關(guān)鍵詞：主動支護(hù)；被動支護(hù)；圍巖；數(shù)值模擬

中圖分類號：U455.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）08-0063-06

DOI： 10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.08.011

Abstract： [Purposes] With the guiding principle of \"active support\" that fully \"enhances and mobilizes \"the self-bearing capacity of rock mass，this study aims to investigate the efectiveness of an active support system based on prestressed anchorage system.[Methods] This article adopts numerical simulation method to evaluate the effectiveness and superiority of active support by comparing and analyzing the deformation and stress characteristics of the support structure and surrounding rock under active and passive support in the engineering test section.[Findings] The change from passive support to active support reduces rock deformation around the tunnel by 3 2 . 2 % ， rock stress state by 3 9 . 8 % ， the number of plastic zone elements by 2 8 % ，and the maximum principal tensile stress value by 2 4 . 8 % .[Conclusions] Active support can effectively reduce the tensile stress around the tunnel，thereby suppressing the expansion and penetration of cracks and the formation of macroscopic fracture surfaces，and improving the mechanical properties of the rock mass after tunnel excavation; the distribution area of principal compressive stress under active support extends and penetrates from the shallow part of the surrounding rock to the deep part of the surrounding rock，eectively mobilizing the bearing capacity of the deep surrounding rock，expanding the main bearing area of the surrounding rock，and thereby achieving coordination and optimization of the stress states of the deep and shallow surrounding rocks;active support can improve the distribution of plastic zones in the surrounding rock of the support area，optimize the stress state of the support structure，ensure the safety and reliability of the initial support structure，and retain a large safety margin.

Keywords： active support; passive support; surrounding rock; numerical simulation

0 引言

目前，一大批重點(diǎn)交通基礎(chǔ)設(shè)施正在修建或即將建設(shè)，在皖南山區(qū)與大別山山區(qū)出現(xiàn)了大量穿越復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下的長大山嶺隧道，由此帶來的隧道工程支護(hù)需求與災(zāi)害防治問題也日益突出。在隧道的修建過程中，襯砌結(jié)構(gòu)普遍采用初期支護(hù) + 二次襯砌組成的復(fù)合式襯砌模式，整個(gè)圍巖壓力由圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)，二者協(xié)調(diào)變形[1]。在這種復(fù)合式襯砌模式中，除了錨固系統(tǒng)外，其他支護(hù)構(gòu)件均屬于被動支護(hù)的范疇，如噴射混凝土、鋼拱架與二次襯砌等，這種支護(hù)是依賴圍巖產(chǎn)生向洞內(nèi)的變形或破壞來“誘發(fā)”支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的[2]。然而，這種“全被動”支護(hù)體系提高或調(diào)動圍巖的承載能力有限3，因此在一般常規(guī)隧道支護(hù)中為達(dá)到與“主動支護(hù)\"相同的作用效果，就需要付出更為高昂的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。因此，“全被動”復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式受到越來越多業(yè)界學(xué)者的詬病，傳統(tǒng)的被動支護(hù)模式及其設(shè)計(jì)理論在日益復(fù)雜多變的地下工程中受到了極大挑戰(zhàn)，隧道工程中現(xiàn)行的支護(hù)效果“不盡如人意\"的“全被動\"支護(hù)模式亟待改變。

目前，業(yè)界眾多學(xué)者建議采用以預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)為核心的主動支護(hù)技術(shù)來替代傳統(tǒng)的被動支護(hù)模式，并將改進(jìn)后的支護(hù)體系應(yīng)用于煤礦巷道與部分隧道工程中，并在支護(hù)體系施工過程中及一段時(shí)間后取得了良好的支護(hù)效果[4。這種主動支護(hù)技術(shù)通過增強(qiáng)施錨區(qū)內(nèi)巖體的物理力學(xué)特性，形成深部巖體“承載拱效應(yīng)”，從而有效“提高\(yùn)"和“調(diào)動\"洞周圍巖的承載能力，實(shí)現(xiàn)抑制洞周塑性區(qū)/松動圈的發(fā)展和控制變形的目的5，因此其對圍巖力學(xué)特性的提高、承載能力的調(diào)動、位移變形的抑制等方面具有明顯的優(yōu)越性。

