自重載荷p1直接作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)之上，結(jié)構(gòu)層形變載荷p2通過淺層圍巖傳遞至支護(hù)結(jié)構(gòu).淺層圍巖自重載荷為

式中,γ為淺層圍巖重度，h為計算方向上淺層圍巖厚度，αv為計算方向與重力方向的夾角.

結(jié)構(gòu)層形變載荷與載荷層壓力以及復(fù)合圍巖自身參數(shù)有關(guān)，可表示為

式中,α為載荷層壓力傳遞系數(shù)，β為結(jié)構(gòu)層形變載荷傳遞系數(shù)，兩者都與分析問題的幾何參數(shù)和材料參數(shù)相關(guān)；ui為結(jié)構(gòu)層變形量.由此，支護(hù)載荷的計算轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)層和淺層圍巖形變載荷傳遞參數(shù)α和β的確定.

假設(shè)圍巖應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力路徑無關(guān)[4],按照圍巖彈塑性力學(xué)模型分析，可得出

式中，rb和rc分別為淺層圍巖和深層圍巖的半徑，μ為圍巖變形前的泊松比，E1i和μ1i分別為淺層圍巖變形后的模量和泊松比，E2i和μ2i分別為深層圍巖結(jié)構(gòu)層變形后的模量和泊松比.

在取得載荷傳遞系數(shù)之后，即可對結(jié)構(gòu)層的形變載荷進(jìn)行計算，并結(jié)合淺層圍巖給定載荷，根據(jù)式(1)計算出圍巖載荷.給定參數(shù)即可得到給定變形下的支護(hù)載荷關(guān)系曲線，如圖8所示.

圖8 圍巖載荷特性曲線Fig.8 Characteristic curve of surrounding rock load

圖8中曲線前半部分通過本文所述方法計算得到，而后半部分虛線無法計算，表示失穩(wěn)后淺層圍巖范圍不斷發(fā)展，導(dǎo)致施加于支護(hù)上的自重載荷增加.其最大值是該組深層圍巖全部失穩(wěn)所形成的地層載荷.

在圍巖條件發(fā)生變化時，上述圍巖特性曲線的形狀和位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，圍巖條件變好時曲線左移，圍巖變差時則右移.而當(dāng)圍巖能夠?qū)崿F(xiàn)自行穩(wěn)定時，隨著應(yīng)力釋放圍巖變形達(dá)到一定值后則不再發(fā)展，圍巖載荷也將趨于穩(wěn)定.

按照本文前述結(jié)構(gòu)層與載荷層分組運(yùn)動規(guī)律，每組深層圍巖的失穩(wěn)事實上都造成淺層圍巖范圍的增大和階段性擴(kuò)展，計算將得到如圖9所示的載荷曲線.

圖9 階段性破壞情況下的圍巖載荷關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curves of surrounding rock load under the phased destruction

圖9中載荷上限包絡(luò)線各組深層圍巖結(jié)構(gòu)層失穩(wěn)后支護(hù)所受最大載荷的變化情況，可由計算獲得；載荷下限包絡(luò)線則表示結(jié)構(gòu)層尚未失穩(wěn)時的支護(hù)最小載荷，與結(jié)構(gòu)體系的剛度有關(guān).實際工程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)載荷理論上都在上述網(wǎng)格區(qū)域，據(jù)此可獲得不同圍巖條件下的圍巖特性曲線.

2.4 復(fù)雜隧道圍巖穩(wěn)定性及載荷特點

由于地層條件極其復(fù)雜，隧道圍巖也是千差萬別，圍巖力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出很大的不確定性,這是隧道設(shè)計和施工面臨的最大挑戰(zhàn).圍巖條件復(fù)雜性主要表現(xiàn)為圍巖變形破壞的時空演化特點、變形控制標(biāo)準(zhǔn)不同、圍巖破壞模式不同以及圍巖載荷形成方式和大小不同.

不同類型地層的工程響應(yīng)主要表現(xiàn)在隧道圍巖結(jié)構(gòu)形式及穩(wěn)定性上，進(jìn)而表現(xiàn)為圍巖載荷.由于地層的非均質(zhì)性、各向異性以及非對稱性，圍巖結(jié)構(gòu)形狀會發(fā)生變化.對于層狀巖體，其會呈現(xiàn)非對稱的結(jié)構(gòu)形式，受到地層傾向及角度的影響，結(jié)構(gòu)層形式復(fù)雜又多樣，結(jié)構(gòu)層的穩(wěn)定性可利用梁結(jié)構(gòu)模型來計算；對于砂性地層，圍巖結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)為復(fù)合拱式結(jié)構(gòu).復(fù)合拱通常有三種破壞模式[5]：

(1)上部垮落：在拱腳完好的前提下，復(fù)合拱結(jié)構(gòu)承載主體向上移動，承載結(jié)構(gòu)相較于初始狀態(tài)更加穩(wěn)定，塌方程度會階段性趨緩，并最終穩(wěn)定.

(2)拱腳失穩(wěn)：相當(dāng)于拱結(jié)構(gòu)的跨度增大，由于穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)具有特定的高跨比，因此最終穩(wěn)定狀態(tài)的拱結(jié)構(gòu)范圍將大于拱頂破壞模式下的范圍，復(fù)合拱拱腳會向兩側(cè)移動，之后，續(xù)隨著上部圍巖的破壞，高度再向上移動.

(3)下部滑移：該模式對復(fù)合拱結(jié)構(gòu)帶來兩個影響，其一為拱腳失去支撐條件而破壞，其二為維持穩(wěn)定的強(qiáng)力鏈不能構(gòu)成完整閉合環(huán)而發(fā)生重組.以上兩種影響共同作用，導(dǎo)致拱結(jié)構(gòu)同時在跨度和高度上向外擴(kuò)展.

上述破壞模式對應(yīng)于3種不同的復(fù)合拱失穩(wěn)模式，其中后兩種模式都帶來拱腳的破壞，拱腳破壞會使得復(fù)合拱結(jié)構(gòu)跨度增大，從而導(dǎo)致最終穩(wěn)定狀態(tài)范圍比第1種情況更大，由此可以推斷在圍巖穩(wěn)定性控制過程中，拱腳的控制是關(guān)鍵，也是控制最終破壞范圍的最有效手段.

3 支護(hù)與圍巖的動態(tài)作用關(guān)系

當(dāng)隧道圍巖無法實現(xiàn)自行平衡時需要及時的外部干預(yù)，那就是加固以及各種形式的支護(hù).而何時支護(hù)以及采取怎樣的支護(hù)方式則需對圍巖的支護(hù)過程和特點進(jìn)行分析，并對其作用效果和可靠性作出評價.

支護(hù)與圍巖相互作用關(guān)系的本質(zhì)就是支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度與剛度對圍巖的變形破壞及時空演化特點的適應(yīng)性.因此針對不同圍巖條件選擇適宜的支護(hù)方式是非常重要的，這也是隧道設(shè)計和支護(hù)質(zhì)量控制的核心內(nèi)容.

3.1 隧道支護(hù)與圍巖作用的基本特點

表征支護(hù)與圍巖狀態(tài)的基本指標(biāo)就是圍巖變形量和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，當(dāng)然圍巖變形的合理控制值以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力大小因圍巖條件不同而存在較大差異，如圖10所示.隧道圍巖變形量通?？上嗖?～10倍，有時可能更大，但在支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用下均先后經(jīng)歷不同的變形階段，并最終趨于穩(wěn)定.

