隧道及地下工程的基本问题及其研究进展1)

张顶立

(北京交通大学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问题及其研究进展1)

张顶立2)

(北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京100044)

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.由此提出了动态作用全过程的描述方法；基于广义与狭义载荷的理念，提出隧道支护具有调动和协助围岩承载基本功能的观点，明确了两种功能的实现方式，即通过围岩加固、超前加固及锚杆支护实现调动围岩承载，通过支护结构协助围岩承载；针对复杂的隧道支护结构体系，提出了多目标、分阶段协同作用动态优化概念，可使各种支护结构的施作实现时间和空间上的协调，提高可靠性；针对极不稳定的复杂隧道围岩的安全性特点，建立了3种模式的安全事故机理模型，基于工程响应特点提出了安全性分级的新理念，并形成了分级指标体系和分级方法；针对水下隧道及富水围岩条件，建立了3种模式的隧道突涌水机理模型，提出了基于围岩变形控制的安全性控制理论和方法.最后，对本学科发展的热点和核心问题进行了分析和展望.

隧道围岩,支护结构体系,支护--围岩动态作用,支护结构设计

引言

截止到2015年底，中国已建成运营的铁路隧道13038km，其中高铁隧道3200km，建成运营的公路隧道12683.9km，城市轨道交通3286km、水工隧道11000km，此外还有大量的市政隧道以及城市地下空间开发工程，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，主要表现在以下几个方面：

(1)工程实践取得了快速发展，在世界范围内，尤其是国内近年来建成了诸多复杂的隧道及地下工程，但其中理论指导作用显然没有发挥应有的作用，在工程可靠性与经济合理性的平衡中缺乏必要的理论支撑.

(2)工程建设中安全事故频发，其深层次的原因是对安全事故孕育、演化和形成机理缺乏系统深入的研究和认识，由此造成控制措施不到位，难以做到精细化设计和施工，安全控制没能实现定量化和规范化.

(3)隧道工程设计仍然是以工程经验为主的设计方法，工程案例数量的有限性、工程条件的局限性以及工程经验的可靠性都使得既有工程经验对复杂隧道工程设计方案的指导作用受到很大限制.

隧道及地下结构是一个由围岩与支护结构构成的复杂系统.围岩条件的复杂多变性、载荷效应的动态特性以及支护结构性能的不确定性，使得本学科的理论指导作用不像其他学科更易于实现定量化.隧道工程建设及地下空间开发规模不断加大，仅仅依靠工程经验难以满足其安全性、经济性和技术先进性的要求，建立相应的技术体系显得非常必要和迫切，同时大量理论研究与工程经验的积累也为系统理论体系的建立提供了重要的工作基础.

为此，本文从隧道及地下工程的本质特征出发，凝练出本学科的关键科学问题，并指出了学科所面临的挑战、问题破解途径以及相关工作研究进展，旨在提升本学科的科学内涵和学术层次.

1 隧道及地下工程学科的基本问题

本质上，隧道及地下工程就是在地面以下的地层中开掘一个空间，以满足不同的功能需求，由此使长期处于平衡状态的地层因开挖扰动而发生应力调整及变形，并试图尽快形成新的平衡状态.然而，地层条件的差异性使围岩出现不同的稳定状态，有些围岩通过应力调整达到了新的平衡状态，而有些围岩则难以实现自行平衡，随变形的发展而出现破坏和失稳，危及工程安全.显然，隧道工程学科所要解决的关键问题就是促使围岩尽快形成新的平衡状态，而不致发生破坏和失稳.因此必须在围岩稳定性分析的基础上进行适时、适当的外部干预，这便构成了隧道设计和施工的核心内容.

综上可见，隧道及地下工程的基本问题包括隧道围岩稳定性、支护与围岩的作用关系以及支护结构体系的动力响应特点等3个方面，如图1所示.围岩稳定性的分析和判别是隧道工程设计的基础，支护与围岩动态作用关系的深化研究是支护体系及其可靠性设计的前提，而支护结构与围岩作用体系的动力响应机制则是隧道结构抗震和耐久性设计的保障.

图1 隧道及地下工程的基本问题Fig.1 Essential issues of tunnel and underground engineering

(1)隧道围岩稳定性及其评价方法

不同地层中的隧道工程活动使围岩稳定性差异极大，这也是世界各国普遍开展围岩稳定性分级的原因.尽管世界各国及不同行业提出了各种不同的围岩分级分类方案，但都大同小异.这虽然对隧道工程的安全建造和结构设计起到了积极作用.但对稳定性极差围岩的认识却存在较大的分歧，而且总体上尚未得到很好的解决.

事实上，隧道围岩作为一种地质材料，其稳定性是一个相对模糊的概念，从本质上来说围岩稳定性是指在一定的尺度和空间条件下围岩能够自行稳定的时间，这显然与围岩的结构是显著相关的.对于结构复杂或松软破碎的地层，围岩在掌子面前方就已发生了严重的变形和破坏，无法实现自稳，这时需要及时的外部干预方能保证隧道工程的安全.

(2)隧道支护与围岩的动态作用关系

对隧道围岩干预的方式和时机是复杂隧道围岩设计的核心内容，而支护与围岩的动态作用关系及其演化机制则是地层加固和支护结构设计的基础.隧道围岩变形和破坏是一个复杂的过程，通常始于掌子面前方，而在得到有效支护以后其变形才趋于稳定，在此期间,各种不同形式的干预共同构成复合支护结构体系，并实现协同作用.

在复杂的支护体系中，不同的支护结构各自承担不同的支护功能.地层的超前加固和预支护可以实现围岩基本的自稳要求，保证围岩暴露后不致发生严重破坏和大范围的失稳；锚杆支护系统既是有效的临时支护，也是永久支护的组成部分，在具有一定稳定性的围岩条件下是一种高效的支护形式；而现行的初期支护则是隧道支护结构的主体，与前述的各种支护一道实现对围岩安全性的可靠控制；二次衬砌结构通常作为安全储备，并因其施作时机和结构刚度的不同而承担不同的载荷份额.

(3)隧道支护结构体系的动力响应

隧道围岩与支护结构体系的动力响应主要包括地震响应和时间效应，在一定程度上表征了隧道工程的长期安全性，地震作为一种复杂的特殊载荷作用对隧道结构以及支护--围岩的整体性具有更高的要求；随着隧道使用时间的延长，建筑材料不断老化，结构逐渐劣化，同时由于围岩变形的累积也会使得支护与围岩关系发生变化，考虑到这种作用的渐进发展特点，对隧道结构也表现为一种动力作用过程.

