隧道及地下工程的基本問(wèn)題及其研究進(jìn)展1)

張頂立

(北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京100044)

隧道及地下工程的基本問(wèn)題及其研究進(jìn)展1)

張頂立2)

(北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京100044)

作為隧道及地下工程學(xué)科的3個(gè)基本問(wèn)題，隧道圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)--圍巖相互作用和結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng)一直都是本學(xué)科研究的核心問(wèn)題，本文圍繞上述問(wèn)題重點(diǎn)分析了隧道圍巖力學(xué)特性及其載荷效應(yīng)，建立了深淺層圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，并通過(guò)分析深層圍巖中結(jié)構(gòu)層穩(wěn)定性得到了圍巖特性曲線(xiàn)的解析公式，提出了圍巖結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)及載荷效應(yīng)的計(jì)算方法；通過(guò)對(duì)隧道支護(hù)與圍巖作用關(guān)系的分析，將支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)作用分為4個(gè)階段：即自由變形、超前支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌階段.由此提出了動(dòng)態(tài)作用全過(guò)程的描述方法；基于廣義與狹義載荷的理念，提出隧道支護(hù)具有調(diào)動(dòng)和協(xié)助圍巖承載基本功能的觀點(diǎn)，明確了兩種功能的實(shí)現(xiàn)方式，即通過(guò)圍巖加固、超前加固及錨桿支護(hù)實(shí)現(xiàn)調(diào)動(dòng)圍巖承載，通過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)助圍巖承載；針對(duì)復(fù)雜的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，提出了多目標(biāo)、分階段協(xié)同作用動(dòng)態(tài)優(yōu)化概念，可使各種支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的協(xié)調(diào)，提高可靠性；針對(duì)極不穩(wěn)定的復(fù)雜隧道圍巖的安全性特點(diǎn)，建立了3種模式的安全事故機(jī)理模型，基于工程響應(yīng)特點(diǎn)提出了安全性分級(jí)的新理念，并形成了分級(jí)指標(biāo)體系和分級(jí)方法；針對(duì)水下隧道及富水圍巖條件，建立了3種模式的隧道突涌水機(jī)理模型，提出了基于圍巖變形控制的安全性控制理論和方法.最后，對(duì)本學(xué)科發(fā)展的熱點(diǎn)和核心問(wèn)題進(jìn)行了分析和展望.

隧道圍巖,支護(hù)結(jié)構(gòu)體系,支護(hù)--圍巖動(dòng)態(tài)作用,支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

截止到2015年底，中國(guó)已建成運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道13038km，其中高鐵隧道3200km，建成運(yùn)營(yíng)的公路隧道12683.9km，城市軌道交通3286km、水工隧道11000km，此外還有大量的市政隧道以及城市地下空間開(kāi)發(fā)工程，可以說(shuō)，中國(guó)已成為名副其實(shí)的隧道及地下工程大國(guó).然而，鑒于隧道及地下工程學(xué)科的實(shí)踐性特點(diǎn)，對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)較多，目前尚未形成系統(tǒng)理論與技術(shù)體系，這一方面是由于中國(guó)地質(zhì)條件及其力學(xué)行為極其復(fù)雜，另一方面也說(shuō)明隧道建造理論嚴(yán)重滯后于工程實(shí)踐，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)工程實(shí)踐取得了快速發(fā)展，在世界范圍內(nèi)，尤其是國(guó)內(nèi)近年來(lái)建成了諸多復(fù)雜的隧道及地下工程，但其中理論指導(dǎo)作用顯然沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的作用，在工程可靠性與經(jīng)濟(jì)合理性的平衡中缺乏必要的理論支撐.

(2)工程建設(shè)中安全事故頻發(fā)，其深層次的原因是對(duì)安全事故孕育、演化和形成機(jī)理缺乏系統(tǒng)深入的研究和認(rèn)識(shí)，由此造成控制措施不到位，難以做到精細(xì)化設(shè)計(jì)和施工，安全控制沒(méi)能實(shí)現(xiàn)定量化和規(guī)范化.

(3)隧道工程設(shè)計(jì)仍然是以工程經(jīng)驗(yàn)為主的設(shè)計(jì)方法，工程案例數(shù)量的有限性、工程條件的局限性以及工程經(jīng)驗(yàn)的可靠性都使得既有工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)復(fù)雜隧道工程設(shè)計(jì)方案的指導(dǎo)作用受到很大限制.

隧道及地下結(jié)構(gòu)是一個(gè)由圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng).圍巖條件的復(fù)雜多變性、載荷效應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)性能的不確定性，使得本學(xué)科的理論指導(dǎo)作用不像其他學(xué)科更易于實(shí)現(xiàn)定量化.隧道工程建設(shè)及地下空間開(kāi)發(fā)規(guī)模不斷加大，僅僅依靠工程經(jīng)驗(yàn)難以滿(mǎn)足其安全性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)先進(jìn)性的要求，建立相應(yīng)的技術(shù)體系顯得非常必要和迫切，同時(shí)大量理論研究與工程經(jīng)驗(yàn)的積累也為系統(tǒng)理論體系的建立提供了重要的工作基礎(chǔ).

為此，本文從隧道及地下工程的本質(zhì)特征出發(fā)，凝練出本學(xué)科的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，并指出了學(xué)科所面臨的挑戰(zhàn)、問(wèn)題破解途徑以及相關(guān)工作研究進(jìn)展，旨在提升本學(xué)科的科學(xué)內(nèi)涵和學(xué)術(shù)層次.

1 隧道及地下工程學(xué)科的基本問(wèn)題

本質(zhì)上，隧道及地下工程就是在地面以下的地層中開(kāi)掘一個(gè)空間，以滿(mǎn)足不同的功能需求，由此使長(zhǎng)期處于平衡狀態(tài)的地層因開(kāi)挖擾動(dòng)而發(fā)生應(yīng)力調(diào)整及變形，并試圖盡快形成新的平衡狀態(tài).然而，地層條件的差異性使圍巖出現(xiàn)不同的穩(wěn)定狀態(tài)，有些圍巖通過(guò)應(yīng)力調(diào)整達(dá)到了新的平衡狀態(tài)，而有些圍巖則難以實(shí)現(xiàn)自行平衡，隨變形的發(fā)展而出現(xiàn)破壞和失穩(wěn)，危及工程安全.顯然，隧道工程學(xué)科所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題就是促使圍巖盡快形成新的平衡狀態(tài)，而不致發(fā)生破壞和失穩(wěn).因此必須在圍巖穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行適時(shí)、適當(dāng)?shù)耐獠扛深A(yù)，這便構(gòu)成了隧道設(shè)計(jì)和施工的核心內(nèi)容.

綜上可見(jiàn)，隧道及地下工程的基本問(wèn)題包括隧道圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)與圍巖的作用關(guān)系以及支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)等3個(gè)方面，如圖1所示.圍巖穩(wěn)定性的分析和判別是隧道工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，支護(hù)與圍巖動(dòng)態(tài)作用關(guān)系的深化研究是支護(hù)體系及其可靠性設(shè)計(jì)的前提，而支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作用體系的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制則是隧道結(jié)構(gòu)抗震和耐久性設(shè)計(jì)的保障.

圖1 隧道及地下工程的基本問(wèn)題Fig.1 Essential issues of tunnel and underground engineering

(1)隧道圍巖穩(wěn)定性及其評(píng)價(jià)方法

不同地層中的隧道工程活動(dòng)使圍巖穩(wěn)定性差異極大，這也是世界各國(guó)普遍開(kāi)展圍巖穩(wěn)定性分級(jí)的原因.盡管世界各國(guó)及不同行業(yè)提出了各種不同的圍巖分級(jí)分類(lèi)方案，但都大同小異.這雖然對(duì)隧道工程的安全建造和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了積極作用.但對(duì)穩(wěn)定性極差圍巖的認(rèn)識(shí)卻存在較大的分歧，而且總體上尚未得到很好的解決.

事實(shí)上，隧道圍巖作為一種地質(zhì)材料，其穩(wěn)定性是一個(gè)相對(duì)模糊的概念，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)圍巖穩(wěn)定性是指在一定的尺度和空間條件下圍巖能夠自行穩(wěn)定的時(shí)間，這顯然與圍巖的結(jié)構(gòu)是顯著相關(guān)的.對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或松軟破碎的地層，圍巖在掌子面前方就已發(fā)生了嚴(yán)重的變形和破壞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)，這時(shí)需要及時(shí)的外部干預(yù)方能保證隧道工程的安全.

(2)隧道支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系

對(duì)隧道圍巖干預(yù)的方式和時(shí)機(jī)是復(fù)雜隧道圍巖設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，而支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系及其演化機(jī)制則是地層加固和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).隧道圍巖變形和破壞是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，通常始于掌子面前方，而在得到有效支護(hù)以后其變形才趨于穩(wěn)定，在此期間,各種不同形式的干預(yù)共同構(gòu)成復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，并實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用.

在復(fù)雜的支護(hù)體系中，不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)各自承擔(dān)不同的支護(hù)功能.地層的超前加固和預(yù)支護(hù)可以實(shí)現(xiàn)圍巖基本的自穩(wěn)要求，保證圍巖暴露后不致發(fā)生嚴(yán)重破壞和大范圍的失穩(wěn)；錨桿支護(hù)系統(tǒng)既是有效的臨時(shí)支護(hù)，也是永久支護(hù)的組成部分，在具有一定穩(wěn)定性的圍巖條件下是一種高效的支護(hù)形式；而現(xiàn)行的初期支護(hù)則是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，與前述的各種支護(hù)一道實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖安全性的可靠控制；二次襯砌結(jié)構(gòu)通常作為安全儲(chǔ)備，并因其施作時(shí)機(jī)和結(jié)構(gòu)剛度的不同而承擔(dān)不同的載荷份額.

(3)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng)

隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng)主要包括地震響應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)，在一定程度上表征了隧道工程的長(zhǎng)期安全性，地震作為一種復(fù)雜的特殊載荷作用對(duì)隧道結(jié)構(gòu)以及支護(hù)--圍巖的整體性具有更高的要求；隨著隧道使用時(shí)間的延長(zhǎng)，建筑材料不斷老化，結(jié)構(gòu)逐漸劣化，同時(shí)由于圍巖變形的累積也會(huì)使得支護(hù)與圍巖關(guān)系發(fā)生變化，考慮到這種作用的漸進(jìn)發(fā)展特點(diǎn)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)為一種動(dòng)力作用過(guò)程.

隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的突出特點(diǎn)就是隧道結(jié)構(gòu)體系承受一種超常強(qiáng)度和規(guī)模的外載作用，并且呈現(xiàn)周期性，而結(jié)構(gòu)體系的響應(yīng)模式和程度則取決于隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及兩者的作用關(guān)系，這在某種程度上也決定了動(dòng)力作用的結(jié)果.地下結(jié)構(gòu)的抗震性能和結(jié)構(gòu)體系耐久性也是目前研究較為薄弱的重要內(nèi)容.