圖10 隧道圍巖拱頂沉降歷時曲線Fig.10 Crown settlement-time curves of tunnel surrounding rock

初期支護(hù)與圍巖密貼后圍巖變形得到遏制，變形速度迅速減小，產(chǎn)生的形變壓力作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上.這樣，隨著結(jié)構(gòu)的變形其受力狀態(tài)相應(yīng)地變化.圖11為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化情況.

圖11 隧道初期支護(hù)拱架鋼筋受力歷時曲線Fig.11 Stress-time curves of tunnel initial support steel arch centering

支護(hù)與圍巖作用關(guān)系極其復(fù)雜，綜合圍巖變形與結(jié)構(gòu)受力變形情況，其作用過程具有以下特點：

(1)動態(tài)特性.支護(hù)與圍巖的相互作用關(guān)系具有很強(qiáng)的時空相關(guān)性，主要來源于隧道開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作過程、圍巖的流變特性和混凝土材料的硬化特性.

支護(hù)與圍巖的相互作用具有顯著的時空特性.首先，隧道開挖引起的應(yīng)力釋放不是一蹴而就的，會在一個較顯著的空間范圍內(nèi)傳導(dǎo)；地質(zhì)材料通常具有一定的流變特性，因而支護(hù)--圍巖體系的力學(xué)平衡過程可能持續(xù)較長的時間.同時，水泥類支護(hù)結(jié)構(gòu)的硬化特性對支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的影響至關(guān)重要.支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作需要一定的時間和空間，各種支護(hù)結(jié)構(gòu)不可能同時發(fā)揮支護(hù)效應(yīng).而且在隧道工程力學(xué)演化過程中，不時會有新的結(jié)構(gòu)加入并參與到整個支護(hù)--圍巖體系的力學(xué)平衡過程.

(2)階段特性.支護(hù)--圍巖體系不同階段的主導(dǎo)因素不盡相同，導(dǎo)致重點問題和相應(yīng)的核心變量始終處于動態(tài)轉(zhuǎn)移和相互轉(zhuǎn)化之中.

在支護(hù)與圍巖的相互作用過程中，考慮到圍巖變形演化與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性，通常會出現(xiàn)階段性動態(tài)平衡，但由于圍巖變形破壞過程的階段性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)涵的變化(新結(jié)構(gòu)的加入以及結(jié)構(gòu)硬化等)，新一輪的平衡過程又開始，直至達(dá)到最終平衡.顯然，在此過程中的支護(hù)與圍巖相互作用呈現(xiàn)周期性，因而具有明顯的階段性特點.

(3)協(xié)調(diào)特性.支護(hù)與圍巖是不可分割的整體，一方面，支護(hù)可直接承載一部分因隧道開挖而釋放的應(yīng)力或協(xié)助圍巖充分調(diào)動自承載能力，防止圍巖坍塌破壞，控制圍巖變形；另一方面，圍巖載荷以及因其變形受到約束而產(chǎn)生的反力作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)，造成結(jié)構(gòu)受載，這就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，從而實現(xiàn)穩(wěn)定.

圍巖變形、破壞與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的作用表現(xiàn)出明顯的非線性特點，兩者變化發(fā)展的原則是保持整體變形協(xié)調(diào).一方參數(shù)的變化對另一方具有依賴性，不同支護(hù)形式之間相互疊加等.支護(hù)與圍巖作用體系中任何構(gòu)件的失效都有可能導(dǎo)致整個體系的失穩(wěn)，須綜合考慮.

3.2 隧道支護(hù)與圍巖動態(tài)作用過程

作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，隧道支護(hù)與圍巖相互作用貫穿于隧道圍巖變形控制的全過程.隨著圍巖條件、支護(hù)方式以及時空關(guān)系的變化,兩者的關(guān)系也處于不斷轉(zhuǎn)換之中，直到兩者達(dá)到最終的平衡狀態(tài)，實現(xiàn)對圍巖變形的有效控制.

根據(jù)系統(tǒng)論的觀點，若以隧道圍巖系統(tǒng)為出發(fā)點，在隧道建造全過程中，圍巖的超前支護(hù)施作、隧道開挖、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施作、二次襯砌結(jié)構(gòu)施作等施工措施以及現(xiàn)場實時監(jiān)測與反饋使圍巖系統(tǒng)與周圍環(huán)境持續(xù)地進(jìn)行信息交換與融合，最終，圍巖系統(tǒng)由原始平衡狀態(tài)進(jìn)入更高層次的支護(hù)--圍巖系統(tǒng)，進(jìn)而為支護(hù)結(jié)構(gòu)的量化設(shè)計提供指導(dǎo).

根據(jù)前述分析，圍巖變形分為4個階段，每個階段分別具有自身的發(fā)展特點.事實上在每個階段的轉(zhuǎn)換點都發(fā)生了顯著的變化，因此根據(jù)支護(hù)--圍巖體系力學(xué)演化規(guī)律，確定出幾個關(guān)鍵節(jié)點，將支護(hù)與圍巖相互作用過程劃分為幾個典型階段，并將總控制指標(biāo)分解至各個階段，根據(jù)各個分目標(biāo)制定相應(yīng)的控制方案.

考慮到支護(hù)與圍巖相互作用的階段性特點，在確定關(guān)鍵節(jié)點時應(yīng)遵循以下原則：

(1)一致性.每個作用階段均應(yīng)體現(xiàn)支護(hù)與圍巖相互作用的基本特點，不同階段具有顯著的差異性，而且階段之間變形協(xié)調(diào).

(2)普適性.對于不同圍巖條件、支護(hù)方案和施工技術(shù)水平，階段劃分的原則和方法都普遍適用，其差別僅在于持續(xù)的范圍不同.

(3)典型性.關(guān)鍵節(jié)點是支護(hù)--圍巖體系力學(xué)演化過程的質(zhì)變點，但在同一作用階段內(nèi)支護(hù)與圍巖體系的關(guān)鍵問題和控制目標(biāo)是相同的.

據(jù)此思路并與圍巖變形相對應(yīng)，可將掌子面前方圍巖變形加速點、初期支護(hù)與圍巖密貼點和二次襯砌開始作用點三者作為關(guān)鍵節(jié)點，以此為界即可將支護(hù)與圍巖相互作用關(guān)系分為4個階段，如圖12所示.

圖12 支護(hù)與圍巖動態(tài)相互作用概念Fig.12 Conception of dynamic interaction between support and surrounding rock

(1)圍巖超前緩慢變形階段.這時圍巖受到約束,變形得到一定的遏制，發(fā)展緩慢，本階段的支護(hù)與圍巖關(guān)系主要表現(xiàn)為深部圍巖在外部圍巖約束下的自由變形，有時則伴有超前加固的作用.

(2)從掌子面前方圍巖急劇變形到初期支護(hù)發(fā)揮作用.由于圍巖的超前破壞和失穩(wěn)使得圍巖變形速率迅速增大;得到初期支護(hù)的有效作用后圍巖變形速率急速減小.這一階段的支護(hù)與圍巖關(guān)系主要表現(xiàn)為超前支護(hù)與圍巖的相互作用，因此變形量能否得到及時控制,超前支護(hù)至關(guān)重要.

(3)初期支護(hù)與圍巖發(fā)生有效作用后，圍巖變形得到控制，同時圍巖產(chǎn)生的形變壓力使初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力迅速增大，結(jié)構(gòu)受力與圍巖控制效果取決于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和支護(hù)時機(jī)，必要時可施作雙層或多層初期支護(hù)結(jié)構(gòu).這一階段的支護(hù)與圍巖關(guān)系表現(xiàn)為初期支護(hù)及超前支護(hù)與圍巖之間的相互作用，同時也伴隨著錨桿的作用，但其核心是初期支護(hù)與圍巖的動態(tài)作用.