隧道结构动力响应的突出特点就是隧道结构体系承受一种超常强度和规模的外载作用，并且呈现周期性，而结构体系的响应模式和程度则取决于隧道围岩、支护结构以及两者的作用关系，这在某种程度上也决定了动力作用的结果.地下结构的抗震性能和结构体系耐久性也是目前研究较为薄弱的重要内容.

在隧道工程的上述3个核心问题中，围岩稳定性是最为关键的问题，也是研究的重点，它一方面是其他两个问题研究的基础，同时也是隧道及地下工程的特色和难点，那么，对隧道围岩变形破坏机制的研究和稳定性判别就显得尤其重要和迫切.

隧道设计的核心问题一是围岩结构的基本形式及其稳定性，二是支护结构载荷的确定方法，而将两者建立联系的则是支护与围岩关系，这种关系具有动态性、过程性和多变性等特点，并通过力学转换和变形协调实现围岩结构体系与支护结构体系的协同作用.

2 隧道围岩力学特性及其载荷效应

隧道围岩的工程响应通常表现为围岩的变形破坏及稳定性状况.由于围岩条件极其复杂，围岩的变形破坏过程呈现多样性.围岩变形起始于掌子面前方，而在支护结构的作用下最终达到平衡与稳定.由此可见，对隧道围岩稳定性的判别及载荷效应的预测是隧道设计的基本任务.事实上，任何隧道设计理论都必须明确回答两个关键问题，即围岩结构的基本形式和支护载荷的确定方法，按照对上述问题的不同认识和回答方式便形成了各种隧道设计理论与方法.

对围岩变形破坏机制的认识是解决上述问题的基础和前提，受隧道施工扰动的影响，围岩的变形和破坏具有显著的时空效应，即表现为围岩的渐进破坏.在复杂隧道围岩的破坏发展过程中，通常会经过变形、破坏、松动和失稳垮落等阶段，并具有分区和分层破坏特性.由于不同区域的围岩稳定性和变形过程不同，它们也表现为不同的围岩载荷效应，并进而影响到支护与围岩的作用模式和支护结构设计方法.

2.1 隧道围岩变形及破坏特性

在隧道施工影响下，围岩发生应力调整和转移，通常伴随着变形与破坏.随着围岩变形的增大,破坏逐渐发展，围岩失稳范围增大，出现不同形式的破坏[1].围岩变形先后经历4个阶段，自掌子面前方开始，依次为缓慢变形、急剧变形、变形减缓和变形稳定，如图2所示.随着变形的发展围岩破坏范围不断增大，如图3所示.

图2 隧道围岩变形过程Fig.2 Deformation process of tunnel surrounding rock

图3 隧道围岩破坏区的发展Fig.3 Development of tunnel surrounding rock failure zone

缓慢变形阶段.隧道施工扰动下掌子面前方一定范围内的围岩因受到应力集中的作用而开始变形，但由于该处地层尚处于三向应力状态，受到外部地层的约束,变形量较小，发展比较缓慢.这一阶段的围岩尚未发生明显的结构失稳和破坏.稳定性较好的围岩仅发生少许的变形即可自行平衡和稳定.

急剧变形阶段.进入掌子面附近的围岩受集中应力作用且约束条件发生变化,地层结构首先失稳和破坏，变形急剧增大.处于这一阶段的围岩极易失稳，这是隧道施工过程中发生坍塌事故的主因.直到围岩得到有效支护后变形才趋于缓和，这部分围岩变形所占比例较大，应作为围岩变形和安全性控制的重点.

变形减缓阶段.初期支护施作后,围岩变形迅速趋缓.随着初期支护作用力的增大,围岩破坏范围和围岩变形趋于稳定.若初期支护结构不能提供围岩所需的支撑力,结构则会失效，进而导致掌子面后方大范围坍塌.这一阶段的核心工作是使围岩变形尽快稳定下来.

变形稳定阶段.隧道围岩与初期支护结构达到平衡状态，这时围岩变形的增加极为缓慢，已无显著变形，理论上这时可以施作二次衬砌结构.如在某些条件下围岩变形持续发展而无法实现平衡，则需要施作更强的初期支护或者改善围岩条件.

需要指出，上述4个发展阶段因围岩不同存在较大的差异，并且每个阶段的范围、围岩变形量以及稳定状况也各不相同，其控制难度也相差悬殊.工程实践中所谓的围岩大变形通常是指不对围岩变形控制，或者仅采取常规控制措施条件下所出现的现象，而事实上对于这类围岩采取相应的控制对策后可将围岩变形控制在可接受的水平，因此在实际工程中并不存在真实的围岩大变形，但有不同的控制方案.

2.2 隧道围岩的复合结构特性

受到施工扰动后，隧道围岩呈现出由内向外渐进破坏的特点.内层围岩首先发生破坏和失稳，隧道上部围岩表现为垮落，下部围岩则表现为滑移，由此构成隧道围岩的松动区域，这部分围岩需要及时地加以控制，而在此区域以外的围岩则处于相对稳定状态.

(1)隧道围岩变形破坏的结构性特点

由于地质条件的复杂性以及工程影响的时空演化特点，围岩应力状态处于不断变化中，部分围岩垮落以后应力得到转移，因而伴随着应力的调整，新的传力拱结构随即形成，如此循环.当围岩中所形成的传力拱结构具有一定的自稳能力时，围岩垮落即行停止，可维持一定时间的稳定.在此时间内可对围岩实行有效的支护.事实上，这部分松动岩体已由及时施作的支护结构所支撑，因此通常情况下并不会发生垮落和冒顶事故.

考虑松动区边界内外围岩稳定性的差异性，可将隧道周边一定范围内丧失整体稳定性而无法实现长期自稳的松动区定义为浅层围岩，如图4所示.这部分围岩需要及时支护；在此范围以外,整体稳定性较好而且能够承担地层载荷的围岩则为深层围岩.若对深层围岩采取及时有效的支护和干预则可保持其稳定性.显然，隧道围岩通常是由浅层围岩和深层围岩复合而成.

图4 深浅层围岩的边界范围Fig.4 Boundaries of deep and shallow surrounding rock

(2)深层围岩的分组破坏特性

由于地层条件以及工程扰动效应的复杂性，围岩失稳具有显著的突发性和阶段性特点，如图5所示.数值试验中不同阶段的围岩垮落高度见图6.

