吳 波，吳兵兵，黃 惟

(1.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013； 2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

早在1995年王明年等[1]就隧道支護(hù)體系與圍巖的相互作用開展了大規(guī)模的模型試驗(yàn)，并對(duì)多種工況下圍巖和支護(hù)各自的荷載分擔(dān)率做了較全面探討。所做的研究基于新奧法基本原理，還探討了開挖洞室周邊位移和二次襯砌內(nèi)力隨地應(yīng)力變化表現(xiàn)出的規(guī)律。在此之后25年間，對(duì)隧道支護(hù)的研究屢見不鮮，每年國(guó)內(nèi)都有大量的相關(guān)研究成果發(fā)表。梳理和總結(jié)一定時(shí)間跨度內(nèi)具有代表性的研究成果，并基于研究現(xiàn)狀做出展望，對(duì)促進(jìn)隧道支護(hù)領(lǐng)域系統(tǒng)性研究具有重要意義。

1 隧道支護(hù)機(jī)理

1.1 超前支護(hù)作用機(jī)理

為了解超前支護(hù)的實(shí)際效果和在控制圍巖變形與地表沉降等方面所起到的作用，20世紀(jì)90年代董淑棉等[2]使用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究了超前支護(hù)在北京早期地鐵建設(shè)中的應(yīng)用，研究表明大管棚注漿、小導(dǎo)管注漿、雙管棚注漿、雙導(dǎo)管注漿和錨桿支護(hù)等超前支護(hù)技術(shù)能有效控制地表沉降和增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，從而確保隧道開挖安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。在此之后，王麗媛等[3]以北京地鐵隧道為依托研究了隧道初期支護(hù)施工質(zhì)量的影響因素，提出隧道斷面開挖尺寸的設(shè)計(jì)、支護(hù)時(shí)機(jī)和封拱時(shí)間、噴射混凝土的早期強(qiáng)度和注漿回填的時(shí)機(jī)是初期支護(hù)最終質(zhì)量的主要影響因素。21世紀(jì)以來袁海清等[4]使用數(shù)值模擬方法對(duì)比分析了隧道有無超前支護(hù)條件下開挖對(duì)應(yīng)力、位移及地表沉降的影響，研究表明采用管棚和預(yù)注漿的支護(hù)方式能有效控制圍巖應(yīng)力和位移及地表沉降。王建華等[5]使用理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，結(jié)合工程實(shí)例，研究了土釘墻坡比和排樁的樁徑與間距在明挖隧道深基坑支護(hù)中的選取，選取原則概括如下：土釘墻保持滑動(dòng)穩(wěn)定前提下，坡比取大值；工程地質(zhì)條件好，且不受地下水影響情況下，排樁的樁徑和間距取大值，反之取小值。武松等[6]采用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究了超前管棚應(yīng)用于淺埋軟巖公路隧道的支護(hù)機(jī)制，研究表明，管棚與初期支護(hù)形成的體系剛度越大使圍巖的松弛變形和應(yīng)力釋放就越小，進(jìn)而能有效控制圍巖變形。王占生等[7]通過分析施工現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究了SMW工法樁加固基坑過程中下臥地鐵盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律，結(jié)果表明加固順序、施工機(jī)械荷載和加固范圍是隧道變形的重要影響因素，具體表現(xiàn)為加固區(qū)域內(nèi)隧道變形比加固區(qū)域外隧道大。方星樺等[8]采用數(shù)值模擬方法對(duì)比和分析了復(fù)合式襯砌與錨噴襯砌的支護(hù)效果，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明錨噴襯砌的變形量和圍巖接觸壓力均較小，能比較充分地利用混凝土的抗壓強(qiáng)度和確保支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且安全性和經(jīng)濟(jì)性俱佳。綜上可知，超前支護(hù)技術(shù)能有效控制地表沉降和圍巖變形，支護(hù)時(shí)機(jī)的選擇對(duì)最終的支護(hù)效果有很大影響。對(duì)于支護(hù)的剛度和形式，應(yīng)以充分發(fā)揮支護(hù)剛度和材料性能為目標(biāo)，以取得良好的支護(hù)效果。

