摘要：作为隧道及地下工程学科的3个基本问题，隧道围岩稳定性、支护--围岩相互作用和结构体系的动力响应一直都是本学科研究的核心问题，本文围绕上述问题重点分析了隧道围岩力学特性及其载荷效应，建立了深浅层围岩结构力学模型，并通过分析深层围岩中结构层稳定性得到了围岩特性曲线的解析公式，提出了围岩结构性特点及载荷效应的计算方法；通过对隧道支护与围岩作用关系的分析，将支护与围岩的动态作用分为4个阶段：即自由变形、超前支护、初期支护和二次衬砌阶段。

关键词：地下工程；隧道工程；施工安全

引言

可以说，中国已成为名副其实的隧道及地下工程大国。然而，鉴于隧道及地下工程学科的实践性特点，对工程经验的依赖较多，目前尚未形成系统理论与技术体系，这一方面是由于中国地质条件及其力学行为极其复杂，另一方面也说明隧道建造理论严重滞后于工程实践[1]。

1隧道支护与围岩作用的基本特点

表征支护与围岩状态的基本指标就是围岩变形量和支护结构的受力状态，当然围岩变形的合理控制值以及支护结构的受力大小因围岩条件不同而存在较大差异。隧道围岩变形量通常可相差5∼10倍，有时可能更大，但在支护结构与围岩相互作用下均先后经历不同的变形阶段，并最终趋于稳定。初期支护与围岩密贴后围岩变形得到遏制，变形速度迅速减小，产生的形变压力作用于支护结构上。这样，随着结构的变形其受力状态相应地变化。支护与围岩作用关系极其复杂，综合围岩变形与结构受力变形情况，其作用过程具有以下特点：（1）动态特性。支护与围岩的相互作用关系具有很强的时空相关性，主要来源于隧道开挖及支护结构的施作过程、围岩的流变特性和混凝土材料的硬化特性。支护与围岩的相互作用具有显著的时空特性。首先，隧道开挖引起的应力释放不是一蹴而就的，会在一个较显著的空间范围内传导；地质材料通常具有一定的流变特性，因而支护--围岩体系的力学平衡过程可能持续较长的时间。同时，水泥类支护结构的硬化特性对支护结构强度、刚度的影响至关重要。支护结构的施作需要一定的时间和空间，各种支护结构不可能同时发挥支护效应。而且在隧道工程力学演化过程中，不时会有新的结构加入并参与到整个支护--围岩体系的力学平衡过程。（2）阶段特性。支护--围岩体系不同阶段的主导因素不尽相同，导致重点问题和相应的核心变量始终处于动态转移和相互转化之中。在支护与围岩的相互作用过程中，考虑到围岩变形演化与支护结构体系的复杂性，通常会出现阶段性动态平衡，但由于围岩变形破坏过程的阶段性以及支护结构内涵的变化（新结构的加入以及结构硬化等），新一轮的平衡过程又开始，直至达到最终平衡。显然，在此过程中的支护与围岩相互作用呈现周期性，因而具有明显的阶段性特点。（3）协调特性。支护与围岩是不可分割的整体，一方面，支护可直接承载一部分因隧道开挖而释放的应力或协助围岩充分调动自承载能力，防止围岩坍塌破坏，控制围岩变形；另一方面，围岩载荷以及因其变形受到约束而产生的反力作用于支护结构，造成结构受载，这就要求支护结构具有足够的强度和刚度，从而实现稳定。围岩变形、破坏与支护结构体系的作用表现出明显的非线性特点，两者变化发展的原则是保持整体变形协调。一方参数的变化对另一方具有依赖性，不同支护形式之间相互叠加等。支护与围岩作用体系中任何构件的失效都有可能导致整个体系的失稳，须综合考虑[2]。

