摘要：随着我国基础设施建设的蓬勃发展，公路隧道占比越来越高，软岩隧道越来越多，软弱围岩隧道支护参数选取多依靠工程类比和工程经验，影响工程成本。本文分析了软岩公路隧道研究现状，隧道初期支护研究现状，分析了目前软岩隧道存在的问题，为软岩隧道的设计提供参考。
关键词：软弱围岩隧道初期支护
1前言
当前我国基础设施建设正经历着前所未有的蓬勃发展阶段，隧道越来越多的出现在公路、铁路、城市等的建设中。随着我国隧道建设越来越多，隧道支护技术也已经取得了较大的进步，但由于软岩特有的强度低、大变形等特性，软岩隧道的支护仍存在一些问题。且在软弱围岩隧道设计过程中支护参数的选取多依靠工程类比和工程经验，影响了隧道工程的安全性和经济性。在新奥法中，初期支护与围岩共同承载围岩压力，并限制围岩的变形，对隧道的稳定具有决定性作用。由于初期支护在隧道建设过程中的巨大影响，科学合理的选择支护参数变得极为重要。
当前在选择软岩隧道初期支护的参数时主要依靠的是经验及工程类比，但由于软岩地质条件较为复杂，类比和经验往往无法兼得隧道的安全与经济。设计者出于对安全储备的考虑，往往选择较大的支护参数，虽然安全性得到了保障，但却造成了极大的资源浪费。如何在经济合理又安全可靠的前提下进行隧道初期支护参数的设计，是目前软岩隧道领域尚待完善的课题。
2软岩公路隧道研究现状
近些年来，随着地下工程的普及，越来越多的学者开始致力于软岩隧道的研究。在实验方面，张东、李永靖等研究了软岩的蠕变理论，揭示了软岩的蠕变具有非线性这一特点，并根据实验结果创建了软岩的非线性蠕变方程，通过理论研究，得出了控制软岩蠕变变形的根本方法；其他学者则通过研究不同类型软岩的物质组成成分及微观结构，得出了软岩具有大变形、膨胀性、崩解性和流变性等特点，使人们深入认识了软岩的形成机理和特性。
在工程应用方面，国内的学者依托诸多工程实例及数值模拟，在软岩的治理上取得了不少成果。其中关宝树通过对高地应力条件下软岩隧道的数值模拟，得出了软岩隧道的变形规律，并通过总结国内外隧道施工过程中的重点及难点问题的解决方法，比较全面的阐述了软岩隧道的施工技术，提出了软岩隧道初期支护的五种基本形式：①喷射混凝土单独使用；②喷射混凝土+局部锚杆；③喷射混凝土+系统锚杆；④喷射混凝土+钢架；⑤喷射混凝土+系统锚杆+钢架。张学钢以白炭坞软岩隧道为研究课题，总结了软岩隧道的常用施工方法，并根据白炭坞隧道建设历程中发生的渗水、塌方及大变形等问题，分析了软岩隧道出现上述问题的原因并提出了解决方法；薛晓辉[2]等依托武都西隧道，通过现场工程地质调查、理论分析、现场监测等手段，揭示了软岩隧道的大变形特征及失稳机理，提出了钢花管注浆加固边墙、增设护拱并充填泡沫混凝土、基底注浆加固的优化对策，并通过监控量测对优化措施进行了评价；赵长海[3]等以顶山隧道为研究背景，介绍了极软岩的开挖方法及支护措施，并通过监控量测对极软岩隧道的施工质量进行了评价；刘志春[4]等以乌鞘岭隧道软弱破碎段长期、全面的监控量测数据为依托，分析了不同施工步骤对初期支护的影响、位移的分布规律、围岩压力与位移的关系、结构荷载的侧压力系数和二次衬砌接触压力占围岩压力的比例，并预测了量测项目的最终值，提出了软岩隧道二次衬砌的最佳施作时机。
在国外，R.Yoshinaka等通过对不同种类的软岩进行三轴固结不排水剪切试验，发现软岩在高围压作用下其变形模量为非线性增长。C．Wang 等通过对软岩隧道现场监控量测数据的分析，总结了软岩隧道地层压力的变形特点，并根据变形特点提出了针对性的理论控制方法。
上述国内外学者从理论及工程实际方面对软岩隧道的不同方面进行了研究，并得出了一系列有利于软岩隧道建设的结论，为软岩隧道的开挖提供了坚实的基础，但是针对软岩隧道实际工程中初期支护的优化研究却少有涉猎。
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3隧道初期支护参数研究现状
目前，国内外学者在选择软岩隧道初期支护参数方面做了相关研究。