1.2 軟巖隧道支護(hù)機(jī)理

軟弱圍巖是隧道工程領(lǐng)域?qū)嵺`中所遇到的較棘手難題，由于圍巖自承力較弱，往往還受到較高地應(yīng)力作用，在隧道開挖過程中會(huì)發(fā)生較大變形，甚至破壞，進(jìn)而導(dǎo)致工程事故發(fā)生，為此專家學(xué)者們對(duì)軟弱圍巖的變形和加固技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。例如，徐禎祥等[9]通過模型試驗(yàn)方法研究了軟弱圍巖在不同方向高地應(yīng)力作用下襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，基于此提出相應(yīng)的襯砌結(jié)構(gòu)選型方法；建議采用馬蹄形隧道斷面形式和多層復(fù)合襯砌，能較好地適應(yīng)高地應(yīng)力作用下的軟弱圍巖。劉全林等[10]采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究了軟弱圍巖巷道的錨注支護(hù)機(jī)理和變形情況，基于黏彈性分析推導(dǎo)了錨注支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍巖徑向位移計(jì)算公式，公式所求出的位移值與實(shí)測(cè)值誤差很小，能滿足工程實(shí)踐需要。劇仲林[11]研究了初期支護(hù)在軟巖隧道沉降變形控制中所起到的作用，得出了與許多學(xué)者不同的觀點(diǎn)，認(rèn)為礦山法施工軟巖隧道不必設(shè)置預(yù)留變形量，并提出新奧法圍巖自承的實(shí)現(xiàn)不是通過容許變形的釋放，支護(hù)變形的真正原因是基底承載力不足。針對(duì)以上觀點(diǎn)，得出初期支護(hù)的變形控制需解決兩方面問題，即支護(hù)底腳地基承載力與支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算得出，系統(tǒng)分布錨桿能充分降低支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的內(nèi)力，進(jìn)而降低對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力要求和減小基底應(yīng)力，最終有效控制隧道變形和沉降。軟巖隧道變形控制應(yīng)以完全控制為目標(biāo)，軟弱圍巖的預(yù)留變形量可不必設(shè)置，同時(shí)考慮到隧道施工本就是具有一定時(shí)間跨度的作用過程，因此人為釋放圍巖應(yīng)力不必要。張德華等[12]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究不同雙層支護(hù)方案應(yīng)用于軟巖大變形隧道中的支護(hù)效果，研究結(jié)果表明雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效控制隧道變形，進(jìn)而確保圍巖穩(wěn)定；此外，還分析了雙層支護(hù)的合理形式和提出第2層支護(hù)最佳施作時(shí)機(jī)的確定方法，對(duì)在軟巖大變形隧道初期支護(hù)效果的提升具有重要意義。鐘友江等[13]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究了高地應(yīng)力軟巖隧道雙層初期支護(hù)的鋼拱架布設(shè)方式和支護(hù)時(shí)機(jī)，結(jié)果表明雙層初期支護(hù)的鋼拱架宜采用交錯(cuò)布置形式，能有效控制圍巖的應(yīng)力和變形，降低初期支護(hù)內(nèi)力和減少噴射混凝土開裂，并提出第2層初期支護(hù)宜在首層初期支護(hù)承載極限范圍內(nèi)及時(shí)施作。方中明等[14]通過數(shù)值模擬方法研究了高地應(yīng)力軟巖隧道施作支護(hù)的時(shí)機(jī)和預(yù)留變形量，研究結(jié)果表明，隧道開挖過程中圍巖以蠕變變形為主，提出隧道支護(hù)的時(shí)間為隧道開挖后的15～25d，預(yù)留變形量則為掌子面開挖后到二次襯砌支護(hù)施作前的總變形量。由以上研究成果可知，針對(duì)軟巖隧道支護(hù)，提出合理的隧道截面設(shè)計(jì)形式、改進(jìn)的支護(hù)方法、新型的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和支護(hù)施作的合理時(shí)機(jī)。值得注意的是，關(guān)于軟弱圍巖的支護(hù)存在兩種相悖的觀點(diǎn)，一種是認(rèn)為對(duì)軟弱圍巖的支護(hù)應(yīng)以變形的完全控制為目標(biāo)，無須預(yù)留變形量；與之相反的觀點(diǎn)是認(rèn)為預(yù)留一定變形量十分必要。