(4)在初期支護(hù)及超前支護(hù)與圍巖的動態(tài)調(diào)整過程中隧道圍巖變形趨于穩(wěn)定，這時已實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定和安全.但為實現(xiàn)特殊載荷作用下的長期安全,通常對隧道施作二次襯砌結(jié)構(gòu)，二次襯砌施作以后則必然會承受一定的載荷，其所受載荷的大小則與復(fù)合結(jié)構(gòu)的剛度對比有關(guān)，這一階段的支護(hù)與圍巖關(guān)系則表現(xiàn)為超前支護(hù)、初期支護(hù)及二次襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖的作用，即二次襯砌與既有支護(hù)結(jié)構(gòu)的載荷再分配.

作為主承載結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)是控制圍巖變形的主體，若設(shè)計不足則可能造成初期支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)--圍巖體系的失穩(wěn)，而保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定則是隧道設(shè)計的基本要求.通常條件下，二次襯砌僅作為安全儲備，一方面在圍巖流變及偶遇載荷作用時確保安全，另一方面是系統(tǒng)高可靠性方面的要求.本質(zhì)上這也是圍巖復(fù)雜性及載荷效應(yīng)多樣性的要求.

隧道支護(hù)與圍巖作用的本質(zhì)就是針對圍巖力學(xué)性能演化、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換以及應(yīng)力釋放特點，及時施作支護(hù)以承擔(dān)因應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的附加載荷，并對圍巖形成約束；而圍巖變形受到控制后必然產(chǎn)生形變壓力并作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，該作用力的大小則取決于支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剛度和施作時機(jī)，這樣支護(hù)力則又反作用于圍巖形成更強(qiáng)的約束.如此往復(fù)，直到形成新的平衡狀態(tài)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn).系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)則是復(fù)雜工程條件下誘發(fā)安全事故的根源，因此對支護(hù)--圍巖系統(tǒng)可靠性的評價至關(guān)重要.

4 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及其協(xié)同作用

隧道工程設(shè)計的基本任務(wù)之一就是選擇合理的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)，而支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計則是針對圍巖條件及載荷釋放特點確定施作工藝，并就其對圍巖的適應(yīng)性和可靠性作出評價.

4.1 隧道支護(hù)的基本作用

如前所述，受施工擾動后圍巖無法實現(xiàn)自行平衡時需對圍巖實施外部干預(yù)，即通常所說的隧道支護(hù).本質(zhì)上，隧道支護(hù)的基本作用就是“調(diào)動圍巖承載”和“協(xié)助圍巖承載”兩個方面，其核心是承擔(dān)因隧道施工引起的附加圍巖載荷.

(1)調(diào)動圍巖承載

對于廣義載荷來講，主承載結(jié)構(gòu)是圍巖自身，充分發(fā)揮圍巖的承載功能是隧道設(shè)計的基本原則，最大限度地發(fā)揮圍巖的自承載能力有利于提高支護(hù)效率，是最為經(jīng)濟(jì)的工程方案，這與新奧法的原理也是一致的.調(diào)動圍巖承載的方式包括盡可能少擾動圍巖(保護(hù)圍巖)、超前預(yù)加固圍巖、及時初噴混凝土以及實施錨桿支護(hù)系統(tǒng)等，其作用主要體現(xiàn)在增大圍巖強(qiáng)度和整體性等，以提升圍巖穩(wěn)定性.

(2)協(xié)助圍巖承載

在某些圍巖條件下僅靠調(diào)動圍巖自承載無法實現(xiàn)自行穩(wěn)定和平衡，這時便需要外部結(jié)構(gòu)的介入承擔(dān)部分附加載荷以實現(xiàn)圍巖的整體穩(wěn)定性和平衡，這也是支護(hù)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)作用特征.協(xié)助圍巖承載的方式包括各種形式的超前預(yù)支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)等，而錨桿支護(hù)則兼有調(diào)動和協(xié)助圍巖承載的功能，其作用則主要體現(xiàn)在承擔(dān)圍巖松弛載荷以及對圍巖變形形成約束.

(3)動態(tài)協(xié)調(diào)承載

在對隧道圍巖的支護(hù)活動中，調(diào)動和協(xié)助圍巖承擔(dān)的界限并不十分明顯，通常在時間上是先調(diào)動后協(xié)助，在空間上則是調(diào)動深層承載、協(xié)助淺層圍巖承載，而在實際作用過程中是相互依賴和相互包含的，動態(tài)協(xié)調(diào)是其相互作用的基本特征，這也是支護(hù)與圍巖關(guān)系復(fù)雜化和作用結(jié)果具有不確定性的重要原因.

4.2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

嚴(yán)格來講，對圍巖預(yù)加固的本質(zhì)是提高圍巖穩(wěn)定性，應(yīng)屬于圍巖層面的措施，由此可減少圍巖的載荷效應(yīng)；各種形式的支護(hù)結(jié)構(gòu)則是承擔(dān)圍巖所釋放載荷的主體，而支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)與圍巖變形演化特點相適應(yīng).

(1)超前預(yù)支護(hù)體系的保障作用

對于穩(wěn)定性較差的圍巖，在采用了預(yù)加固措施以后，其自穩(wěn)能力仍難滿足施工要求時,需要對其實施預(yù)支護(hù)，防止圍巖大變形、塌方或冒頂，從時間和空間上為下一步工序的進(jìn)行創(chuàng)造條件.顯然，預(yù)支護(hù)作用的目標(biāo)就是為隧道開挖提供條件，在其所提供的圍巖自穩(wěn)時間內(nèi)能夠完成有效的初期支護(hù)，這是超前支護(hù)設(shè)計的原則和依據(jù).

超前支護(hù)的縱向范圍應(yīng)大于圍巖發(fā)生急劇變形的范圍，由此才可保障掌子面前方的圍巖穩(wěn)定；而超前支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度則取決于其作為臨時支護(hù)所需承擔(dān)的松動圍巖范圍以及變形控制標(biāo)準(zhǔn)，超前支護(hù)的形式則可以多樣化，適宜為好.

有時，超前加固與超前支護(hù)是相輔相成、協(xié)調(diào)作用的.同樣是維護(hù)掌子面前方的圍巖穩(wěn)定性，可以在隧道輪廓線以外施作預(yù)加固或預(yù)支護(hù)以減小開挖地層的受力而避免坍塌，此即為我國在不良地質(zhì)中廣泛應(yīng)用的淺埋暗挖技術(shù)；而對待開挖地層進(jìn)行預(yù)加固和預(yù)支護(hù)以提高支撐能力而避免掌子面前方的地層過度變形，此即為歐洲不良地質(zhì)中應(yīng)用的新意大利技術(shù).兩者具有異曲同工之效，相對而言，淺埋暗挖法效率更高，而新意法則更易實現(xiàn)機(jī)械化，有利于保障施工質(zhì)量.

(2)初期支護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵作用

作為隧道圍巖控制的主體結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)通常包括系統(tǒng)錨桿、拱架支護(hù)及噴射混凝土等，其各自的作用存在很大的差異.

系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)理主要有懸吊作用、組合梁作用和擠壓加固作用等3種模式，在不同的圍巖條件下有所側(cè)重，但只要形成其中的任何一種作用模式,就說明錨桿作用都是有效的.組合梁(拱)的抗彎剛度和強(qiáng)度顯著提高，從而增強(qiáng)了地層的承載能力，錨桿提供的錨固力愈大，作用愈明顯.顯然，錨桿預(yù)應(yīng)力可以直接影響圍巖加固效果.