在隧道工程的上述3個(gè)核心問(wèn)題中，圍巖穩(wěn)定性是最為關(guān)鍵的問(wèn)題，也是研究的重點(diǎn)，它一方面是其他兩個(gè)問(wèn)題研究的基礎(chǔ)，同時(shí)也是隧道及地下工程的特色和難點(diǎn)，那么，對(duì)隧道圍巖變形破壞機(jī)制的研究和穩(wěn)定性判別就顯得尤其重要和迫切.

隧道設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題一是圍巖結(jié)構(gòu)的基本形式及其穩(wěn)定性，二是支護(hù)結(jié)構(gòu)載荷的確定方法，而將兩者建立聯(lián)系的則是支護(hù)與圍巖關(guān)系，這種關(guān)系具有動(dòng)態(tài)性、過(guò)程性和多變性等特點(diǎn)，并通過(guò)力學(xué)轉(zhuǎn)換和變形協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)圍巖結(jié)構(gòu)體系與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同作用.

2 隧道圍巖力學(xué)特性及其載荷效應(yīng)

隧道圍巖的工程響應(yīng)通常表現(xiàn)為圍巖的變形破壞及穩(wěn)定性狀況.由于圍巖條件極其復(fù)雜，圍巖的變形破壞過(guò)程呈現(xiàn)多樣性.圍巖變形起始于掌子面前方，而在支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用下最終達(dá)到平衡與穩(wěn)定.由此可見(jiàn)，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的判別及載荷效應(yīng)的預(yù)測(cè)是隧道設(shè)計(jì)的基本任務(wù).事實(shí)上，任何隧道設(shè)計(jì)理論都必須明確回答兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即圍巖結(jié)構(gòu)的基本形式和支護(hù)載荷的確定方法，按照對(duì)上述問(wèn)題的不同認(rèn)識(shí)和回答方式便形成了各種隧道設(shè)計(jì)理論與方法.

對(duì)圍巖變形破壞機(jī)制的認(rèn)識(shí)是解決上述問(wèn)題的基礎(chǔ)和前提，受隧道施工擾動(dòng)的影響，圍巖的變形和破壞具有顯著的時(shí)空效應(yīng)，即表現(xiàn)為圍巖的漸進(jìn)破壞.在復(fù)雜隧道圍巖的破壞發(fā)展過(guò)程中，通常會(huì)經(jīng)過(guò)變形、破壞、松動(dòng)和失穩(wěn)垮落等階段，并具有分區(qū)和分層破壞特性.由于不同區(qū)域的圍巖穩(wěn)定性和變形過(guò)程不同，它們也表現(xiàn)為不同的圍巖載荷效應(yīng)，并進(jìn)而影響到支護(hù)與圍巖的作用模式和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法.

2.1 隧道圍巖變形及破壞特性

在隧道施工影響下，圍巖發(fā)生應(yīng)力調(diào)整和轉(zhuǎn)移，通常伴隨著變形與破壞.隨著圍巖變形的增大,破壞逐漸發(fā)展，圍巖失穩(wěn)范圍增大，出現(xiàn)不同形式的破壞[1].圍巖變形先后經(jīng)歷4個(gè)階段，自掌子面前方開(kāi)始，依次為緩慢變形、急劇變形、變形減緩和變形穩(wěn)定，如圖2所示.隨著變形的發(fā)展圍巖破壞范圍不斷增大，如圖3所示.

圖2 隧道圍巖變形過(guò)程Fig.2 Deformation process of tunnel surrounding rock

圖3 隧道圍巖破壞區(qū)的發(fā)展Fig.3 Development of tunnel surrounding rock failure zone

緩慢變形階段.隧道施工擾動(dòng)下掌子面前方一定范圍內(nèi)的圍巖因受到應(yīng)力集中的作用而開(kāi)始變形，但由于該處地層尚處于三向應(yīng)力狀態(tài)，受到外部地層的約束,變形量較小，發(fā)展比較緩慢.這一階段的圍巖尚未發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和破壞.穩(wěn)定性較好的圍巖僅發(fā)生少許的變形即可自行平衡和穩(wěn)定.

急劇變形階段.進(jìn)入掌子面附近的圍巖受集中應(yīng)力作用且約束條件發(fā)生變化,地層結(jié)構(gòu)首先失穩(wěn)和破壞，變形急劇增大.處于這一階段的圍巖極易失穩(wěn)，這是隧道施工過(guò)程中發(fā)生坍塌事故的主因.直到圍巖得到有效支護(hù)后變形才趨于緩和，這部分圍巖變形所占比例較大，應(yīng)作為圍巖變形和安全性控制的重點(diǎn).

變形減緩階段.初期支護(hù)施作后,圍巖變形迅速趨緩.隨著初期支護(hù)作用力的增大,圍巖破壞范圍和圍巖變形趨于穩(wěn)定.若初期支護(hù)結(jié)構(gòu)不能提供圍巖所需的支撐力,結(jié)構(gòu)則會(huì)失效，進(jìn)而導(dǎo)致掌子面后方大范圍坍塌.這一階段的核心工作是使圍巖變形盡快穩(wěn)定下來(lái).

變形穩(wěn)定階段.隧道圍巖與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡狀態(tài)，這時(shí)圍巖變形的增加極為緩慢，已無(wú)顯著變形，理論上這時(shí)可以施作二次襯砌結(jié)構(gòu).如在某些條件下圍巖變形持續(xù)發(fā)展而無(wú)法實(shí)現(xiàn)平衡，則需要施作更強(qiáng)的初期支護(hù)或者改善圍巖條件.

需要指出，上述4個(gè)發(fā)展階段因圍巖不同存在較大的差異，并且每個(gè)階段的范圍、圍巖變形量以及穩(wěn)定狀況也各不相同，其控制難度也相差懸殊.工程實(shí)踐中所謂的圍巖大變形通常是指不對(duì)圍巖變形控制，或者僅采取常規(guī)控制措施條件下所出現(xiàn)的現(xiàn)象，而事實(shí)上對(duì)于這類(lèi)圍巖采取相應(yīng)的控制對(duì)策后可將圍巖變形控制在可接受的水平，因此在實(shí)際工程中并不存在真實(shí)的圍巖大變形，但有不同的控制方案.

2.2 隧道圍巖的復(fù)合結(jié)構(gòu)特性

受到施工擾動(dòng)后，隧道圍巖呈現(xiàn)出由內(nèi)向外漸進(jìn)破壞的特點(diǎn).內(nèi)層圍巖首先發(fā)生破壞和失穩(wěn)，隧道上部圍巖表現(xiàn)為垮落，下部圍巖則表現(xiàn)為滑移，由此構(gòu)成隧道圍巖的松動(dòng)區(qū)域，這部分圍巖需要及時(shí)地加以控制，而在此區(qū)域以外的圍巖則處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài).

(1)隧道圍巖變形破壞的結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及工程影響的時(shí)空演化特點(diǎn)，圍巖應(yīng)力狀態(tài)處于不斷變化中，部分圍巖垮落以后應(yīng)力得到轉(zhuǎn)移，因而伴隨著應(yīng)力的調(diào)整，新的傳力拱結(jié)構(gòu)隨即形成，如此循環(huán).當(dāng)圍巖中所形成的傳力拱結(jié)構(gòu)具有一定的自穩(wěn)能力時(shí)，圍巖垮落即行停止，可維持一定時(shí)間的穩(wěn)定.在此時(shí)間內(nèi)可對(duì)圍巖實(shí)行有效的支護(hù).事實(shí)上，這部分松動(dòng)巖體已由及時(shí)施作的支護(hù)結(jié)構(gòu)所支撐，因此通常情況下并不會(huì)發(fā)生垮落和冒頂事故.

考慮松動(dòng)區(qū)邊界內(nèi)外圍巖穩(wěn)定性的差異性，可將隧道周邊一定范圍內(nèi)喪失整體穩(wěn)定性而無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期自穩(wěn)的松動(dòng)區(qū)定義為淺層圍巖，如圖4所示.這部分圍巖需要及時(shí)支護(hù)；在此范圍以外,整體穩(wěn)定性較好而且能夠承擔(dān)地層載荷的圍巖則為深層圍巖.若對(duì)深層圍巖采取及時(shí)有效的支護(hù)和干預(yù)則可保持其穩(wěn)定性.顯然，隧道圍巖通常是由淺層圍巖和深層圍巖復(fù)合而成.

圖4 深淺層圍巖的邊界范圍Fig.4 Boundaries of deep and shallow surrounding rock

(2)深層圍巖的分組破壞特性

由于地層條件以及工程擾動(dòng)效應(yīng)的復(fù)雜性，圍巖失穩(wěn)具有顯著的突發(fā)性和階段性特點(diǎn)，如圖5所示.數(shù)值試驗(yàn)中不同階段的圍巖垮落高度見(jiàn)圖6.

圖5 隧道圍巖壓力拱的發(fā)展過(guò)程Fig.5 Arch development process of shallow buried tunnel

圖6 圍巖復(fù)合結(jié)構(gòu)的形成Fig.6 The formation of surrounding rock compound structure

每組圍巖失穩(wěn)后都將保持相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的平衡.突發(fā)性表明了圍巖變形破壞發(fā)展由量變到質(zhì)變的累積過(guò)程，而階段性則顯然是圍巖失穩(wěn)和破壞的分組性特點(diǎn)，而處于同一組的圍巖具有本質(zhì)的共性特點(diǎn).

作為一種天然材料的地質(zhì)體，結(jié)構(gòu)形式多樣，圍巖應(yīng)力傳遞和變形傳播的時(shí)效性以及工程影響的空間轉(zhuǎn)化特點(diǎn)決定了圍巖破壞的分組特性.

處于同一組的深層圍巖通常同時(shí)垮落，而最內(nèi)側(cè)的一組深層圍巖穩(wěn)定性是控制的關(guān)鍵，它不僅決定了隧道安全狀態(tài)，而且也是支護(hù)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重要依據(jù).

隧道內(nèi)側(cè)的巖層組失穩(wěn)后，外部的拱式結(jié)構(gòu)隨即形成，以便及時(shí)承擔(dān)傳遞的圍巖壓力.而在此過(guò)程中通過(guò)支護(hù)對(duì)圍巖變形進(jìn)行約束是控制圍巖安全性的重要手段.

(3)深層圍巖的結(jié)構(gòu)層效應(yīng)

同一組深層圍巖的同時(shí)或近乎同時(shí)失穩(wěn)這一現(xiàn)象表明，在施工影響下，這組巖層具有相似的力學(xué)行為.然而，由于地層材料參數(shù)的差異性、結(jié)構(gòu)的空間尺度效應(yīng)以及外部載荷分布性特點(diǎn)，每組圍巖中各巖層的力學(xué)性能和承載拱又是不同的.通常內(nèi)側(cè)巖層具有較好的承載能力和穩(wěn)定性，可將此具有承載作用的巖層稱(chēng)為“結(jié)構(gòu)層”；而此外的巖層穩(wěn)定性較差，需依托“結(jié)構(gòu)層”而存在，可將其稱(chēng)為“載荷層”.可見(jiàn)每組深層圍巖均由“結(jié)構(gòu)層”與“載荷層”組成.顯然“結(jié)構(gòu)層”的穩(wěn)定性即決定了該組巖層的穩(wěn)定性，也將成為控制的核心.考慮到地層與工程條件的復(fù)雜性，每組圍巖中“載荷層”并非總是存在，在某些條件下整個(gè)圍巖組均表現(xiàn)出“結(jié)構(gòu)層”的性能，顯然這對(duì)圍巖組的穩(wěn)定性是有利的[2].