1.3 支護(hù)機(jī)理定量化初探

充分揭示圍巖和支護(hù)的作用機(jī)理，對(duì)支護(hù)的設(shè)計(jì)和隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)有著十分重要的意義。例如，王明年等[15]通過模型試驗(yàn)方法研究了隧道支護(hù)體系的力學(xué)特性，指出圍巖承受了大部分地應(yīng)力，初期支護(hù)和二次襯砌分別承受了其余作用在支護(hù)體系上的地應(yīng)力，其中二次襯砌承受地應(yīng)力最少；驗(yàn)證了新奧法的基本原理，即充分利用圍巖自身承載力。唐儀興等[16]使用數(shù)值模擬方法研究了近距離雙隧道施工過程中圍巖和支護(hù)的受力特性，表明同時(shí)開挖雙隧道較開挖單隧道穩(wěn)定性有所降低，雙隧道洞室同時(shí)開挖會(huì)相互影響造成洞室周邊位移加大，控制兩開挖洞室的距離能降低開挖的影響效應(yīng)。徐干成[17]針對(duì)國(guó)內(nèi)隧道工程定性設(shè)計(jì)這一現(xiàn)狀，使用理論分析、新奧法專家經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究了洞室錨噴支護(hù)抗力的計(jì)算，并基于黏彈性邊界元理論建立了預(yù)測(cè)圍巖變形的實(shí)用方法。吳波等[18]使用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究了隧道圍巖在錨噴支護(hù)下的穩(wěn)定性，計(jì)算出圍巖和支護(hù)體系隨時(shí)間變化下的應(yīng)力和位移，對(duì)隧道穩(wěn)定性的量化評(píng)價(jià)具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值。朱永全等[19]采用數(shù)值模擬方法計(jì)算了不同埋深條件下各級(jí)圍巖中鐵路隧道初期支護(hù)的極限位移，針對(duì)不同指標(biāo)選用特定的判據(jù)，綜合確定了判別鐵路隧道位移的極限位移數(shù)據(jù)。沈才華等[20]采用理論分析方法研究了隧道開挖過程中型鋼拱架支撐穩(wěn)定性，提出一種預(yù)測(cè)和判別柔性支撐穩(wěn)定性的方法，能較好地預(yù)測(cè)初期支護(hù)的穩(wěn)定性狀態(tài)。賈劍青等[21]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法分析了方斗山隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，研究了掌子面與隧道洞口斷面在一定間距下支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移狀態(tài)，表明間距在30m左右時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移在增長(zhǎng)一段時(shí)間后逐漸穩(wěn)定。谷拴成等[22]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了錨桿支護(hù)強(qiáng)度的不同對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，研究表明錨桿加固圍巖的2個(gè)重要影響因素是錨桿長(zhǎng)度和錨桿排距，錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)長(zhǎng)而疏、短而密；同時(shí)，基于理論分析，提出圍巖穩(wěn)定性量化評(píng)價(jià)方法，可用于快速判斷采用錨桿支護(hù)圍巖的穩(wěn)定性。張頂立等[23]采用理論分析方法研究了隧道支護(hù)體系的支護(hù)機(jī)理，研究表明隧道支護(hù)主要起著調(diào)動(dòng)和協(xié)助圍巖承載作用，并明確初期支護(hù)為主要承載單元和二次襯砌為安全儲(chǔ)備；此外，提出一種定量化的隧道支護(hù)體系設(shè)計(jì)方法。周建等[24]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了深埋隧洞支護(hù)體系的分步支護(hù)合理時(shí)機(jī)，綜合考慮隧洞開挖時(shí)空效應(yīng)、襯砌時(shí)效特性和支護(hù)分步施加時(shí)機(jī)，基于莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，解得深埋隧洞復(fù)合式襯砌加固分步支護(hù)的彈塑性解析解，并給出支護(hù)結(jié)構(gòu)分步施加時(shí)機(jī)的建議值。趙晨陽等[25]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究了隧道中雙層預(yù)支護(hù)體系的協(xié)同作用機(jī)理和支護(hù)效果；將預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)、土體和連續(xù)墻分別簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?、彈簧單元和彈性支座，基于所建立的隧道雙層預(yù)支護(hù)體系的力學(xué)模型，推導(dǎo)了上下層耦合撓曲微分方程組理論解；理論解與實(shí)測(cè)結(jié)果相比較，表明雙層預(yù)支護(hù)中間土體的強(qiáng)度和水平旋噴樁的直徑對(duì)支護(hù)效果有較大影響。通過以上研究成果可看出，揭示支護(hù)和圍巖在保持隧道穩(wěn)定的作用機(jī)理方面已取得一定的研究進(jìn)展，許多學(xué)者嘗試用定量方法確定圍巖和支護(hù)的應(yīng)力與位移，并以此作為判別隧道穩(wěn)定性的依據(jù)。對(duì)不同埋深條件下的隧道、隧道開挖的時(shí)空效應(yīng)和洞室效應(yīng)也開展了相關(guān)的研究工作，為建立系統(tǒng)的隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法和隧道加固方法奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 特殊環(huán)境和地層中的隧道支護(hù)

