隧道支护理论的发展

隧道工程支护结构理论的发展至今已有百余年的历史，它与岩土力学的发展有着密切关系，岩石力学的发展促使围岩压力和隧道工程支护结构理论进一步地飞跃。随着新型支护结构的出现，岩土力学、测试仪器及计算机技术和数值分析方法的发展，隧道工程中支护结构理论正在逐渐形成一门完善的学科。

隧道工程支护结构理论的一个重要问题是如何确定作用在地下结构上的荷载。因此，支护结构理论的发展离不开围岩压力理论的发展。从这个方面看，支护结构理论的发展大概可分为三个阶段。

20世纪20年代以前，主要是古典的压力阶段。这类理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量γH（γ是岩层容重；H是埋深）。可以作为代表的有海姆（A．Haim），朗肯（W．J．M．Rankine）和金尼克（A．H．Дииик）理论，其不同之处在于，他们对地层水平压力的侧压力系数有不同的理解。海姆认为侧压力系数为1，朗肯根据松散体理论认为是，而金尼克根据弹性理论认为是为岩体的泊松比；φ为岩体的内摩擦角）。由于当时隧道工程埋藏深度不大，人们曾一度认为这些理论是正确的。

随着开挖深度的增加，人们越来越多地发现，古典压力理论不符合理论实际情况，于是又出现了散体压力理论。这类理论认为，当隧道或地下工程埋藏深度较大时，作用在支护结构上的压力，不是上覆岩层的重量，而只是围岩塌落拱内的松动岩体重量。可以作为代表的有太沙基（K．Terzaghi）和普氏（M．M．Лротдъяконов）理论，他们的共同观点是认为塌落拱的高度与隧道工程的跨度和围岩性质有关，不同之处是，前者认为塌落拱成矩形，后者认为是抛物线形。普氏理论把复杂的岩体之间的联系用一个似摩擦系数描写，显然过于粗糙，在工程实践中也常常出现失败的情况，但是由于这个方法比较简单，直到现在仍在应用着。

散体压力理论是相应于当时的支护结构和施工水平发展起来的，由于当时的掘进和支护所需的时间较长，支护于围岩不能及时紧密相贴，致使围岩最终往往有一部分破坏、塌落。但是当时没有认识到围岩的塌落并不是形成围岩压力的唯一来源（即不是所有的地下空间都存在塌落拱），更没有认识到通过稳定围岩充分发挥围岩的自承作用问题。此外，这类理论也没有能科学地确定塌落拱的高度及其形成过程。

20世纪50年代以来，岩体力学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑形性及粘弹性解答逐渐出现。如史密德（H．Schmid）和温德耳斯（R．Windels）按连续介质力学方法计算圆形衬砌的弹性解，徐干成、郑颖人等利用弹性力学获得了在非均压地层力作用下围岩与支护共同作用的线弹性解；塔罗勃（J．Talobre）和卡斯特奈（H．Kastner）得出了圆形洞室的弹塑性解；塞拉塔（S．Serata）柯蒂斯和樱井春辅采用岩土介质的各种流变模型获得了圆形隧道的粘弹性解。同时，锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的一套新奥地利隧道设计施工方法的兴起，终于形成了以岩体力学原理为基础的、考虑支护与围岩共同作用的隧道工程现代支护理论。

现代支护理论与传统支护理论之间的区别主要表现在以下几个方面：

①对围岩和围岩压力的认识方面：传统支护理论认为围岩压力由洞室塌落的围岩“松散压力”造成，而现代支护理论则认为围岩具有自承能力，围岩作用于支护上的压力不是松散压力，而是阻止围岩变形的形变压力。

②在围岩和支护间的相互关系上：传统支护理论把围岩和支护分开考虑，将围岩当作荷载，支护作为承载结构，属于“荷载唱结构”体系，现代支护理论则将围岩和支护作为一个统一体，二者组成“围岩唱支护”体系共同参与工作。