文竞舟等根据隧道初期支护中钢拱架的特点与受力性能，建立了以钢拱架和喷射混凝土为主的隧道复合初期支护力学模型。依托实际工程中钢拱架应力的监测数据，求导出了隧道复合初期支护内力解析式，从而掌握了隧道应力集中部位的位置，为隧道支护参数的选择提供了依据。许才仗[7]利用有限元对八苏木隧道台阶法施工中不同的上台阶开挖高度及初期支护中不同的喷射混凝土厚度进行数值模拟，比选了最优的上台阶开挖高度和初期支护厚度，从而优化了施工参数，为类似工程的设计施工提供了借鉴。刘秀敏[8]基于岩石力学基本原理和新奥法指导思想以软弱围岩大断面隧道为研究对象，使用有限元软件对台阶法开挖时不同的锚杆布置方案进行数值模拟，从而比选出了最合理的软岩隧道锚杆支护参数。在保证隧道安全的前提下兼顾了隧道建设过程中的经济性，为类似工程提供了参考。李岳[9]以锚杆支护理论为基础，利用数值模拟方法对大变形隧道支护结构中的长锚杆和长短锚杆组合的支护效果进行了比较分析，并研究了长短锚杆参数对支护效果的影响，其发现长短锚杆的锚杆间距、排列方式及长度均存在最优值，三者对支护效果的影响由大到小排列。周昌达通过对喷射混凝土三心拱及半圆拱进行实验，通过施加径向及纵向荷载对比分析了三心拱及半圆拱的变形及承载能力，得出了薄喷层承载能力的大小是影响粉砂状矿体支护成功与否的关键。并对比分析了素喷射混凝土拱和配竹筋喷射混凝土拱的承载能力，表明配竹筋喷射混凝土可大大支护结构的提高承载能力。方树林[11]等依托塔然高勒煤矿软岩巷道，采用振弦式混凝土应力计对高预应力强力锚喷支护结构中的喷射混凝土受力状态进行了监测。根据监测数据得出了隧道喷层内部会产生轴向、径向和切向三种应力，三种应力在空间上表现为拱顶、拱腰、墙腰三者依次增大，墙脚有所降低，左右均匀对称分布的特点，为进一步研究软岩隧道喷射混凝土提供了依据。李建、谭忠盛[12]依托郑西高速铁路贺家庄隧道，对大断面黄土隧道支护结构中的钢拱架进行了研究。通过现场设置对比试验段发现，型钢钢架及格栅钢架在初期支护中的变形相差无几，但在应力上，格栅钢架的应力小于型钢钢架的应力，在应力分布上，前者相对比较均匀，后者则分布很不均匀，并由此确定了型钢拱架和格栅拱架的适用条件。
4目前存在的问题
目前，大多数软岩隧道的设计是基于经验与类似隧道，选择的初期支护参数多趋于保守，造成了不必要的资源浪费。因此，在软岩隧道的建设中，如何在选择支护参数时同时兼顾经济与安全是当前面临的一个重要问题。
参考文献：
[1]张学钢. 白炭坞软岩公路隧道施工技术研究[D].长安大学，2008.
[2]薛晓辉，张军，宿钟鸣，孙志杰，员康锋.高地应力软岩隧道大变形失稳机理及支护对策研究[J].公路，2015，60（03）：223-228.
[3]赵长海，周小兵，贺建国，王军，李伯昌，刘忠富.极软岩隧洞的设计与施工[J].岩石力学与工程学报，2006（S1）：3034-3039.
[4]刘志春，李文江，孙明磊，朱永全.乌鞘岭隧道F4断层区段监控量测综合分析[J].岩石力学与工程学报，2006（07）：1502-1511.
[7]许才仗. 复杂地层大断面隧道围岩分级研究及施工参数优化[D].西南交通大学，2014.
[8]刘秀敏. 软岩大断面隧道锚杆的优化设置[D].华中科技大学，2007.
[9]李岳. 大变形隧道长短组合锚杆支护技术研究[D].西安科技大学，2012.
[10]周昌达. 喷射混凝土拱承载能力试验[J].昆明工学院学报，1988（04）：14-19.
[11]方树林，康红普，林健，张剑.锚喷支护软岩大巷混凝土喷层受力监测与分析[J].采矿与安全工程学报，2012，29（06）：776-782.
论文作者:王育奎
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/21
标签：隧道论文; 围岩论文; 混凝土论文; 初期论文; 应力论文; 工程论文; 参数论文; 《基层建设》2019年第19期论文;