图5 隧道围岩压力拱的发展过程Fig.5 Arch development process of shallow buried tunnel

图6 围岩复合结构的形成Fig.6 The formation of surrounding rock compound structure

每组围岩失稳后都将保持相对较长时间的平衡.突发性表明了围岩变形破坏发展由量变到质变的累积过程，而阶段性则显然是围岩失稳和破坏的分组性特点，而处于同一组的围岩具有本质的共性特点.

作为一种天然材料的地质体，结构形式多样，围岩应力传递和变形传播的时效性以及工程影响的空间转化特点决定了围岩破坏的分组特性.

处于同一组的深层围岩通常同时垮落，而最内侧的一组深层围岩稳定性是控制的关键，它不仅决定了隧道安全状态，而且也是支护结构和结构耐久性设计的重要依据.

隧道内侧的岩层组失稳后，外部的拱式结构随即形成，以便及时承担传递的围岩压力.而在此过程中通过支护对围岩变形进行约束是控制围岩安全性的重要手段.

(3)深层围岩的结构层效应

同一组深层围岩的同时或近乎同时失稳这一现象表明，在施工影响下，这组岩层具有相似的力学行为.然而，由于地层材料参数的差异性、结构的空间尺度效应以及外部载荷分布性特点，每组围岩中各岩层的力学性能和承载拱又是不同的.通常内侧岩层具有较好的承载能力和稳定性，可将此具有承载作用的岩层称为“结构层”；而此外的岩层稳定性较差，需依托“结构层”而存在，可将其称为“载荷层”.可见每组深层围岩均由“结构层”与“载荷层”组成.显然“结构层”的稳定性即决定了该组岩层的稳定性，也将成为控制的核心.考虑到地层与工程条件的复杂性，每组围岩中“载荷层”并非总是存在，在某些条件下整个围岩组均表现出“结构层”的性能，显然这对围岩组的稳定性是有利的[2].

2.3 隧道围岩载荷的确定

隧道围岩广义载荷本质上就是开挖地层原承担的地层载荷，但这其中大部分会转移到相邻地层，而仅靠地层无法承担的载荷需要通过支护来实现平衡，这部分称为狭义载荷.因此狭义载荷本质上就是隧道支护结构体系所分担的地层载荷，体现了维持围岩稳定而需要外部提供的干预能力和水平[3].对于复合隧道围岩，其载荷效应主要由两部分组成，即浅层围岩的“给定载荷”和深层围岩的“形变载荷”.处于松动状态的浅层围岩所产生的载荷需要支护结构全部承担；而处于相对稳定状态的深层围岩所产生的载荷大小则取决于对其结构层的控制水平及传力效果，对结构层变形控制越严则其载荷越大，反之亦然.可见，复合围岩的载荷效应主要取决于浅层围岩的范围和对深层围岩变形的控制目标和标准.

事实上，稳定性较差的围岩载荷效应通常可分为3个层次：①原始围岩载荷，即在不对围岩进行任何预处理条件下由隧道开挖所引起的载荷，通常仅为理论预测载荷.与此载荷相对应的支护则包括围岩超前预加固和预支护在内的所有支护结构，也称广义附加围岩载荷；②基本围岩载荷，即经过围岩预加固和必要的预支护，能保证隧道开挖后具有一定自稳能力的载荷，与此相对应的支护则不包括在掌子面前方对围岩的预加固和预支护的作用；③结构围岩载荷，即把超前预支护、锚喷支护以及初期支护等均当作对围岩的改良和处置，进行如此处理后的载荷才看作围岩载荷.通常以此为二次支护结构的设计依据，这也是目前隧道设计规范中认定的结构载荷.

基于复合围岩基本载荷的理念，可利用图7所示的计算模型对支护反力进行分析.

取一组结构层进行分析，重点关注支护径向载荷.假设支护反力为pa，结构层与浅层围岩界面接触反力为pb，载荷层施加于结构层载荷为pc.

图7 载荷计算模型Fig.7 Load calculation model

支护载荷pa分别来源于浅层围岩自重载荷p1和结构层形变载荷p2

其中自重载荷p1直接作用于支护结构之上，结构层形变载荷p2通过浅层围岩传递至支护结构.浅层围岩自重载荷为

式中,γ为浅层围岩重度，h为计算方向上浅层围岩厚度，αv为计算方向与重力方向的夹角.

结构层形变载荷与载荷层压力以及复合围岩自身参数有关，可表示为

式中,α为载荷层压力传递系数，β为结构层形变载荷传递系数，两者都与分析问题的几何参数和材料参数相关；ui为结构层变形量.由此，支护载荷的计算转为结构层和浅层围岩形变载荷传递参数α和β的确定.

假设围岩应力状态与应力路径无关[4],按照围岩弹塑性力学模型分析，可得出

式中，rb和rc分别为浅层围岩和深层围岩的半径，µ为围岩变形前的泊松比，E1i和µ1i分别为浅层围岩变形后的模量和泊松比，E2i和µ2i分别为深层围岩结构层变形后的模量和泊松比.

在取得载荷传递系数之后，即可对结构层的形变载荷进行计算，并结合浅层围岩给定载荷，根据式(1)计算出围岩载荷.给定参数即可得到给定变形下的支护载荷关系曲线，如图8所示.

图8 围岩载荷特性曲线Fig.8 Characteristic curve of surrounding rock load

图8中曲线前半部分通过本文所述方法计算得到，而后半部分虚线无法计算，表示失稳后浅层围岩范围不断发展，导致施加于支护上的自重载荷增加.其最大值是该组深层围岩全部失稳所形成的地层载荷.

在围岩条件发生变化时，上述围岩特性曲线的形状和位置将发生相应的变化，围岩条件变好时曲线左移，围岩变差时则右移.而当围岩能够实现自行稳定时，随着应力释放围岩变形达到一定值后则不再发展，围岩载荷也将趋于稳定.

按照本文前述结构层与载荷层分组运动规律，每组深层围岩的失稳事实上都造成浅层围岩范围的增大和阶段性扩展，计算将得到如图9所示的载荷曲线.

图9 阶段性破坏情况下的围岩载荷关系曲线Fig.9 Relationship curves of surrounding rock load under the phased destruction

图9中载荷上限包络线各组深层围岩结构层失稳后支护所受最大载荷的变化情况，可由计算获得；载荷下限包络线则表示结构层尚未失稳时的支护最小载荷，与结构体系的刚度有关.实际工程中的支护结构载荷理论上都在上述网格区域，据此可获得不同围岩条件下的围岩特性曲线.

2.4 复杂隧道围岩稳定性及载荷特点

由于地层条件极其复杂，隧道围岩也是千差万别，围岩力学性质表现出很大的不确定性,这是隧道设计和施工面临的最大挑战.围岩条件复杂性主要表现为围岩变形破坏的时空演化特点、变形控制标准不同、围岩破坏模式不同以及围岩载荷形成方式和大小不同.