拱架結(jié)構(gòu)是隧道支護(hù)中最常采用的初期支護(hù)手段，分為型鋼鋼架和格柵鋼架兩種形式，具有可預(yù)制、剛度大、擴(kuò)展性好和施作時間短的特點，能夠在隧道掌子面開挖后迅速提供支護(hù)作用，為其他支護(hù)構(gòu)件的施作爭取了更多的時間和空間.其工作原理是在與圍巖接觸的過程中，通過自身的變形來提供支護(hù)反力，為典型的被動承載構(gòu)件.其力學(xué)傳遞過程是通過將拱型構(gòu)件所受到的徑向載荷轉(zhuǎn)移到環(huán)向上，盡可能多地通過增大構(gòu)件的軸力來降低彎矩與剪力，這樣有利于發(fā)揮材料的抗拉、抗壓性能.

噴射混凝土的工作原理與其施作位置關(guān)系很大.當(dāng)混凝土分布在掌子面時,其主要通過自身的抗拉性、粘結(jié)性和整體性能來保護(hù)掌子面的穩(wěn)定.當(dāng)其沿著洞室環(huán)向噴射時其主要作用除了保護(hù)松散的巖土體外，更重要的是與已有的支護(hù)拱架形成一定厚度的帶肋柱殼或圓柱來抵抗圍巖變形，此時其力學(xué)傳遞過程與拱架類似.在縱向上則類似連續(xù)梁，較單純的拱架更具穩(wěn)定性.此外，噴射混凝土還能進(jìn)一步填補(bǔ)拱架與圍巖之間的空隙，改善拱架受力狀態(tài)，減少了環(huán)向失穩(wěn)的可能性，并提高了拱架在縱向抵抗傾覆的能力.

需要指出，初期支護(hù)系統(tǒng)承擔(dān)全部載荷的理念是指僅施作初期支護(hù)即可保證隧道結(jié)構(gòu)的長期安全，有時可能需要施作多層初期支護(hù)，并且還可能需要配以較強(qiáng)的超前預(yù)支護(hù)方法來實現(xiàn).

(3)二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全儲備作用

二次襯砌的施作應(yīng)當(dāng)在圍巖收斂變形趨于穩(wěn)定之后進(jìn)行，其載荷來源包括兩個方面：一是由初期支護(hù)的載荷轉(zhuǎn)移而來，其大小取決于剛度對比情況；二是隧道結(jié)構(gòu)體系遭遇極端條件下的動載荷以及巖土體長期蠕變所帶來的載荷.二次襯砌結(jié)構(gòu)屬于厚壁構(gòu)件，受載后的載荷傳遞過程與初期支護(hù)類似，但其受力較初期支護(hù)更為均勻，抵抗剪切和彎折的性能也明顯增強(qiáng).二次襯砌的變形過程明顯具有連續(xù)性，不易發(fā)生失穩(wěn)破壞，這點區(qū)別于初期支護(hù).

二次襯砌的變形特點與塑性區(qū)發(fā)展趨勢受到洞室形狀和圍巖條件的影響，從接觸壓力的角度來看，接觸壓力最大點并非總在拱頂處，拱腳等曲率變化較大的位置應(yīng)力集中狀況更為明顯[6]，如圖13所示.此外，從現(xiàn)場的測量數(shù)據(jù)來看，真實情況下隧道二次襯砌所受到的載荷小于其極限載荷，也就是說二次襯砌作為安全儲備的功能是可行的.

圖13 蘭渝線胡麻嶺隧道接觸壓力(kPa)Fig.13 Contact pressure for Humaling Tunnel of Lanyu Line(kPa)

4.3 隧道支護(hù)體系的協(xié)同作用

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，各構(gòu)件之間的協(xié)同作用可有效地維護(hù)圍巖的穩(wěn)定，并獲得最佳的控制效果，即在圍巖變形量可控的前提下所受總載荷最小.協(xié)同作用的內(nèi)容包括剛度協(xié)調(diào)、強(qiáng)度協(xié)調(diào)和作用時機(jī)的協(xié)調(diào)，本質(zhì)上就是在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)施作相應(yīng)強(qiáng)度和剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，使各支護(hù)構(gòu)件的支護(hù)性能得到最大限度的發(fā)揮，并在前序支護(hù)結(jié)構(gòu)屈服前及時施作后續(xù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，這是實現(xiàn)協(xié)同作用的基本前提.

為此，復(fù)雜支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)轉(zhuǎn)換應(yīng)與圍巖系統(tǒng)的變形演化和時空轉(zhuǎn)化規(guī)律相適應(yīng)，每個支護(hù)構(gòu)件要與圍巖變形發(fā)展階段相對應(yīng)，即每項支護(hù)具有明確的分工：①超前支護(hù)——核心是防止嚴(yán)重的圍巖超前破壞和冒頂發(fā)生，對變形控制沒有嚴(yán)格的要求；②初期支護(hù)——核心作用是遏制圍巖變形，也是控制圍巖穩(wěn)定性的主體，通常應(yīng)具有較高的剛度，對于復(fù)雜圍巖可在必要時施作多重支護(hù)；③二次襯砌支護(hù)——多數(shù)條件下僅作為安全儲備，通常受載并不大，本質(zhì)上對其剛度要求并不高.在實際工程中，應(yīng)針對圍巖控制的重點和目標(biāo)進(jìn)行不同支護(hù)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和施作時機(jī)的設(shè)計，如圖14所示.

圖14 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的工作特性Fig.14 Working characteristics of tunnel support system

圖14表示了超前支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌3種支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同支護(hù)時機(jī)下的工作特性.顯然，由于超前支護(hù)剛度k1通常較小，對控制圍巖變形效果并不明顯；初期支護(hù)與圍巖接觸以后，其與超前支護(hù)聯(lián)合形成綜合支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度k2，在圍巖變形作用下迅速形成較大的支撐能力，使圍巖變形速率急劇減緩，并逐漸趨于穩(wěn)定.這一階段是隧道支護(hù)作用的核心，也是隧道支護(hù)是否成功的關(guān)鍵.二次襯砌施作以后在k2的基礎(chǔ)上形成結(jié)構(gòu)體系的整體剛度k3.但由于這時的圍巖變形趨于穩(wěn)定，本階段主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部載荷的調(diào)整，即初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的載荷按照“硬支多載”的原理部分轉(zhuǎn)移給二次襯砌結(jié)構(gòu).在此過程中圍巖的少許變形使結(jié)構(gòu)體系所承受的總載荷有所增加，但迅速達(dá)到穩(wěn)定和平衡.

客觀上，作為支護(hù)結(jié)構(gòu)主體的初期支護(hù)本身也是一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括可能采用的多重鋼架混凝土結(jié)構(gòu)以及錨桿支護(hù)系統(tǒng).初期支護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的協(xié)同作用更為重要，在錨桿支護(hù)的極限應(yīng)變量達(dá)到之前應(yīng)完成初期支護(hù)體系的最后一道工序，并且盡可能多地發(fā)揮前序支護(hù)的能力，這樣才能保證初期支護(hù)(包括超前支護(hù)系統(tǒng))承擔(dān)全部附加圍巖載荷.

由此可見，整個隧道支護(hù)體系的協(xié)同作用可以劃分為兩個部分：一方面是縱向上“超前支護(hù)殼體模型”與“超前核心巖土體模型”在支護(hù)剛度上的相互增益;另一方面則是環(huán)向上前序支護(hù)與后續(xù)支護(hù)在圍巖載荷承擔(dān)上的分配和協(xié)調(diào)[7].