2.3 隧道圍巖載荷的確定

隧道圍巖廣義載荷本質(zhì)上就是開(kāi)挖地層原承擔(dān)的地層載荷，但這其中大部分會(huì)轉(zhuǎn)移到相鄰地層，而僅靠地層無(wú)法承擔(dān)的載荷需要通過(guò)支護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡，這部分稱(chēng)為狹義載荷.因此狹義載荷本質(zhì)上就是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系所分擔(dān)的地層載荷，體現(xiàn)了維持圍巖穩(wěn)定而需要外部提供的干預(yù)能力和水平[3].對(duì)于復(fù)合隧道圍巖，其載荷效應(yīng)主要由兩部分組成，即淺層圍巖的“給定載荷”和深層圍巖的“形變載荷”.處于松動(dòng)狀態(tài)的淺層圍巖所產(chǎn)生的載荷需要支護(hù)結(jié)構(gòu)全部承擔(dān)；而處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的深層圍巖所產(chǎn)生的載荷大小則取決于對(duì)其結(jié)構(gòu)層的控制水平及傳力效果，對(duì)結(jié)構(gòu)層變形控制越嚴(yán)則其載荷越大，反之亦然.可見(jiàn)，復(fù)合圍巖的載荷效應(yīng)主要取決于淺層圍巖的范圍和對(duì)深層圍巖變形的控制目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn).

事實(shí)上，穩(wěn)定性較差的圍巖載荷效應(yīng)通常可分為3個(gè)層次：①原始圍巖載荷，即在不對(duì)圍巖進(jìn)行任何預(yù)處理?xiàng)l件下由隧道開(kāi)挖所引起的載荷，通常僅為理論預(yù)測(cè)載荷.與此載荷相對(duì)應(yīng)的支護(hù)則包括圍巖超前預(yù)加固和預(yù)支護(hù)在內(nèi)的所有支護(hù)結(jié)構(gòu)，也稱(chēng)廣義附加圍巖載荷；②基本圍巖載荷，即經(jīng)過(guò)圍巖預(yù)加固和必要的預(yù)支護(hù)，能保證隧道開(kāi)挖后具有一定自穩(wěn)能力的載荷，與此相對(duì)應(yīng)的支護(hù)則不包括在掌子面前方對(duì)圍巖的預(yù)加固和預(yù)支護(hù)的作用；③結(jié)構(gòu)圍巖載荷，即把超前預(yù)支護(hù)、錨噴支護(hù)以及初期支護(hù)等均當(dāng)作對(duì)圍巖的改良和處置，進(jìn)行如此處理后的載荷才看作圍巖載荷.通常以此為二次支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)，這也是目前隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中認(rèn)定的結(jié)構(gòu)載荷.

基于復(fù)合圍巖基本載荷的理念，可利用圖7所示的計(jì)算模型對(duì)支護(hù)反力進(jìn)行分析.

取一組結(jié)構(gòu)層進(jìn)行分析，重點(diǎn)關(guān)注支護(hù)徑向載荷.假設(shè)支護(hù)反力為pa，結(jié)構(gòu)層與淺層圍巖界面接觸反力為pb，載荷層施加于結(jié)構(gòu)層載荷為pc.

圖7 載荷計(jì)算模型Fig.7 Load calculation model

支護(hù)載荷pa分別來(lái)源于淺層圍巖自重載荷p1和結(jié)構(gòu)層形變載荷p2

其中自重載荷p1直接作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)之上，結(jié)構(gòu)層形變載荷p2通過(guò)淺層圍巖傳遞至支護(hù)結(jié)構(gòu).淺層圍巖自重載荷為

式中,γ為淺層圍巖重度，h為計(jì)算方向上淺層圍巖厚度，αv為計(jì)算方向與重力方向的夾角.

結(jié)構(gòu)層形變載荷與載荷層壓力以及復(fù)合圍巖自身參數(shù)有關(guān)，可表示為

式中,α為載荷層壓力傳遞系數(shù)，β為結(jié)構(gòu)層形變載荷傳遞系數(shù)，兩者都與分析問(wèn)題的幾何參數(shù)和材料參數(shù)相關(guān)；ui為結(jié)構(gòu)層變形量.由此，支護(hù)載荷的計(jì)算轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)層和淺層圍巖形變載荷傳遞參數(shù)α和β的確定.

假設(shè)圍巖應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力路徑無(wú)關(guān)[4],按照圍巖彈塑性力學(xué)模型分析，可得出

式中，rb和rc分別為淺層圍巖和深層圍巖的半徑，μ為圍巖變形前的泊松比，E1i和μ1i分別為淺層圍巖變形后的模量和泊松比，E2i和μ2i分別為深層圍巖結(jié)構(gòu)層變形后的模量和泊松比.

在取得載荷傳遞系數(shù)之后，即可對(duì)結(jié)構(gòu)層的形變載荷進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合淺層圍巖給定載荷，根據(jù)式(1)計(jì)算出圍巖載荷.給定參數(shù)即可得到給定變形下的支護(hù)載荷關(guān)系曲線(xiàn)，如圖8所示.

圖8 圍巖載荷特性曲線(xiàn)Fig.8 Characteristic curve of surrounding rock load

圖8中曲線(xiàn)前半部分通過(guò)本文所述方法計(jì)算得到，而后半部分虛線(xiàn)無(wú)法計(jì)算，表示失穩(wěn)后淺層圍巖范圍不斷發(fā)展，導(dǎo)致施加于支護(hù)上的自重載荷增加.其最大值是該組深層圍巖全部失穩(wěn)所形成的地層載荷.

在圍巖條件發(fā)生變化時(shí)，上述圍巖特性曲線(xiàn)的形狀和位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，圍巖條件變好時(shí)曲線(xiàn)左移，圍巖變差時(shí)則右移.而當(dāng)圍巖能夠?qū)崿F(xiàn)自行穩(wěn)定時(shí)，隨著應(yīng)力釋放圍巖變形達(dá)到一定值后則不再發(fā)展，圍巖載荷也將趨于穩(wěn)定.

按照本文前述結(jié)構(gòu)層與載荷層分組運(yùn)動(dòng)規(guī)律，每組深層圍巖的失穩(wěn)事實(shí)上都造成淺層圍巖范圍的增大和階段性擴(kuò)展，計(jì)算將得到如圖9所示的載荷曲線(xiàn).

圖9 階段性破壞情況下的圍巖載荷關(guān)系曲線(xiàn)Fig.9 Relationship curves of surrounding rock load under the phased destruction

圖9中載荷上限包絡(luò)線(xiàn)各組深層圍巖結(jié)構(gòu)層失穩(wěn)后支護(hù)所受最大載荷的變化情況，可由計(jì)算獲得；載荷下限包絡(luò)線(xiàn)則表示結(jié)構(gòu)層尚未失穩(wěn)時(shí)的支護(hù)最小載荷，與結(jié)構(gòu)體系的剛度有關(guān).實(shí)際工程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)載荷理論上都在上述網(wǎng)格區(qū)域，據(jù)此可獲得不同圍巖條件下的圍巖特性曲線(xiàn).

2.4 復(fù)雜隧道圍巖穩(wěn)定性及載荷特點(diǎn)

由于地層條件極其復(fù)雜，隧道圍巖也是千差萬(wàn)別，圍巖力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出很大的不確定性,這是隧道設(shè)計(jì)和施工面臨的最大挑戰(zhàn).圍巖條件復(fù)雜性主要表現(xiàn)為圍巖變形破壞的時(shí)空演化特點(diǎn)、變形控制標(biāo)準(zhǔn)不同、圍巖破壞模式不同以及圍巖載荷形成方式和大小不同.

不同類(lèi)型地層的工程響應(yīng)主要表現(xiàn)在隧道圍巖結(jié)構(gòu)形式及穩(wěn)定性上，進(jìn)而表現(xiàn)為圍巖載荷.由于地層的非均質(zhì)性、各向異性以及非對(duì)稱(chēng)性，圍巖結(jié)構(gòu)形狀會(huì)發(fā)生變化.對(duì)于層狀巖體，其會(huì)呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)形式，受到地層傾向及角度的影響，結(jié)構(gòu)層形式復(fù)雜又多樣，結(jié)構(gòu)層的穩(wěn)定性可利用梁結(jié)構(gòu)模型來(lái)計(jì)算；對(duì)于砂性地層，圍巖結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)為復(fù)合拱式結(jié)構(gòu).復(fù)合拱通常有三種破壞模式[5]：

(1)上部垮落：在拱腳完好的前提下，復(fù)合拱結(jié)構(gòu)承載主體向上移動(dòng)，承載結(jié)構(gòu)相較于初始狀態(tài)更加穩(wěn)定，塌方程度會(huì)階段性趨緩，并最終穩(wěn)定.

(2)拱腳失穩(wěn)：相當(dāng)于拱結(jié)構(gòu)的跨度增大，由于穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)具有特定的高跨比，因此最終穩(wěn)定狀態(tài)的拱結(jié)構(gòu)范圍將大于拱頂破壞模式下的范圍，復(fù)合拱拱腳會(huì)向兩側(cè)移動(dòng)，之后，續(xù)隨著上部圍巖的破壞，高度再向上移動(dòng).

(3)下部滑移：該模式對(duì)復(fù)合拱結(jié)構(gòu)帶來(lái)兩個(gè)影響，其一為拱腳失去支撐條件而破壞，其二為維持穩(wěn)定的強(qiáng)力鏈不能構(gòu)成完整閉合環(huán)而發(fā)生重組.以上兩種影響共同作用，導(dǎo)致拱結(jié)構(gòu)同時(shí)在跨度和高度上向外擴(kuò)展.

上述破壞模式對(duì)應(yīng)于3種不同的復(fù)合拱失穩(wěn)模式，其中后兩種模式都帶來(lái)拱腳的破壞，拱腳破壞會(huì)使得復(fù)合拱結(jié)構(gòu)跨度增大，從而導(dǎo)致最終穩(wěn)定狀態(tài)范圍比第1種情況更大，由此可以推斷在圍巖穩(wěn)定性控制過(guò)程中，拱腳的控制是關(guān)鍵，也是控制最終破壞范圍的最有效手段.

3 支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)作用關(guān)系

當(dāng)隧道圍巖無(wú)法實(shí)現(xiàn)自行平衡時(shí)需要及時(shí)的外部干預(yù)，那就是加固以及各種形式的支護(hù).而何時(shí)支護(hù)以及采取怎樣的支護(hù)方式則需對(duì)圍巖的支護(hù)過(guò)程和特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)其作用效果和可靠性作出評(píng)價(jià).

支護(hù)與圍巖相互作用關(guān)系的本質(zhì)就是支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度與剛度對(duì)圍巖的變形破壞及時(shí)空演化特點(diǎn)的適應(yīng)性.因此針對(duì)不同圍巖條件選擇適宜的支護(hù)方式是非常重要的，這也是隧道設(shè)計(jì)和支護(hù)質(zhì)量控制的核心內(nèi)容.