不同类型地层的工程响应主要表现在隧道围岩结构形式及稳定性上，进而表现为围岩载荷.由于地层的非均质性、各向异性以及非对称性，围岩结构形状会发生变化.对于层状岩体，其会呈现非对称的结构形式，受到地层倾向及角度的影响，结构层形式复杂又多样，结构层的稳定性可利用梁结构模型来计算；对于砂性地层，围岩结构则表现为复合拱式结构.复合拱通常有三种破坏模式[5]：

(1)上部垮落：在拱脚完好的前提下，复合拱结构承载主体向上移动，承载结构相较于初始状态更加稳定，塌方程度会阶段性趋缓，并最终稳定.

(2)拱脚失稳：相当于拱结构的跨度增大，由于稳定的拱结构具有特定的高跨比，因此最终稳定状态的拱结构范围将大于拱顶破坏模式下的范围，复合拱拱脚会向两侧移动，之后，续随着上部围岩的破坏，高度再向上移动.

(3)下部滑移：该模式对复合拱结构带来两个影响，其一为拱脚失去支撑条件而破坏，其二为维持稳定的强力链不能构成完整闭合环而发生重组.以上两种影响共同作用，导致拱结构同时在跨度和高度上向外扩展.

上述破坏模式对应于3种不同的复合拱失稳模式，其中后两种模式都带来拱脚的破坏，拱脚破坏会使得复合拱结构跨度增大，从而导致最终稳定状态范围比第1种情况更大，由此可以推断在围岩稳定性控制过程中，拱脚的控制是关键，也是控制最终破坏范围的最有效手段.

3 支护与围岩的动态作用关系

当隧道围岩无法实现自行平衡时需要及时的外部干预，那就是加固以及各种形式的支护.而何时支护以及采取怎样的支护方式则需对围岩的支护过程和特点进行分析，并对其作用效果和可靠性作出评价.

支护与围岩相互作用关系的本质就是支护结构体系的强度与刚度对围岩的变形破坏及时空演化特点的适应性.因此针对不同围岩条件选择适宜的支护方式是非常重要的，这也是隧道设计和支护质量控制的核心内容.

3.1 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，如图10所示.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.

图10 隧道围岩拱顶沉降历时曲线Fig.10 Crown settlement-time curves of tunnel surrounding rock

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.图11为初期支护结构受力变化情况.

图11 隧道初期支护拱架钢筋受力历时曲线Fig.11 Stress-time curves of tunnel initial support steel arch centering

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.

3.2 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，如图12所示.

图12 支护与围岩动态相互作用概念Fig.12 Conception of dynamic interaction between support and surrounding rock

(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.

4 隧道支护结构及其协同作用

隧道工程设计的基本任务之一就是选择合理的支护方式和支护参数，而支护结构设计则是针对围岩条件及载荷释放特点确定施作工艺，并就其对围岩的适应性和可靠性作出评价.

4.1 隧道支护的基本作用

如前所述，受施工扰动后围岩无法实现自行平衡时需对围岩实施外部干预，即通常所说的隧道支护.本质上，隧道支护的基本作用就是“调动围岩承载”和“协助围岩承载”两个方面，其核心是承担因隧道施工引起的附加围岩载荷.

(1)调动围岩承载

对于广义载荷来讲，主承载结构是围岩自身，充分发挥围岩的承载功能是隧道设计的基本原则，最大限度地发挥围岩的自承载能力有利于提高支护效率，是最为经济的工程方案，这与新奥法的原理也是一致的.调动围岩承载的方式包括尽可能少扰动围岩(保护围岩)、超前预加固围岩、及时初喷混凝土以及实施锚杆支护系统等，其作用主要体现在增大围岩强度和整体性等，以提升围岩稳定性.

(2)协助围岩承载

在某些围岩条件下仅靠调动围岩自承载无法实现自行稳定和平衡，这时便需要外部结构的介入承担部分附加载荷以实现围岩的整体稳定性和平衡，这也是支护结构的本质作用特征.协助围岩承载的方式包括各种形式的超前预支护、初期支护和二次衬砌结构等，而锚杆支护则兼有调动和协助围岩承载的功能，其作用则主要体现在承担围岩松弛载荷以及对围岩变形形成约束.

(3)动态协调承载

在对隧道围岩的支护活动中，调动和协助围岩承担的界限并不十分明显，通常在时间上是先调动后协助，在空间上则是调动深层承载、协助浅层围岩承载，而在实际作用过程中是相互依赖和相互包含的，动态协调是其相互作用的基本特征，这也是支护与围岩关系复杂化和作用结果具有不确定性的重要原因.

4.2 隧道支护结构设计方法

严格来讲，对围岩预加固的本质是提高围岩稳定性，应属于围岩层面的措施，由此可减少围岩的载荷效应；各种形式的支护结构则是承担围岩所释放载荷的主体，而支护结构设计应与围岩变形演化特点相适应.

(1)超前预支护体系的保障作用

对于稳定性较差的围岩，在采用了预加固措施以后，其自稳能力仍难满足施工要求时,需要对其实施预支护，防止围岩大变形、塌方或冒顶，从时间和空间上为下一步工序的进行创造条件.显然，预支护作用的目标就是为隧道开挖提供条件，在其所提供的围岩自稳时间内能够完成有效的初期支护，这是超前支护设计的原则和依据.

超前支护的纵向范围应大于围岩发生急剧变形的范围，由此才可保障掌子面前方的围岩稳定；而超前支护结构的强度和刚度则取决于其作为临时支护所需承担的松动围岩范围以及变形控制标准，超前支护的形式则可以多样化，适宜为好.

有时，超前加固与超前支护是相辅相成、协调作用的.同样是维护掌子面前方的围岩稳定性，可以在隧道轮廓线以外施作预加固或预支护以减小开挖地层的受力而避免坍塌，此即为我国在不良地质中广泛应用的浅埋暗挖技术；而对待开挖地层进行预加固和预支护以提高支撑能力而避免掌子面前方的地层过度变形，此即为欧洲不良地质中应用的新意大利技术.两者具有异曲同工之效，相对而言，浅埋暗挖法效率更高，而新意法则更易实现机械化，有利于保障施工质量.

(2)初期支护系统的关键作用

作为隧道围岩控制的主体结构，初期支护通常包括系统锚杆、拱架支护及喷射混凝土等，其各自的作用存在很大的差异.