5 隧道及地下工程安全性分析

隧道作為高風(fēng)險工程，安全性問題尤其突出，這在隧道工程的設(shè)計、施工和運(yùn)營中都應(yīng)引起高度重視并加以可靠的解決.

5.1 隧道及地下工程安全事故特點

根據(jù)2005—2014年我國在建鐵路、公路隧道52起隧道塌方事故的統(tǒng)計分析，發(fā)生次數(shù)最多的位置是在初期支護(hù)施作到二襯施作之前，俗稱后關(guān)門事故，約占47%；其次是掌子面前方及掌子面變形坍塌，即圍巖失穩(wěn)類事故，約占33%；最后是洞口坍塌，約占20%.

本質(zhì)上，隧道施工中塌方事故可以歸為三種主要類型，即圍巖失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)失效和環(huán)境失調(diào)所引起的安全事故.具體包括：

(1)圍巖失穩(wěn)類塌方事故

由于隧道圍巖的超前失穩(wěn)、破壞或過度變形造成坍塌和冒頂，進(jìn)而引起掌子面的塌方事故，如圖15所示.這類事故主要是由于隧道圍巖在掌子面前方就已發(fā)生了大范圍的嚴(yán)重破壞，超前預(yù)加固或預(yù)支護(hù)不到位時極易發(fā)生坍塌事故，而若不能及時處理還會誘發(fā)大范圍塌方.

圖15 隧道圍巖失穩(wěn)引起的塌方事故Fig.15 Tunnel collapse caused by surrounding rock instability

控制這類事故的關(guān)鍵是做好施工過程中的超前地質(zhì)預(yù)報，并對圍巖穩(wěn)定性做出客觀、準(zhǔn)確的判斷，據(jù)此做好超前加固和預(yù)支護(hù)工作.這類圍巖通常對施工進(jìn)度影響也較大[8].

(2)結(jié)構(gòu)失效類塌方事故

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)不足以抵抗圍巖的附加載荷，支護(hù)與圍巖的動態(tài)作用無法達(dá)到平衡狀態(tài)而造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，如圖 16所示.這類事故主要是由于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作時機(jī)或強(qiáng)度或剛度不能滿足圍巖穩(wěn)定的控制要求，或者對掌子面前方塌方處置不到位，或者是錨桿支護(hù)失效造成的.這是近年來造成重大人員傷亡的主要事故類型.

圖16 隧道結(jié)構(gòu)失效引起的塌方事故Fig.16 Tunnel collapse caused by initial support structure failure

避免這類事故首先要明確初期支護(hù)的核心作用，制定初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)初期支護(hù)與圍巖的協(xié)同作用，并保持密貼，根據(jù)雷達(dá)探測結(jié)果及時實行初期支護(hù)背后的填充注漿，并實施結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測，必要時作加強(qiáng)處理.

(3)環(huán)境失調(diào)類塌方事故

隧道施工引起地層的變形與破壞，造成周邊環(huán)境的變化，環(huán)境結(jié)構(gòu)與地層之間不協(xié)調(diào)而坍塌.由于隧道洞口和淺埋地段受力條件的復(fù)雜性，處理不當(dāng)極易失穩(wěn)，進(jìn)而造成塌方事故，如圖17所示.事實上，隧道施工安全控制的重點是隧道洞口和洞體內(nèi)的不良地質(zhì)段，也從很大程度上說明了這個問題.

圖17 隧道環(huán)境失調(diào)引起的塌方事故Fig.17 Tunnel collapse caused by environmental disturbance

對于這類事故控制的重點是，必要時在洞口和淺埋地段施作管棚預(yù)支護(hù)，其核心作用是防止圍巖塌方.在洞口管棚施作中需要做好套拱，并保持套拱底部具有良好的支撐.

本質(zhì)上，隧道及地下工程建設(shè)安全事故主要包括工程安全和環(huán)境安全兩大類，在城市地下工程活動中尤以環(huán)境問題更加突出，而城市地下工程安全事故主要是由工程誘發(fā)的地層變形所致，因此提出以地層變形控制為核心的理念對安全風(fēng)險進(jìn)行管理[9].

5.2 隧道及地下結(jié)構(gòu)病害機(jī)理與控制

隧道及地下結(jié)構(gòu)作為一個復(fù)雜的體系，在投入運(yùn)營或服役后會出現(xiàn)各種類型和不同程度的病害現(xiàn)象，如襯砌變形及裂損、結(jié)構(gòu)滲漏水、基底及道床損壞等，嚴(yán)重威脅著隧道安全，縮短了隧道的維護(hù)周期和使用壽命，造成了安全隱患和財產(chǎn)損失.襯砌裂損作為一種常見的隧道病害，是支護(hù)與圍巖長期不良作用的結(jié)果，從科學(xué)層面上也是支護(hù)--圍巖系統(tǒng)的動力響應(yīng)所致，其本質(zhì)是圍巖狀態(tài)變化所造成的結(jié)構(gòu)受力條件的改變，使得結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服強(qiáng)度而發(fā)生破壞.

(1)隧道結(jié)構(gòu)病害特點

在導(dǎo)致隧道病害的諸多因素中，隧道襯砌背后接觸狀態(tài)不良是隧道結(jié)構(gòu)病害的主要成因之一[10]，并直接影響到隧道結(jié)構(gòu)的安全性.通過對100余座鐵路運(yùn)營隧道襯砌無損檢測及統(tǒng)計分析，可得隧道襯砌背后空洞及松散區(qū)的分布,如圖18所示.

由圖18可見，單層襯砌背后空洞及接觸松散范圍的徑向尺寸主要為0.3～0.7m，而復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)背后不良接觸則主要在0.2～0.5m范圍內(nèi)，并隨圍巖級別及隧道位置變化而變化.

襯砌結(jié)構(gòu)背后接觸松散和空洞的存在是隧道支護(hù)與圍巖接觸不良的主要表現(xiàn)形式，其實質(zhì)就是在一定程度上惡化了支護(hù)與圍巖的關(guān)系，由此直接或間接地造成各種結(jié)構(gòu)病害，嚴(yán)重時會危及到運(yùn)營安全，這也是地下結(jié)構(gòu)普遍存在的問題.

圖18 襯砌背后接觸松散區(qū)徑向尺寸分布Fig.18 Radial dimension distributions of voids or loose zones behind tunnel lining

圖18 襯砌背后接觸松散區(qū)徑向尺寸分布(續(xù))Fig.18 Radial dimension distributions of voids or loose zones behind tunnel lining(continued)

隧道漏水病害只有在隧道襯砌結(jié)構(gòu)背后具有集水條件和襯砌結(jié)構(gòu)開裂(滲水通道)兩者同時發(fā)生時才會形成，顯然這兩者均與結(jié)構(gòu)背后的空洞有關(guān).隧道基地和道床結(jié)構(gòu)的破損本質(zhì)上也是支護(hù)與圍巖接觸狀態(tài)緊密相關(guān).

(2)隧道及地下結(jié)構(gòu)安全評估與控制

在隧道襯砌結(jié)構(gòu)狀況評定指標(biāo)體系中，既有定量指標(biāo)，又有定性指標(biāo)，各指標(biāo)之間不具備可比性.為了各評定指標(biāo)的統(tǒng)一性，提出了“隧道健康度”的概念，據(jù)此可描述隧道整體結(jié)構(gòu)及其子結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期使用功能后的安全程度.