本研究以安徽省天天高速公路無為至安慶段大路山隧道為依托工程，開展基于預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)的主動支護(hù)體系效用性研究，研究成果將為大路山隧道現(xiàn)行被動支護(hù)模式的改進(jìn)與優(yōu)化提供重要支撐，助力實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力“主動支護(hù)”作用下隧道洞室穩(wěn)定、襯砌結(jié)構(gòu)安全與節(jié)約工程造價(jià)等目的。

1 工程概況

大路山隧道位于安徽省銅陵市樅陽縣會宮鎮(zhèn)及官埠橋鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)采用分離式隧道方案。隧道K線起點(diǎn)樁號為 K 8 8 + 7 2 6 ，終點(diǎn)樁號為 K8 9 + 9 7 8 ，長1 2 5 2 m ，最大頂板埋深約 1 0 6 m ，位于 1 8 9 + 5 0 0 處；隧道Z2K線起點(diǎn)樁號為 2 2 K8 8 + 7 4 4 ，終點(diǎn)樁號為 ，長 1 2 5 6 m ，最大頂板埋深約 9 4 m ，位于 2 2 K8 9 + 5 0 0 處。

為驗(yàn)證主動支護(hù)體系的效能，本研究擬選取大路山隧道的兩段特定區(qū)間作為試驗(yàn)區(qū)域，分別為K 8 8 + 8 4 5 至 （區(qū)間長度 1 3 0 m 與 K 8 9 + 0 2 5 至 （區(qū)間長度 9 0 m ），開展主動支護(hù)與被動支護(hù)的對比試驗(yàn)研究。這兩段試驗(yàn)區(qū)間主要穿越的地質(zhì)構(gòu)造為中風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖層，巖層基質(zhì)相對較軟，局部區(qū)域硬度較高，且整體呈現(xiàn)較高的破碎程度。巖石的抗壓強(qiáng)度值為 2 0 . 1～3 9 . 1 M P a ，泊松比為 值達(dá)258，縱波傳播速度超過 。鑒于該巖層穩(wěn)定性較差，施工過程中易受擾動，易引發(fā)坍塌或巖石塊體脫落等安全隱患，根據(jù)綜合評估，該巖層被判定為V級圍巖。

該試驗(yàn)段采用臺階法進(jìn)行開挖。開挖步驟為先開挖上斷面1，施作初期支護(hù)1，然后開挖下斷面Ⅱ，施作相應(yīng)的初期支護(hù)2，施作仰拱3，仰拱回填4，待初期支護(hù)趨于穩(wěn)定后整體模筑二次襯砌5。下半斷面開挖和封閉采用單側(cè)落底或雙側(cè)交錯(cuò)落底，避免上部初期支護(hù)兩側(cè)拱腳同時(shí)懸空，視圍巖狀況宜控制落底長度為 1 ～ 2 m ，不得大于 3 m 。此外，在施工過程中加強(qiáng)監(jiān)測，根據(jù)測量信息指導(dǎo)隧道施工，若圍巖級別與設(shè)計(jì)不符，應(yīng)立即調(diào)整施工方案。

2數(shù)值模型及工況設(shè)計(jì)

2.1 模型建立

采用GTS/NX軟件建立數(shù)值模型，通過有限差分軟件FLACD進(jìn)行開挖計(jì)算模擬。依據(jù)隧道力學(xué)，為減少“邊界效應(yīng)”的影響，數(shù)值模型的人工邊界應(yīng)至少取在距隧道中心3＼～5倍洞徑處[。因此，建立的數(shù)值模型在水平方向（ X 方向）上，從隧道的外側(cè)向兩側(cè)各再取40余 m ，共計(jì) 1 0 0 m ；在豎直方向（Z方向）上，底部邊界取在隧道仰拱以下 4 0 m 處，上邊界按隧道地質(zhì)縱斷面取在隧道拱頂以上 8 2 m ；在隧道縱向（Y方向）上，以 K8 9 + 0 2 5 ～K8 9 + 1 1 5 試驗(yàn)段為基準(zhǔn)，取為 9 0 m 。整體數(shù)值模型示意如圖1所示。