2.1 特殊環(huán)境中的隧道支護(hù)

鑒于隧道工程施工環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)在特殊環(huán)境中的隧道支護(hù)進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。江亦元等[26]以昆侖山隧道為依托，通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究了高原凍土隧道濕噴混凝土支護(hù)的可行性，實(shí)際施工情況表明濕噴混凝土同其他支護(hù)措施配合使用具有良好的支護(hù)效果，由此證明濕噴混凝土應(yīng)用于高原凍土環(huán)境隧道施工中可行。譚忠盛等[27]采用模型試驗(yàn)方法和光纖光柵測(cè)試技術(shù)研究了特定防排水方式下海底隧道的襯砌結(jié)構(gòu)受力特性，結(jié)果表明隧道施工過程中初期支護(hù)只承受部分水壓，掌子面推進(jìn)的影響范圍約為2倍洞徑。王明年等[28]采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合模擬，研究了穿越高巖溫鐵路隧道支護(hù)體系在不同巖溫下的穩(wěn)定性，并比選了此類隧道的新型支護(hù)體系，進(jìn)而對(duì)高巖溫鐵路隧道支護(hù)體系進(jìn)行了分級(jí)，依據(jù)巖溫的不同分為4級(jí)，為此類隧道的支護(hù)體系選擇提供了參考。熊怡思等[29]采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究了大斷面淺埋隧道下穿水塘的超前支護(hù)技術(shù)加固效果，研究表明采用袖閥管可保證帷幕注漿質(zhì)量，失水固結(jié)是導(dǎo)致水塘附近產(chǎn)生地表沉降的主要原因，通過上半斷面帷幕注漿可有效控制隧道拱頂沉降，并指出應(yīng)及時(shí)施作初期支護(hù)控制前期的拱頂沉降。劉寧等[30]以錦屏二級(jí)水電站深埋隧洞為依托，研究了具有巖爆風(fēng)險(xiǎn)深埋長(zhǎng)大隧洞的支護(hù)性能要求，提出相應(yīng)的支護(hù)選型方法，支護(hù)需滿足加固、支撐和兜網(wǎng)3方面要求；針對(duì)錦屏二級(jí)水電站深埋隧洞工程特點(diǎn)，對(duì)多種組合支護(hù)方案進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)和綜合效果評(píng)價(jià)，確定了最終的組合支護(hù)方案；該支護(hù)方案包括的支護(hù)方法有噴射鋼纖維混凝土、水脹式錨桿、局部機(jī)械漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿和帶外墊板的砂漿錨桿。王克忠等[31]針對(duì)斷層破碎帶中地下洞室現(xiàn)有支護(hù)形式的不足，提出一種強(qiáng)柔性支護(hù)技術(shù)，通過在掛網(wǎng)噴射混凝土中增加鋼筋拱肋，該技術(shù)能有效控制斷層破碎帶中大型洞群圍巖變形，增強(qiáng)洞群穩(wěn)定性。上述研究涉及高原凍土環(huán)境隧道、海底隧道、高巖溫隧道、下穿水塘的大斷面淺埋隧道、具有巖爆風(fēng)險(xiǎn)的深埋長(zhǎng)大隧道和穿越斷層破碎帶的隧道，工程環(huán)境可謂十分復(fù)雜，令人欣慰的是專家學(xué)者們所做的研究工作填補(bǔ)了以上領(lǐng)域的空白，為今后在類似復(fù)雜環(huán)境的隧道支護(hù)設(shè)計(jì)和施工提供了有價(jià)值的參考。