相對于隧道襯砌結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測與技術(shù)狀況評定工作而言，隧道整體結(jié)構(gòu)健康度主要對應(yīng)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體技術(shù)狀況.隧道子結(jié)構(gòu)的健康度主要對應(yīng)于評定指標(biāo)及其屬性指標(biāo)的技術(shù)狀況，如襯砌裂縫狀況、襯砌背后空洞狀況、襯砌厚度狀況、襯砌強(qiáng)度狀況、鋼筋銹蝕狀況等.為了描述與計算的方便，本文給出了隧道健康度函數(shù)表達(dá)式

式中,H為隧道健康度函數(shù),取值范圍為 [0,1]；x1,x2,x3,··,xn為某評定指標(biāo)現(xiàn)場檢測值.

由此可見，隧道健康度的計算通過將現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理的方法來實現(xiàn)，各評定指標(biāo)通過隧道健康度函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)無量綱標(biāo)準(zhǔn)化，從而實現(xiàn)了各評定指標(biāo)之間的計算和結(jié)果之間的統(tǒng)一.

隧道結(jié)構(gòu)病害的產(chǎn)生通常有設(shè)計理念、施工質(zhì)量控制和養(yǎng)護(hù)水平3個層面的原因.事實上，造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂損和滲漏水病害的因素包括襯砌厚度不足、厚度分布不均和襯砌背后接觸不良等，這三者是相互影響并互為制約條件的，其中支護(hù)與圍巖接觸不良是安全事故的直接誘因.因此，保持支護(hù)與圍巖的良好接觸狀態(tài)是隧道結(jié)構(gòu)病害控制的核心.采用少擾動圍巖的隧道開挖方法，提高圍巖整體性；加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)背后的回填注漿，嚴(yán)格控制工程質(zhì)量；定期監(jiān)測支護(hù)與圍巖的接觸狀態(tài)，可避免工程質(zhì)量的災(zāi)變轉(zhuǎn)化，并使早期病害及時整治.

5.3 復(fù)雜隧道圍巖安全性及其分級

隧道工程建設(shè)和運(yùn)營安全的核心問題就是對圍巖的控制是否有效和可靠.在隧道設(shè)計中,世界各國普遍采用圍巖分級的方法.不同圍巖之間的本質(zhì)區(qū)別在于其自穩(wěn)能力，通?？捎米苑€(wěn)時間來表征，即圍巖的穩(wěn)定性.但是對于自穩(wěn)時間為零的極不穩(wěn)定圍巖條件，對其進(jìn)行穩(wěn)定性的分級顯然沒有實際意義.

事實上，復(fù)雜隧道圍巖的共同特點就是在掌子面前方已發(fā)生破壞與失穩(wěn)，并常常伴隨著較大的圍巖變形.但在該類圍巖中，由于其超前破壞模式和變形分布不同，尤其是超前處置難度差異懸殊，需要采取各自不同的施工方法和控制措施.對此日本將其劃分為特殊圍巖進(jìn)行專門設(shè)計[11].國內(nèi)近年來則通過亞分級方法將其細(xì)化[12]，但這在某種程度上回避了該類圍巖的本質(zhì)特征，即對隧道工程安全性的影響.

在不同地層條件下進(jìn)行工程活動時，以往的認(rèn)識過多地關(guān)注了地質(zhì)條件本身.其實,地質(zhì)條件的工程響應(yīng)和安全效應(yīng)是對工程的安全和經(jīng)濟(jì)影響更重要的因素，因為不同性質(zhì)和規(guī)模的工程及其活動方式所帶來的影響差異非常大，而且不同工程的關(guān)注點也完全不同[13].

無自穩(wěn)能力的復(fù)雜隧道圍巖易導(dǎo)致嚴(yán)重的超前變形和超前破壞，實施圍巖超前加固和超前支護(hù)是必要的技術(shù)手段，而超前處置的可靠性是工程成敗的關(guān)鍵所在[14].為此，提出采用圍巖超前變形、超前破壞和地層加固有效性作為圍巖安全性分級的核心指標(biāo)，建立了相應(yīng)的評價指標(biāo)體系，將復(fù)雜圍巖分為A,B和C三個安全性等級[15].考慮到該類圍巖一直是隧道設(shè)計的難點問題，顯然該分級方案對極不穩(wěn)定圍巖條件下的隧道設(shè)計具有重要的指導(dǎo)作用.

6 海底隧道工程的關(guān)鍵問題

水的作用使隧道圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)與圍巖關(guān)系及結(jié)構(gòu)載荷復(fù)雜化，這在海底隧道工程中得到了集中體現(xiàn).隧道突涌水事故和排水量控制是海底隧道建設(shè)的核心問題，能否可靠地解決這兩個問題直接影響到工程的成敗，這就構(gòu)成了海底隧道設(shè)計和施工的關(guān)鍵技術(shù)難題.

6.1 海底隧道突涌水機(jī)理

海底隧道突涌水災(zāi)害的發(fā)生是水、圍巖介質(zhì)和隧道相互作用的結(jié)果.隧道施工后，圍巖在滲流場和應(yīng)力場的耦合作用下?lián)p傷破壞，海水突破圍巖的阻隔作用突然進(jìn)入隧道的現(xiàn)象即為海底隧道突涌水災(zāi)害.因此，按照突涌水條件及形成機(jī)制可分為3種突涌水模式[16].

(1)水力劈裂型突涌水

在高水壓作用下隧道周圍某一部位產(chǎn)生劈裂破壞并逐漸向地表發(fā)展，若覆蓋層厚度較小，破壞區(qū)將與地表溝通造成隧道突涌水.劈裂發(fā)生時，結(jié)構(gòu)整體往往并未達(dá)到屈服或破壞的條件，而是在局部發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象.劈裂生成的新裂縫立刻被水充滿，水壓力使裂縫持續(xù)擴(kuò)展.既有裂隙持續(xù)擴(kuò)展并最終形成突涌水通道的主要原因是隧道開挖擾動造成圍巖卸載，在圍巖中形成了復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，從而降低了發(fā)生劈裂的臨界水壓力.在這個過程中，一方面由于裂隙劈裂貫通使圍巖失去隔水功能，另一方面劈裂發(fā)生后滲透系數(shù)通常成量級增大.

水力劈裂型突涌水發(fā)生可分為起裂、開裂擴(kuò)展和突涌水通道形成3個階段，開裂區(qū)的產(chǎn)生范圍及擴(kuò)展路徑與巖體裂紋面方向角有關(guān).

水力劈裂型突涌水的特點：①高水頭壓力作用，突涌水量大，災(zāi)難性高；②由于圍巖強(qiáng)度較高，在洞周某一位置突涌水，較少引發(fā)隧道的整體失穩(wěn)，水流通常以股狀形式噴射而出；③涌出的水質(zhì)通常較為清澈，含雜質(zhì)較少.在海底隧道工程中，為了避免這類災(zāi)難通常應(yīng)留有足夠大隔離層，并盡量減小對圍巖的擾動.

(2)地層坍塌型突涌水

在不良地質(zhì)段施工易于發(fā)生地層坍塌的現(xiàn)象，而且局部坍塌未及時處置將有可能進(jìn)一步誘發(fā)大范圍的圍巖失穩(wěn)，并造成突涌水災(zāi)害.由于圍巖強(qiáng)度較低，在開挖面周圍必然形成大小不同的塑性破壞區(qū)，同時由于地層沉降的影響在海床的某些部位形成一定范圍的張拉破壞區(qū)，這樣就造成隧道與海床之間的有效隔水層厚度降低，當(dāng)其無法承受水土耦合作用時便發(fā)生破壞，進(jìn)而造成突涌水事故.此外，地層坍塌和冒頂范圍的增大也可直接誘發(fā)突涌水事故.