在所建立的數(shù)值模型中，在前、后、左、右及下邊界施加相應(yīng)方向的法向位移約束邊界，地表對應(yīng)的上邊界設(shè)置為自由邊界。地層采用服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，初期支護(hù)及二次襯砌均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，錨桿采用Cable單元進(jìn)行模擬。初期支護(hù)中的拱架和噴射混凝土按剛度等效的方法，將代表相應(yīng)剛度折算后的彈性模量賦予模擬的實(shí)體單元，拱架間距取值同錨固系統(tǒng)縱向間距。隧道開挖采用臺階法進(jìn)行施工，模型上臺階高度按最不利情況取 5 m ，開挖循環(huán)進(jìn)尺為 1 m ，數(shù)值模型的隧道細(xì)部如圖2所示。

根據(jù)前述的隧道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》，本研究計(jì)算所選取的圍巖及支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2主、被動支護(hù)對比工況設(shè)計(jì)

試驗(yàn)段原支護(hù)設(shè)計(jì)（F4b型）中錨固系統(tǒng)采用 中空注漿錨桿，屬典型被動支護(hù)體系，故此擬定F4b型為被動工況（工況1）。為對比分析主動支護(hù)效用性，設(shè)定對比工況（工況2）為主動工況，工況設(shè)計(jì)中僅將原被動支護(hù)中空注漿錨桿替換為預(yù)應(yīng)力錨桿，其余設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變。為揭示主動支護(hù)對圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的控制效果，參照相關(guān)產(chǎn)品資料（極限抗拉力值 ）及既往施工經(jīng)驗(yàn)、文獻(xiàn)調(diào)研，設(shè)定工況2中錨固系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力值為 1 0 0 k N （上限值）。

圖2數(shù)值模型隧道細(xì)部

2.3主動支護(hù)效應(yīng)的數(shù)值模擬

預(yù)應(yīng)力錨桿通過Cable單元進(jìn)行模擬，其中端頭錨固參數(shù)設(shè)為極大值以模擬墊板，預(yù)應(yīng)力等效為作用在內(nèi)錨固段的集中力和作用在隧道洞壁的分布荷載，由此實(shí)現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)力學(xué)作用的模擬。具體而言，預(yù)應(yīng)力錨桿（索）的內(nèi)錨固段壓縮效果以集中力方式作用，該集中力的大小根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨桿（索）施加的預(yù)應(yīng)力大小確定。外錨固端的預(yù)應(yīng)力考慮墊板擴(kuò)散作用，可簡化為作用在圍巖表面的均布力，均布力的大小與預(yù)應(yīng)力錨桿（索）間距及預(yù)應(yīng)力大小有關(guān)。

其中外錨固端的均布力通過式（1）將實(shí)際情況中預(yù)應(yīng)力錨桿（索）中施加的有效預(yù)緊力轉(zhuǎn)化為數(shù)值模擬中預(yù)應(yīng)力錨桿（索）施加在隧道洞壁上的平均徑向壓應(yīng)力。

式中： σ ， 為預(yù)應(yīng)力錨桿（錨索）施加在隧道洞壁上的平均徑向壓應(yīng)力； 為單根預(yù)應(yīng)力錨桿（索）的有效張拉荷載，即錨桿（索）上所施加的有效預(yù)應(yīng)力； 為錨桿（索）的工作荷載，計(jì)算中取為錨桿（索）的設(shè)計(jì)承載力； 分別預(yù)應(yīng)力錨桿（索）的間距和排距。

內(nèi)錨固段的集中力則按施加預(yù)應(yīng)力考慮，見式（2）。

此外，仍需描述主動支護(hù)對圍巖的加固作用，即施錨區(qū)內(nèi)巖體物理力學(xué)性狀增強(qiáng)，從而有效“提高”和“調(diào)動\"洞周圍巖承載能力。參照不同圍壓下的巖體三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果可知，凝灰質(zhì)粉砂巖的強(qiáng)度參數(shù)與圍壓間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，因此，在預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)施作后，施錨區(qū)內(nèi)圍巖的彈性模量、黏聚力等物理力學(xué)參數(shù)將發(fā)生強(qiáng)化。結(jié)合既往工程經(jīng)驗(yàn)，可知在其他條件不變的情況下，隨錨桿支護(hù)密度的增大，預(yù)應(yīng)力的增加，錨固巖體的彈性模量、內(nèi)聚力值呈增加趨勢，由此以前人研究為基礎(chǔ)，初步提出新型圍巖參數(shù)修正公式見式（3），以描述預(yù)應(yīng)力對圍巖的加固作用。