系统锚杆的作用机理主要有悬吊作用、组合梁作用和挤压加固作用等3种模式，在不同的围岩条件下有所侧重，但只要形成其中的任何一种作用模式,就说明锚杆作用都是有效的.组合梁(拱)的抗弯刚度和强度显著提高，从而增强了地层的承载能力，锚杆提供的锚固力愈大，作用愈明显.显然，锚杆预应力可以直接影响围岩加固效果.

拱架结构是隧道支护中最常采用的初期支护手段，分为型钢钢架和格栅钢架两种形式，具有可预制、刚度大、扩展性好和施作时间短的特点，能够在隧道掌子面开挖后迅速提供支护作用，为其他支护构件的施作争取了更多的时间和空间.其工作原理是在与围岩接触的过程中，通过自身的变形来提供支护反力，为典型的被动承载构件.其力学传递过程是通过将拱型构件所受到的径向载荷转移到环向上，尽可能多地通过增大构件的轴力来降低弯矩与剪力，这样有利于发挥材料的抗拉、抗压性能.

喷射混凝土的工作原理与其施作位置关系很大.当混凝土分布在掌子面时,其主要通过自身的抗拉性、粘结性和整体性能来保护掌子面的稳定.当其沿着洞室环向喷射时其主要作用除了保护松散的岩土体外，更重要的是与已有的支护拱架形成一定厚度的带肋柱壳或圆柱来抵抗围岩变形，此时其力学传递过程与拱架类似.在纵向上则类似连续梁，较单纯的拱架更具稳定性.此外，喷射混凝土还能进一步填补拱架与围岩之间的空隙，改善拱架受力状态，减少了环向失稳的可能性，并提高了拱架在纵向抵抗倾覆的能力.

需要指出，初期支护系统承担全部载荷的理念是指仅施作初期支护即可保证隧道结构的长期安全，有时可能需要施作多层初期支护，并且还可能需要配以较强的超前预支护方法来实现.

(3)二次衬砌结构的安全储备作用

二次衬砌的施作应当在围岩收敛变形趋于稳定之后进行，其载荷来源包括两个方面：一是由初期支护的载荷转移而来，其大小取决于刚度对比情况；二是隧道结构体系遭遇极端条件下的动载荷以及岩土体长期蠕变所带来的载荷.二次衬砌结构属于厚壁构件，受载后的载荷传递过程与初期支护类似，但其受力较初期支护更为均匀，抵抗剪切和弯折的性能也明显增强.二次衬砌的变形过程明显具有连续性，不易发生失稳破坏，这点区别于初期支护.

二次衬砌的变形特点与塑性区发展趋势受到洞室形状和围岩条件的影响，从接触压力的角度来看，接触压力最大点并非总在拱顶处，拱脚等曲率变化较大的位置应力集中状况更为明显[6]，如图13所示.此外，从现场的测量数据来看，真实情况下隧道二次衬砌所受到的载荷小于其极限载荷，也就是说二次衬砌作为安全储备的功能是可行的.

图13 兰渝线胡麻岭隧道接触压力(kPa)Fig.13 Contact pressure for Humaling Tunnel of Lanyu Line(kPa)

4.3 隧道支护体系的协同作用

隧道支护结构是一个复杂系统，各构件之间的协同作用可有效地维护围岩的稳定，并获得最佳的控制效果，即在围岩变形量可控的前提下所受总载荷最小.协同作用的内容包括刚度协调、强度协调和作用时机的协调，本质上就是在适当的时机施作相应强度和刚度的支护结构，使各支护构件的支护性能得到最大限度的发挥，并在前序支护结构屈服前及时施作后续支护结构，这是实现协同作用的基本前提.

为此，复杂支护结构体系的力学转换应与围岩系统的变形演化和时空转化规律相适应，每个支护构件要与围岩变形发展阶段相对应，即每项支护具有明确的分工：①超前支护——核心是防止严重的围岩超前破坏和冒顶发生，对变形控制没有严格的要求；②初期支护——核心作用是遏制围岩变形，也是控制围岩稳定性的主体，通常应具有较高的刚度，对于复杂围岩可在必要时施作多重支护；③二次衬砌支护——多数条件下仅作为安全储备，通常受载并不大，本质上对其刚度要求并不高.在实际工程中，应针对围岩控制的重点和目标进行不同支护构件强度、刚度和施作时机的设计，如图14所示.

图14 隧道支护结构体系的工作特性Fig.14 Working characteristics of tunnel support system

图14表示了超前支护、初期支护和二次衬砌3种支护结构在不同支护时机下的工作特性.显然，由于超前支护刚度k1通常较小，对控制围岩变形效果并不明显；初期支护与围岩接触以后，其与超前支护联合形成综合支护结构刚度k2，在围岩变形作用下迅速形成较大的支撑能力，使围岩变形速率急剧减缓，并逐渐趋于稳定.这一阶段是隧道支护作用的核心，也是隧道支护是否成功的关键.二次衬砌施作以后在k2的基础上形成结构体系的整体刚度k3.但由于这时的围岩变形趋于稳定，本阶段主要表现为结构体系内部载荷的调整，即初期支护结构的载荷按照“硬支多载”的原理部分转移给二次衬砌结构.在此过程中围岩的少许变形使结构体系所承受的总载荷有所增加，但迅速达到稳定和平衡.

客观上，作为支护结构主体的初期支护本身也是一个复杂结构，包括可能采用的多重钢架混凝土结构以及锚杆支护系统.初期支护系统内的协同作用更为重要，在锚杆支护的极限应变量达到之前应完成初期支护体系的最后一道工序，并且尽可能多地发挥前序支护的能力，这样才能保证初期支护(包括超前支护系统)承担全部附加围岩载荷.

由此可见，整个隧道支护体系的协同作用可以划分为两个部分：一方面是纵向上“超前支护壳体模型”与“超前核心岩土体模型”在支护刚度上的相互增益;另一方面则是环向上前序支护与后续支护在围岩载荷承担上的分配和协调[7].

5 隧道及地下工程安全性分析

隧道作为高风险工程，安全性问题尤其突出，这在隧道工程的设计、施工和运营中都应引起高度重视并加以可靠的解决.

5.1 隧道及地下工程安全事故特点

根据2005—2014年我国在建铁路、公路隧道52起隧道塌方事故的统计分析，发生次数最多的位置是在初期支护施作到二衬施作之前，俗称后关门事故，约占47%；其次是掌子面前方及掌子面变形坍塌，即围岩失稳类事故，约占33%；最后是洞口坍塌，约占20%.