地層坍塌型突涌水的過程為洞周及拱腰處出現(xiàn)剪切破壞并向周邊及上部擴(kuò)展，剪切帶形成后變形急劇增大而無法穩(wěn)定，該變形值通常也作為突涌水事故預(yù)警預(yù)報的重要指標(biāo).

地層坍塌突涌水的特點：①隧道圍巖軟弱或者破碎，遇水弱化；②起初表現(xiàn)為洞壁圍巖剝落或者局部塌方，并逐漸發(fā)展為整體的地層坍塌，造成突涌水；③水和巖土體一同塌落而下，有些情況下會發(fā)展為突泥.避免該類事故除做好地質(zhì)預(yù)報和災(zāi)害預(yù)警外，要強(qiáng)化不良地層注漿加固和隧道超前支護(hù)工作.

(3)結(jié)構(gòu)面滑移型突涌水

隧道施工影響下結(jié)構(gòu)面兩側(cè)地層變形不協(xié)調(diào)，繼而發(fā)生結(jié)構(gòu)面錯動或者張開，當(dāng)其與海床溝通時便形成突涌水通道，這樣，當(dāng)結(jié)構(gòu)面一側(cè)圍巖條件較差時，也有可能在剪切應(yīng)力或者張拉應(yīng)力的作用下造成軟弱地層的破壞而形成突涌水通道，甚至可能造成隧道整體失穩(wěn)，產(chǎn)生災(zāi)難性突涌水；當(dāng)結(jié)構(gòu)面兩側(cè)圍巖條件較好時，通常情況下只是結(jié)構(gòu)面所在位置的局部破壞，突涌水的災(zāi)難性不如隧道整體失穩(wěn)的情況.

這類事故是由圍巖結(jié)構(gòu)面的不連續(xù)變形造成結(jié)構(gòu)面滑動而致.結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞時圍巖變形出現(xiàn)突變，此時的變形值可作為控制突涌水的圍巖變形極限值.

在海底隧道選線時，應(yīng)盡量避免這類地質(zhì)條件，顯然這種地質(zhì)條件對隧道結(jié)構(gòu)抗震也是不利的，宜在該地段加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及設(shè)置隔震設(shè)施.

6.2 海底隧道的安全性控制

不良地質(zhì)段工程是海底隧道施工的控制性工程，顯然對不良地質(zhì)體進(jìn)行精確探測和可靠處置并實施精細(xì)化施工方案是海底隧道施工安全的重要保障.

(1)不良地質(zhì)的超前探測與分析

針對勘測階段的地質(zhì)資料進(jìn)行工程安全性影響分析，在施工階段采取長距離物探與近距離鉆探相結(jié)合的方式,進(jìn)一步確定不良地質(zhì)體的精確位置、巖體性質(zhì)及其與海床之間的水力聯(lián)系，結(jié)合對突涌水模式的預(yù)測確定對不良地質(zhì)體的處置方案和施工方法[17].

(2)復(fù)合注漿加固技術(shù)

由于不良地質(zhì)體屬于極不穩(wěn)定圍巖，對其進(jìn)行預(yù)加固和必要的預(yù)支護(hù)顯然是必須的，而在海底隧道中更是必不可少，而且要求也更高.在對不良地質(zhì)圍巖進(jìn)行超前注漿加固時應(yīng)同時解決好地層加固和堵水問題，即要解決好穩(wěn)定性和致密性的問題，而在有些條件下這兩者是矛盾的.

為此提出了復(fù)合注漿的理念[18]，即首先由高壓劈裂形成縱橫交錯的骨架結(jié)構(gòu)(漿脈)，可解決地層穩(wěn)定性的問題；然后對漿脈之間的地層擠壓注漿,與之前的骨架結(jié)構(gòu)復(fù)合成整體結(jié)構(gòu)，如圖19所示.

圖19 漿脈間擠壓復(fù)合形成的整體結(jié)構(gòu)Fig.19 Integral structure formed by extrusion between grout vein

由于復(fù)合注漿技術(shù)可保障地層加固與堵水效果，可對隧道超前注漿方案進(jìn)行優(yōu)化，通常僅對隧道周邊5～6m范圍內(nèi)的地層進(jìn)行注漿，形成致密的圍巖加固圈，如圖20所示.

圖20 不良地質(zhì)段注漿加固方式與參數(shù)設(shè)計Fig.20 Reinforcement pattern and parameter design for unfavorable geologic section

以堵水率、加固體強(qiáng)度、取芯率和致密性作為評價指標(biāo)[19]，用于廈門翔安隧道和青島膠州灣隧道,確保了風(fēng)化槽及斷層破碎帶的施工安全.

(3)不良地質(zhì)段精細(xì)化變形控制

根據(jù)前述突涌水機(jī)理的分析，建立了不良地質(zhì)段圍巖變形與海床安全性之間的量化關(guān)系，即通過對圍巖變形的控制實現(xiàn)對上覆地層及海床安全狀態(tài)的控制，由此制定圍巖變形的控制指標(biāo)并將其分解到不同的施工步序中，實現(xiàn)精細(xì)化過程控制，確保了施工全過程安全.

6.3 海底隧道防排水方式

由于海底隧道工程的縱向斷面均為 V字形結(jié)構(gòu)，這就意味著隧道中的所有滲涌水必須全部人工排出，出于運(yùn)營成本的考慮，在方案設(shè)計中應(yīng)盡量減小隧道運(yùn)營期間的排水量.顯然，不良地質(zhì)段的防水排水依然也是海底隧道的關(guān)鍵技術(shù)難題.

“堵水限排”現(xiàn)已成為隧道防水排水設(shè)計的基本理念，但在海底隧道具有不同的設(shè)計原則，山嶺隧道的排水量以生態(tài)環(huán)境控制為標(biāo)準(zhǔn)，而海底隧道則以少排水為基本原則，同時還應(yīng)兼顧安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性的要求.

為此，將圍巖加固圈和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)作為堵水的主體，并將剩余水經(jīng)由二次襯砌背后的防水板外側(cè)排出[20]，這樣二次襯砌結(jié)構(gòu)基本不承受水壓力，而傳統(tǒng)的防水系統(tǒng)則主要有二次襯砌承擔(dān)水壓力的問題，如圖21所示.由此可使襯砌結(jié)構(gòu)所承受的水載荷與水頭壓力無關(guān).

圖21 防水排水系統(tǒng)的對比Fig.21 Comparison of waterproof and drainage system

隧道圍巖加固圈及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的堵水效果如圖22所示，圖中ng為圍巖滲透系數(shù)與加固圈的滲透系數(shù)之比，據(jù)此可對隧道排水量進(jìn)行預(yù)測.

保證堵水效果是實現(xiàn)限量排放的基礎(chǔ)和前提，考慮到超前注漿加固受到隧道施工擾動后堵水效果降低，為此建立了初期支護(hù)背后注漿和徑向注漿的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并以此為目標(biāo)調(diào)整圍巖加固圈和初期支護(hù)方案：在穩(wěn)定性較好的圍巖條件下，重點實施初期支護(hù)背后回填注漿；在不良地質(zhì)段，還需加強(qiáng)圍巖徑向注漿，同時強(qiáng)化隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的自防水；基于多道防水設(shè)計理念，實現(xiàn)對排水量的主動控制.