3.1 隧道支護(hù)與圍巖作用的基本特點(diǎn)

表征支護(hù)與圍巖狀態(tài)的基本指標(biāo)就是圍巖變形量和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，當(dāng)然圍巖變形的合理控制值以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力大小因圍巖條件不同而存在較大差異，如圖10所示.隧道圍巖變形量通常可相差5～10倍，有時(shí)可能更大，但在支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用下均先后經(jīng)歷不同的變形階段，并最終趨于穩(wěn)定.

圖10 隧道圍巖拱頂沉降歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.10 Crown settlement-time curves of tunnel surrounding rock

初期支護(hù)與圍巖密貼后圍巖變形得到遏制，變形速度迅速減小，產(chǎn)生的形變壓力作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上.這樣，隨著結(jié)構(gòu)的變形其受力狀態(tài)相應(yīng)地變化.圖11為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化情況.

圖11 隧道初期支護(hù)拱架鋼筋受力歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.11 Stress-time curves of tunnel initial support steel arch centering

支護(hù)與圍巖作用關(guān)系極其復(fù)雜，綜合圍巖變形與結(jié)構(gòu)受力變形情況，其作用過(guò)程具有以下特點(diǎn)：

(1)動(dòng)態(tài)特性.支護(hù)與圍巖的相互作用關(guān)系具有很強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)性，主要來(lái)源于隧道開(kāi)挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作過(guò)程、圍巖的流變特性和混凝土材料的硬化特性.

支護(hù)與圍巖的相互作用具有顯著的時(shí)空特性.首先，隧道開(kāi)挖引起的應(yīng)力釋放不是一蹴而就的，會(huì)在一個(gè)較顯著的空間范圍內(nèi)傳導(dǎo)；地質(zhì)材料通常具有一定的流變特性，因而支護(hù)--圍巖體系的力學(xué)平衡過(guò)程可能持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間.同時(shí)，水泥類(lèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的硬化特性對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的影響至關(guān)重要.支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作需要一定的時(shí)間和空間，各種支護(hù)結(jié)構(gòu)不可能同時(shí)發(fā)揮支護(hù)效應(yīng).而且在隧道工程力學(xué)演化過(guò)程中，不時(shí)會(huì)有新的結(jié)構(gòu)加入并參與到整個(gè)支護(hù)--圍巖體系的力學(xué)平衡過(guò)程.

(2)階段特性.支護(hù)--圍巖體系不同階段的主導(dǎo)因素不盡相同，導(dǎo)致重點(diǎn)問(wèn)題和相應(yīng)的核心變量始終處于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移和相互轉(zhuǎn)化之中.

在支護(hù)與圍巖的相互作用過(guò)程中，考慮到圍巖變形演化與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性，通常會(huì)出現(xiàn)階段性動(dòng)態(tài)平衡，但由于圍巖變形破壞過(guò)程的階段性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)涵的變化(新結(jié)構(gòu)的加入以及結(jié)構(gòu)硬化等)，新一輪的平衡過(guò)程又開(kāi)始，直至達(dá)到最終平衡.顯然，在此過(guò)程中的支護(hù)與圍巖相互作用呈現(xiàn)周期性，因而具有明顯的階段性特點(diǎn).

(3)協(xié)調(diào)特性.支護(hù)與圍巖是不可分割的整體，一方面，支護(hù)可直接承載一部分因隧道開(kāi)挖而釋放的應(yīng)力或協(xié)助圍巖充分調(diào)動(dòng)自承載能力，防止圍巖坍塌破壞，控制圍巖變形；另一方面，圍巖載荷以及因其變形受到約束而產(chǎn)生的反力作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)，造成結(jié)構(gòu)受載，這就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定.

圍巖變形、破壞與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的作用表現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性特點(diǎn)，兩者變化發(fā)展的原則是保持整體變形協(xié)調(diào).一方參數(shù)的變化對(duì)另一方具有依賴(lài)性，不同支護(hù)形式之間相互疊加等.支護(hù)與圍巖作用體系中任何構(gòu)件的失效都有可能導(dǎo)致整個(gè)體系的失穩(wěn)，須綜合考慮.

3.2 隧道支護(hù)與圍巖動(dòng)態(tài)作用過(guò)程

作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，隧道支護(hù)與圍巖相互作用貫穿于隧道圍巖變形控制的全過(guò)程.隨著圍巖條件、支護(hù)方式以及時(shí)空關(guān)系的變化,兩者的關(guān)系也處于不斷轉(zhuǎn)換之中，直到兩者達(dá)到最終的平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖變形的有效控制.

根據(jù)系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，若以隧道圍巖系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，在隧道建造全過(guò)程中，圍巖的超前支護(hù)施作、隧道開(kāi)挖、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施作、二次襯砌結(jié)構(gòu)施作等施工措施以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋使圍巖系統(tǒng)與周?chē)h(huán)境持續(xù)地進(jìn)行信息交換與融合，最終，圍巖系統(tǒng)由原始平衡狀態(tài)進(jìn)入更高層次的支護(hù)--圍巖系統(tǒng)，進(jìn)而為支護(hù)結(jié)構(gòu)的量化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).

根據(jù)前述分析，圍巖變形分為4個(gè)階段，每個(gè)階段分別具有自身的發(fā)展特點(diǎn).事實(shí)上在每個(gè)階段的轉(zhuǎn)換點(diǎn)都發(fā)生了顯著的變化，因此根據(jù)支護(hù)--圍巖體系力學(xué)演化規(guī)律，確定出幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，將支護(hù)與圍巖相互作用過(guò)程劃分為幾個(gè)典型階段，并將總控制指標(biāo)分解至各個(gè)階段，根據(jù)各個(gè)分目標(biāo)制定相應(yīng)的控制方案.

考慮到支護(hù)與圍巖相互作用的階段性特點(diǎn)，在確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

(1)一致性.每個(gè)作用階段均應(yīng)體現(xiàn)支護(hù)與圍巖相互作用的基本特點(diǎn)，不同階段具有顯著的差異性，而且階段之間變形協(xié)調(diào).

(2)普適性.對(duì)于不同圍巖條件、支護(hù)方案和施工技術(shù)水平，階段劃分的原則和方法都普遍適用，其差別僅在于持續(xù)的范圍不同.

(3)典型性.關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是支護(hù)--圍巖體系力學(xué)演化過(guò)程的質(zhì)變點(diǎn)，但在同一作用階段內(nèi)支護(hù)與圍巖體系的關(guān)鍵問(wèn)題和控制目標(biāo)是相同的.

據(jù)此思路并與圍巖變形相對(duì)應(yīng)，可將掌子面前方圍巖變形加速點(diǎn)、初期支護(hù)與圍巖密貼點(diǎn)和二次襯砌開(kāi)始作用點(diǎn)三者作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，以此為界即可將支護(hù)與圍巖相互作用關(guān)系分為4個(gè)階段，如圖12所示.

圖12 支護(hù)與圍巖動(dòng)態(tài)相互作用概念Fig.12 Conception of dynamic interaction between support and surrounding rock

(1)圍巖超前緩慢變形階段.這時(shí)圍巖受到約束,變形得到一定的遏制，發(fā)展緩慢，本階段的支護(hù)與圍巖關(guān)系主要表現(xiàn)為深部圍巖在外部圍巖約束下的自由變形，有時(shí)則伴有超前加固的作用.

(2)從掌子面前方圍巖急劇變形到初期支護(hù)發(fā)揮作用.由于圍巖的超前破壞和失穩(wěn)使得圍巖變形速率迅速增大;得到初期支護(hù)的有效作用后圍巖變形速率急速減小.這一階段的支護(hù)與圍巖關(guān)系主要表現(xiàn)為超前支護(hù)與圍巖的相互作用，因此變形量能否得到及時(shí)控制,超前支護(hù)至關(guān)重要.

(3)初期支護(hù)與圍巖發(fā)生有效作用后，圍巖變形得到控制，同時(shí)圍巖產(chǎn)生的形變壓力使初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力迅速增大，結(jié)構(gòu)受力與圍巖控制效果取決于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和支護(hù)時(shí)機(jī)，必要時(shí)可施作雙層或多層初期支護(hù)結(jié)構(gòu).這一階段的支護(hù)與圍巖關(guān)系表現(xiàn)為初期支護(hù)及超前支護(hù)與圍巖之間的相互作用，同時(shí)也伴隨著錨桿的作用，但其核心是初期支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)作用.

(4)在初期支護(hù)及超前支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程中隧道圍巖變形趨于穩(wěn)定，這時(shí)已實(shí)現(xiàn)圍巖穩(wěn)定和安全.但為實(shí)現(xiàn)特殊載荷作用下的長(zhǎng)期安全,通常對(duì)隧道施作二次襯砌結(jié)構(gòu)，二次襯砌施作以后則必然會(huì)承受一定的載荷，其所受載荷的大小則與復(fù)合結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)比有關(guān)，這一階段的支護(hù)與圍巖關(guān)系則表現(xiàn)為超前支護(hù)、初期支護(hù)及二次襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖的作用，即二次襯砌與既有支護(hù)結(jié)構(gòu)的載荷再分配.

作為主承載結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)是控制圍巖變形的主體，若設(shè)計(jì)不足則可能造成初期支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)--圍巖體系的失穩(wěn)，而保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定則是隧道設(shè)計(jì)的基本要求.通常條件下，二次襯砌僅作為安全儲(chǔ)備，一方面在圍巖流變及偶遇載荷作用時(shí)確保安全，另一方面是系統(tǒng)高可靠性方面的要求.本質(zhì)上這也是圍巖復(fù)雜性及載荷效應(yīng)多樣性的要求.

隧道支護(hù)與圍巖作用的本質(zhì)就是針對(duì)圍巖力學(xué)性能演化、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換以及應(yīng)力釋放特點(diǎn)，及時(shí)施作支護(hù)以承擔(dān)因應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的附加載荷，并對(duì)圍巖形成約束；而圍巖變形受到控制后必然產(chǎn)生形變壓力并作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，該作用力的大小則取決于支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剛度和施作時(shí)機(jī)，這樣支護(hù)力則又反作用于圍巖形成更強(qiáng)的約束.如此往復(fù)，直到形成新的平衡狀態(tài)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn).系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)則是復(fù)雜工程條件下誘發(fā)安全事故的根源，因此對(duì)支護(hù)--圍巖系統(tǒng)可靠性的評(píng)價(jià)至關(guān)重要.

4 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及其協(xié)同作用

隧道工程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)之一就是選擇合理的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)，而支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則是針對(duì)圍巖條件及載荷釋放特點(diǎn)確定施作工藝，并就其對(duì)圍巖的適應(yīng)性和可靠性作出評(píng)價(jià).

4.1 隧道支護(hù)的基本作用

如前所述，受施工擾動(dòng)后圍巖無(wú)法實(shí)現(xiàn)自行平衡時(shí)需對(duì)圍巖實(shí)施外部干預(yù)，即通常所說(shuō)的隧道支護(hù).本質(zhì)上，隧道支護(hù)的基本作用就是“調(diào)動(dòng)圍巖承載”和“協(xié)助圍巖承載”兩個(gè)方面，其核心是承擔(dān)因隧道施工引起的附加圍巖載荷.

