关于隧道等地下工程支护结构设计理论浅析
摘要：本文简要介绍了隧道等地下工程支护结构设计理论的发展历程，对各阶段支护理论的力学原理及其要点进行了简要分析，通过现有的对围岩—支护相互作用理论的认识的分析，得出了现有理论方法和认识的不足，并对未来隧道等地下工程支护理论发展方向以及发展趋势进行了表述。
关键词：隧道；地下工程；力学原理；支护结构；围岩—支护相互作用理论；
0 前言
世界近代建筑发展的历史大致可划分为三个阶段，即人们一般认为的19世纪是桥梁建设的世纪、20世纪是高层建筑的世纪、而21世纪则为地下空间发展的世纪。随着地下工程建设规模不断扩大，在城乡建设、水电、交通、矿山等诸多领域都涉及围岩的支护问题，地下工程围岩的稳定性和支护方法已成为地下工程中迫切需要解决的问题。围岩变形尤其是软岩变形有明显的时间效应，表现为初始变形速度大，变形趋向稳定后仍以较大的速度产生流变，且持续时间很长，有时达数年之久，对支护的要求很高。因此地下工程的支护问题仍然是工程技术人员最关注的研究课题。实际上自20世纪以来，随着人类对地下空间的需求越来越多，因而对地下工程的研究也有了一个突飞猛进的发展。同时在大量的地下工程实践中，人们也普遍认识到:：隧道及地下洞室工程，其核心问题都归结在开挖和支护两个关键工序上。即如何开挖，才能更有利于洞室的稳定和便于支护；若需支护时，又如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。这是隧道及地下工程中两个相互促进又相互制约的问题。在隧道及地下洞室工程中，围绕着以上核心问题的实践和研究，在不同的时期，人们提出了不同的理论，并逐步建立了不同的理论体系。每一种理论体系都包含和解决或正在研究解决了从工程认识概念、力学原理、工程措施到施工方法、工艺等一系列工程问题。一种理论是 20 世纪 20 年代提出的传统的“松弛荷载理论”。其核心内容是: 稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载; 不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支撑。这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。这是一种传统的理论，其代表人物有太沙基和普氏等人。它类似于地面工程考虑问题的思想，至今仍被广泛的应用着。另一种理论是 20 世纪 50 年代提出的现代支护理论或称“岩承理论”[1-9]。其核心内容是：围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力，不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的。如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能够进入稳定状态。这种理论体系的代表性人物有拉布西维兹、米勒－菲切尔、芬纳－塔罗勃和卡斯特奈等人。这是一种比较现代的理论，它已经脱离了地面工程考虑问题的思路，而更接近于地下工程实际。近半个世纪以来已被广泛接受和推广应用，并且表现出了广阔的发展前景。由以上可以看出，前一种理论更注意结果和对结果的处理，而后一种理论则更注意过程和对过程的控制，即对围岩自承能力的充分利用[7-9]。由于有此区别，因而两种理论体系在过程和方法上各自表现出不同的特点，新奥法就是岩承理论在隧道工程实践中的代表方法。
1 地下工程结构的特点及设计的基本要求
1.1地下工程结构的特点
地下工程支护结构是一种复杂的工程结构体系，按照工程结构所处的环境，可将其界定为土体地下结构和岩石地下结构；按工程结构所处深度或开挖深度可将其分为深埋和浅埋地下结构；按其施工方法有可将其分为明挖和暗挖结构等。无论是按哪种方法分类，其结构构成都是由围岩