2.2 特殊地層中的隧道支護(hù)

特殊地層和特殊環(huán)境非常類似，但又有其自身的特點(diǎn)。張德華等[32]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了高地應(yīng)力軟巖隧道中型鋼鋼架和格柵鋼架的支護(hù)效果，通過對(duì)比分析提出先架立格柵后加設(shè)套拱的先柔后剛支護(hù)結(jié)構(gòu)，能應(yīng)用于高地應(yīng)力軟巖隧道。李雪峰等[33]采用數(shù)值模擬方法研究了隧道穿越紅黏土與砂巖夾泥帶的初期支護(hù)優(yōu)化問題，研究表明控制隧道變形和初期支護(hù)應(yīng)力的2個(gè)重要因素是初期支護(hù)厚度和鋼拱架間距，而邊墻錨桿則效果不顯著。耿建儀等[34]針對(duì)小凈距隧道中巖柱受到多次施工擾動(dòng)的實(shí)際情況，通過數(shù)值模擬方法研究了多種隧道凈距中巖柱的受力特征，對(duì)比分析了多個(gè)中巖柱支護(hù)參數(shù)，提出了支護(hù)優(yōu)化方案，支護(hù)優(yōu)化方案體現(xiàn)在對(duì)拉錨桿預(yù)應(yīng)力、錨桿長(zhǎng)度和對(duì)拉錨桿環(huán)向與縱向間距4項(xiàng)主要支護(hù)參數(shù)不同取值對(duì)比分析支護(hù)效果的擇優(yōu)，并經(jīng)實(shí)際工程應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。成子橋等[35]采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了錨桿在泥質(zhì)粉砂巖地層中的支護(hù)效果，研究表明錨桿支護(hù)在有效控制泥質(zhì)粉砂巖地層隧道初期支護(hù)的拱頂沉降和水平收斂方面作用不明顯，但能約束拱架，進(jìn)而減小拱架受力。李小豐[36]通過理論分析方法研究了穿越富水粉細(xì)砂地層隧道的滲流特性，利用保角變換推導(dǎo)了地下水穩(wěn)定滲流作用下截面形式為馬蹄形的山嶺隧道滲流場(chǎng)的解，結(jié)合工程實(shí)例基于建立的模型計(jì)算出地下孔隙水壓力分布，并針對(duì)太達(dá)村隧道工程所處的特殊地質(zhì)條件，分析比較幾種主要的支護(hù)和降水方案，確定了科學(xué)合理的超前降水支護(hù)方案。綜上可知，所研究的特殊地層涵蓋高地應(yīng)力軟巖地層、紅黏土與砂巖夾泥帶地層、泥質(zhì)粉砂巖地層和富水粉細(xì)砂地層，對(duì)于此類特殊地層中的隧道，研究的重心在支護(hù)優(yōu)化和適應(yīng)性方面。相較于特殊環(huán)境中的隧道，其自身特點(diǎn)體現(xiàn)在隧道施工前地層預(yù)處理措施，如在隧道施工前對(duì)富水粉細(xì)砂地層進(jìn)行降水。

