隧道支护结构体系及其协同作用

隧道支护结构体系及其协同作用

王星星

招商局重庆公路工程检测中心有限公司    400067

摘要

隧道支护体系由衬砌支护结构、锚杆支护结构和钢架支护结构组成。有效控制隧道围岩变形，充分利用不同支护方法的特点，制定经济有效的支护方案，对确保隧道结构的安全运行具有重要意义。根据隧道围岩结构的基本特征和支护功能，本文阐明了支护结构系统与围岩、不同支护结构和支护结构组成之间的协同关系，提出了隧道支护结构系统的协同优化设计方法。

关键词：隧道工程；支护结构体系；协同作用；支护结构设计

1引言

基于对围岩结构和荷载作用的认识，国内外许多学者阐述了支护结构的基本作用，形成了各种隧道设计理论和方法[[1]]。隧道设计理论与工程实践脱节，超前支护、锚杆支护和初期支护的方案和参数主要由工程经验决定。因此，研究围岩与支护结构的协同作用是十分必要和迫切的。

2支护结构的作用机理分析

2.1隧道支护结构体系

使围岩尽快形成新的稳定状态而不发生失稳和破坏，是隧道工程设计的基本问题，应采用超前支护、一次支护、二次衬砌等支护结构。

2.2衬砌支护

根据关键块体理论，在自然条件下，根据空间结构面将围岩划分为不同的块体。隧道开挖卸载后，部分块体首先失去自然平衡，导致围岩失稳甚至局部坍塌。

在此过程中，打破平衡的第一个区块是关键区块，而其他区块分为稳定区块、静态区块和潜在关键区块。通过对隧道围岩稳定性的分析，确定关键块体的加固位置，控制隧道整个松弛区的位移[[2]]。

2.3锚杆支护

经典的锚杆理论经历了三个发展阶段。

1）悬吊理论。该理论认为，锚杆使隧道壁顶部松动的岩体挤压上部密实的围岩，阻止顶部松动的围岩脱落，从而防止隧道顶部出现离层现象。

2）组合梁理论。与悬吊理论有相似之处，也认为隧道顶板的围岩是分层岩层，不同点在于，组合梁视隧道侧壁与顶部的交接点为支点，利用岩梁的支承作用承担其上部的岩层载荷。组合梁内各岩层通过锚杆的联系保持协调变形，提高了抗弯能力，并且挠度也减小[[3]]。

3）加固拱理论。这个理论认为锚杆对岩体有径向挤压的作用，待顶部岩层内应力稳定后，锚杆两侧会分别形成一个扇形的受压锚固区域，如果相邻锚杆的间距排布合理，单个锚杆的锚固区能相互叠加，松动区内形成厚度均匀的压缩带，改善岩层应力状态，有效控制位移。

2.4钢架支护

从施工角度，应及时安装钢架并尽可能增大钢架与隧道的接触面积；钢架支护结构与隧道壁岩体的空隙填充后做包裹处理，使钢架支护结构与衬砌支护结构构成整体受力体系[[4]]。

3支护结构协同作用

3.1支护结构协同作用机理

对于支护结构来说，刚度大代表能承载相对比较大的压力，发生较小的变形。当衬砌与锚杆同时进行支护时，锚杆支护刚度Km大于衬砌支护刚度Kc，而组合以后的支护体系的刚度Kz大于等于Kc、Km中的任意一个。在单独作用的前提下，就屈服时支护结构的变形量来说，锚杆屈服时松动区围岩的变形量为u1，衬砌屈服时松动区围岩的变形量为u2，且u2〉u1。

3.2协同机理理论分析

锚杆对松动区围岩的支护刚度大于衬砌对松动区围岩的支护刚度，那么锚杆在喷锚组合支护体系中先发挥作用，支护初期对控制岩体变形起主导作用。当锚杆不足以完全约束岩体位移，这时锚杆发生屈服失效，同时岩体进一步发生位移，此时衬砌支护作用逐渐明显，在锚杆失效后对控制围岩变形发挥主导作用[[5]]。

3.3协同机理数值分析

马蹄形隧道采用组合锚杆支护后，进行了数值计算。每2000个计算步骤在隧道壁上设置一个监测点，提取锚杆应力和衬砌应力，考虑衬砌支护与预应力锚杆、无预应力的锚杆支护（相间布置）协同作用[[6]]。

表3.3衬砌支护与锚杆支护协同作用数值模拟

（锚杆1与衬砌1为同一监测点，锚杆2衬砌2为同一监测点，点1处有预应力，点2处无）

图3.1锚杆轴力增长图

图3.2衬砌应力增长图

分析数据发现，衬砌与锚杆协同作用总体趋势不变，锚杆先于衬砌发挥主要作用[[7]]，但有预应力锚杆由于主动受力，先于被动受力的普通锚杆发生屈服失效，失效时普通锚杆（无预应力）的轴力显著增加。锚杆均失效后，对应位置处衬砌应力均提高[[8]]。

4结论

本文采用新奥法（CRD法）模拟开挖过程，理论分析了衬砌支护结构、锚杆支护结构，钢架支护结构的支护机理，对隧道软弱围岩情况下开挖支护进行了与数值模拟计算，分析了围岩变形与支护结构相互作用的特点，结论如下：

（1）开挖过程中如果不及时施加支护，隧道变形会非常大，数值模拟中表现为计算无法收敛，实际工程中对于围岩参数较差的地区开挖隧道时，如果采用全断面开挖或者分布开挖施加支护不够，会造成隧道坍塌事故。

（2）锚杆锚固的基本作用是通过激发岩体的自身稳定性限制岩层位移，在隧道开挖中及时施加锚杆支护结构，控制水平位移效果更好。

（3）衬砌支护与锚杆支护共同施加后存在协同作用，由于两种支护结构刚度不同，对于松动圈局部围岩来说，锚杆支护结构刚度大于衬砌支护结构，支护初期，锚杆先于衬砌发挥主要支承作用，待锚杆支护结构屈服失效后，衬砌支护结构的作用增加。

（4）对于衬砌支护控制竖向位移不理想以及衬砌锚杆协同支护仍然无法有效限制围岩变形时，可考虑施加钢架支护。钢架支护在竖直方向控制位移要优于水平方向，并且钢架支护发挥作用要比衬砌、锚杆迅速，钢架撑好能立即改善隧道位移。在实际工程中根据钢架支护特点配合衬砌、锚杆支护一起作用，并适当增加其刚度。

参考文献

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[3]张顶立，孙振宇.高速铁路隧道关键科学问题及发展趋势[J].铁道建筑，2018，58(11):1-4.

[4]张顶立，孙振宇，侯艳娟.隧道支护结构体系及其协同作用[J].力学学报，2019，51(2):577-593.

[5]孙振宇，张顶立，房倩，等.隧道初期支护与围岩相互作用的时空演化特性[J].岩石力学与工程学报，2017，36（增刊2）:3943-3956.

[6]孙振宇，张顶立，房倩，等.隧道初期支护与围岩相互作用的时空演化特性[J].岩石力学与工程学报，2017，36（增刊2）:3943–3956.

[7]何川，齐春，封坤等.基于D-P准则的盾构隧道围岩与衬砌结构相互作用分析.力学学报，2017，49(1):31-40.

[8] Park KH, Tonavanich B, Lee JG. A simple procedure for ground response curve of circular tunnel in elastic-strain softening rock mass.Tunneling and Underground Space Technology, 2008, 23(2): 151-159.

王星星（1989-），男，山西省晋中市人，硕士研究生，高工，主要从事隧道科研、检测、咨询等相关研究工作。