隧道襯砌支護施作時機研究綜述★

王華山 黨立平 周遠強

(1.中國機械設備工程股份有限公司，北京 100055； 2.機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043)

1 概述

襯砌最佳支護時機，就是最大限度調動圍巖變形釋放能量，充分發揮圍巖自承載能力，最大程度調整支護體系作用，使二次支護結構使用最為合理、抗力降為最低[1]。

確定隧道襯砌最佳支護時機是有效發揮圍巖自承能力和盡可能合理利用襯砌結構的關鍵[2]。選擇合適的支護參數與確定合理的支護時機已成為隧道工程的重中之重。

2 研究現狀

2.1 支護結構的研究方法

Panet[3]提出了收斂限制法。根據隧道圍巖的最終變形量，再引入支護特征線以及圍巖特征線的概念，就可以確定隧道襯砌的最佳支護時間。Sulem[4]在Panet等人研究基礎上，研究出了能夠比較準確地預測隧洞圍巖收斂位移的新方法，極大擴展了早期的收斂限制法。Bizjak，Karmen等[5]采用有限差分法分析了隧道圍巖應力，得出了隧道位移和演化的預測新方法。數值仿真技術發展速度迅猛，使得越來越多復雜的支護結構工程模擬更能接近實際情況。謝鋒等[6]、魯巖等[7]采用數值模擬和理論分析等方法，詳細討論了二次襯砌支護的最佳時機問題。鄭州大學徐建國等[8]，依托嶺南高速公路分水嶺隧道工程，基于現場監測結果，考慮該工程地質條件及特點，運用于圍巖特性參數反分析，開展了隧道周邊及拱頂位移量測，為確定最佳二次支護時機提供了依據。何暉等[9]、李寶平等[10]以實際工程為工程背景，基于現場監控量測數據，應用MATLAB軟件，回歸分析了工程現場典型斷面監測數據，通過對比研究，確定了隧道二次襯砌最佳支護時機。綜上所述，基于理論分析、數值模擬和解析分析三種基本研究方法，不同學者根據實際工程又提出一些具體的研究方法和研究理論。

2.2 支護時機影響因素研究

2.2.1圍巖級別對支護時機影響

對于不同圍巖級別對支護實際影響分析，榮耀[11]根據巷道開挖過程中各類圍巖的能量釋放時間不同，找到了圍巖級別與圍巖支護時機的互相關系。圍巖級別越好則支護施作時間可越推遲，但往往不超過3 d。唐霞等[12]基于充分利用圍巖自承能力的新奧法理念，對現場多個Ⅳ級圍巖斷面初期支護變形監測數據進行統計分析，得出二次襯砌的最佳支護時間段。結果表明：監測數據分析所得二襯支護時機是合理的，適當提前施作二襯支護對工程是有利的。

2.2.2不同支護結構類型施作時機

關于不同支護結構類型的支護時機研究，朱珍德等[13]基于流變力學的基本理論，分析了隧道采用錨桿支護下，錨桿區圍巖位移與應力隨時間變化的規律。樂茂華[14]依托某地下隧洞，做了錨桿支護、噴網、襯砌及格柵鋼架等不同支護結構形式在該隧洞運用的研究。李之達,黃強等[15]以某聯拱隧道為工程背景，采用環形模筑混凝土襯砌支護，整理分析了圍巖周邊收斂和拱頂下沉的現場監測資料，得出了拱頂下沉和圍巖收斂的變化規律，研究了隧道受力與二次襯砌施作最佳時機之間的關系，最后給出了隧道最佳襯砌施作時機。

2.2.3不同開挖工法支護施作時機

由于隧道因地質環境不同，往往采用開挖方式不同。對于不同開挖工法對支護施作時機影響研究，黃水泉等[16]采用數值模擬方法，分析了不同隧道開挖工法對不同圍巖級別二襯合理支護時機的影響。董磊、宋紅艷等[17]以某公路隧道建設為背景，采用“先讓后治”的原則，補強初期支護強度并提供二次襯砌施作條件，提出雙層初期支護設計方案，并通過數值技術仿真分析三臺階七步、CRD和雙側壁導坑3種工法下拱頂沉降、水平收斂及塑性區的分布特征。結果表明：二次支護施作的最佳時機在上臺階右半幅斷面開挖前。