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（或者是土体等原围护体）和其支护结构体构成。构筑过程中整个结构体系的力学特性和稳定性不仅受到岩石的生成条件和地质作用的影响，还受到隧道开挖方法、支护类型、支护时机、支护参数等因素的影响。若岩体强度高，整体性好，断面形状有利；岩体的变形发展到一定程度将自行终止，围岩是稳定的。反之，岩体的变形将自由发展下去，最终导致围岩整体失稳而破坏。这种情况下，在开挖后适时地沿周边设置支护结构，对岩体产生抗力，形成约束。但考虑到地下结构体系的稳定性和安全性，应当结合围岩和支护的相互作用，达到一种可靠性设计。地下工程结构与地面或地上工程结构最大的区别就是结构相对简单，但边界条件极其复杂，这正是地下工程结构所处的环境所导致的。因此，地下工程问题最重要的就是获得最接近实际的工程环境，或者是其边界条件和初始条件。从而达到以最少的支护获得最稳定结构的目的。 1.2地下工程结构设计的基本要求
地下工程设计的目的是使所设计的结构能够完成全部功能要求。并且有足够的可靠性。所指的基本功能是由其用途决定的。性能指标有安全性、适应性和耐久性。一个建筑结构在具有了这三种性能之后，称之为具有可靠性。支护结构的基本作用就是和围岩一起组成一个有足够安全的地下结构体系，能够承受可能出现的各种荷载，保持地下工程断面的使用净空。同时支护结构还要确保围岩性能的进一步恶化。因此，对既定的地下工程选择适当支护结构应具有与上述作用相适应的构造、力学特性和施工的可能性与可靠性。在支护结构具有极大刚度的情况下围岩可以一点不产生变形：但支护结构必须使围岩保持原有的应力状态。若支护结构设施过迟，将会引起围岩结构松弛，自重能力下降。所以从可靠性和经济性考虑，在进行既定工程实施开工时，须考究工程围岩特性和支护对其作用机理[5-9]。
2 地下工程支护理论的发展
2.1地下工程支护理论的发展概述
国内外学者提出了不同的理论并逐步建立了不同的理论体系19 世纪及以前，隧道衬砌多由石料及砖砌成，尺寸都较大，当时把衬砌作为刚性块体组成的拱圈，砖砌时形成三铰拱，用压力线假设进行设计，形成了“刚性结构设计理论”。19 世纪后期到 20 世纪中期康姆列尔（O.Kommerall）约翰逊（Johason）朱拉夫等人提出了弹性反力的分布图形，进而形成了“弹性结构设计理论”。20 世纪中期，塔罗勃（J.Tacober）卡斯特奈（H.kastener）和塞拉格（S.Serata）等人提出了“共同作用设计理论”。在此期间，以纳布希维兹（Rabcewicz）为首的奥地利岩石力学工程小组比较完整地提出了接近于地下工程实际的新奥法[11-19]。进入 21 世纪以来，我国学者也做了大量工作齐明山等人以修正老纳公式为基础考虑围岩与衬砌的共同作用，对隧道围岩压力进行了理论解释研究。徐林生，李元松等人对隧道衬砌受力特性进行了现场研究 得出了很多具有工程指导意义的结论 20 世纪80年代以来，将支护结构设计与现场监测结合起来，发展了一种新型的设计方法—“信息化设计理论”，这一新设计方法已被广泛接受和推广应用，并且表现出了广阔的发展前景。
隧道开挖后，围岩松弛，围岩应力减小，围岩应力部分传递给隧道支护结构 隧道支护体系由岩体和支护结构两部分组成；在通常情况下，岩体是主要承载单元，而支护结构是辅助性的，但也是不可缺少的。在某些特殊情况下，支护结构也是主要的承载单元。地下工程支护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以及如何考虑围岩的承载能力。基于这一考虑，结合支护理论发展进程将支护结构设计理论发展大致分为3个阶段：即刚性结构支护设计理论阶段、弹性结构支护设计理论阶段、连续介质支护设计理论阶段[3-9]。
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2.2刚性结构设计理论简述
早期的地下建筑物大多是以砖石材料砌筑的圬工结构，这类建筑材料自身抗拉能力很低，且结构物内部存在较多接触缝，容易产生断裂。为了满足结构稳定要求，往往采取单纯增大结构截面尺寸方法，结构受力后产生的弹性变形较小，因而最先的支护计算理论是把地下结构物视为刚性结构，所受的荷载是地层压力 ，当地下结构处于极限平衡状态时，它是由绝对刚性组成的三铰拱静定体系， 其内力可按静力学原理计算[3-9]。 2.3弹性结构设计理论简述