式中： 分別為錨索錨固圍巖后圍巖的彈性模量、黏聚力； E ， C 分別為未錨固巖體的彈性模量、黏聚力； P I 為主動支護(hù)圍巖強(qiáng)化效應(yīng)指標(biāo)，其值與錨固系統(tǒng)支護(hù)密度和預(yù)應(yīng)力值有關(guān)。

因此，將不同預(yù)應(yīng)力錨固參數(shù)下對圍巖物理力學(xué)參數(shù)的影響寫入Fish語言，在隧道開挖后調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)主動支護(hù)的圍巖加固作用模擬。需指出的是，由于缺乏相關(guān)試驗(yàn)支撐，上述對主動支護(hù)效應(yīng)的模擬僅適用于本計(jì)算報(bào)告中的初步分析，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步開展相關(guān)試驗(yàn)和理論研究。

3主、被動支護(hù)體系對比分析結(jié)果

3.1 圍巖穩(wěn)定性分析

3.1.1洞周圍巖變形。由計(jì)算結(jié)果可知，洞周圍巖變形以豎向變形為主，橫向變形可忽略不計(jì)，主、被動支護(hù)下洞周圍巖的豎向變形云圖如圖3所示。由圖3可知，變形以拱頂處沉降和拱底處隆起為主。主、被動支護(hù)下拱頂處圍巖沉降值分別為 ，變形減小幅度為 3 2 . 2 % ，表明主動支護(hù)可顯著減小洞周圍巖變形。

3.1.2圍巖應(yīng)力狀態(tài)。主、被動支護(hù)體系下試驗(yàn)段隧道圍巖的最大主應(yīng)力（主拉應(yīng)力）云圖如圖4所示。由圖可4知，圍巖最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱頂位置處，被動支護(hù)體系下主拉應(yīng)力為 0 . 3 3 7 M P a ，變更為主動支護(hù)后減小至 0 . 2 0 3 M P a ，減小幅度達(dá)3 9 . 8 % ，揭示了主動支護(hù)可有效減小洞周圍巖拉應(yīng)力，從而抑制裂隙擴(kuò)展貫通及宏觀破裂面的形成，改善隧道開挖后巖體力學(xué)性狀。上述主動支護(hù)對圍巖劣化的遏制效果，對支護(hù)試驗(yàn)段圍巖較破碎、穩(wěn)定性差的巖體尤為關(guān)鍵。

主、被動支護(hù)下圍巖的最小主應(yīng)力（主壓應(yīng)力）云圖如圖5所示。由圖5可知，主、被動支護(hù)下最大主應(yīng)力均出現(xiàn)在隧道邊墻位置處，分別為4.11和3 . 8 5 M P a ，由此可知，主、被動支護(hù)下圍巖最小主應(yīng)力量值差異較小，且均遠(yuǎn)小于圍巖單軸抗壓強(qiáng)度，故后續(xù)分析將不再以圍巖最小主應(yīng)力為核心指標(biāo)。進(jìn)一步分析主壓應(yīng)力的分布特征，以圖中描邊部分 為例進(jìn)行說明，被動支護(hù)下洞周淺層圍巖與深部圍巖間存在應(yīng)力衰減帶，而變更為主動支護(hù)后圍巖淺層與深部應(yīng)力相貫通，應(yīng)力衰減帶消失（弱化），表明主動支護(hù)下主壓應(yīng)力分布區(qū)域?qū)⒂蓢鷰r淺部向圍巖深部延伸、貫通，進(jìn)而調(diào)動深部圍巖承載能力（深部承載能力優(yōu)于淺部），擴(kuò)大圍巖主承載區(qū)，實(shí)現(xiàn)深部和淺部圍巖應(yīng)力狀態(tài)的協(xié)調(diào)、優(yōu)化。

圖5圍巖最小主應(yīng)力云圖

3.1.3圍巖塑性區(qū)。主、被動支護(hù)下圍巖塑性區(qū)的分布情況如圖6所示。由圖6可知，圍巖塑性區(qū)均呈現(xiàn)拱肩、拱腳位置大于其余位置的分布特征。計(jì)算結(jié)果顯示原被動支護(hù)下塑形區(qū)單元數(shù)為114，變更為主動支護(hù)后單元數(shù)減少至82，減少幅度達(dá) 2 8 % ，且差異主要集中在主動支護(hù)作用區(qū)域，表現(xiàn)為主動支護(hù)下拱頂、拱肩位置處圍巖塑性區(qū)顯著減小，表明主動支護(hù)可顯著改善圍巖塑性區(qū)分布。