綜上所述，影響支護時機的因素很多：圍巖級別、支護結構類型、隧道開挖方法等。目前往往采用現場監測和數值分析等研究手段做影響襯砌結構支護時機的因素研究，研究成果針對性較強。

2.3 不同支護時機對圍巖穩定性影響

圍巖對支護結構有影響，反之支護結構對圍巖穩定性也有影響。任旭華等[18]以錦屏二級水電站(一期)引水隧洞工程為背景，研究了隧洞在不同滲控方案所形成的外部水環境條件下圍巖及襯砌的工作性態，不同支護時間對圍巖及襯砌結構的應力及變形會產生不利影響。楊建平等[19]以復雜施工工藝的小凈距隧道為工程背景，做了隧道在不同荷載釋放比例下不同支護時機對圍巖穩定性影響的相關探索。支護越早，襯砌承擔的荷載越大，圍巖的塑性變形越小。王迎超等[20]在復合式襯砌在圍巖蠕變過程中的受力規律研究中，利用有限元程序ANSYS建立計算模型，采用廣義開爾文本構關系，分別分析了二次襯砌在不同支護時機和不同剛度下，復合式襯砌的受力規律。二次襯砌在不同支護時機施作時，其受力都先逐步增大再趨于穩定。

綜上所述，支護時機越早則圍巖塑性變形越小，支護結構受力越多，但最終受力達到穩定狀態。

2.4 特殊地質環境支護時機探究

2.4.1軟巖圍巖支護時機

通常軟巖圍巖強度較低，常常有蠕變效應，故該特殊圍巖支護時機確定往往較為復雜。辛全山等[21]以某軟巖巷道為依托，進行了最佳支護時機研究，采用位移反演方法給出了盡可能利用圍巖自承能力的二次支護系統最佳支護時間。李俊鵬[22]對隧道開挖過程進行模擬研究，探討圍巖應力釋放規律及軟巖支護時機。張鵬，李寧等[23]采用非靜水壓力的柱狀孔擴張與芬納理論，結合軟巖的應變軟化力學特征，推導了圓形隧洞非靜水壓力下塑性區、松動區最大半徑的求解公式，并基于實際工程經驗建立了隧洞頂拱變形與塑性區、松動區半徑大小的關系式，提出了襯砌施作時機的收斂變形監測判據。

2.4.2復雜地質條件支護時機

蔣斌松等[24]采用解析方法對深埋圓形隧道應力與變形作了研究，給出了關于深埋圓形隧道破裂圍巖的變形和應力的封閉解。姚國圣等[25]針對已有彈塑性解不能描述圍巖應力隨時間發展的破壞關系，在巖體的塑性軟化特性及擴容等基礎上，給出了在均勻介質中破碎巖巷道變形及應力的理論解答。汪波等[26]從隧道開挖方式及洞周應力調整角度出發，利用數值分析方法，選擇了典型施工斷面，分析并預測了計算范圍內巖爆的狀況，并與現場監測數據對比分析，最終確定出了不同地段時的二次襯砌最佳支護時機。綜上所述，軟巖隧道最佳支護時機確定得考慮其蠕變效應。在特殊地質環境中最佳支護時機確定存在已有解答在該工程實際中不適用的現象，需要特殊問題特殊對待。

3 展望

1)目前研究方法從經驗法到理論計算法都有其局限性。而嘗試將多種手段進行結合與比較，采集現場實測數據，對比室內試驗，結合理論計算分析，進行數值模擬來反復對襯砌施作時間進行修正可能是以后研究的重要內容。2)隧道支護工程隱蔽性高、地域性強、地下環境復雜，最佳支護時間研究的普適性與一般性仍然有待繼續探索。不僅是理論層面，更需要更先進的測量儀器和技術手段。