随着混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现，并用于建造地下工程，使地下结构具有较好的整体性。同时，工程实践证明，隧道是高次超静定结构。地下结构开始按弹性连续拱形框架用超静定结构力学方法计算结构内力，即利用“荷载——结构“模型计算设计。作用在结构上的荷载是主动地层压力，并考虑了地层对结构产生的弹性反力的约束作用，这类计算理论认为，作用在结构上的压力不是上覆岩层的重力，而只是围岩塌落岩体的松散体压力[4-8]。 2.4连续介质设计理论简述
连续介质设计理论以岩石力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内变形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护阻力，从而引起它的应力调整 达到新的平衡；另一方面，由于支护结构阻止围岩变形 它必然要受到围岩给予的反作用力即围岩抗力。与此同时，锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的一整套新奥法的兴起，形成了现代支护理论。提出了将监测与理论分析结合的信息 化设计概念[3-9]。
2.5国内基于围岩支护形成的几种有影响的理论 (1) 轴变论理论
“轴变论”理论是于学馥教授等人(1981)提出来的，该理论认为隧道坍落可以自行稳定。隧道坍落破坏是由于围岩应力超过岩体强度极限引起的，坍落改变了隧道轴比，导致围岩进行应力重分布，应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并逐渐向无拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止．应力均匀分布的轴比是隧道最稳定的轴比，此时隧道形状为椭圆形[6-8]。
(2)联合支护理论
联合支护理论主要由陆家梁、冯豫、郑雨天、朱效嘉等结合软弱围岩实际，灵活运用新奥法理论提出来的，是在新奥法的的基础上对软弱围岩支护技术的发展．其观点可以概括为：对于软弱围岩支护，一味地追求加强刚度是难以凑效的，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护．由此发展起来的支护型式有锚喷网技术、锚喷网架技术、锚带喷架等联合支护技术等。 (3)锚喷弧板支护理论
锚喷弧板支护理论是由孙钧、郑雨天和朱效嘉教授等提出的，实际是联合支护理论的新进展。该理论的要点是：对软弱围岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住，坚决限制和顶住围岩向空中位移。其实施的难点主要是成本较高，弧板后充填技术要求严格，允许围岩变形有限，需要很高的阻抗力。 (4)松动圈理论
松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚硬固岩的裸体隧道，其围岩松动圈都接近于零，此时隧道围岩的弹塑性交形虽然存在，但并不需要支护．松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形．董
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方庭教授将围岩分为类，有一定的量化，是一个发展方向。 (5)主次承载区支护理论
主次承载区支护理论是由方祖烈教授提出，认为隧道开挖后，在围岩中形成拉压域．压缩域在围岩深部，体现了围岩的自撵能力，是维护隧道稳定的主承载区：张拉域形成于隧道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但其与主承载区相比，只起辅助的作用，故称为次承载区．主、次承载区的协调作用决定隧道的最终稳定。支护对象为张拉域，支护结构与支护参数要根据主、次承载区相互作用过程中呈现的动态特征来确定，支护强度原则上要求一次到位。 (6)软弱围岩工程力学支护理论