3 隧道支護(hù)新材料

新材料的應(yīng)用為隧道支護(hù)領(lǐng)域的研究提供了新的切入點(diǎn)，在支護(hù)形式固定的情況下帶來適應(yīng)性和支護(hù)效果的提升。王朝東等[37]研究了人工砂在隧道噴射混凝土支護(hù)的應(yīng)用，對(duì)比人工砂與天然砂在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和實(shí)施方面的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果表明人工砂用于隧道噴射混凝土支護(hù)在技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性和安全性3方面都有保障，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。朱永全等[38]研究了聚丙烯纖維網(wǎng)噴射混凝土的性能，表明抗拉、抗折、抗彎和抗?jié)B水壓力強(qiáng)度相較于傳統(tǒng)素噴混凝土都得到大幅度提高，并且減少了噴射作業(yè)的回彈損失量和粉塵量，豐富了隧道襯砌形式和拓寬了噴錨式襯砌的應(yīng)用場(chǎng)景。馬棟等[39]依托成蘭鐵路柿子園隧道，對(duì)比分析了高強(qiáng)度鋼筋格柵和型鋼拱架在軟弱圍巖中的支護(hù)效果，結(jié)果表明高強(qiáng)度鋼筋格柵表現(xiàn)出柔性支護(hù)特點(diǎn)，與混凝土協(xié)調(diào)工作性能好，可更好地控制圍巖和支護(hù)的受力，進(jìn)而有效控制隧道變形；同時(shí)具有強(qiáng)度等級(jí)高的特點(diǎn)，能提供更高的強(qiáng)度安全儲(chǔ)備。隧道支護(hù)新材料的研究和應(yīng)用表明，新材料的應(yīng)用相較于支護(hù)形式的改良復(fù)雜性要更低，并且便于推廣應(yīng)用。

4 隧道支護(hù)新技術(shù)

4.1 傳統(tǒng)隧道支護(hù)技術(shù)革新

現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)的革新為解決隧道工程問題提供了全新的解決方案，不僅提升了效率，還能在保證經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上取得更好的支護(hù)效果，同時(shí)適用的場(chǎng)景也更豐富。例如，周繼望[40]就軟弱圍巖加固現(xiàn)狀和施工存在的關(guān)鍵性問題針對(duì)性提出一種新型錨固技術(shù)，集鉆、錨、注于一體；在實(shí)際工程中的應(yīng)用表明，此技術(shù)適用于隧道狹窄、洞口淺埋及不良地段施工環(huán)境，也可應(yīng)用于洞室內(nèi)長(zhǎng)錨桿徑向支護(hù)和路基邊坡防護(hù)。袁勇等[41]針對(duì)超大斷面低扁平率公路隧洞傳統(tǒng)支護(hù)體系的不足，使用數(shù)值模擬方法研究了先成預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)新型支護(hù)體系在此類隧道的應(yīng)用，研究表明先成預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)能提升毛洞的穩(wěn)定性，改善圍巖應(yīng)力狀況和減小洞頂沉降。李術(shù)才等[42]針對(duì)隧道工程大變形問題，研發(fā)出鋼格柵混凝土核心筒支護(hù)體系，適用于高應(yīng)力軟弱破碎地質(zhì)條件。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明此新型支護(hù)體系能有效控制高應(yīng)力軟弱破碎圍巖的大變形，進(jìn)而減少大變形所導(dǎo)致災(zāi)害事故的發(fā)生。鋼格柵混凝土核心筒支護(hù)體系的設(shè)計(jì)理念為“先讓再抗后剛”。陳洪凱等[43]針對(duì)錨桿加固圍巖穩(wěn)定性的提升，研發(fā)出隧道徑向-斜交錨桿復(fù)合支護(hù)技術(shù)，并基于厚壁圓筒彈塑性理論推導(dǎo)了錨桿和錨釘組合長(zhǎng)度計(jì)算公式。此種復(fù)合支護(hù)技術(shù)可縮小圍巖塑性區(qū)半徑和增加錨桿在圍巖穩(wěn)定區(qū)的長(zhǎng)度，進(jìn)而提高支護(hù)體系的整體承載力。宋遠(yuǎn)等[44]通過正交數(shù)值模擬試驗(yàn)研究了新型支護(hù)結(jié)構(gòu)4種主要支護(hù)參數(shù)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明噴射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)是最主要的圍巖穩(wěn)定性影響因素，波紋鋼板厚度、砂漿錨桿長(zhǎng)度和間距為次要影響因素，并針對(duì)工程所處地區(qū)的地質(zhì)情況，對(duì)比分析了不同支護(hù)參數(shù)組合的支護(hù)效果，選取了最優(yōu)支護(hù)參數(shù)組合，經(jīng)強(qiáng)度驗(yàn)算滿足支護(hù)要求，可為類似工程提供參考和借鑒。劉宇鵬等[45]采用理論分析方法研究了長(zhǎng)、短錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在高地應(yīng)力軟巖隧道中的應(yīng)用，研究表明針對(duì)此類隧道采用長(zhǎng)、短錨桿聯(lián)合支護(hù)應(yīng)首先用短錨桿，之后再用長(zhǎng)錨桿，并綜合考慮錨桿長(zhǎng)度和圍壓的多方面影響，提出一種計(jì)算長(zhǎng)錨桿支護(hù)長(zhǎng)度的方法。事實(shí)證明針對(duì)傳統(tǒng)支護(hù)方法進(jìn)行改良和革新，為解決復(fù)雜環(huán)境和地層所產(chǎn)生的工程問題開辟了新路，所帶來的是支護(hù)效果的全面提升。