本质上，隧道施工中塌方事故可以归为三种主要类型，即围岩失稳、结构失效和环境失调所引起的安全事故.具体包括：

(1)围岩失稳类塌方事故

由于隧道围岩的超前失稳、破坏或过度变形造成坍塌和冒顶，进而引起掌子面的塌方事故，如图15所示.这类事故主要是由于隧道围岩在掌子面前方就已发生了大范围的严重破坏，超前预加固或预支护不到位时极易发生坍塌事故，而若不能及时处理还会诱发大范围塌方.

图15 隧道围岩失稳引起的塌方事故Fig.15 Tunnel collapse caused by surrounding rock instability

控制这类事故的关键是做好施工过程中的超前地质预报，并对围岩稳定性做出客观、准确的判断，据此做好超前加固和预支护工作.这类围岩通常对施工进度影响也较大[8].

(2)结构失效类塌方事故

隧道支护结构不足以抵抗围岩的附加载荷，支护与围岩的动态作用无法达到平衡状态而造成支护结构失效，如图 16所示.这类事故主要是由于初期支护结构的施作时机或强度或刚度不能满足围岩稳定的控制要求，或者对掌子面前方塌方处置不到位，或者是锚杆支护失效造成的.这是近年来造成重大人员伤亡的主要事故类型.

图16 隧道结构失效引起的塌方事故Fig.16 Tunnel collapse caused by initial support structure failure

避免这类事故首先要明确初期支护的核心作用，制定初期支护结构的技术标准，强调初期支护与围岩的协同作用，并保持密贴，根据雷达探测结果及时实行初期支护背后的填充注浆，并实施结构变形的监测，必要时作加强处理.

(3)环境失调类塌方事故

隧道施工引起地层的变形与破坏，造成周边环境的变化，环境结构与地层之间不协调而坍塌.由于隧道洞口和浅埋地段受力条件的复杂性，处理不当极易失稳，进而造成塌方事故，如图17所示.事实上，隧道施工安全控制的重点是隧道洞口和洞体内的不良地质段，也从很大程度上说明了这个问题.

图17 隧道环境失调引起的塌方事故Fig.17 Tunnel collapse caused by environmental disturbance

对于这类事故控制的重点是，必要时在洞口和浅埋地段施作管棚预支护，其核心作用是防止围岩塌方.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撑.

本质上，隧道及地下工程建设安全事故主要包括工程安全和环境安全两大类，在城市地下工程活动中尤以环境问题更加突出，而城市地下工程安全事故主要是由工程诱发的地层变形所致，因此提出以地层变形控制为核心的理念对安全风险进行管理[9].

5.2 隧道及地下结构病害机理与控制

隧道及地下结构作为一个复杂的体系，在投入运营或服役后会出现各种类型和不同程度的病害现象，如衬砌变形及裂损、结构渗漏水、基底及道床损坏等，严重威胁着隧道安全，缩短了隧道的维护周期和使用寿命，造成了安全隐患和财产损失.衬砌裂损作为一种常见的隧道病害，是支护与围岩长期不良作用的结果，从科学层面上也是支护--围岩系统的动力响应所致，其本质是围岩状态变化所造成的结构受力条件的改变，使得结构达到屈服强度而发生破坏.

(1)隧道结构病害特点

在导致隧道病害的诸多因素中，隧道衬砌背后接触状态不良是隧道结构病害的主要成因之一[10]，并直接影响到隧道结构的安全性.通过对100余座铁路运营隧道衬砌无损检测及统计分析，可得隧道衬砌背后空洞及松散区的分布,如图18所示.

由图18可见，单层衬砌背后空洞及接触松散范围的径向尺寸主要为0.3～0.7m，而复合衬砌结构背后不良接触则主要在0.2～0.5m范围内，并随围岩级别及隧道位置变化而变化.

衬砌结构背后接触松散和空洞的存在是隧道支护与围岩接触不良的主要表现形式，其实质就是在一定程度上恶化了支护与围岩的关系，由此直接或间接地造成各种结构病害，严重时会危及到运营安全，这也是地下结构普遍存在的问题.

图18 衬砌背后接触松散区径向尺寸分布Fig.18 Radial dimension distributions of voids or loose zones behind tunnel lining

图18 衬砌背后接触松散区径向尺寸分布(续)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衬砌结构背后具有集水条件和衬砌结构开裂(渗水通道)两者同时发生时才会形成，显然这两者均与结构背后的空洞有关.隧道基地和道床结构的破损本质上也是支护与围岩接触状态紧密相关.

(2)隧道及地下结构安全评估与控制

在隧道衬砌结构状况评定指标体系中，既有定量指标，又有定性指标，各指标之间不具备可比性.为了各评定指标的统一性，提出了“隧道健康度”的概念，据此可描述隧道整体结构及其子结构达到预期使用功能后的安全程度.

相对于隧道衬砌结构现场检测与技术状况评定工作而言，隧道整体结构健康度主要对应于隧道衬砌结构整体技术状况.隧道子结构的健康度主要对应于评定指标及其属性指标的技术状况，如衬砌裂缝状况、衬砌背后空洞状况、衬砌厚度状况、衬砌强度状况、钢筋锈蚀状况等.为了描述与计算的方便，本文给出了隧道健康度函数表达式

式中,H为隧道健康度函数,取值范围为 [0,1]；x1,x2,x3,··,xn为某评定指标现场检测值.

由此可见，隧道健康度的计算通过将现场检测数据进行标准化处理的方法来实现，各评定指标通过隧道健康度函数进行数据无量纲标准化，从而实现了各评定指标之间的计算和结果之间的统一.

隧道结构病害的产生通常有设计理念、施工质量控制和养护水平3个层面的原因.事实上，造成隧道衬砌结构裂损和渗漏水病害的因素包括衬砌厚度不足、厚度分布不均和衬砌背后接触不良等，这三者是相互影响并互为制约条件的，其中支护与围岩接触不良是安全事故的直接诱因.因此，保持支护与围岩的良好接触状态是隧道结构病害控制的核心.采用少扰动围岩的隧道开挖方法，提高围岩整体性；加强支护结构背后的回填注浆，严格控制工程质量；定期监测支护与围岩的接触状态，可避免工程质量的灾变转化，并使早期病害及时整治.

5.3 复杂隧道围岩安全性及其分级

隧道工程建设和运营安全的核心问题就是对围岩的控制是否有效和可靠.在隧道设计中,世界各国普遍采用围岩分级的方法.不同围岩之间的本质区别在于其自稳能力，通常可用自稳时间来表征，即围岩的稳定性.但是对于自稳时间为零的极不稳定围岩条件，对其进行稳定性的分级显然没有实际意义.

