隧道支护技术研究进展*

吴 波，吴兵兵，黄 惟

(1.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013； 2.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004)

早在1995年王明年等[1]就隧道支护体系与围岩的相互作用开展了大规模的模型试验，并对多种工况下围岩和支护各自的荷载分担率做了较全面探讨。所做的研究基于新奥法基本原理，还探讨了开挖洞室周边位移和二次衬砌内力随地应力变化表现出的规律。在此之后25年间，对隧道支护的研究屡见不鲜，每年国内都有大量的相关研究成果发表。梳理和总结一定时间跨度内具有代表性的研究成果，并基于研究现状做出展望，对促进隧道支护领域系统性研究具有重要意义。

1 隧道支护机理

1.1 超前支护作用机理

为了解超前支护的实际效果和在控制围岩变形与地表沉降等方面所起到的作用，20世纪90年代董淑棉等[2]使用理论分析和现场实测相结合的方法研究了超前支护在北京早期地铁建设中的应用，研究表明大管棚注浆、小导管注浆、双管棚注浆、双导管注浆和锚杆支护等超前支护技术能有效控制地表沉降和增强围岩稳定性，从而确保隧道开挖安全和结构稳定可靠。在此之后，王丽媛等[3]以北京地铁隧道为依托研究了隧道初期支护施工质量的影响因素，提出隧道断面开挖尺寸的设计、支护时机和封拱时间、喷射混凝土的早期强度和注浆回填的时机是初期支护最终质量的主要影响因素。21世纪以来袁海清等[4]使用数值模拟方法对比分析了隧道有无超前支护条件下开挖对应力、位移及地表沉降的影响，研究表明采用管棚和预注浆的支护方式能有效控制围岩应力和位移及地表沉降。王建华等[5]使用理论分析和数值计算相结合的方法，结合工程实例，研究了土钉墙坡比和排桩的桩径与间距在明挖隧道深基坑支护中的选取，选取原则概括如下：土钉墙保持滑动稳定前提下，坡比取大值；工程地质条件好，且不受地下水影响情况下，排桩的桩径和间距取大值，反之取小值。武松等[6]采用模型试验、数值模拟和现场实测相结合的方法研究了超前管棚应用于浅埋软岩公路隧道的支护机制，研究表明，管棚与初期支护形成的体系刚度越大使围岩的松弛变形和应力释放就越小，进而能有效控制围岩变形。王占生等[7]通过分析施工现场变形监测数据研究了SMW工法桩加固基坑过程中下卧地铁盾构隧道的变形规律，结果表明加固顺序、施工机械荷载和加固范围是隧道变形的重要影响因素，具体表现为加固区域内隧道变形比加固区域外隧道大。方星桦等[8]采用数值模拟方法对比和分析了复合式衬砌与锚喷衬砌的支护效果，并经现场试验验证，结果表明锚喷衬砌的变形量和围岩接触压力均较小，能比较充分地利用混凝土的抗压强度和确保支护结构稳定，且安全性和经济性俱佳。综上可知，超前支护技术能有效控制地表沉降和围岩变形，支护时机的选择对最终的支护效果有很大影响。对于支护的刚度和形式，应以充分发挥支护刚度和材料性能为目标，以取得良好的支护效果。