软弱围岩工程力学支护理论是由何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法，通过分析软弱围岩变形力学机制，提出的以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的隧道软弱围岩支护理论．它涵盖了从软弱围岩的定义、软弱围岩的基本属性、软弱国岩的连续性概化，到软弱围岩变形力学机制的确定、软弱围岩支护荷载的确定和软弱围岩非线性大变形力学设计方法等内容。 (7)总结
这些理论与技术解决了大量包括软弱围岩在内的支护问题，为我国地下工程的建设做出了贡献。但是，由于围岩工程地质力学问题十分复杂，关于围岩的概念、分类、各类围岩的变形力学机制、围岩难支护的原因、围岩支护的力学原理、支护原则与支护对策等一系列的软弱围岩工程地质力学理论方面的问题尚无系统解决，导致在实践上盲目性大、针对性差、成功率低、浪费严重。
目前面临的主要问题：在围岩支护方面尽管已有了很大的发展，但在理论认识和支护方法上仍然还存在许多问题，主要表现为：首先，难于弄清围岩变形破坏机理，支护是一个过程，要使这一过程与围岩变形过程相协调，必须充分而深入地研究围岩的变形机理，只有在此基础上，才能选择适当的支护时机、支护型式以及确定合适的支护参数；其次，难于确定合理的支护对策，深埋隧道软弱围岩与一般隧道软弱围岩变形破坏特征不同，应采取适应于深埋隧道软弱围岩的支护对策；再者，难于选取合理的支护参数，支护参数选取直接影响着隧道的稳定性，对于锚喷支护参数的选取基本上采用即工程类比法，当工程地质条件简单，此法基本满足要求，当地质条件复杂，就很能满足要求了。
解决这些问题，目前可采用的方法有：首先，综合治理：在进行传统的锚喷的同时，对控制隧道围岩稳定性的膨胀性矿物、构造应力和地下水等重要因素进行系统分析，把卸压、卸水等措施与支护有针对性地结合起来，提高支护效果；其次，采用联合支护：做到内部支护和外部支护相结合，内部支护尽量要大，尽可能大幅度提高围岩强度；外部支护尽量达到科学、经济的支护，如针对围岩变形是一个大变形问题，要开发研究适应大变形的支护材料，如柔性锚杆技术和柔性喷层技术；同时还要做到长期观测：要对隧道进行位移量测，准确把握二次支护时间．同时对测得的围岩位移资料进行分析，并进行反馈设计，优化支护参数和施工方法，控制隧道围岩松动圈的发展；最后，因地制宜也是必要的：目前围岩支护形式很多，也可能存在完全一样的围岩环境，所以要做到因地制宜的选用支护形式与方法。 2.6地下工程支护理论的发展趋势
综合以上对隧道支护设计理论的论述分析，基于目前国内外隧道支护设计理论的研究现状，可以得出以下发展趋势：首先，从力学原理上看，将更多地利用岩石力学、土力学及结构力学等多学科综合分析，结合地质调查和围岩分类，选择最真实的力学模型，辅以工程类比法，计算结构内力以进行截面设计。其次，能较好地反映地下工程特点的现场监控设计方法，迫切需要形成
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比较完善的理论体系。再者，现代工程提倡的信息化设计，体现了地下工程支护设计理论的发展方向，隧道支护理论沿此方向的研究也必定会得到巨大的发展，从而促进隧道开挖和支护技术的发展。最后，地下工程支护的总体发展趋势就是由最早的利用自然，到后来的改造自然，再到在最大限度的利用自然的基础上改造自然，最终达到以最少的改造获得最完美的结构，即以最少的支护达到最稳固的地下结构。
3围岩与支护体相互作用机理的研究现状