(1)調(diào)動(dòng)圍巖承載

對(duì)于廣義載荷來(lái)講，主承載結(jié)構(gòu)是圍巖自身，充分發(fā)揮圍巖的承載功能是隧道設(shè)計(jì)的基本原則，最大限度地發(fā)揮圍巖的自承載能力有利于提高支護(hù)效率，是最為經(jīng)濟(jì)的工程方案，這與新奧法的原理也是一致的.調(diào)動(dòng)圍巖承載的方式包括盡可能少擾動(dòng)圍巖(保護(hù)圍巖)、超前預(yù)加固圍巖、及時(shí)初噴混凝土以及實(shí)施錨桿支護(hù)系統(tǒng)等，其作用主要體現(xiàn)在增大圍巖強(qiáng)度和整體性等，以提升圍巖穩(wěn)定性.

(2)協(xié)助圍巖承載

在某些圍巖條件下僅靠調(diào)動(dòng)圍巖自承載無(wú)法實(shí)現(xiàn)自行穩(wěn)定和平衡，這時(shí)便需要外部結(jié)構(gòu)的介入承擔(dān)部分附加載荷以實(shí)現(xiàn)圍巖的整體穩(wěn)定性和平衡，這也是支護(hù)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)作用特征.協(xié)助圍巖承載的方式包括各種形式的超前預(yù)支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)等，而錨桿支護(hù)則兼有調(diào)動(dòng)和協(xié)助圍巖承載的功能，其作用則主要體現(xiàn)在承擔(dān)圍巖松弛載荷以及對(duì)圍巖變形形成約束.

(3)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)承載

在對(duì)隧道圍巖的支護(hù)活動(dòng)中，調(diào)動(dòng)和協(xié)助圍巖承擔(dān)的界限并不十分明顯，通常在時(shí)間上是先調(diào)動(dòng)后協(xié)助，在空間上則是調(diào)動(dòng)深層承載、協(xié)助淺層圍巖承載，而在實(shí)際作用過(guò)程中是相互依賴(lài)和相互包含的，動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)是其相互作用的基本特征，這也是支護(hù)與圍巖關(guān)系復(fù)雜化和作用結(jié)果具有不確定性的重要原因.

4.2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

嚴(yán)格來(lái)講，對(duì)圍巖預(yù)加固的本質(zhì)是提高圍巖穩(wěn)定性，應(yīng)屬于圍巖層面的措施，由此可減少?lài)鷰r的載荷效應(yīng)；各種形式的支護(hù)結(jié)構(gòu)則是承擔(dān)圍巖所釋放載荷的主體，而支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)與圍巖變形演化特點(diǎn)相適應(yīng).

(1)超前預(yù)支護(hù)體系的保障作用

對(duì)于穩(wěn)定性較差的圍巖，在采用了預(yù)加固措施以后，其自穩(wěn)能力仍難滿(mǎn)足施工要求時(shí),需要對(duì)其實(shí)施預(yù)支護(hù)，防止圍巖大變形、塌方或冒頂，從時(shí)間和空間上為下一步工序的進(jìn)行創(chuàng)造條件.顯然，預(yù)支護(hù)作用的目標(biāo)就是為隧道開(kāi)挖提供條件，在其所提供的圍巖自穩(wěn)時(shí)間內(nèi)能夠完成有效的初期支護(hù)，這是超前支護(hù)設(shè)計(jì)的原則和依據(jù).

超前支護(hù)的縱向范圍應(yīng)大于圍巖發(fā)生急劇變形的范圍，由此才可保障掌子面前方的圍巖穩(wěn)定；而超前支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度則取決于其作為臨時(shí)支護(hù)所需承擔(dān)的松動(dòng)圍巖范圍以及變形控制標(biāo)準(zhǔn)，超前支護(hù)的形式則可以多樣化，適宜為好.

有時(shí)，超前加固與超前支護(hù)是相輔相成、協(xié)調(diào)作用的.同樣是維護(hù)掌子面前方的圍巖穩(wěn)定性，可以在隧道輪廓線(xiàn)以外施作預(yù)加固或預(yù)支護(hù)以減小開(kāi)挖地層的受力而避免坍塌，此即為我國(guó)在不良地質(zhì)中廣泛應(yīng)用的淺埋暗挖技術(shù)；而對(duì)待開(kāi)挖地層進(jìn)行預(yù)加固和預(yù)支護(hù)以提高支撐能力而避免掌子面前方的地層過(guò)度變形，此即為歐洲不良地質(zhì)中應(yīng)用的新意大利技術(shù).兩者具有異曲同工之效，相對(duì)而言，淺埋暗挖法效率更高，而新意法則更易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，有利于保障施工質(zhì)量.

(2)初期支護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵作用

作為隧道圍巖控制的主體結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)通常包括系統(tǒng)錨桿、拱架支護(hù)及噴射混凝土等，其各自的作用存在很大的差異.

系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)理主要有懸吊作用、組合梁作用和擠壓加固作用等3種模式，在不同的圍巖條件下有所側(cè)重，但只要形成其中的任何一種作用模式,就說(shuō)明錨桿作用都是有效的.組合梁(拱)的抗彎剛度和強(qiáng)度顯著提高，從而增強(qiáng)了地層的承載能力，錨桿提供的錨固力愈大，作用愈明顯.顯然，錨桿預(yù)應(yīng)力可以直接影響圍巖加固效果.

拱架結(jié)構(gòu)是隧道支護(hù)中最常采用的初期支護(hù)手段，分為型鋼鋼架和格柵鋼架兩種形式，具有可預(yù)制、剛度大、擴(kuò)展性好和施作時(shí)間短的特點(diǎn)，能夠在隧道掌子面開(kāi)挖后迅速提供支護(hù)作用，為其他支護(hù)構(gòu)件的施作爭(zhēng)取了更多的時(shí)間和空間.其工作原理是在與圍巖接觸的過(guò)程中，通過(guò)自身的變形來(lái)提供支護(hù)反力，為典型的被動(dòng)承載構(gòu)件.其力學(xué)傳遞過(guò)程是通過(guò)將拱型構(gòu)件所受到的徑向載荷轉(zhuǎn)移到環(huán)向上，盡可能多地通過(guò)增大構(gòu)件的軸力來(lái)降低彎矩與剪力，這樣有利于發(fā)揮材料的抗拉、抗壓性能.

噴射混凝土的工作原理與其施作位置關(guān)系很大.當(dāng)混凝土分布在掌子面時(shí),其主要通過(guò)自身的抗拉性、粘結(jié)性和整體性能來(lái)保護(hù)掌子面的穩(wěn)定.當(dāng)其沿著洞室環(huán)向噴射時(shí)其主要作用除了保護(hù)松散的巖土體外，更重要的是與已有的支護(hù)拱架形成一定厚度的帶肋柱殼或圓柱來(lái)抵抗圍巖變形，此時(shí)其力學(xué)傳遞過(guò)程與拱架類(lèi)似.在縱向上則類(lèi)似連續(xù)梁，較單純的拱架更具穩(wěn)定性.此外，噴射混凝土還能進(jìn)一步填補(bǔ)拱架與圍巖之間的空隙，改善拱架受力狀態(tài)，減少了環(huán)向失穩(wěn)的可能性，并提高了拱架在縱向抵抗傾覆的能力.

需要指出，初期支護(hù)系統(tǒng)承擔(dān)全部載荷的理念是指僅施作初期支護(hù)即可保證隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全，有時(shí)可能需要施作多層初期支護(hù)，并且還可能需要配以較強(qiáng)的超前預(yù)支護(hù)方法來(lái)實(shí)現(xiàn).

(3)二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備作用

二次襯砌的施作應(yīng)當(dāng)在圍巖收斂變形趨于穩(wěn)定之后進(jìn)行，其載荷來(lái)源包括兩個(gè)方面：一是由初期支護(hù)的載荷轉(zhuǎn)移而來(lái)，其大小取決于剛度對(duì)比情況；二是隧道結(jié)構(gòu)體系遭遇極端條件下的動(dòng)載荷以及巖土體長(zhǎng)期蠕變所帶來(lái)的載荷.二次襯砌結(jié)構(gòu)屬于厚壁構(gòu)件，受載后的載荷傳遞過(guò)程與初期支護(hù)類(lèi)似，但其受力較初期支護(hù)更為均勻，抵抗剪切和彎折的性能也明顯增強(qiáng).二次襯砌的變形過(guò)程明顯具有連續(xù)性，不易發(fā)生失穩(wěn)破壞，這點(diǎn)區(qū)別于初期支護(hù).

二次襯砌的變形特點(diǎn)與塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)受到洞室形狀和圍巖條件的影響，從接觸壓力的角度來(lái)看，接觸壓力最大點(diǎn)并非總在拱頂處，拱腳等曲率變化較大的位置應(yīng)力集中狀況更為明顯[6]，如圖13所示.此外，從現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，真實(shí)情況下隧道二次襯砌所受到的載荷小于其極限載荷，也就是說(shuō)二次襯砌作為安全儲(chǔ)備的功能是可行的.

圖13 蘭渝線(xiàn)胡麻嶺隧道接觸壓力(kPa)Fig.13 Contact pressure for Humaling Tunnel of Lanyu Line(kPa)

4.3 隧道支護(hù)體系的協(xié)同作用

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，各構(gòu)件之間的協(xié)同作用可有效地維護(hù)圍巖的穩(wěn)定，并獲得最佳的控制效果，即在圍巖變形量可控的前提下所受總載荷最小.協(xié)同作用的內(nèi)容包括剛度協(xié)調(diào)、強(qiáng)度協(xié)調(diào)和作用時(shí)機(jī)的協(xié)調(diào)，本質(zhì)上就是在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)施作相應(yīng)強(qiáng)度和剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，使各支護(hù)構(gòu)件的支護(hù)性能得到最大限度的發(fā)揮，并在前序支護(hù)結(jié)構(gòu)屈服前及時(shí)施作后續(xù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，這是實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用的基本前提.

為此，復(fù)雜支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)轉(zhuǎn)換應(yīng)與圍巖系統(tǒng)的變形演化和時(shí)空轉(zhuǎn)化規(guī)律相適應(yīng)，每個(gè)支護(hù)構(gòu)件要與圍巖變形發(fā)展階段相對(duì)應(yīng)，即每項(xiàng)支護(hù)具有明確的分工：①超前支護(hù)——核心是防止嚴(yán)重的圍巖超前破壞和冒頂發(fā)生，對(duì)變形控制沒(méi)有嚴(yán)格的要求；②初期支護(hù)——核心作用是遏制圍巖變形，也是控制圍巖穩(wěn)定性的主體，通常應(yīng)具有較高的剛度，對(duì)于復(fù)雜圍巖可在必要時(shí)施作多重支護(hù)；③二次襯砌支護(hù)——多數(shù)條件下僅作為安全儲(chǔ)備，通常受載并不大，本質(zhì)上對(duì)其剛度要求并不高.在實(shí)際工程中，應(yīng)針對(duì)圍巖控制的重點(diǎn)和目標(biāo)進(jìn)行不同支護(hù)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和施作時(shí)機(jī)的設(shè)計(jì)，如圖14所示.