事实上，复杂隧道围岩的共同特点就是在掌子面前方已发生破坏与失稳，并常常伴随着较大的围岩变形.但在该类围岩中，由于其超前破坏模式和变形分布不同，尤其是超前处置难度差异悬殊，需要采取各自不同的施工方法和控制措施.对此日本将其划分为特殊围岩进行专门设计[11].国内近年来则通过亚分级方法将其细化[12]，但这在某种程度上回避了该类围岩的本质特征，即对隧道工程安全性的影响.

在不同地层条件下进行工程活动时，以往的认识过多地关注了地质条件本身.其实,地质条件的工程响应和安全效应是对工程的安全和经济影响更重要的因素，因为不同性质和规模的工程及其活动方式所带来的影响差异非常大，而且不同工程的关注点也完全不同[13].

无自稳能力的复杂隧道围岩易导致严重的超前变形和超前破坏，实施围岩超前加固和超前支护是必要的技术手段，而超前处置的可靠性是工程成败的关键所在[14].为此，提出采用围岩超前变形、超前破坏和地层加固有效性作为围岩安全性分级的核心指标，建立了相应的评价指标体系，将复杂围岩分为A,B和C三个安全性等级[15].考虑到该类围岩一直是隧道设计的难点问题，显然该分级方案对极不稳定围岩条件下的隧道设计具有重要的指导作用.

6 海底隧道工程的关键问题

水的作用使隧道围岩稳定性、支护与围岩关系及结构载荷复杂化，这在海底隧道工程中得到了集中体现.隧道突涌水事故和排水量控制是海底隧道建设的核心问题，能否可靠地解决这两个问题直接影响到工程的成败，这就构成了海底隧道设计和施工的关键技术难题.

6.1 海底隧道突涌水机理

海底隧道突涌水灾害的发生是水、围岩介质和隧道相互作用的结果.隧道施工后，围岩在渗流场和应力场的耦合作用下损伤破坏，海水突破围岩的阻隔作用突然进入隧道的现象即为海底隧道突涌水灾害.因此，按照突涌水条件及形成机制可分为3种突涌水模式[16].

(1)水力劈裂型突涌水

在高水压作用下隧道周围某一部位产生劈裂破坏并逐渐向地表发展，若覆盖层厚度较小，破坏区将与地表沟通造成隧道突涌水.劈裂发生时，结构整体往往并未达到屈服或破坏的条件，而是在局部发生了应力集中现象.劈裂生成的新裂缝立刻被水充满，水压力使裂缝持续扩展.既有裂隙持续扩展并最终形成突涌水通道的主要原因是隧道开挖扰动造成围岩卸载，在围岩中形成了复杂的应力状态，从而降低了发生劈裂的临界水压力.在这个过程中，一方面由于裂隙劈裂贯通使围岩失去隔水功能，另一方面劈裂发生后渗透系数通常成量级增大.

水力劈裂型突涌水发生可分为起裂、开裂扩展和突涌水通道形成3个阶段，开裂区的产生范围及扩展路径与岩体裂纹面方向角有关.

水力劈裂型突涌水的特点：①高水头压力作用，突涌水量大，灾难性高；②由于围岩强度较高，在洞周某一位置突涌水，较少引发隧道的整体失稳，水流通常以股状形式喷射而出；③涌出的水质通常较为清澈，含杂质较少.在海底隧道工程中，为了避免这类灾难通常应留有足够大隔离层，并尽量减小对围岩的扰动.

(2)地层坍塌型突涌水

在不良地质段施工易于发生地层坍塌的现象，而且局部坍塌未及时处置将有可能进一步诱发大范围的围岩失稳，并造成突涌水灾害.由于围岩强度较低，在开挖面周围必然形成大小不同的塑性破坏区，同时由于地层沉降的影响在海床的某些部位形成一定范围的张拉破坏区，这样就造成隧道与海床之间的有效隔水层厚度降低，当其无法承受水土耦合作用时便发生破坏，进而造成突涌水事故.此外，地层坍塌和冒顶范围的增大也可直接诱发突涌水事故.

地层坍塌型突涌水的过程为洞周及拱腰处出现剪切破坏并向周边及上部扩展，剪切带形成后变形急剧增大而无法稳定，该变形值通常也作为突涌水事故预警预报的重要指标.

地层坍塌突涌水的特点：①隧道围岩软弱或者破碎，遇水弱化；②起初表现为洞壁围岩剥落或者局部塌方，并逐渐发展为整体的地层坍塌，造成突涌水；③水和岩土体一同塌落而下，有些情况下会发展为突泥.避免该类事故除做好地质预报和灾害预警外，要强化不良地层注浆加固和隧道超前支护工作.

(3)结构面滑移型突涌水

隧道施工影响下结构面两侧地层变形不协调，继而发生结构面错动或者张开，当其与海床沟通时便形成突涌水通道，这样，当结构面一侧围岩条件较差时，也有可能在剪切应力或者张拉应力的作用下造成软弱地层的破坏而形成突涌水通道，甚至可能造成隧道整体失稳，产生灾难性突涌水；当结构面两侧围岩条件较好时，通常情况下只是结构面所在位置的局部破坏，突涌水的灾难性不如隧道整体失稳的情况.

这类事故是由围岩结构面的不连续变形造成结构面滑动而致.结构面发生剪切破坏时围岩变形出现突变，此时的变形值可作为控制突涌水的围岩变形极限值.

在海底隧道选线时，应尽量避免这类地质条件，显然这种地质条件对隧道结构抗震也是不利的，宜在该地段加强支护结构的强度及设置隔震设施.

6.2 海底隧道的安全性控制

不良地质段工程是海底隧道施工的控制性工程，显然对不良地质体进行精确探测和可靠处置并实施精细化施工方案是海底隧道施工安全的重要保障.

(1)不良地质的超前探测与分析

针对勘测阶段的地质资料进行工程安全性影响分析，在施工阶段采取长距离物探与近距离钻探相结合的方式,进一步确定不良地质体的精确位置、岩体性质及其与海床之间的水力联系，结合对突涌水模式的预测确定对不良地质体的处置方案和施工方法[17].

(2)复合注浆加固技术

由于不良地质体属于极不稳定围岩，对其进行预加固和必要的预支护显然是必须的，而在海底隧道中更是必不可少，而且要求也更高.在对不良地质围岩进行超前注浆加固时应同时解决好地层加固和堵水问题，即要解决好稳定性和致密性的问题，而在有些条件下这两者是矛盾的.