1.2 软岩隧道支护机理

软弱围岩是隧道工程领域实践中所遇到的较棘手难题，由于围岩自承力较弱，往往还受到较高地应力作用，在隧道开挖过程中会发生较大变形，甚至破坏，进而导致工程事故发生，为此专家学者们对软弱围岩的变形和加固技术进行了相关研究。例如，徐祯祥等[9]通过模型试验方法研究了软弱围岩在不同方向高地应力作用下衬砌结构的力学特性，基于此提出相应的衬砌结构选型方法；建议采用马蹄形隧道断面形式和多层复合衬砌，能较好地适应高地应力作用下的软弱围岩。刘全林等[10]采用理论分析和现场实测相结合的方法研究了软弱围岩巷道的锚注支护机理和变形情况，基于黏弹性分析推导了锚注支护结构的围岩径向位移计算公式，公式所求出的位移值与实测值误差很小，能满足工程实践需要。剧仲林[11]研究了初期支护在软岩隧道沉降变形控制中所起到的作用，得出了与许多学者不同的观点，认为矿山法施工软岩隧道不必设置预留变形量，并提出新奥法围岩自承的实现不是通过容许变形的释放，支护变形的真正原因是基底承载力不足。针对以上观点，得出初期支护的变形控制需解决两方面问题，即支护底脚地基承载力与支护结构强度。经计算得出，系统分布锚杆能充分降低支护结构所承受的内力，进而降低对支护结构的承载力要求和减小基底应力，最终有效控制隧道变形和沉降。软岩隧道变形控制应以完全控制为目标，软弱围岩的预留变形量可不必设置，同时考虑到隧道施工本就是具有一定时间跨度的作用过程，因此人为释放围岩应力不必要。张德华等[12]采用数值模拟和现场试验相结合的方法，研究不同双层支护方案应用于软岩大变形隧道中的支护效果，研究结果表明双层支护结构能有效控制隧道变形，进而确保围岩稳定；此外，还分析了双层支护的合理形式和提出第2层支护最佳施作时机的确定方法，对在软岩大变形隧道初期支护效果的提升具有重要意义。钟友江等[13]采用数值模拟和现场实测相结合的方法研究了高地应力软岩隧道双层初期支护的钢拱架布设方式和支护时机，结果表明双层初期支护的钢拱架宜采用交错布置形式，能有效控制围岩的应力和变形，降低初期支护内力和减少喷射混凝土开裂，并提出第2层初期支护宜在首层初期支护承载极限范围内及时施作。方中明等[14]通过数值模拟方法研究了高地应力软岩隧道施作支护的时机和预留变形量，研究结果表明，隧道开挖过程中围岩以蠕变变形为主，提出隧道支护的时间为隧道开挖后的15～25d，预留变形量则为掌子面开挖后到二次衬砌支护施作前的总变形量。由以上研究成果可知，针对软岩隧道支护，提出合理的隧道截面设计形式、改进的支护方法、新型的支护结构形式和支护施作的合理时机。值得注意的是，关于软弱围岩的支护存在两种相悖的观点，一种是认为对软弱围岩的支护应以变形的完全控制为目标，无须预留变形量；与之相反的观点是认为预留一定变形量十分必要。