圖14 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的工作特性Fig.14 Working characteristics of tunnel support system

圖14表示了超前支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌3種支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同支護(hù)時(shí)機(jī)下的工作特性.顯然，由于超前支護(hù)剛度k1通常較小，對(duì)控制圍巖變形效果并不明顯；初期支護(hù)與圍巖接觸以后，其與超前支護(hù)聯(lián)合形成綜合支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度k2，在圍巖變形作用下迅速形成較大的支撐能力，使圍巖變形速率急劇減緩，并逐漸趨于穩(wěn)定.這一階段是隧道支護(hù)作用的核心，也是隧道支護(hù)是否成功的關(guān)鍵.二次襯砌施作以后在k2的基礎(chǔ)上形成結(jié)構(gòu)體系的整體剛度k3.但由于這時(shí)的圍巖變形趨于穩(wěn)定，本階段主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部載荷的調(diào)整，即初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的載荷按照“硬支多載”的原理部分轉(zhuǎn)移給二次襯砌結(jié)構(gòu).在此過(guò)程中圍巖的少許變形使結(jié)構(gòu)體系所承受的總載荷有所增加，但迅速達(dá)到穩(wěn)定和平衡.

客觀上，作為支護(hù)結(jié)構(gòu)主體的初期支護(hù)本身也是一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括可能采用的多重鋼架混凝土結(jié)構(gòu)以及錨桿支護(hù)系統(tǒng).初期支護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的協(xié)同作用更為重要，在錨桿支護(hù)的極限應(yīng)變量達(dá)到之前應(yīng)完成初期支護(hù)體系的最后一道工序，并且盡可能多地發(fā)揮前序支護(hù)的能力，這樣才能保證初期支護(hù)(包括超前支護(hù)系統(tǒng))承擔(dān)全部附加圍巖載荷.

由此可見(jiàn)，整個(gè)隧道支護(hù)體系的協(xié)同作用可以劃分為兩個(gè)部分：一方面是縱向上“超前支護(hù)殼體模型”與“超前核心巖土體模型”在支護(hù)剛度上的相互增益;另一方面則是環(huán)向上前序支護(hù)與后續(xù)支護(hù)在圍巖載荷承擔(dān)上的分配和協(xié)調(diào)[7].

5 隧道及地下工程安全性分析

隧道作為高風(fēng)險(xiǎn)工程，安全性問(wèn)題尤其突出，這在隧道工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)中都應(yīng)引起高度重視并加以可靠的解決.

5.1 隧道及地下工程安全事故特點(diǎn)

根據(jù)2005—2014年我國(guó)在建鐵路、公路隧道52起隧道塌方事故的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)生次數(shù)最多的位置是在初期支護(hù)施作到二襯施作之前，俗稱(chēng)后關(guān)門(mén)事故，約占47%；其次是掌子面前方及掌子面變形坍塌，即圍巖失穩(wěn)類(lèi)事故，約占33%；最后是洞口坍塌，約占20%.

本質(zhì)上，隧道施工中塌方事故可以歸為三種主要類(lèi)型，即圍巖失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)失效和環(huán)境失調(diào)所引起的安全事故.具體包括：

(1)圍巖失穩(wěn)類(lèi)塌方事故

由于隧道圍巖的超前失穩(wěn)、破壞或過(guò)度變形造成坍塌和冒頂，進(jìn)而引起掌子面的塌方事故，如圖15所示.這類(lèi)事故主要是由于隧道圍巖在掌子面前方就已發(fā)生了大范圍的嚴(yán)重破壞，超前預(yù)加固或預(yù)支護(hù)不到位時(shí)極易發(fā)生坍塌事故，而若不能及時(shí)處理還會(huì)誘發(fā)大范圍塌方.

圖15 隧道圍巖失穩(wěn)引起的塌方事故Fig.15 Tunnel collapse caused by surrounding rock instability

控制這類(lèi)事故的關(guān)鍵是做好施工過(guò)程中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并對(duì)圍巖穩(wěn)定性做出客觀、準(zhǔn)確的判斷，據(jù)此做好超前加固和預(yù)支護(hù)工作.這類(lèi)圍巖通常對(duì)施工進(jìn)度影響也較大[8].

(2)結(jié)構(gòu)失效類(lèi)塌方事故

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)不足以抵抗圍巖的附加載荷，支護(hù)與圍巖的動(dòng)態(tài)作用無(wú)法達(dá)到平衡狀態(tài)而造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，如圖 16所示.這類(lèi)事故主要是由于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作時(shí)機(jī)或強(qiáng)度或剛度不能滿(mǎn)足圍巖穩(wěn)定的控制要求，或者對(duì)掌子面前方塌方處置不到位，或者是錨桿支護(hù)失效造成的.這是近年來(lái)造成重大人員傷亡的主要事故類(lèi)型.

圖16 隧道結(jié)構(gòu)失效引起的塌方事故Fig.16 Tunnel collapse caused by initial support structure failure

避免這類(lèi)事故首先要明確初期支護(hù)的核心作用，制定初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)初期支護(hù)與圍巖的協(xié)同作用，并保持密貼，根據(jù)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果及時(shí)實(shí)行初期支護(hù)背后的填充注漿，并實(shí)施結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)，必要時(shí)作加強(qiáng)處理.

(3)環(huán)境失調(diào)類(lèi)塌方事故

隧道施工引起地層的變形與破壞，造成周邊環(huán)境的變化，環(huán)境結(jié)構(gòu)與地層之間不協(xié)調(diào)而坍塌.由于隧道洞口和淺埋地段受力條件的復(fù)雜性，處理不當(dāng)極易失穩(wěn)，進(jìn)而造成塌方事故，如圖17所示.事實(shí)上，隧道施工安全控制的重點(diǎn)是隧道洞口和洞體內(nèi)的不良地質(zhì)段，也從很大程度上說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題.

圖17 隧道環(huán)境失調(diào)引起的塌方事故Fig.17 Tunnel collapse caused by environmental disturbance

對(duì)于這類(lèi)事故控制的重點(diǎn)是，必要時(shí)在洞口和淺埋地段施作管棚預(yù)支護(hù)，其核心作用是防止圍巖塌方.在洞口管棚施作中需要做好套拱，并保持套拱底部具有良好的支撐.

本質(zhì)上，隧道及地下工程建設(shè)安全事故主要包括工程安全和環(huán)境安全兩大類(lèi)，在城市地下工程活動(dòng)中尤以環(huán)境問(wèn)題更加突出，而城市地下工程安全事故主要是由工程誘發(fā)的地層變形所致，因此提出以地層變形控制為核心的理念對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管理[9].

5.2 隧道及地下結(jié)構(gòu)病害機(jī)理與控制

隧道及地下結(jié)構(gòu)作為一個(gè)復(fù)雜的體系，在投入運(yùn)營(yíng)或服役后會(huì)出現(xiàn)各種類(lèi)型和不同程度的病害現(xiàn)象，如襯砌變形及裂損、結(jié)構(gòu)滲漏水、基底及道床損壞等，嚴(yán)重威脅著隧道安全，縮短了隧道的維護(hù)周期和使用壽命，造成了安全隱患和財(cái)產(chǎn)損失.襯砌裂損作為一種常見(jiàn)的隧道病害，是支護(hù)與圍巖長(zhǎng)期不良作用的結(jié)果，從科學(xué)層面上也是支護(hù)--圍巖系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)所致，其本質(zhì)是圍巖狀態(tài)變化所造成的結(jié)構(gòu)受力條件的改變，使得結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服強(qiáng)度而發(fā)生破壞.

(1)隧道結(jié)構(gòu)病害特點(diǎn)

在導(dǎo)致隧道病害的諸多因素中，隧道襯砌背后接觸狀態(tài)不良是隧道結(jié)構(gòu)病害的主要成因之一[10]，并直接影響到隧道結(jié)構(gòu)的安全性.通過(guò)對(duì)100余座鐵路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌無(wú)損檢測(cè)及統(tǒng)計(jì)分析，可得隧道襯砌背后空洞及松散區(qū)的分布,如圖18所示.

由圖18可見(jiàn)，單層襯砌背后空洞及接觸松散范圍的徑向尺寸主要為0.3～0.7m，而復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)背后不良接觸則主要在0.2～0.5m范圍內(nèi)，并隨圍巖級(jí)別及隧道位置變化而變化.

襯砌結(jié)構(gòu)背后接觸松散和空洞的存在是隧道支護(hù)與圍巖接觸不良的主要表現(xiàn)形式，其實(shí)質(zhì)就是在一定程度上惡化了支護(hù)與圍巖的關(guān)系，由此直接或間接地造成各種結(jié)構(gòu)病害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及到運(yùn)營(yíng)安全，這也是地下結(jié)構(gòu)普遍存在的問(wèn)題.

圖18 襯砌背后接觸松散區(qū)徑向尺寸分布Fig.18 Radial dimension distributions of voids or loose zones behind tunnel lining

圖18 襯砌背后接觸松散區(qū)徑向尺寸分布(續(xù))Fig.18 Radial dimension distributions of voids or loose zones behind tunnel lining(continued)

隧道漏水病害只有在隧道襯砌結(jié)構(gòu)背后具有集水條件和襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂(滲水通道)兩者同時(shí)發(fā)生時(shí)才會(huì)形成，顯然這兩者均與結(jié)構(gòu)背后的空洞有關(guān).隧道基地和道床結(jié)構(gòu)的破損本質(zhì)上也是支護(hù)與圍巖接觸狀態(tài)緊密相關(guān).

(2)隧道及地下結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與控制

在隧道襯砌結(jié)構(gòu)狀況評(píng)定指標(biāo)體系中，既有定量指標(biāo)，又有定性指標(biāo)，各指標(biāo)之間不具備可比性.為了各評(píng)定指標(biāo)的統(tǒng)一性，提出了“隧道健康度”的概念，據(jù)此可描述隧道整體結(jié)構(gòu)及其子結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期使用功能后的安全程度.

相對(duì)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與技術(shù)狀況評(píng)定工作而言，隧道整體結(jié)構(gòu)健康度主要對(duì)應(yīng)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體技術(shù)狀況.隧道子結(jié)構(gòu)的健康度主要對(duì)應(yīng)于評(píng)定指標(biāo)及其屬性指標(biāo)的技術(shù)狀況，如襯砌裂縫狀況、襯砌背后空洞狀況、襯砌厚度狀況、襯砌強(qiáng)度狀況、鋼筋銹蝕狀況等.為了描述與計(jì)算的方便，本文給出了隧道健康度函數(shù)表達(dá)式

式中,H為隧道健康度函數(shù),取值范圍為 [0,1]；x1,x2,x3,··,xn為某評(píng)定指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值.

由此可見(jiàn)，隧道健康度的計(jì)算通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，各評(píng)定指標(biāo)通過(guò)隧道健康度函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)化，從而實(shí)現(xiàn)了各評(píng)定指標(biāo)之間的計(jì)算和結(jié)果之間的統(tǒng)一.