为此提出了复合注浆的理念[18]，即首先由高压劈裂形成纵横交错的骨架结构(浆脉)，可解决地层稳定性的问题；然后对浆脉之间的地层挤压注浆,与之前的骨架结构复合成整体结构，如图19所示.

图19 浆脉间挤压复合形成的整体结构Fig.19 Integral structure formed by extrusion between grout vein

由于复合注浆技术可保障地层加固与堵水效果，可对隧道超前注浆方案进行优化，通常仅对隧道周边5～6m范围内的地层进行注浆，形成致密的围岩加固圈，如图20所示.

图20 不良地质段注浆加固方式与参数设计Fig.20 Reinforcement pattern and parameter design for unfavorable geologic section

以堵水率、加固体强度、取芯率和致密性作为评价指标[19]，用于厦门翔安隧道和青岛胶州湾隧道,确保了风化槽及断层破碎带的施工安全.

(3)不良地质段精细化变形控制

根据前述突涌水机理的分析，建立了不良地质段围岩变形与海床安全性之间的量化关系，即通过对围岩变形的控制实现对上覆地层及海床安全状态的控制，由此制定围岩变形的控制指标并将其分解到不同的施工步序中，实现精细化过程控制，确保了施工全过程安全.

6.3 海底隧道防排水方式

由于海底隧道工程的纵向断面均为 V字形结构，这就意味着隧道中的所有渗涌水必须全部人工排出，出于运营成本的考虑，在方案设计中应尽量减小隧道运营期间的排水量.显然，不良地质段的防水排水依然也是海底隧道的关键技术难题.

“堵水限排”现已成为隧道防水排水设计的基本理念，但在海底隧道具有不同的设计原则，山岭隧道的排水量以生态环境控制为标准，而海底隧道则以少排水为基本原则，同时还应兼顾安全可靠性和经济合理性的要求.

为此，将围岩加固圈和初期支护结构作为堵水的主体，并将剩余水经由二次衬砌背后的防水板外侧排出[20]，这样二次衬砌结构基本不承受水压力，而传统的防水系统则主要有二次衬砌承担水压力的问题，如图21所示.由此可使衬砌结构所承受的水载荷与水头压力无关.

图21 防水排水系统的对比Fig.21 Comparison of waterproof and drainage system

隧道围岩加固圈及初期支护结构的堵水效果如图22所示，图中ng为围岩渗透系数与加固圈的渗透系数之比，据此可对隧道排水量进行预测.

保证堵水效果是实现限量排放的基础和前提，考虑到超前注浆加固受到隧道施工扰动后堵水效果降低，为此建立了初期支护背后注浆和径向注浆的技术标准体系，并以此为目标调整围岩加固圈和初期支护方案：在稳定性较好的围岩条件下，重点实施初期支护背后回填注浆；在不良地质段，还需加强围岩径向注浆，同时强化隧道支护结构的自防水；基于多道防水设计理念，实现对排水量的主动控制.

图22 围岩加固圈与初期支护堵水效果分析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护的堵水率可计算出相应的水压力分布值，并由此确定不良地质段围岩加固圈和初期支护结构的设计参数.

7 学科研究热点分析

隧道及地下工程学科的发展面临诸多理论与关键技术问题，只有通过理论创新和新材料开发及信息技术的应用，才能实现技术上的重大突破.

(1)施工影响下隧道围岩变形破坏机制及其工程应用.针对不同围岩条件，建立起围岩结构性、围岩破坏和围岩变形之间的演化机制和特点，并给出基于安全性的围岩变形控制标准值；基于围岩工程响应和地层加固效果评价方法的研究，形成复杂围岩大断面隧道施工技术体系.

(2)隧道支护与围岩作用机制及其评价方法.重点研究不同围岩、不同发展阶段和不同隧道部位的支护与围岩的关系，并建立动态作用过程的可靠性描述方法，按照围岩条件提出作用模式并力求形成设计标准.

(3)海底隧道围岩渗流机制与抗水压结构设计理论.围岩渗流场形态作为围岩稳定性评价、围岩变形和渗水量预测的依据，将影响到隧道结构受力状态，研究渗流场与海水深度、隧道埋置深度以及防水排水方式之间的量化关系，提出渗流作用模式，并建立相应的力学模型.

(4)城市地下空间安全开发理论与技术体系.针对城市地层软弱而复杂多变、环境极其脆弱以及工程影响模式多样化特点，重点探讨隧道、地层与环境三者之间的复杂作用关系，建立其动态作用模型[21]；针对深埋及复杂地下结构，重点研发地下结构的致灾机理、灾变传导模式和灾变控制系统的摄动效应.

(5)既有隧道及地下结构的性能退化机制与控制方法.针对隧道及地下结构的力学环境特点，将隧道结构与围岩视为一个完整力学系统，分别对其性能演化过程中的耦合作用模式进行研究，建立耦合作用仿真模型，并提出结构性能的提升方法.

8 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.

(4)提出隧道支护作用的本质就是调动围岩承载和协助围岩承载的观点，分别给出了相应的实现方式和评价方法，建立了隧道广义支护结构的协同作用模型，可实现围岩控制效果的优化.

(5)从致灾机理层面提出了隧道施工安全事故的3种模式，针对极不稳定的围岩,建立了安全性分级的指标体系，并给出了相应的分级方案.

(6)明确指出施工过程突涌水预防和排水量控制是海底/水下隧道工程的核心问题，据此提出了复合注浆新理念和围岩初期支护作为水压力主承载结构的观点，实现了真正意义上的堵水限排.

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2 张顶立,陈立平.隧道围岩的复合结构特性及其载荷效应.岩石力学与工程学报,2016,35(3)：456-469(Zhang Dingli.Compound structural characteristics and load ef f ect of tunnel surrounding rock.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(3)：456-469(in Chinese))

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21 张顶立.城市地下工程建设安全风险及其控制.北京：化学工业出版社，2012：366-369(Zhang Dingli.Safety Risks and Corresponding Control Measures of Urban Underground Engineering Construction.Beijing：Chemical Industry Press,2012：366-369(in Chinese))

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

顶立,台启民,房倩.复杂隧道围岩安全性及其评价方法.岩石力学与工程学报,

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录用,2016-11-30网络版发表.

1)国家自然科学基金重点项目资助(U1234210).

2)张顶立,教授，主要研究方向：隧道及地下工程方面的教学与研究工作.E-mail：zhang-dingli@263.net

张顶立.隧道及地下工程的基本问题及其研究进展.力学学报,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