圖22 圍巖加固圈與初期支護(hù)堵水效果分析Fig.22 Analysis on water plugging ef f ect of surrounding rock reinforcement ring and initial support

按照加固圈和初期支護(hù)的堵水率可計算出相應(yīng)的水壓力分布值，并由此確定不良地質(zhì)段圍巖加固圈和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù).

7 學(xué)科研究熱點分析

隧道及地下工程學(xué)科的發(fā)展面臨諸多理論與關(guān)鍵技術(shù)問題，只有通過理論創(chuàng)新和新材料開發(fā)及信息技術(shù)的應(yīng)用，才能實現(xiàn)技術(shù)上的重大突破.

(1)施工影響下隧道圍巖變形破壞機(jī)制及其工程應(yīng)用.針對不同圍巖條件，建立起圍巖結(jié)構(gòu)性、圍巖破壞和圍巖變形之間的演化機(jī)制和特點，并給出基于安全性的圍巖變形控制標(biāo)準(zhǔn)值；基于圍巖工程響應(yīng)和地層加固效果評價方法的研究，形成復(fù)雜圍巖大斷面隧道施工技術(shù)體系.

(2)隧道支護(hù)與圍巖作用機(jī)制及其評價方法.重點研究不同圍巖、不同發(fā)展階段和不同隧道部位的支護(hù)與圍巖的關(guān)系，并建立動態(tài)作用過程的可靠性描述方法，按照圍巖條件提出作用模式并力求形成設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).

(3)海底隧道圍巖滲流機(jī)制與抗水壓結(jié)構(gòu)設(shè)計理論.圍巖滲流場形態(tài)作為圍巖穩(wěn)定性評價、圍巖變形和滲水量預(yù)測的依據(jù)，將影響到隧道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，研究滲流場與海水深度、隧道埋置深度以及防水排水方式之間的量化關(guān)系，提出滲流作用模式，并建立相應(yīng)的力學(xué)模型.

(4)城市地下空間安全開發(fā)理論與技術(shù)體系.針對城市地層軟弱而復(fù)雜多變、環(huán)境極其脆弱以及工程影響模式多樣化特點，重點探討隧道、地層與環(huán)境三者之間的復(fù)雜作用關(guān)系，建立其動態(tài)作用模型[21]；針對深埋及復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)，重點研發(fā)地下結(jié)構(gòu)的致災(zāi)機(jī)理、災(zāi)變傳導(dǎo)模式和災(zāi)變控制系統(tǒng)的攝動效應(yīng).

(5)既有隧道及地下結(jié)構(gòu)的性能退化機(jī)制與控制方法.針對隧道及地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)環(huán)境特點，將隧道結(jié)構(gòu)與圍巖視為一個完整力學(xué)系統(tǒng)，分別對其性能演化過程中的耦合作用模式進(jìn)行研究，建立耦合作用仿真模型，并提出結(jié)構(gòu)性能的提升方法.

8 總結(jié)

(1)從隧道及地下工程的本質(zhì)特征出發(fā)，提出了本學(xué)科的3個基本問題，即圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)與圍巖相互作用關(guān)系和支護(hù)--圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力效應(yīng)，由此構(gòu)成了本學(xué)科研究的基本框架.

(2)基于圍巖的漸進(jìn)破壞特點，提出了復(fù)合隧道圍巖的理念，并建立了隧道圍巖載荷的計算模型，可對不同圍巖條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)載荷進(jìn)行定量計算.

(3)針對支護(hù)與圍巖作用特點，提出了動態(tài)作用過程的四階段原理，明確了每個階段支護(hù)與圍巖相互作用的內(nèi)涵和評價方法，由此可作為隧道設(shè)計的依據(jù).

(4)提出隧道支護(hù)作用的本質(zhì)就是調(diào)動圍巖承載和協(xié)助圍巖承載的觀點，分別給出了相應(yīng)的實現(xiàn)方式和評價方法，建立了隧道廣義支護(hù)結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用模型，可實現(xiàn)圍巖控制效果的優(yōu)化.

(5)從致災(zāi)機(jī)理層面提出了隧道施工安全事故的3種模式，針對極不穩(wěn)定的圍巖,建立了安全性分級的指標(biāo)體系，并給出了相應(yīng)的分級方案.

(6)明確指出施工過程突涌水預(yù)防和排水量控制是海底/水下隧道工程的核心問題，據(jù)此提出了復(fù)合注漿新理念和圍巖初期支護(hù)作為水壓力主承載結(jié)構(gòu)的觀點，實現(xiàn)了真正意義上的堵水限排.

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ESSENTIAL ISSUES AND THEIR RESEARCH PROGRESS IN TUNNEL AND UNDERGROUND ENGINEERING1)

Zhang Dingli2)
(Key Laboratory for Urban Underground Engineering of the Education Ministry，Beijing Jiaotong University，Beijing100044，China)

As three essential issues in tunnel and underground engineering contain stability of surrounding rocks,interact relation between support and surrounding rock as well as structural dynamic response of a support system are also the key problems in subject study.All around these issues,this paper emphatically analyzes the surrounding rock mechanical characteristics and load ef f ect,and establishes mechanical model of internal and external surrounding rock.Based on the study of stability of structure layer in model above,analytic formula of ground reaction curve and computing method of surrounding rock load ef f ect are given.According to the analysis of interact relation between support and surrounding rock,this interactional dynamic process is divided into four stages：free ground deforming,advance supporting,preliminary supporting,secondary supporting,thus description method of the dynamic process is raised.On idea of generalized load and special load,basic functions of support：“mobilizing”and“assisting”are proposed,then their implementationsare clarified which are“mobilizing”surrounding rock to bear the load reinforcement by applying surrounding rock reinforcement,advance reinforcement and bolt support,“assisting”surrounding rock to bear the load by using the supporting structure.Aiming at the complex tunnel support system,the concept of dynamic optimization of multi-objective and staged synergistic ef f ect is put forward,which can realize the coordination of various supporting structures in terms of time and space to improve the reliability.In view of the safety characteristics of extremely unstable complex surrounding rock,the safety accident mechanism model of three patterns is established.A new concept of safety classificatio is put forward based on the characteristics of engineering response,and a gradation index system and classificatiomethod are established.On account of the underwater tunnel and water-enriched surrounding rock,three patterns of water inrush mechanism model are established,and the theory and method of safety control based on deformation control of surrounding rock are put forward.At last,the hotspot and core problems of the discipline development are analyzed and prospected.

surrounding rock of tunnel,supporting structure system,dynamic interaction between supports and surrounding rock,supporting structure design

TU43

A doi：10.6052/0459-1879-16-348

頂立,臺啟民,房倩.復(fù)雜隧道圍巖安全性及其評價方法.巖石力學(xué)與工程學(xué)報,

10.13722/j.cnki.jrme.2015.1737(Zhang Dingli,Tai Qimin,Fang Qian.Safety of complex tunnel surrounding rock and its evaluation method.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,doi：10.13722/j.cnki.jrme.2015.1737(in Chinese))

2016-11-25收稿，2016-11-28錄用,2016-11-30網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表.

1)國家自然科學(xué)基金重點項目資助(U1234210).

2)張頂立,教授，主要研究方向：隧道及地下工程方面的教學(xué)與研究工作.E-mail：zhang-dingli@263.net

張頂立.隧道及地下工程的基本問題及其研究進(jìn)展.力學(xué)學(xué)報,2017,49(1)：3-21

Zhang Dingli.Essential issues and their research progress in tunnel and underground engineering.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(1)：3-21