隧道結(jié)構(gòu)病害的產(chǎn)生通常有設(shè)計(jì)理念、施工質(zhì)量控制和養(yǎng)護(hù)水平3個(gè)層面的原因.事實(shí)上，造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂損和滲漏水病害的因素包括襯砌厚度不足、厚度分布不均和襯砌背后接觸不良等，這三者是相互影響并互為制約條件的，其中支護(hù)與圍巖接觸不良是安全事故的直接誘因.因此，保持支護(hù)與圍巖的良好接觸狀態(tài)是隧道結(jié)構(gòu)病害控制的核心.采用少擾動(dòng)圍巖的隧道開(kāi)挖方法，提高圍巖整體性；加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)背后的回填注漿，嚴(yán)格控制工程質(zhì)量；定期監(jiān)測(cè)支護(hù)與圍巖的接觸狀態(tài)，可避免工程質(zhì)量的災(zāi)變轉(zhuǎn)化，并使早期病害及時(shí)整治.

5.3 復(fù)雜隧道圍巖安全性及其分級(jí)

隧道工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全的核心問(wèn)題就是對(duì)圍巖的控制是否有效和可靠.在隧道設(shè)計(jì)中,世界各國(guó)普遍采用圍巖分級(jí)的方法.不同圍巖之間的本質(zhì)區(qū)別在于其自穩(wěn)能力，通?？捎米苑€(wěn)時(shí)間來(lái)表征，即圍巖的穩(wěn)定性.但是對(duì)于自穩(wěn)時(shí)間為零的極不穩(wěn)定圍巖條件，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性的分級(jí)顯然沒(méi)有實(shí)際意義.

事實(shí)上，復(fù)雜隧道圍巖的共同特點(diǎn)就是在掌子面前方已發(fā)生破壞與失穩(wěn)，并常常伴隨著較大的圍巖變形.但在該類(lèi)圍巖中，由于其超前破壞模式和變形分布不同，尤其是超前處置難度差異懸殊，需要采取各自不同的施工方法和控制措施.對(duì)此日本將其劃分為特殊圍巖進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)[11].國(guó)內(nèi)近年來(lái)則通過(guò)亞分級(jí)方法將其細(xì)化[12]，但這在某種程度上回避了該類(lèi)圍巖的本質(zhì)特征，即對(duì)隧道工程安全性的影響.

在不同地層條件下進(jìn)行工程活動(dòng)時(shí)，以往的認(rèn)識(shí)過(guò)多地關(guān)注了地質(zhì)條件本身.其實(shí),地質(zhì)條件的工程響應(yīng)和安全效應(yīng)是對(duì)工程的安全和經(jīng)濟(jì)影響更重要的因素，因?yàn)椴煌再|(zhì)和規(guī)模的工程及其活動(dòng)方式所帶來(lái)的影響差異非常大，而且不同工程的關(guān)注點(diǎn)也完全不同[13].

無(wú)自穩(wěn)能力的復(fù)雜隧道圍巖易導(dǎo)致嚴(yán)重的超前變形和超前破壞，實(shí)施圍巖超前加固和超前支護(hù)是必要的技術(shù)手段，而超前處置的可靠性是工程成敗的關(guān)鍵所在[14].為此，提出采用圍巖超前變形、超前破壞和地層加固有效性作為圍巖安全性分級(jí)的核心指標(biāo)，建立了相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將復(fù)雜圍巖分為A,B和C三個(gè)安全性等級(jí)[15].考慮到該類(lèi)圍巖一直是隧道設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問(wèn)題，顯然該分級(jí)方案對(duì)極不穩(wěn)定圍巖條件下的隧道設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用.

6 海底隧道工程的關(guān)鍵問(wèn)題

水的作用使隧道圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)與圍巖關(guān)系及結(jié)構(gòu)載荷復(fù)雜化，這在海底隧道工程中得到了集中體現(xiàn).隧道突涌水事故和排水量控制是海底隧道建設(shè)的核心問(wèn)題，能否可靠地解決這兩個(gè)問(wèn)題直接影響到工程的成敗，這就構(gòu)成了海底隧道設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵技術(shù)難題.

6.1 海底隧道突涌水機(jī)理

海底隧道突涌水災(zāi)害的發(fā)生是水、圍巖介質(zhì)和隧道相互作用的結(jié)果.隧道施工后，圍巖在滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用下?lián)p傷破壞，海水突破圍巖的阻隔作用突然進(jìn)入隧道的現(xiàn)象即為海底隧道突涌水災(zāi)害.因此，按照突涌水條件及形成機(jī)制可分為3種突涌水模式[16].

(1)水力劈裂型突涌水

在高水壓作用下隧道周?chē)骋徊课划a(chǎn)生劈裂破壞并逐漸向地表發(fā)展，若覆蓋層厚度較小，破壞區(qū)將與地表溝通造成隧道突涌水.劈裂發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)整體往往并未達(dá)到屈服或破壞的條件，而是在局部發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象.劈裂生成的新裂縫立刻被水充滿(mǎn)，水壓力使裂縫持續(xù)擴(kuò)展.既有裂隙持續(xù)擴(kuò)展并最終形成突涌水通道的主要原因是隧道開(kāi)挖擾動(dòng)造成圍巖卸載，在圍巖中形成了復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，從而降低了發(fā)生劈裂的臨界水壓力.在這個(gè)過(guò)程中，一方面由于裂隙劈裂貫通使圍巖失去隔水功能，另一方面劈裂發(fā)生后滲透系數(shù)通常成量級(jí)增大.

水力劈裂型突涌水發(fā)生可分為起裂、開(kāi)裂擴(kuò)展和突涌水通道形成3個(gè)階段，開(kāi)裂區(qū)的產(chǎn)生范圍及擴(kuò)展路徑與巖體裂紋面方向角有關(guān).

水力劈裂型突涌水的特點(diǎn)：①高水頭壓力作用，突涌水量大，災(zāi)難性高；②由于圍巖強(qiáng)度較高，在洞周某一位置突涌水，較少引發(fā)隧道的整體失穩(wěn)，水流通常以股狀形式噴射而出；③涌出的水質(zhì)通常較為清澈，含雜質(zhì)較少.在海底隧道工程中，為了避免這類(lèi)災(zāi)難通常應(yīng)留有足夠大隔離層，并盡量減小對(duì)圍巖的擾動(dòng).

(2)地層坍塌型突涌水

在不良地質(zhì)段施工易于發(fā)生地層坍塌的現(xiàn)象，而且局部坍塌未及時(shí)處置將有可能進(jìn)一步誘發(fā)大范圍的圍巖失穩(wěn)，并造成突涌水災(zāi)害.由于圍巖強(qiáng)度較低，在開(kāi)挖面周?chē)厝恍纬纱笮〔煌乃苄云茐膮^(qū)，同時(shí)由于地層沉降的影響在海床的某些部位形成一定范圍的張拉破壞區(qū)，這樣就造成隧道與海床之間的有效隔水層厚度降低，當(dāng)其無(wú)法承受水土耦合作用時(shí)便發(fā)生破壞，進(jìn)而造成突涌水事故.此外，地層坍塌和冒頂范圍的增大也可直接誘發(fā)突涌水事故.

地層坍塌型突涌水的過(guò)程為洞周及拱腰處出現(xiàn)剪切破壞并向周邊及上部擴(kuò)展，剪切帶形成后變形急劇增大而無(wú)法穩(wěn)定，該變形值通常也作為突涌水事故預(yù)警預(yù)報(bào)的重要指標(biāo).

地層坍塌突涌水的特點(diǎn)：①隧道圍巖軟弱或者破碎，遇水弱化；②起初表現(xiàn)為洞壁圍巖剝落或者局部塌方，并逐漸發(fā)展為整體的地層坍塌，造成突涌水；③水和巖土體一同塌落而下，有些情況下會(huì)發(fā)展為突泥.避免該類(lèi)事故除做好地質(zhì)預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)警外，要強(qiáng)化不良地層注漿加固和隧道超前支護(hù)工作.

(3)結(jié)構(gòu)面滑移型突涌水

隧道施工影響下結(jié)構(gòu)面兩側(cè)地層變形不協(xié)調(diào)，繼而發(fā)生結(jié)構(gòu)面錯(cuò)動(dòng)或者張開(kāi)，當(dāng)其與海床溝通時(shí)便形成突涌水通道，這樣，當(dāng)結(jié)構(gòu)面一側(cè)圍巖條件較差時(shí)，也有可能在剪切應(yīng)力或者張拉應(yīng)力的作用下造成軟弱地層的破壞而形成突涌水通道，甚至可能造成隧道整體失穩(wěn)，產(chǎn)生災(zāi)難性突涌水；當(dāng)結(jié)構(gòu)面兩側(cè)圍巖條件較好時(shí)，通常情況下只是結(jié)構(gòu)面所在位置的局部破壞，突涌水的災(zāi)難性不如隧道整體失穩(wěn)的情況.

這類(lèi)事故是由圍巖結(jié)構(gòu)面的不連續(xù)變形造成結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)而致.結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞時(shí)圍巖變形出現(xiàn)突變，此時(shí)的變形值可作為控制突涌水的圍巖變形極限值.

在海底隧道選線(xiàn)時(shí)，應(yīng)盡量避免這類(lèi)地質(zhì)條件，顯然這種地質(zhì)條件對(duì)隧道結(jié)構(gòu)抗震也是不利的，宜在該地段加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及設(shè)置隔震設(shè)施.

6.2 海底隧道的安全性控制

不良地質(zhì)段工程是海底隧道施工的控制性工程，顯然對(duì)不良地質(zhì)體進(jìn)行精確探測(cè)和可靠處置并實(shí)施精細(xì)化施工方案是海底隧道施工安全的重要保障.

(1)不良地質(zhì)的超前探測(cè)與分析

針對(duì)勘測(cè)階段的地質(zhì)資料進(jìn)行工程安全性影響分析，在施工階段采取長(zhǎng)距離物探與近距離鉆探相結(jié)合的方式,進(jìn)一步確定不良地質(zhì)體的精確位置、巖體性質(zhì)及其與海床之間的水力聯(lián)系，結(jié)合對(duì)突涌水模式的預(yù)測(cè)確定對(duì)不良地質(zhì)體的處置方案和施工方法[17].

(2)復(fù)合注漿加固技術(shù)

由于不良地質(zhì)體屬于極不穩(wěn)定圍巖，對(duì)其進(jìn)行預(yù)加固和必要的預(yù)支護(hù)顯然是必須的，而在海底隧道中更是必不可少，而且要求也更高.在對(duì)不良地質(zhì)圍巖進(jìn)行超前注漿加固時(shí)應(yīng)同時(shí)解決好地層加固和堵水問(wèn)題，即要解決好穩(wěn)定性和致密性的問(wèn)題，而在有些條件下這兩者是矛盾的.

為此提出了復(fù)合注漿的理念[18]，即首先由高壓劈裂形成縱橫交錯(cuò)的骨架結(jié)構(gòu)(漿脈)，可解決地層穩(wěn)定性的問(wèn)題；然后對(duì)漿脈之間的地層擠壓注漿,與之前的骨架結(jié)構(gòu)復(fù)合成整體結(jié)構(gòu)，如圖19所示.