早在 20 世纪初形成了隧道软弱围岩与支护结构相互作用的古典压力理论，该理论认为作用在支护结构上的压力是上覆岩层的重量γH。但是随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论许多方面都与实际不符合，于是坍落拱理论应运而生，坍落拱理论认为坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关，坍落拱理论的最大贡献就是提出隧道围岩具有自承能力。20 世纪 50 年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决隧道支护问题。20 世纪 60 年代提出了一种新的隧道设计施工方法，即新奥法，新奥法的核心是利用隧道围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支承环。在此期间，日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论，该理论认为隧道的应变随支护结构的增加而减小，而容许应变则随支护结构的增加而增大，因此通过增加支护结构能较容易地将围岩应变控制在容许应变范围之内。20 世纪 70 年代提出了能量支护理论，该理论认为支护结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收一部分能量，但总的能量没有变化，主张利用支护结构的特点，自动调整吸收和释放多余的能量。起源于原苏联的应力控制理论，也称围岩弱化法、卸压法，其基本原理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应力及能量分布，使支承压力向围岩深部转移，以此来提高围岩自稳能力[2-9]。
新奥法在解决软弱围岩支护与稳定等也存在一些不足：新奥法的理论基础是当时的岩石力学理论基础—弹塑性理论，而软岩的流变性等问题已超出了弹塑性问题所能解决的范围，以及由于人们对软弱围岩的物理含义和力学性质理解还不够，不合理地解释极软弱膨胀松散围岩隧道的变形支护机理，造成锚喷或锚喷网支护的隧道大面积垮落、坍塌等事故，导致人力、物力的巨大浪费与损失。
我国自1955 年开始使用锚杆，回顾我国锚固技术与理论研究的发展，大体可分3个阶段：50～60年代的初期阶段，以钢丝绳水泥砂浆锚杆为代表，锚杆没有托板(盘)，锚杆相互间缺乏联系，锚杆只起悬吊作用，被动承载而不与围岩共同作用；70～80年代的组合锚杆支护阶段，随着国家“七五”和“八五”期间“软岩巷道锚杆支护”的科技攻关，进入了以钢带网和锚梁网为代表的组合锚杆支护阶段；近年随着澳大利亚先进锚固技术与理论在我国的实地演示，以及由煤科院北京开采所、建井所、上海分院和中国矿业大学与邢台矿务局联合对原煤炭部“九五”重大科技攻关项目《邢台矿务局煤巷锚杆支护成套技术研究》的攻关，在复杂地质条件下煤巷锚杆支护技术方面取得了一批代表国内水平的具先进性及实用性的成果，逐渐步入高强度预应力锚杆体系阶段。
锚杆加固围岩的作用机理研究方面，中国矿业大学提出巷道锚固围岩强度强化理论；煤炭科学研究总院北京开采所对煤巷锚杆加固作用机理的研究表明:锚杆加固对于提高围岩自身的最大承载能力没有明显的效果，但在围岩产生塑性破坏后，对提高围岩的残余强度及承载能力有显著作用。对于锚杆加固设计理论的研究，除工程类比法外，在理论方法研究上主要形成了有影响的3种设计理论：中国矿业大学董方庭教授等提出的巷道围岩松动圈支护理论；东北大学王明恕等提出的全长锚固中性点理论；1998年，中国矿业大学、煤科总院北京开采所与邢台矿务局联合研究，在国内首次提出了“地应力为基础的锚杆支护设计理论”。国内对岩体锚固参数的研究偏重于
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锚杆长度和锚杆直径，东北大学王明恕、中国矿业大学(北京校区) 袁文伯、马念杰、后勤工程学院郑颖人等提出了一系列有代表性的研究结果。
此外，孙学毅于1984年提出全长锚固无托板锚杆的力学模型及砂浆锚杆的力学模型；王明恕于1987年提出了中性点理论并给出了中性点的计算公式，从而提出了全长锚杆的设计方法；孙钧、宋德彰于1991年提出的分析模型采用了先进的塑性软化本构关系，理论分析结果与实际更加接近；李世辉于1994年将典型工程、现场测试资料、围岩分类和简便实用的岩石力学分析方法三者结合起来提出了典型类比分析法；宋宏伟等于2002年通过数值模拟和新的研究模型研究锚杆和非连续岩体的相互作用，发现了锚杆在非连续岩块的锚固中受到剪切时，存在锚固岩块分离的“导轨作用”，对传统的锚杆作用提出了质疑[1-12]。