1.3 支护机理定量化初探

充分揭示围岩和支护的作用机理，对支护的设计和隧道稳定性评价有着十分重要的意义。例如，王明年等[15]通过模型试验方法研究了隧道支护体系的力学特性，指出围岩承受了大部分地应力，初期支护和二次衬砌分别承受了其余作用在支护体系上的地应力，其中二次衬砌承受地应力最少；验证了新奥法的基本原理，即充分利用围岩自身承载力。唐仪兴等[16]使用数值模拟方法研究了近距离双隧道施工过程中围岩和支护的受力特性，表明同时开挖双隧道较开挖单隧道稳定性有所降低，双隧道洞室同时开挖会相互影响造成洞室周边位移加大，控制两开挖洞室的距离能降低开挖的影响效应。徐干成[17]针对国内隧道工程定性设计这一现状，使用理论分析、新奥法专家经验和现场实测相结合的方法研究了洞室锚喷支护抗力的计算，并基于黏弹性边界元理论建立了预测围岩变形的实用方法。吴波等[18]使用理论分析和现场实测相结合的方法研究了隧道围岩在锚喷支护下的稳定性，计算出围岩和支护体系随时间变化下的应力和位移，对隧道稳定性的量化评价具有相当的参考价值。朱永全等[19]采用数值模拟方法计算了不同埋深条件下各级围岩中铁路隧道初期支护的极限位移，针对不同指标选用特定的判据，综合确定了判别铁路隧道位移的极限位移数据。沈才华等[20]采用理论分析方法研究了隧道开挖过程中型钢拱架支撑稳定性，提出一种预测和判别柔性支撑稳定性的方法，能较好地预测初期支护的稳定性状态。贾剑青等[21]采用数值模拟和现场实测相结合的方法分析了方斗山隧道支护结构的稳定性，研究了掌子面与隧道洞口断面在一定间距下支护结构的应力和位移状态，表明间距在30m左右时支护结构的应力和位移在增长一段时间后逐渐稳定。谷拴成等[22]采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了锚杆支护强度的不同对围岩稳定性的影响，研究表明锚杆加固围岩的2个重要影响因素是锚杆长度和锚杆排距，锚杆支护设计应长而疏、短而密；同时，基于理论分析，提出围岩稳定性量化评价方法，可用于快速判断采用锚杆支护围岩的稳定性。张顶立等[23]采用理论分析方法研究了隧道支护体系的支护机理，研究表明隧道支护主要起着调动和协助围岩承载作用，并明确初期支护为主要承载单元和二次衬砌为安全储备；此外，提出一种定量化的隧道支护体系设计方法。周建等[24]采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了深埋隧洞支护体系的分步支护合理时机，综合考虑隧洞开挖时空效应、衬砌时效特性和支护分步施加时机，基于莫尔-库仑强度准则，解得深埋隧洞复合式衬砌加固分步支护的弹塑性解析解，并给出支护结构分步施加时机的建议值。赵晨阳等[25]采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法研究了隧道中双层预支护体系的协同作用机理和支护效果；将预支护结构、土体和连续墙分别简化为梁单元、弹簧单元和弹性支座，基于所建立的隧道双层预支护体系的力学模型，推导了上下层耦合挠曲微分方程组理论解；理论解与实测结果相比较，表明双层预支护中间土体的强度和水平旋喷桩的直径对支护效果有较大影响。通过以上研究成果可看出，揭示支护和围岩在保持隧道稳定的作用机理方面已取得一定的研究进展，许多学者尝试用定量方法确定围岩和支护的应力与位移，并以此作为判别隧道稳定性的依据。对不同埋深条件下的隧道、隧道开挖的时空效应和洞室效应也开展了相关的研究工作，为建立系统的隧道稳定性评价方法和隧道加固方法奠定了坚实基础。

2 特殊环境和地层中的隧道支护

2.1 特殊环境中的隧道支护

鉴于隧道工程施工环境的复杂性，对在特殊环境中的隧道支护进行研究具有重要的现实意义。江亦元等[26]以昆仑山隧道为依托，通过室内试验、现场试验和施工现场实测相结合的方法研究了高原冻土隧道湿喷混凝土支护的可行性，实际施工情况表明湿喷混凝土同其他支护措施配合使用具有良好的支护效果，由此证明湿喷混凝土应用于高原冻土环境隧道施工中可行。谭忠盛等[27]采用模型试验方法和光纤光栅测试技术研究了特定防排水方式下海底隧道的衬砌结构受力特性，结果表明隧道施工过程中初期支护只承受部分水压，掌子面推进的影响范围约为2倍洞径。王明年等[28]采用数值模拟方法进行热-应力耦合模拟，研究了穿越高岩温铁路隧道支护体系在不同岩温下的稳定性，并比选了此类隧道的新型支护体系，进而对高岩温铁路隧道支护体系进行了分级，依据岩温的不同分为4级，为此类隧道的支护体系选择提供了参考。熊怡思等[29]采用理论分析和现场实测相结合的方法研究了大断面浅埋隧道下穿水塘的超前支护技术加固效果，研究表明采用袖阀管可保证帷幕注浆质量，失水固结是导致水塘附近产生地表沉降的主要原因，通过上半断面帷幕注浆可有效控制隧道拱顶沉降，并指出应及时施作初期支护控制前期的拱顶沉降。刘宁等[30]以锦屏二级水电站深埋隧洞为依托，研究了具有岩爆风险深埋长大隧洞的支护性能要求，提出相应的支护选型方法，支护需满足加固、支撑和兜网3方面要求；针对锦屏二级水电站深埋隧洞工程特点，对多种组合支护方案进行了现场应用试验和综合效果评价，确定了最终的组合支护方案；该支护方案包括的支护方法有喷射钢纤维混凝土、水胀式锚杆、局部机械涨壳式预应力锚杆和带外垫板的砂浆锚杆。王克忠等[31]针对断层破碎带中地下洞室现有支护形式的不足，提出一种强柔性支护技术，通过在挂网喷射混凝土中增加钢筋拱肋，该技术能有效控制断层破碎带中大型洞群围岩变形，增强洞群稳定性。上述研究涉及高原冻土环境隧道、海底隧道、高岩温隧道、下穿水塘的大断面浅埋隧道、具有岩爆风险的深埋长大隧道和穿越断层破碎带的隧道，工程环境可谓十分复杂，令人欣慰的是专家学者们所做的研究工作填补了以上领域的空白，为今后在类似复杂环境的隧道支护设计和施工提供了有价值的参考。