③在支护功能和作用原理上：传统支护只是为了承受荷载，现代支护则是为了及时稳定和加固围岩。

④在设计计算方法上：传统支护主要是确定作用在支护上的荷载，现代支护设计的作用荷载是岩体地应力，围岩和支护共同承载。

⑤在支护形式和工艺上：喷锚支护的施工方式很简单，不需模板，无需回填，在围岩松动之前能及时加固围岩。

由上可以看出，传统支护理论更注意结果和对结果的处理；而现代支护理论则更注意过程和对过程的控制，即对围岩自承载能力的充分利用。由于有此区别，因而两种理论体系在原理和方法上各自表现出不同的特点。表8．1是对两大理论体系的比较说明。

应当注意的是，隧道工程是在应力岩体中开拓的地下空间，我们在选择施工方法时，并不介意采用什么理论和方法，而应当根据具体工程的各方面条件综合考虑，选择最经济、最合理的设计和施工方案，甚至是多种方法的综合应用，这是一个受多种因素影响的动态的择优过程。

表8．1　两大理论体系的比较说明

注：围岩的三位一体特性是指围岩既是产生围岩压力的原因，又是承受这个压力的承载结构，且是构成这个结构的天然材料。

现代支护理论的形成与发展，首先是由于喷锚支护等现代支护结构的大量使用，给人们积累了丰富的经验，新奥法（New Austrian Tunnelling Method）是典型的代表。尤其是现场监控量测的应用，至20世纪80年代又将现场监控量测与理论分析结合起来，发展成为一种适应隧道工程特点的和当前技术水平的新的设计方法———现场监控设计方法（也成为信息化设计方法）。其次是由于岩石力学理论的发展，20世纪60年代中期和70年代末期，以有限元法和边界元法为基础的数值解法开始运用到隧道工程中来。20世纪70年代后期，在解析方面，国内外学者对轴对称问题获得了比较完善的解答，提出了喷锚支护的一些计算与设计方法，在国内外称为收敛唱约束法或特征曲线法。有限元法、边界元法及离散元法等数值解法迅速发展，模拟围岩弹塑性、粘弹塑性及岩体节理面等大型程序已经很多，这些理论都是以支护与围岩共同作用和需得知地应力及施工条件为前提的，比较符合隧道工程的力学原理。然而，这些计算参数还难以准确获得，如原岩应力、岩体力学参数及施工因素等。另外，对岩土材料的本构模型与围岩的破坏失稳准则人们还认识不足。因此，目前根据共同作用所得计算结果一般也只作为设计参考依据。目前，工程中主要使用的工程类比设计法，也正在向着定量化、精确化和科学化方向发展。

隧道工程支护结构理论的另一类内容，是岩体中由于节理裂隙切割而形成的不稳定块体失稳，一般应用工程地质和力学计算相结合的分析方法，即岩石块体极限平衡分析法。这种方法主要是在工程地质的基础上，根据极限平衡理论，研究岩体的形状和大小及其塌落条件，确定支护参数。

与此同时，在隧道工程支护结构设计中应用可靠性理论，推行概率极限状态设计研究方面也取得了重要进展。采用动态可靠度分析法，即利用现场监测信息，从反馈信息的数据推测隧道工程稳定可靠度，从而对支护结构进行优化设计，这是改善隧道工程支护结构设计的合理途径。考虑各主要影响因素及准则本身的随机性，可将判别方法引入可靠度范畴。在计算分析方法研究方面，随机有限元（包括摄动法，纽曼法，最大熵法和响应面法等）、Monte唱Carlo模拟、随机块体理论和随机边界元法等一系列新的隧道工程支护结构理论分析方法近年来都有较大的发展。

隧道工程支护结构理论正在不断发展，各种设计方法都需要不断提高和完善，尤其是能较好地反映隧道工程特点的现场监控设计方法，更迫切需要在近期内形成比较完善的量测体系与计算体系。从发展趋势看，新奥法开创的理论唱经验唱量测三者结合的“信息化设计”体现了隧道工程支护结构设计理论的发展方向。