圖19 漿脈間擠壓復(fù)合形成的整體結(jié)構(gòu)Fig.19 Integral structure formed by extrusion between grout vein

由于復(fù)合注漿技術(shù)可保障地層加固與堵水效果，可對(duì)隧道超前注漿方案進(jìn)行優(yōu)化，通常僅對(duì)隧道周邊5～6m范圍內(nèi)的地層進(jìn)行注漿，形成致密的圍巖加固圈，如圖20所示.

圖20 不良地質(zhì)段注漿加固方式與參數(shù)設(shè)計(jì)Fig.20 Reinforcement pattern and parameter design for unfavorable geologic section

以堵水率、加固體強(qiáng)度、取芯率和致密性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[19]，用于廈門(mén)翔安隧道和青島膠州灣隧道,確保了風(fēng)化槽及斷層破碎帶的施工安全.

(3)不良地質(zhì)段精細(xì)化變形控制

根據(jù)前述突涌水機(jī)理的分析，建立了不良地質(zhì)段圍巖變形與海床安全性之間的量化關(guān)系，即通過(guò)對(duì)圍巖變形的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)上覆地層及海床安全狀態(tài)的控制，由此制定圍巖變形的控制指標(biāo)并將其分解到不同的施工步序中，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化過(guò)程控制，確保了施工全過(guò)程安全.

6.3 海底隧道防排水方式

由于海底隧道工程的縱向斷面均為 V字形結(jié)構(gòu)，這就意味著隧道中的所有滲涌水必須全部人工排出，出于運(yùn)營(yíng)成本的考慮，在方案設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小隧道運(yùn)營(yíng)期間的排水量.顯然，不良地質(zhì)段的防水排水依然也是海底隧道的關(guān)鍵技術(shù)難題.

“堵水限排”現(xiàn)已成為隧道防水排水設(shè)計(jì)的基本理念，但在海底隧道具有不同的設(shè)計(jì)原則，山嶺隧道的排水量以生態(tài)環(huán)境控制為標(biāo)準(zhǔn)，而海底隧道則以少排水為基本原則，同時(shí)還應(yīng)兼顧安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性的要求.

為此，將圍巖加固圈和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)作為堵水的主體，并將剩余水經(jīng)由二次襯砌背后的防水板外側(cè)排出[20]，這樣二次襯砌結(jié)構(gòu)基本不承受水壓力，而傳統(tǒng)的防水系統(tǒng)則主要有二次襯砌承擔(dān)水壓力的問(wèn)題，如圖21所示.由此可使襯砌結(jié)構(gòu)所承受的水載荷與水頭壓力無(wú)關(guān).

圖21 防水排水系統(tǒng)的對(duì)比Fig.21 Comparison of waterproof and drainage system

隧道圍巖加固圈及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的堵水效果如圖22所示，圖中ng為圍巖滲透系數(shù)與加固圈的滲透系數(shù)之比，據(jù)此可對(duì)隧道排水量進(jìn)行預(yù)測(cè).

保證堵水效果是實(shí)現(xiàn)限量排放的基礎(chǔ)和前提，考慮到超前注漿加固受到隧道施工擾動(dòng)后堵水效果降低，為此建立了初期支護(hù)背后注漿和徑向注漿的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并以此為目標(biāo)調(diào)整圍巖加固圈和初期支護(hù)方案：在穩(wěn)定性較好的圍巖條件下，重點(diǎn)實(shí)施初期支護(hù)背后回填注漿；在不良地質(zhì)段，還需加強(qiáng)圍巖徑向注漿，同時(shí)強(qiáng)化隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的自防水；基于多道防水設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)對(duì)排水量的主動(dòng)控制.

圖22 圍巖加固圈與初期支護(hù)堵水效果分析Fig.22 Analysis on water plugging ef f ect of surrounding rock reinforcement ring and initial support

按照加固圈和初期支護(hù)的堵水率可計(jì)算出相應(yīng)的水壓力分布值，并由此確定不良地質(zhì)段圍巖加固圈和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù).

7 學(xué)科研究熱點(diǎn)分析

隧道及地下工程學(xué)科的發(fā)展面臨諸多理論與關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，只有通過(guò)理論創(chuàng)新和新材料開(kāi)發(fā)及信息技術(shù)的應(yīng)用，才能實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的重大突破.

(1)施工影響下隧道圍巖變形破壞機(jī)制及其工程應(yīng)用.針對(duì)不同圍巖條件，建立起圍巖結(jié)構(gòu)性、圍巖破壞和圍巖變形之間的演化機(jī)制和特點(diǎn)，并給出基于安全性的圍巖變形控制標(biāo)準(zhǔn)值；基于圍巖工程響應(yīng)和地層加固效果評(píng)價(jià)方法的研究，形成復(fù)雜圍巖大斷面隧道施工技術(shù)體系.

(2)隧道支護(hù)與圍巖作用機(jī)制及其評(píng)價(jià)方法.重點(diǎn)研究不同圍巖、不同發(fā)展階段和不同隧道部位的支護(hù)與圍巖的關(guān)系，并建立動(dòng)態(tài)作用過(guò)程的可靠性描述方法，按照圍巖條件提出作用模式并力求形成設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).

(3)海底隧道圍巖滲流機(jī)制與抗水壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論.圍巖滲流場(chǎng)形態(tài)作為圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、圍巖變形和滲水量預(yù)測(cè)的依據(jù)，將影響到隧道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，研究滲流場(chǎng)與海水深度、隧道埋置深度以及防水排水方式之間的量化關(guān)系，提出滲流作用模式，并建立相應(yīng)的力學(xué)模型.

(4)城市地下空間安全開(kāi)發(fā)理論與技術(shù)體系.針對(duì)城市地層軟弱而復(fù)雜多變、環(huán)境極其脆弱以及工程影響模式多樣化特點(diǎn)，重點(diǎn)探討隧道、地層與環(huán)境三者之間的復(fù)雜作用關(guān)系，建立其動(dòng)態(tài)作用模型[21]；針對(duì)深埋及復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研發(fā)地下結(jié)構(gòu)的致災(zāi)機(jī)理、災(zāi)變傳導(dǎo)模式和災(zāi)變控制系統(tǒng)的攝動(dòng)效應(yīng).

(5)既有隧道及地下結(jié)構(gòu)的性能退化機(jī)制與控制方法.針對(duì)隧道及地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)環(huán)境特點(diǎn)，將隧道結(jié)構(gòu)與圍巖視為一個(gè)完整力學(xué)系統(tǒng)，分別對(duì)其性能演化過(guò)程中的耦合作用模式進(jìn)行研究，建立耦合作用仿真模型，并提出結(jié)構(gòu)性能的提升方法.

8 總結(jié)

(1)從隧道及地下工程的本質(zhì)特征出發(fā)，提出了本學(xué)科的3個(gè)基本問(wèn)題，即圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)與圍巖相互作用關(guān)系和支護(hù)--圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力效應(yīng)，由此構(gòu)成了本學(xué)科研究的基本框架.

(2)基于圍巖的漸進(jìn)破壞特點(diǎn)，提出了復(fù)合隧道圍巖的理念，并建立了隧道圍巖載荷的計(jì)算模型，可對(duì)不同圍巖條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)載荷進(jìn)行定量計(jì)算.

(3)針對(duì)支護(hù)與圍巖作用特點(diǎn)，提出了動(dòng)態(tài)作用過(guò)程的四階段原理，明確了每個(gè)階段支護(hù)與圍巖相互作用的內(nèi)涵和評(píng)價(jià)方法，由此可作為隧道設(shè)計(jì)的依據(jù).

(4)提出隧道支護(hù)作用的本質(zhì)就是調(diào)動(dòng)圍巖承載和協(xié)助圍巖承載的觀點(diǎn)，分別給出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式和評(píng)價(jià)方法，建立了隧道廣義支護(hù)結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用模型，可實(shí)現(xiàn)圍巖控制效果的優(yōu)化.

(5)從致災(zāi)機(jī)理層面提出了隧道施工安全事故的3種模式，針對(duì)極不穩(wěn)定的圍巖,建立了安全性分級(jí)的指標(biāo)體系，并給出了相應(yīng)的分級(jí)方案.

(6)明確指出施工過(guò)程突涌水預(yù)防和排水量控制是海底/水下隧道工程的核心問(wèn)題，據(jù)此提出了復(fù)合注漿新理念和圍巖初期支護(hù)作為水壓力主承載結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的堵水限排.

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ESSENTIAL ISSUES AND THEIR RESEARCH PROGRESS IN TUNNEL AND UNDERGROUND ENGINEERING1)

Zhang Dingli2)
(Key Laboratory for Urban Underground Engineering of the Education Ministry，Beijing Jiaotong University，Beijing100044，China)

As three essential issues in tunnel and underground engineering contain stability of surrounding rocks,interact relation between support and surrounding rock as well as structural dynamic response of a support system are also the key problems in subject study.All around these issues,this paper emphatically analyzes the surrounding rock mechanical characteristics and load ef f ect,and establishes mechanical model of internal and external surrounding rock.Based on the study of stability of structure layer in model above,analytic formula of ground reaction curve and computing method of surrounding rock load ef f ect are given.According to the analysis of interact relation between support and surrounding rock,this interactional dynamic process is divided into four stages：free ground deforming,advance supporting,preliminary supporting,secondary supporting,thus description method of the dynamic process is raised.On idea of generalized load and special load,basic functions of support：“mobilizing”and“assisting”are proposed,then their implementationsare clarified which are“mobilizing”surrounding rock to bear the load reinforcement by applying surrounding rock reinforcement,advance reinforcement and bolt support,“assisting”surrounding rock to bear the load by using the supporting structure.Aiming at the complex tunnel support system,the concept of dynamic optimization of multi-objective and staged synergistic ef f ect is put forward,which can realize the coordination of various supporting structures in terms of time and space to improve the reliability.In view of the safety characteristics of extremely unstable complex surrounding rock,the safety accident mechanism model of three patterns is established.A new concept of safety classificatio is put forward based on the characteristics of engineering response,and a gradation index system and classificatiomethod are established.On account of the underwater tunnel and water-enriched surrounding rock,three patterns of water inrush mechanism model are established,and the theory and method of safety control based on deformation control of surrounding rock are put forward.At last,the hotspot and core problems of the discipline development are analyzed and prospected.

surrounding rock of tunnel,supporting structure system,dynamic interaction between supports and surrounding rock,supporting structure design

TU43

A doi：10.6052/0459-1879-16-348

頂立,臺(tái)啟民,房倩.復(fù)雜隧道圍巖安全性及其評(píng)價(jià)方法.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),

10.13722/j.cnki.jrme.2015.1737(Zhang Dingli,Tai Qimin,Fang Qian.Safety of complex tunnel surrounding rock and its evaluation method.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,doi：10.13722/j.cnki.jrme.2015.1737(in Chinese))

2016-11-25收稿，2016-11-28錄用,2016-11-30網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表.

1)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助(U1234210).

2)張頂立,教授，主要研究方向：隧道及地下工程方面的教學(xué)與研究工作.E-mail：zhang-dingli@263.net

張頂立.隧道及地下工程的基本問(wèn)題及其研究進(jìn)展.力學(xué)學(xué)報(bào),2017,49(1)：3-21

Zhang Dingli.Essential issues and their research progress in tunnel and underground engineering.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(1)：3-21