2.2 特殊地层中的隧道支护

特殊地层和特殊环境非常类似，但又有其自身的特点。张德华等[32]采用现场试验和数值模拟相结合的方法研究了高地应力软岩隧道中型钢钢架和格栅钢架的支护效果，通过对比分析提出先架立格栅后加设套拱的先柔后刚支护结构，能应用于高地应力软岩隧道。李雪峰等[33]采用数值模拟方法研究了隧道穿越红黏土与砂岩夹泥带的初期支护优化问题，研究表明控制隧道变形和初期支护应力的2个重要因素是初期支护厚度和钢拱架间距，而边墙锚杆则效果不显著。耿建仪等[34]针对小净距隧道中岩柱受到多次施工扰动的实际情况，通过数值模拟方法研究了多种隧道净距中岩柱的受力特征，对比分析了多个中岩柱支护参数，提出了支护优化方案，支护优化方案体现在对拉锚杆预应力、锚杆长度和对拉锚杆环向与纵向间距4项主要支护参数不同取值对比分析支护效果的择优，并经实际工程应用和现场实测验证了优化方案的可行性。成子桥等[35]采用理论分析和现场试验相结合的方法研究了锚杆在泥质粉砂岩地层中的支护效果，研究表明锚杆支护在有效控制泥质粉砂岩地层隧道初期支护的拱顶沉降和水平收敛方面作用不明显，但能约束拱架，进而减小拱架受力。李小丰[36]通过理论分析方法研究了穿越富水粉细砂地层隧道的渗流特性，利用保角变换推导了地下水稳定渗流作用下截面形式为马蹄形的山岭隧道渗流场的解，结合工程实例基于建立的模型计算出地下孔隙水压力分布，并针对太达村隧道工程所处的特殊地质条件，分析比较几种主要的支护和降水方案，确定了科学合理的超前降水支护方案。综上可知，所研究的特殊地层涵盖高地应力软岩地层、红黏土与砂岩夹泥带地层、泥质粉砂岩地层和富水粉细砂地层，对于此类特殊地层中的隧道，研究的重心在支护优化和适应性方面。相较于特殊环境中的隧道，其自身特点体现在隧道施工前地层预处理措施，如在隧道施工前对富水粉细砂地层进行降水。

3 隧道支护新材料

新材料的应用为隧道支护领域的研究提供了新的切入点，在支护形式固定的情况下带来适应性和支护效果的提升。王朝东等[37]研究了人工砂在隧道喷射混凝土支护的应用，对比人工砂与天然砂在技术、经济和实施方面的优缺点，结果表明人工砂用于隧道喷射混凝土支护在技术可行性、经济性和安全性3方面都有保障，可进一步推广应用。朱永全等[38]研究了聚丙烯纤维网喷射混凝土的性能，表明抗拉、抗折、抗弯和抗渗水压力强度相较于传统素喷混凝土都得到大幅度提高，并且减少了喷射作业的回弹损失量和粉尘量，丰富了隧道衬砌形式和拓宽了喷锚式衬砌的应用场景。马栋等[39]依托成兰铁路柿子园隧道，对比分析了高强度钢筋格栅和型钢拱架在软弱围岩中的支护效果，结果表明高强度钢筋格栅表现出柔性支护特点，与混凝土协调工作性能好，可更好地控制围岩和支护的受力，进而有效控制隧道变形；同时具有强度等级高的特点，能提供更高的强度安全储备。隧道支护新材料的研究和应用表明，新材料的应用相较于支护形式的改良复杂性要更低，并且便于推广应用。