2隧道支护与围岩动态作用过程

作为一个复杂系统，隧道支护与围岩相互作用贯穿于隧道围岩变形控制的全过程。随着围岩条件、支护方式以及时空关系的变化，两者的关系也处于不断转换之中，直到两者达到最终的平衡状态，实现对围岩变形的有效控制。根据系统论的观点，若以隧道围岩系统为出发点，在隧道建造全过程中，围岩的超前支护施作、隧道开挖、初期支护结构施作、二次衬砌结构施作等施工措施以及现场实时监测与反馈使围岩系统与周围环境持续地进行信息交换与融合，最终，围岩系统由原始平衡状态进入更高层次的支护--围岩系统，进而为支护结构的量化设计提供指导。根据前述分析，围岩变形分为4个阶段，每个阶段分别具有自身的发展特点。事实上在每个阶段的转换点都发生了显著的变化，因此根据支护--围岩体系力学演化规律，确定出几个关键节点，将支护与围岩相互作用过程划分为几个典型阶段，并将总控制指标分解至各个阶段，根据各个分目标制定相应的控制方案。考虑到支护与围岩相互作用的阶段性特点，在确定关键节点时应遵循以下原则：（1）一致性。每个作用阶段均应体现支护与围岩相互作用的基本特点，不同阶段具有显著的差异性，而且阶段之间变形协调。（2）普适性。对于不同围岩条件、支护方案和施工技术水平，阶段划分的原则和方法都普遍适用，其差别仅在于持续的范围不同。（3）典型性。关键节点是支护--围岩体系力学演化过程的质变点，但在同一作用阶段内支护与围岩体系的关键问题和控制目标是相同的。据此思路并与围岩变形相对应，可将掌子面前方围岩变形加速点、初期支护与围岩密贴点和二次衬砌开始作用点三者作为关键节点，以此为界即可将支护与围岩相互作用关系分为4个阶段[3]。

（1）围岩超前缓慢变形阶段。这时围岩受到约束，变形得到一定的遏制，发展缓慢，本阶段的支护与围岩关系主要表现为深部围岩在外部围岩约束下的自由变形，有时则伴有超前加固的作用。（2）从掌子面前方围岩急剧变形到初期支护发挥作用。由于围岩的超前破坏和失稳使得围岩变形速率迅速增大；得到初期支护的有效作用后围岩变形速率急速减小。这一阶段的支护与围岩关系主要表现为超前支护与围岩的相互作用，因此变形量能否得到及时控制，超前支护至关重要。（3）初期支护与围岩发生有效作用后，围岩变形得到控制，同时围岩产生的形变压力使初期支护结构受力迅速增大，结构受力与围岩控制效果取决于初期支护结构的刚度和支护时机，必要时可施作双层或多层初期支护结构。这一阶段的支护与围岩关系表现为初期支护及超前支护与围岩之间的相互作用，同时也伴随着锚杆的作用，但其核心是初期支护与围岩的动态作用。（4）在初期支护及超前支护与围岩的动态调整过程中隧道围岩变形趋于稳定，这时已实现围岩稳定和安全。但为实现特殊载荷作用下的长期安全，通常对隧道施作二次衬砌结构，二次衬砌施作以后则必然会承受一定的载荷，其所受载荷的大小则与复合结构的刚度对比有关，这一阶段的支护与围岩关系则表现为超前支护、初期支护及二次衬砌结构与围岩的作用，即二次衬砌与既有支护结构的载荷再分配。作为主承载结构的初期支护是控制围岩变形的主体，若设计不足则可能造成初期支护结构失效，进而导致支护--围岩体系的失稳，而保证该系统的稳定则是隧道设计的基本要求。通常条件下，二次衬砌仅作为安全储备，一方面在围岩流变及偶遇载荷作用时确保安全，另一方面是系统高可靠性方面的要求。本质上这也是围岩复杂性及载荷效应多样性的要求。隧道支护与围岩作用的本质就是针对围岩力学性能演化、结构转换以及应力释放特点，及时施作支护以承担因应力释放而产生的附加载荷，并对围岩形成约束；而围岩变形受到控制后必然产生形变压力并作用在支护结构上，该作用力的大小则取决于支护结构系统的刚度和施作时机，这样支护力则又反作用于围岩形成更强的约束。如此往复，直到形成新的平衡状态或系统结构失稳。系统结构失稳则是复杂工程条件下诱发安全事故的根源，因此对支护--围岩系统可靠性的评价至关重要。

3总结

（1）从隧道及地下工程的本质特征出发，提出了本学科的3个基本问题，即围岩稳定性、支护与围岩相互作用关系和支护--围岩结构系统的动力效应，由此构成了本学科研究的基本框架。（2）基于围岩的渐进破坏特点，提出了复合隧道围岩的理念，并建立了隧道围岩载荷的计算模型，可对不同围岩条件下的支护结构载荷进行定量计算。（3）针对支护与围岩作用特点，提出了动态作用过程的四阶段原理，明确了每个阶段支护与围岩相互作用的内涵和评价方法，由此可作为隧道设计的依据。

参考文献：

[1]王永刚。地下工程的施工技及发展展望[J]。民营科技，2010（07）。

[2]刘艳凤，邵雪峰。地下工程的施工技术及其对未来的发展展望[J]。黑龙江科技信息，2011（16）。

[3]周顺华，庄丽，杨永平，张栋梁。城市轨道交通防（反）恐措施探讨[J]。城市轨道交通研究，2010（06）。