4.2 新技術(shù)在施工設(shè)備研發(fā)和支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

近些年專家學(xué)者們做了一些研究，如劉鐘等[46]研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)大型液壓雙搖臂式全方位高壓噴射注漿鉆機(jī)和相應(yīng)的配套設(shè)備，提出隧道全方位高壓噴射注漿拱棚超前支護(hù)新工法，通過現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)驗(yàn)證了新工法能保證加固體質(zhì)量和有力控制周邊巖土體變形。王松等[47]針對(duì)傳統(tǒng)盾構(gòu)重疊隧道施工臨時(shí)支護(hù)方案存在的一系列問題，在綜合考察既有支護(hù)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種全自動(dòng)新型液壓支護(hù)臺(tái)車，通過數(shù)值模擬進(jìn)行了強(qiáng)度校核，應(yīng)用于實(shí)際工程中取得良好效果，在保證隧道結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)顯著提升支護(hù)效率。李曉冉等[48]運(yùn)用工業(yè)機(jī)械臂的控制方法，并輔以二次開發(fā)，研究了隧道新型波紋鋼初期支護(hù)快速裝配施工技術(shù)；通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性，所得到的仿真數(shù)據(jù)可為實(shí)際工程應(yīng)用提供依據(jù)。何軍濤等[49]基于博弈理論綜合考慮安全性因素和經(jīng)濟(jì)性因素建立了收益函數(shù)，采用數(shù)值計(jì)算軟件評(píng)定不同支護(hù)方案的收益，并進(jìn)行博弈比選。作為一種綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性的量化比選方法，能使支護(hù)設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理并快速選定較優(yōu)的支護(hù)方案。劉兆新等[50]基于隧道初期支護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和施工特點(diǎn)，采用Revit二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了初期支護(hù)構(gòu)件的參數(shù)化建模和自動(dòng)布置，相較于傳統(tǒng)建模方式提升了效率，推動(dòng)了BIM技術(shù)在隧道工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

施工設(shè)備自動(dòng)化程度高，可極大限度地改善支護(hù)效率和降低施工人員的作業(yè)強(qiáng)度，隧道工程本身就有勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工環(huán)境惡劣特點(diǎn)，因此新施工設(shè)備的研發(fā)具有十分重大的意義。例如，博弈理論和數(shù)值計(jì)算軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)支護(hù)設(shè)計(jì)方案的比選定量化，解決了傳統(tǒng)比選方法量化評(píng)價(jià)不足問題。此外，BIM技術(shù)在隧道支護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用，為支護(hù)設(shè)計(jì)方案的提出帶來效率的顯著提升。當(dāng)前新技術(shù)在施工設(shè)備研發(fā)和支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用取得一定進(jìn)展，具有十分廣闊的前景，值得隧道工程領(lǐng)域的科研工作者加以關(guān)注。

5 展望

1)隧道支護(hù)機(jī)理方面 以地表沉降、圍巖變形和支護(hù)受力情況等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，系統(tǒng)評(píng)價(jià)不同地層情況超前支護(hù)方案的適應(yīng)性。對(duì)軟巖隧道的研究要確定是否應(yīng)以變形完全控制為目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上確定合理的支護(hù)時(shí)機(jī)和組合支護(hù)方案。根據(jù)現(xiàn)有典型隧道和常用支護(hù)方案，確定圍巖和支護(hù)的荷載分擔(dān)率，以此為依據(jù)改進(jìn)支護(hù)體系。從研究合理支護(hù)形式的角度，解決隧道開挖洞室效應(yīng)的問題。