4 隧道支护新技术

4.1 传统隧道支护技术革新

现有支护技术的革新为解决隧道工程问题提供了全新的解决方案，不仅提升了效率，还能在保证经济性的基础上取得更好的支护效果，同时适用的场景也更丰富。例如，周继望[40]就软弱围岩加固现状和施工存在的关键性问题针对性提出一种新型锚固技术，集钻、锚、注于一体；在实际工程中的应用表明，此技术适用于隧道狭窄、洞口浅埋及不良地段施工环境，也可应用于洞室内长锚杆径向支护和路基边坡防护。袁勇等[41]针对超大断面低扁平率公路隧洞传统支护体系的不足，使用数值模拟方法研究了先成预应力结构新型支护体系在此类隧道的应用，研究表明先成预应力结构能提升毛洞的稳定性，改善围岩应力状况和减小洞顶沉降。李术才等[42]针对隧道工程大变形问题，研发出钢格栅混凝土核心筒支护体系，适用于高应力软弱破碎地质条件。通过现场试验证明此新型支护体系能有效控制高应力软弱破碎围岩的大变形，进而减少大变形所导致灾害事故的发生。钢格栅混凝土核心筒支护体系的设计理念为“先让再抗后刚”。陈洪凯等[43]针对锚杆加固围岩稳定性的提升，研发出隧道径向-斜交锚杆复合支护技术，并基于厚壁圆筒弹塑性理论推导了锚杆和锚钉组合长度计算公式。此种复合支护技术可缩小围岩塑性区半径和增加锚杆在围岩稳定区的长度，进而提高支护体系的整体承载力。宋远等[44]通过正交数值模拟试验研究了新型支护结构4种主要支护参数对隧道围岩稳定性的影响，结果表明喷射混凝土的强度等级是最主要的围岩稳定性影响因素，波纹钢板厚度、砂浆锚杆长度和间距为次要影响因素，并针对工程所处地区的地质情况，对比分析了不同支护参数组合的支护效果，选取了最优支护参数组合，经强度验算满足支护要求，可为类似工程提供参考和借鉴。刘宇鹏等[45]采用理论分析方法研究了长、短锚杆联合支护技术在高地应力软岩隧道中的应用，研究表明针对此类隧道采用长、短锚杆联合支护应首先用短锚杆，之后再用长锚杆，并综合考虑锚杆长度和围压的多方面影响，提出一种计算长锚杆支护长度的方法。事实证明针对传统支护方法进行改良和革新，为解决复杂环境和地层所产生的工程问题开辟了新路，所带来的是支护效果的全面提升。

4.2 新技术在施工设备研发和支护设计中的应用

近些年专家学者们做了一些研究，如刘钟等[46]研制出国内首台大型液压双摇臂式全方位高压喷射注浆钻机和相应的配套设备，提出隧道全方位高压喷射注浆拱棚超前支护新工法，通过现场足尺试验验证了新工法能保证加固体质量和有力控制周边岩土体变形。王松等[47]针对传统盾构重叠隧道施工临时支护方案存在的一系列问题，在综合考察既有支护方案技术经济指标基础上设计出一种全自动新型液压支护台车，通过数值模拟进行了强度校核，应用于实际工程中取得良好效果，在保证隧道结构安全的同时显著提升支护效率。李晓冉等[48]运用工业机械臂的控制方法，并辅以二次开发，研究了隧道新型波纹钢初期支护快速装配施工技术；通过仿真试验验证了该技术的可行性，所得到的仿真数据可为实际工程应用提供依据。何军涛等[49]基于博弈理论综合考虑安全性因素和经济性因素建立了收益函数，采用数值计算软件评定不同支护方案的收益，并进行博弈比选。作为一种综合考虑安全性和经济性的量化比选方法，能使支护设计更加科学合理并快速选定较优的支护方案。刘兆新等[50]基于隧道初期支护构件的设计和施工特点，采用Revit二次开发实现了初期支护构件的参数化建模和自动布置，相较于传统建模方式提升了效率，推动了BIM技术在隧道工程领域的应用。