在围岩与衬砌相互作用机理的研究方面，代表性成果有：余存齐（1992）通过室内试验和有限元分析了软弱围岩中隧道复合衬砌的受力特性；周德培（1993）通过理论分析和模型试验研究了圆形隧道衬砌围岩变形压力的时间效应；Fathalle EI-Nahhas（1993）采用非线性有限元法研究了隧道衬砌与软弱地层的相互作用，从数值分析和现场实测的角度讨论了荷载释放系数；周顺华等（1997）根据开挖空间效应，提出了开挖应力释放率计算模型；张良辉等人（1997）在考虑围岩的应变软化、塑性剪胀特性和流变特性的基础上建立了隧道围岩的粘弹塑性解析解；王文星等（1997）利用Burgers流变模型，引入损伤变量，研究了围岩的流变破坏机理，提出了确定合理支护时间的方法；刘小兵（1996）提出了从洞周量测位移反算复合衬砌支护压力的计算方法；张素敏（2004）等通过弹塑性有限元方法研究了不同围岩类别、不同埋深、不同洞形的围岩特性曲线的变化规律；王祥秋等（2004）基于软弱围岩的损伤机理，提出了围岩蠕变损伤具有变形损伤与时间损伤耦合效应的观点，并通过位移反分析对圆形巷道的粘弹性变形规律及合理支护时间进行了研究；丁德馨等（2004）采用数理统计分析法研究了岩体弹塑性模型力学参数对洞室位移的影响度问题；卢爱红等（2004）通过数值模拟研究了软岩巷道的时间效应；Kastuski Miura（2003）通过施工监测数据的反演方法研究了日本山区大断面公路隧道的支护设计、计算方法；Einar Broch等人（2002）研究了挪威公路隧道内衬砌的防水、防雾及防冻技术，预制衬砌技术及现场衬砌的使用条件随着人们对岩土介质的性质及岩土介质中结构的共同作用机理的深入研究，逐渐形成了以地层和结构相互作用为特点的地下结构计算理论[15-22]。由于衬砌的重要作用及其对地下工程建造成本的重大影响，各国都对衬砌结构的计算理论进行了大量研究。目前流行的隧道及地下结构设计模型可归结为四种:荷载结构模型、收敛约束模型、连续体模型和工程类比法。各种数值计算方法在隧道及地下工程中的广泛应用，对大量的设计和施工起到了良好的指导作用。
荷载结构模型认为地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载（包括主动地层压力和被动地层抗力），以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法。采用这种方法计算的缺点在于，衬砌结构本身的内力和变形可以由计算得出，但是周围环境的变形仅能由衬砌结构的变形间接求得，而且难以知道周围岩土体的应力状况及其稳定性。
收敛约束模型认为围岩压力和支护抗力是在围岩和支护系统共同变形中形成的，它主要关心的是支护抗力作用下的地层状态，而不是荷载作用下的支护结构状态，从而体现了新奥法的岩石支承作用的思想。但由于实际工程中岩土地质情况非常复杂，对于支护及衬砌结构来说，其作用机理及其围岩与支护的相互关系，尚有诸多的问题需要进一步讨论，要使它作为隧道支护定量分析与设计的实用方法，还有许多理论上的难题需要解决。
连续介质模型又称地层结构模型，它是70年代中期以来随着数值计算技术的不断成熟而逐渐发展起来的。连续体模型认为地下结构周围的地层不仅能对衬砌结构产生荷载，而且其自身也能承受荷载，地下结构是否安全可靠，首先取决于周围地层的稳定状态。按这种方法进行截面设计的特点，是验算结构的强度时要求综合考虑地层稳定性的影响[8-11]。
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工程类比法在我国甚至于世界隧道和地下工程的设计领域仍占据主导地位。像新奥法，其设计的重要依据就是工程类比法。工程类比设计方法的关键在于建立正确的围岩分类体系，以及既有工程资料的积累和整理。现行围岩分类本身带有很大的人为因素，仍是一个定性为主的分类，而因为没有一个完善的地下工程数据库，工程类比也只是各单位依据局部有限的经验进行类比，设计者难以在纵观全局的基础上确定出经济合理的设计方案。
