支护与围岩共同作用的力学原理

随着岩石力学的发展和喷锚支护的应用，逐渐形成了以岩石力学理论为基础的，支护与围岩共同作用的现代支护结构原理，应用这一原理就能充分发挥围岩的自承力，从而能获得极大经济效果。当前国际上广泛流行的新奥地利隧道设计施工方法，就是基于现代支护结构原理基础之上的。归纳起来，现代支护结构原理包含的主要内容有以下几方面：

①现代支护结构原理建立在围岩与支护共同作用的基础上，即把围岩与支护看成是由两种材料组成的复合体。按一般结构观点，是通过岩石支承环作用使围岩成为结构的一部分。显然，这完全不同于传统支护结构的观点，认为围岩只产生荷载而不能承载，支护只是被动地承受已知荷载而起不到稳定围岩和改变围岩压力的作用。

②充分发挥围岩自承能力是现代支护结构原理的一个基本观点，并由此降低围岩压力以改善支护的受力性能。

发挥围岩的自承能力，一方面不能让围岩进入松动状态，以保持围岩的自承力；另一方面允许围岩进入一定程度的塑性，以使围岩自承力得以最大限度的发挥。当围岩洞壁位移接近允许变形值μγ0max时，围岩压力就达到最小值。围岩刚进入塑性时能发挥最大自承力这一点可由图8．1加以说明。无论是岩石的应力应变曲线［见图8．1（a）］还是岩体节理面的摩擦力与位移的关系曲线［见图8．1（b）］，都具有同样的规律，即起初随着应变或位移的增大，岩石或岩体的强度逐渐获得发挥，而进入塑性后，又随着应变或位移的增大，强度逐渐丧失。可见，围岩刚进入塑性时，发挥的自承力最大。

按上所述，现代支护结构原理一方面要求采用快速支护，紧跟作业面支护，预先支护等手段限制围岩进入松动；另一方面却要求采用分次支护、柔性支护，通过调节仰拱施作时间等手段允许围岩进入一定程度的塑性，以充分发挥围岩的自承能力。

图8．1　岩石应力唱应变和摩擦力唱位移曲线

Ⅰ—弹性区；Ⅱ—强度下降区；Ⅲ—松动区

③现代支护原理的另一个支护原则是尽量发挥支护材料本身的承载力。采用柔性薄型支护，分次支护或封闭支护，以及深入到围岩内部进行加固的锚杆支护，都具有充分发挥材料承载力的效用。喷层柔性大且与围岩紧密粘结，因此，喷层主要是受压或剪破坏，它比受挠破坏的传统支护更能发挥混凝土承载能力。我国铁道科学院铁建所曾进行过模拟试验，表明双层混凝土支护比同厚度单层支护承载力高，一般能提高20%～30%，所以，分次喷层方法也能起到提高承载力作用。

④根据地下工程的特点和当前技术水平，现代支护原理主张凭借现场监控测试手段指导设计和施工，并由此确定最佳的支护结构型式、参数和最佳的施工方法与施工时机。因此，现场监控量测和监控设计是现代支护原理中的一项重要内容。

⑤现代支护原理要求按岩体的不同地质、力学特征，选用不同的支护方式，力学模型和相应的计算方法以及不同的施工方法，如稳定地层、松散软弱地层、塑性流变地层、膨胀地层都应当分别采用不同的设计原则和施工方法。而对于作用在支护结构上的变形地压、松动地压及不稳定块体的荷载等，亦都应当采用不同的计算方法。