2)隧道支護(hù)定量化研究方面 不同圍巖和支護(hù)材料相應(yīng)的變形特性與物理參數(shù)的確定尚需開展大量研究工作，為隧道穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)方法和隧道支護(hù)的定量設(shè)計(jì)方法提供基礎(chǔ)依據(jù)。不同埋深條件下各級(jí)圍巖隧道的初期支護(hù)極限位移判別隧道穩(wěn)定性的定量方法還有待進(jìn)一步深入研究，應(yīng)充分考慮涉及的相關(guān)基本理論和實(shí)際情況的復(fù)雜性，以此為基礎(chǔ)建立評(píng)價(jià)隧道穩(wěn)定性的位移判別準(zhǔn)則。

3)特殊環(huán)境和地層中的隧道支護(hù)方面 高原凍土環(huán)境隧道、海底隧道、高巖溫隧道、下穿水塘的大斷面淺埋隧道、具有巖爆風(fēng)險(xiǎn)的深埋長(zhǎng)大隧道和穿越斷層破碎帶的隧道，相應(yīng)隧道支護(hù)方案的提出和優(yōu)選，建立相應(yīng)的隧道支護(hù)體系定量設(shè)計(jì)方法和隧道穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)方法。高地應(yīng)力軟巖地層、紅黏土與砂巖夾泥帶地層、泥質(zhì)粉砂巖地層和富水粉細(xì)砂地層施工預(yù)處理方案和隧道支護(hù)方案的提出和優(yōu)選，建立相應(yīng)的隧道支護(hù)體系定量設(shè)計(jì)方法和隧道穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)方法。

4)隧道支護(hù)新材料和新技術(shù)方面 前面提及人工砂、聚丙烯纖維網(wǎng)噴射混凝土和高強(qiáng)度鋼筋格柵。隧道工程也應(yīng)適應(yīng)綠色發(fā)展的需要，研發(fā)適應(yīng)特殊地層和環(huán)境的新型綠色材料。大數(shù)據(jù)技術(shù)可用來收集和處理國(guó)內(nèi)外可供使用的海量隧道施工數(shù)據(jù)，根據(jù)支護(hù)效果建立材料-地層數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)新材料使用，全面提升我國(guó)隧道工程領(lǐng)域信息技術(shù)的應(yīng)用水平。機(jī)器人技術(shù)在實(shí)現(xiàn)隧道初期支護(hù)自動(dòng)化裝配的應(yīng)用方面目前尚處于探索階段，還需進(jìn)一步完善功能和解決細(xì)節(jié)問題，再通過物理試驗(yàn)驗(yàn)證此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際效果。BIM技術(shù)在隧道支護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用目前處于初期階段，尚有大量研究工作要做，如拓展初期支護(hù)構(gòu)件建模范圍和自動(dòng)附加模型信息。新型支護(hù)體系的設(shè)計(jì)和新型施工設(shè)備的研發(fā)，其中新型施工設(shè)備應(yīng)以提高自動(dòng)化程度和智能化程度為主，智能化程度體現(xiàn)在人工智能技術(shù)的應(yīng)用。

6 結(jié)語

本文始終以隧道支護(hù)為中心展開討論，但通過以上研究成果和探討可知，圍巖和支護(hù)緊密聯(lián)系在一起，對(duì)支護(hù)的研究要基于其與圍巖的相互作用機(jī)理。現(xiàn)階段所采用的研究方法主要包括理論分析、數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，每種方法都有其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)所在，并互為補(bǔ)充和相互印證，為隧道支護(hù)領(lǐng)域的研究提供堅(jiān)實(shí)支撐。同時(shí)，需要指出的是，隧道支護(hù)領(lǐng)域的定量化研究還有很多工作要做，根本原因是此領(lǐng)域問題固有的復(fù)雜性和巖土與地下工程領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)水平的限制。因此，在今后的研究工作中，要借助不斷發(fā)展的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)隧道支護(hù)領(lǐng)域的定量化研究，以建立系統(tǒng)的隧道支護(hù)體系定量設(shè)計(jì)方法和隧道穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)方法。