4结语：
本文在对国内外学者对地下工程支护理论方法系统论述的基础上，通过分析得出以下结论： （1）缺乏完全适合地下工程支护结构的力学模型
人们对岩石地下工程结构的支护理论、力学分析、围岩稳定性分析以及其设计理论与方法等进行了大量的研究工作，为岩石地下工程结构的设计和施工做出了重要的贡献。但目前的支护设计尚缺乏完的、系统的理论基础和实用的设计方法，仍以工程类比法设计为主，再辅以量测为手段的现场监控设计法和计算为根据的理论分析设计法，设计目标仅仅考虑常规荷载作用下正常使用阶段的结构安全问题。岩石地下工程结构设计理论与方法的发展至今已有百余年的历史，它与岩石力学的发展有着密切的关系。地下工程结构支护理论的一个重要问题是如何确定作用在支护结构上的荷载。随着锚喷支护等现代支护结构的大量使用、与此相应的一整套新奥法的兴起，形成了以岩石力学理论为基础的、考虑支护与围岩共同作用的井巷工程现代支护理论。它与传统支护理论的主要区别在于：首先，支护抗力主要是阻止围岩变形的形变压力；其次，形成“围岩——支护”共同承载体系；同时，及时稳定和加固围岩。显然，对锚喷支护结构进行分析和设计的理论基础是围岩——支护相互作用机理。但是，目前对围岩——支护作用机理的认识尚处于弹塑性阶段，与工程实际情况相差甚远。工程支护实践表明，“围岩——支护”的相互作用常常表现出非线性的、时变性的、流变性的特性。对这一问题的解决，必须综合应用现代非线性理论与科学、非线性流变力学理论、并考虑围岩及支护参数的时变性，才有可能深入地、全面地认识围岩——支护的作用机理。但目前还没有一种力学模型解决该问题。
（2）无法准确计算最佳支护的时间点
工程中的围岩支护，一般分为临时(初次)支护和永久(二次)支护，对于何时进行一次与二次支护可以达到最佳的支护效果目前是无法进行准确计算的，大多是依赖施工经验。围岩—支护的相互作用曲线如图1所示，其中a曲线为围岩变形曲线，b为支护刚度曲线。由于支护结构既要允许围岩变形，又要控制围岩变形，允许围岩变形是为了对围岩让压，控制围岩变形是为了防止围岩产生无法控制的变形，为此就要找到两次支护的最佳时机，在最佳时间点上进行支护便可获得最佳的支护效果。
（3）缺乏严格的数值解法
以目前的理论还无法对地下结构设计进行严格的计算，但是，从设计需要来讲，应用数解法准确的进行隧洞支护结构计算的要求是很迫切的；但从岩石力学理论发展来看，想解决这一问题又是比较困难的，所以目前的设计工作只能寻求其他
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的途径来解决（比如新奥法采用工程类比法），而无法进行严格的计算。
综上，目前指导地下工程支护结构设计的原则基本就是：少扰动、早支护、勤测量、紧封闭。少扰动即最大可能的保持围岩的原始应力状态；早支护即尽可能早的进行二次支护，防止围岩发生大位移松动；勤测量即为了及时获得围岩的实时动态信息；紧封闭即为了尽可能减少围岩与外部环境的接触，防止围岩风化。
为获得更佳的支护效果，首先，还可以在地下结构支护中引入或者增加柔性支护，这样可以更好地把握最佳的支护时间点，更好地处理让压与控制围岩变形的关系；其次，要尽可能的做到以岩稳岩，因为经过汶川地震、雅安地震等自然灾害后，桥梁、道路、房屋等破坏严重，而地下隧道等地下结构相对破坏较少，基于此表明，人类的力量目前是无法与大自然抗衡的，所以我们要尽可能的利用自然，或者在最大可能的利用自然的前提下改造自然，模仿自然；再者，目前我们可以多到的就是早支护、紧封闭，所以，本人认为在技术可以的前提下，对于地下结构我们可以提前支护，即先支后挖；最后，随着地下工程结构的支护设计理论的越来越成熟，定量化的发展也应该是一个必然的趋势。
参考文献 References
[1] 祝德龙.新奥法设计原理在隧道施工中的应用及主要施工工艺[J].四川建材，2013,39（2）：208—211. [2] 齐明山，蔡晓鸿，冯翠霞. 隧道围岩压力的弹塑性新解[J] . 土工基础，
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