论文导读：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。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。
关键词：地下工程，支护结构，可靠性
0.前言
地下支护是一种复杂的工程结构体系，其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。
1.概述
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。论文参考网。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。
2.支护结构可靠性的确定
可靠性是非数量的概念，为了把可靠性作为建筑结构性能的数量化指标，我们将在规定的条件下和规定的时间内完成预定功能的概率称为可靠度。结构完成预定功能的标志由极限状态方程来衡量。结构整体或部分在超过某状态时，结构就不能满足设计规定的某一功能的要求的这种状态，称为结构的极限状态。结构的极限状态一般由状态函数(或称功能函数)加以描述。设结构状态函数为
当z＞0时，结构处于可靠状态；当z＜0时，结构处于失效状态；当z＝0时，结构处
于极限状态。结构的可靠度即功能函数z＞0时的概率为
结构的失效概率即功能函数z<0时的概率为
显然有
可靠度分析中常用可靠度指标β来表示结构的可靠度，β定义为
若将正态变量S、R变为标准正态随机变量，则可靠度指标的几何涵义就是标准正态坐标系SOR中原点到权限状态直线的最短距离，引入到多个正态随机变量情况，可靠度指标就是标准正态空间中原点到极限状态面的最短距离，如图所示。
3.工程中支护结构的可靠选择
在地下施工中，支护结构的选择应根据客观需要和实际可能相结合的原则。客观需要是指围岩和地下水的状况，其状态有可能对稳定性和可靠性产生影响。实际可能就是支护结构本身的能力、适应性、经济性、及施工的可能性。比如，在多变的地质条件、块裂岩体及形状复杂的地下洞室，从使岩体强度增强的角度讲应采用锚杆。锚杆是一种能迅速起作用的支护类型，而且在复杂环境下不占作业空间，分布均匀。在软弱岩体、塑性或流变岩体和膨胀性岩体中，以及在围岩压力较大的条件下，保证工程的稳定安全，支护结构必须封闭。论文参考网。混凝土的抗拉伸和弯曲能力较浅，因此在素喷混凝土时通常都配合金属网一起使用。还有，在工程中对于抗拉性能较差的混凝土支护结构应尽量避免受弯矩作用，如设计的薄一点，圆顺些，在支护结构中设置铰或纵向伸缩缝，增加支护结构的柔性，减少弯矩，但必须结合地下工程的防水要求一并考虑。此文对支护结构中铰的防水问题不做讨论。
4.支护结构可靠性分析
通常，地下工程文护结构计算需考虑地层和支护结构的共同作用，一般都是非线性的二维和三维问题，而且，计算还与开挖方法、支护过程等有关。对于这类复杂问题，只有在特殊情况下才可能得到解析解答。目前，对支护结构数值的分析大都采用有限元法。根据地下下程的支护结构与其周围岩体共同作用的特点，通常可把支扩结构与岩体作为—个统一的组合体来考虑，将支护结构及其影响范围内的岩体一起进行离散化。地下工程有限元法多数采用内部加载方法求解，需要求调用内部边界上的释放荷载，并将其化为节点力。没沿预计开挖线上各点初始应力，在离散化的情况下，可假定沿开控面上两相邻节点之间的初始应力呈线性变化，如图所示，当开挖边界节点按逆时针次序排列时，开挖所引起的等效荷载释放。
有限元法作为一种广泛应用的数值解法，其计算的准确性与精度是不用怀疑的。然而应用于地下工程中，计算结果往往与实际有一定距离。一般来说，有限元法获得的围岩稳定计算结果的可靠性，取决于下述三个因素：(1)岩体参数取值的可靠性和准确度，主要是地应力和岩体力学参数。(2)围岩力学模型选用的正确性。(3)有限元的正确剖分和非线性计算的收敛情况。当然各种计算方法所得的安全度是不一样的，都缺乏非常严格的理论依据。从可靠性讲，有限元法当前普遍适用。
5.支护结构的设计原则和要求
一个可靠的支护结构应满足三点基本要求。一、保证支护结构与围岩作为一个整体进行工作，过去工程的常用的木支撑和模板灌注混凝土衬砌，因为其施工工艺原因很难做到牢固接触，所以支护效果较差。由于接触点不固定，围岩压力极不均匀，常常造成衬砌受力异常，发生开裂甚至丧失使用功能。设计理论应全面接触为出发点，尽量选用能达到这个要求的结构形式。二、允许地下结构体系产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载能力而减少支护结构的作用，使两者更加协调地工作。当然，柔性支护结构的柔度也应该有一定的限度，绝不是越柔越好。三、要能分期施工，并使早期支护和后期支护相配合，主动控制围岩的变形。论文参考网。当变形发展到一定程度时，初次支护可能因强度不足而产生问题，要随时补强到变形趋于基本稳定后再做后期支护结构。这种可分式的支护结构不仅使作业灵活，而且可以保证支护结构的经济性和可靠性。
基于要求，我们对各种支护结构都要有一个正确的评价，以便根据变化的地质条件加以合理的选择。
【参考文献】
[1]徐干成,白洪才等.地下工程支护结构.北京：中国水利水电出版社, 2001.
[2]贺少辉.地下工程（修订本）.北京：清华大学出版社;北京交通大学出版社,2008,3.
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