3.2初支結(jié)構(gòu)受力分析

主、被動支護(hù)下初支結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖7可知，被動支護(hù)下隧道初支結(jié)構(gòu)最小主壓應(yīng)力為 ，變更為主動支護(hù)后最小主應(yīng)力降至 ，最小主應(yīng)力絕對值減小1 . 4 4 M P a ，減小幅度達(dá) 1 7 . 9 % 。總體而言，主、被動支護(hù)下隧道初支結(jié)構(gòu)所受的壓應(yīng)力均明顯小于C25噴射混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，故后續(xù)將不再以初級支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力為主要分析指標(biāo)。

主、被動支護(hù)下初支結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖8可知，被動支護(hù)下初支結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力為 1 . 2 5 M P a ，該值較接近C25噴射混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度 1 . 3 M P a ，可判定初級支護(hù)基本處于臨界安全狀態(tài)，支護(hù)安全性和可靠性較低，施工不當(dāng)極易出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)損裂，故為確保隧道支護(hù)體系的長期穩(wěn)定、安全及可靠，仍有必要進(jìn)一步提高支護(hù)結(jié)構(gòu)安全儲備；主動支護(hù)下最大主拉應(yīng)力值減小至 0 . 9 4 M P a ，減小 0 . 3 1 M P a ，減小幅度達(dá) 2 4 . 8 % ，表明主動支護(hù)可顯著減小初支結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力，確保初支結(jié)構(gòu)安全可靠并保留較大的安全余量。

4結(jié)論

本研究通過建立主、被動支護(hù)下大路山隧道試驗(yàn)段模型開展數(shù)值仿真分析，對比分析了主、被動支護(hù)下隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形特征，進(jìn)而探討了主動支護(hù)的效用性，得出以下結(jié)論。

① 試驗(yàn)段圍巖最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱頂位置處，被動支護(hù)體系下主拉應(yīng)力為 0 . 3 3 7 M P a ，變更為主動支護(hù)后減小至 ，減小幅度達(dá)3 9 . 8 % ，表明主動支護(hù)可有效減小洞周圍巖拉應(yīng)力，從而抑制裂隙擴(kuò)展貫通及宏觀破裂面的形成，改善隧道開挖后巖體力學(xué)性狀。

② 主動支護(hù)下主壓應(yīng)力分布區(qū)域由圍巖淺部向圍巖深部延伸、貫通，有效調(diào)動深部圍巖承載能力，擴(kuò)大圍巖主承載區(qū)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深部和淺部圍巖應(yīng)力狀態(tài)的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。

③ 主動支護(hù)可改善支護(hù)作用區(qū)域圍巖塑性區(qū)分布，優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，確保初支結(jié)構(gòu)安全可靠并保留較大的安全余量。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳鵬，陳健，崔嵐，等.復(fù)合式襯砌隧道模型試驗(yàn)及其承載特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2024，46（S1）：102-106.

[2]田四明，吳克非，王志偉，等.中國鐵路隧道智能化建造實(shí)現(xiàn)路徑探討[J].鐵道學(xué)報(bào)，2022，44（1）：134-142.

[3]孫龍，劉建文，劉征洋.隧道主動支護(hù)聯(lián)合被動支護(hù)體系關(guān)鍵施工技術(shù)研究[J].交通科技與管理，2024，5（19）：105-108.

[4]汪波，喻煒，訾信，等.軟巖大變形隧道不同支護(hù)模式的合理性探討：以木寨嶺公路隧道為例[J].隧道建設(shè)（中英文），2023，43（1）：36-47.

[5]汪波，喻煒，劉錦超，等.交通/水工隧道中基于預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)的及時(shí)主動支護(hù)理念及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)[J].中國公路學(xué)報(bào)，2020，33（12）：118-129.

[6]丁建偉.邊界效應(yīng)對盾構(gòu)隧道施工擾動下產(chǎn)生地表沉降的影響分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2018.

[7]張德宇.凝灰質(zhì)粉砂巖力學(xué)特性和本構(gòu)方程的研究[D].：西華大學(xué)，2017.