施工设备自动化程度高，可极大限度地改善支护效率和降低施工人员的作业强度，隧道工程本身就有劳动强度大、施工环境恶劣特点，因此新施工设备的研发具有十分重大的意义。例如，博弈理论和数值计算软件的结合实现支护设计方案的比选定量化，解决了传统比选方法量化评价不足问题。此外，BIM技术在隧道支护领域的应用，为支护设计方案的提出带来效率的显著提升。当前新技术在施工设备研发和支护设计中的应用取得一定进展，具有十分广阔的前景，值得隧道工程领域的科研工作者加以关注。

5 展望

1)隧道支护机理方面 以地表沉降、围岩变形和支护受力情况等作为评价指标，系统评价不同地层情况超前支护方案的适应性。对软岩隧道的研究要确定是否应以变形完全控制为目标，在此基础上确定合理的支护时机和组合支护方案。根据现有典型隧道和常用支护方案，确定围岩和支护的荷载分担率，以此为依据改进支护体系。从研究合理支护形式的角度，解决隧道开挖洞室效应的问题。

2)隧道支护定量化研究方面 不同围岩和支护材料相应的变形特性与物理参数的确定尚需开展大量研究工作，为隧道稳定性定量评价方法和隧道支护的定量设计方法提供基础依据。不同埋深条件下各级围岩隧道的初期支护极限位移判别隧道稳定性的定量方法还有待进一步深入研究，应充分考虑涉及的相关基本理论和实际情况的复杂性，以此为基础建立评价隧道稳定性的位移判别准则。

3)特殊环境和地层中的隧道支护方面 高原冻土环境隧道、海底隧道、高岩温隧道、下穿水塘的大断面浅埋隧道、具有岩爆风险的深埋长大隧道和穿越断层破碎带的隧道，相应隧道支护方案的提出和优选，建立相应的隧道支护体系定量设计方法和隧道稳定性定量评价方法。高地应力软岩地层、红黏土与砂岩夹泥带地层、泥质粉砂岩地层和富水粉细砂地层施工预处理方案和隧道支护方案的提出和优选，建立相应的隧道支护体系定量设计方法和隧道稳定性定量评价方法。

4)隧道支护新材料和新技术方面 前面提及人工砂、聚丙烯纤维网喷射混凝土和高强度钢筋格栅。隧道工程也应适应绿色发展的需要，研发适应特殊地层和环境的新型绿色材料。大数据技术可用来收集和处理国内外可供使用的海量隧道施工数据，根据支护效果建立材料-地层数据库，创新材料使用，全面提升我国隧道工程领域信息技术的应用水平。机器人技术在实现隧道初期支护自动化装配的应用方面目前尚处于探索阶段，还需进一步完善功能和解决细节问题，再通过物理试验验证此项技术的实际效果。BIM技术在隧道支护领域的应用目前处于初期阶段，尚有大量研究工作要做，如拓展初期支护构件建模范围和自动附加模型信息。新型支护体系的设计和新型施工设备的研发，其中新型施工设备应以提高自动化程度和智能化程度为主，智能化程度体现在人工智能技术的应用。

6 结语

本文始终以隧道支护为中心展开讨论，但通过以上研究成果和探讨可知，围岩和支护紧密联系在一起，对支护的研究要基于其与围岩的相互作用机理。现阶段所采用的研究方法主要包括理论分析、数值模拟、物理模型试验和现场实测，每种方法都有其特点和优势所在，并互为补充和相互印证，为隧道支护领域的研究提供坚实支撑。同时，需要指出的是，隧道支护领域的定量化研究还有很多工作要做，根本原因是此领域问题固有的复杂性和岩土与地下工程领域现有技术水平的限制。因此，在今后的研究工作中，要借助不断发展的技术手段实现隧道支护领域的定量化研究，以建立系统的隧道支护体系定量设计方法和隧道稳定性定量评价方法。