大断面软弱围岩隧道超前支护体系加固机理研究

来源：中国血液净化杂志2025年第9期北京时间：

作者：张霄, 王明年, 王志龙, 于丽, 童建军, 刘大刚, 杨恒洪

单位：1. 西南交通大学 土木工程学院, 四川 成都 610031;2. 西南交通大学 极端环境岩土和隧道工程智能建养全国重点实验室, 四川 成都 610031;3. 四川交通职业技术学院, 四川 成都 611130;4. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031"],"fundList_en":["National Natural Science Foundation of China (52208404, 52378411); Basic Research Funds for Central Universities-science and Technology Innovation Project (2682024CX020); Sichuan Provincial Natural Science Foundation Youth Project (2025ZNSFSC1295); Projects of China State Railway Group Co., Ltd (P2018G048, K2023G041); Chengdu Science and Technology Planning Project (2022-XT00-00002-GX); Chongqing Transportation Science and Technology Project (2022-05)

摘要：为了探明大断面软弱围岩隧道掌子面核心土及拱部围岩超前支护体系加固机理，开展了超前支护体系加固下隧道掌子面稳定性模型试验及数值模拟研究，分析了掌子面锚杆(核心土加固)、超前管棚(拱部围岩加固)单独加固和这2种措施同时加固下，隧道掌子面支护应力、失稳过程、破坏模式、支护结构受力、围岩应力场及变形场特征，揭示了这2种措施的协同加固机理，提出了协同加固下掌子面受力模式。研究结果表明：掌子面锚杆的加固效果明显优于超前管棚，2种措施协同加固效果最佳，锚杆与超前管棚对掌子面稳定性的提升贡献比约为5∶1；掌子面锚杆加固下掌子面破坏模式仍为“拱形(拱部围岩)+三角形(核心土)”，锚杆与核心土之间发生相对位移并产生剪应力，可有效控制拱部围岩及核心土应力释放，减小核心土及拱部围岩的失稳范围，提高围岩稳定性；超前管棚加固下仅核心土出现了“三角形”失稳区域，超前管棚能通过“梁效应”有效控制掌子面拱部围岩的应力释放及变形，并将失稳区核心土所受的围岩压力传递至稳定区围岩及支护段，从而减小核心土所受围岩压力，但对核心土的加固效果有限，对其失稳范围影响不大；掌子面锚杆及超前管棚协同加固下，仅核心土出现了“三角形”失稳区域，掌子面锚杆对核心土的加固作用为超前管棚的“梁效应”提供了更好的底部支撑，使得超前管棚受力模式更佳，掌子面拱部围岩及核心土的失稳范围均明显减小，掌子面围岩整体稳定性明显提高。

关键词：隧道工程,掌子面稳定性,模型试验,数值模拟,超前支护体系,掌子面锚杆,超前管棚,协同加固机理

基金资助：国家自然科学基金项目(52208404，52378411)；中央高校基本科研业务费-科技创新项目(2682024CX020)；四川省自然科学基金青年科学基金项目(2025ZNSFSC1295)；中国国家铁路集团有限公司系统性重大项目(P2018G048，K2023G041)；成都市科技计划项目(2022-XT00-00002-GX)；重庆市交通科技项目(2022-05)