随着我国地下工程的迅速发展，建设规模不断扩大，工程建设过程中面临大量高应力、极软岩、强采动和断层破碎带等复杂条件。受上述复杂条件影响，传统支护体系破断失效，围岩变形量大、持续时间长，复修率高，冒顶、塌方等突发性工程灾害和重大事故频发[1-3]。
在新奥法理论指导下，地下工程大量采用锚网喷支护技术。国内外学者针对锚杆支护技术进行大量研究，形成一系列的成果，如Cone锚杆[4]、Roofex锚杆[5]、Garford锚索[6]等，何满潮[7]、孙晓明等[8]提出了深部围岩非线性大变形设计理论，并基于此研发了恒阻大变形锚杆支护技术，对于复杂条件下围岩控制有很好的效果。但是复杂条件地下工程围岩破碎严重，可锚性较差，锚杆的锚固性能难以有效发挥[9]，锚网喷支护强度不足，围岩控制困难，采用锚网喷、锚注、拱架等多种方式的联合支护是解决该类控制难题的必然选择。
康红普等[10]针对超千米深井巷道围岩、支护体变形及破坏状况，提出了高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合加固技术，能够有效控制超千米深井巷道大变形，保持围岩长期稳定;谢生荣等[11]针对深部软岩巷道围岩总变形量大、收敛速率快，提出了锚喷注强化支护技术;刘泉声等[9]针对淮南矿区煤矿深部破碎软弱围岩支护问题，提出分步联合支护的设计理念和优化支护方案;笔者团队[12]针对三软地层沿空巷道围岩控制难题，提出了注浆锚杆+注浆锚索联合支护方法，同时，针对千米深井软弱围岩巷道控制难题，提出了方钢约束混凝土支护体系，有效控制了围岩变形[2];李树忱等[13]针对膨胀力作用下的隧道支护难题，提出了格栅拱架+钢拱架+喷射混凝土联合支护方式;文竞舟等[14]建立了由系统锚杆为支护外层拱以及喷层与钢拱架为支护内层拱所共同构成的复合拱力学模型，结果表明，以型钢拱架和喷层组成的支护内层拱起主要承载作用。
拱架作为联合支护的最后一道防线，需具有高强、高刚的性质。传统型钢拱架包括U型钢拱架和工字钢拱架，其与锚网喷联合支护起到了较好的围岩控制作用。但是在超高应力、软弱围岩等复杂地质条件下，传统型钢拱架易出现局部屈曲、整体折断、法兰节点破坏、卡缆节点失效、搭接部位撕裂折损等现象[15]，导致支护体系整体失效，不能满足复杂条件围岩控制需求。
地下工程约束混凝土支护体系能够解决上述问题，有效控制复杂条件围岩变形[2-3,18]。笔者对约束混凝土支护体系的研究内容进行了总结，同时对该体系设计、施工与验收规范制定以及在不同工程领域的推广应用方面进行了展望。
1 约束混凝土支护发展历程
1.1 约束混凝土支护体系
约束混凝土支护体系[2-3,16-23]的核心为内部高强承载层，即高强约束混凝土拱架(图1)。高强约束混凝土拱架是在钢管等外部约束材料中灌注混凝土形成的，钢管混凝土是约束混凝土中的一类形式，为了方便论述，本文将钢管混凝土以及其他形式约束混凝土统称为约束混凝土。约束混凝土由于外部结构的约束作用使核心混凝土具有更高的抗压强度，核心混凝土又保证了外部约束不易发生失稳破坏，约束结构与核心混凝土共同承载，两者表现出力学性能上的“共生现象”，使其具有强度高、延性好、造价低的优点。
图1 约束混凝土支护体系
Fig.1 Confined concrete support system
针对高强约束混凝土支护技术，众多学者在室内试验、数值试验、计算理论与设计方法和现场实践等方面进行了研究(图2)，为约束混凝土支护技术的广泛应用奠定了基础。
图2 约束混凝土支护研究内容
Fig.2 Research contents of confined concrete support
1.2 矿山工程约束混凝土支护发展历程
自2000年以来，众多学者针对约束混凝土支护体系开展了系列研究，淮南工业学院臧德胜[24-25]首次采用圆钢约束混凝土拱架在平煤四矿进行了现场应用，与型钢拱架相比，约束混凝土拱架耗钢量更少，成本更低。此后，高延法教授课题组在钱家营矿[26]首次采用先架后灌的灌注工艺和套管节点进行拱架拼装连接，首次将地上约束混凝土结构普遍采用的“顶升法”灌注工艺引入了地下工程，保证了核心混凝土的灌注质量，并在查干淖尔矿[27]进行了应用。2011年，笔者课题组[18-23,28-30]首次提出了与围岩接触紧密、纵向连接方便、压弯承载力强的U型钢、方钢等多种约束混凝土支护体系，系统开展了室内全比尺对比试验，建立了非等刚度、任意节数内力计算模型，形成了约束混凝土支护设计方法，研发了成套关键技术与施工工法，并在深部高应力、海域极软岩、巨厚冲积层等典型矿井中成功应用。2015年，刘立民等[31]首次提出了曲面D型约束混凝土支护形式，并在平煤十矿进行了应用，取得了良好的围岩控制效果。
在以上典型技术革新的基础上，众多学者对上述约束混凝土支护技术进行了改进优化，取得了众多技术成果，典型技术革新见表1。
表1 矿山工程约束混凝土支护典型技术革新
Table1 Typical technological innovation of confined concrete support in mine engineering
序号报道年份单位/人员工程地点技术革新12000年淮南工业学院/臧德胜平煤四矿首次在矿山领域采用约束混凝土支护技术22010年32013年中国矿业大学(北京)/高延法课题组钱家营矿首次在矿山领域采用先架后灌的灌注工艺查干淖尔矿首次将地上工程普遍采用的“顶升法”灌注工艺引入矿山工程42015年52016年山东大学/笔者课题组赵楼煤矿首次在矿山领域采用U型约束混凝土支护体系梁家煤矿首次在矿山领域采用方钢约束混凝土支护体系62015年山东科技大学/刘立民平煤十矿首次在矿山领域采用曲面D型约束混凝土支护形式
1.3 隧道工程约束混凝土支护发展历程
20世纪70年代，日本首次采用将箍筋插入钢管内并灌注砂浆的刚性支撑形式，应用到世界最长海底隧道——青函海底隧道的膨胀区段，成功穿过了断层[32]。这是关于约束混凝土支护在世界范围内被应用到隧道工程领域的首次报道。
1984年，原铁道部[33]首次将约束混凝土拱架应用到了南岭隧道中，通过对比试验和现场监测后得出:约束混凝土支护是强度高、稳定性好、经济效果显著、加固效果明显的支护形式。这是我国首次关于约束混凝土支护被应用到隧道工程领域的报道。
为解决大断面隧道拱架重量大、人力施工效率低、在爆破完成后容易出现拱顶掉块、垮塌造成严重安全事故等问题，山东大学笔者课题组[34-37]提出了“高强高刚、精确装配”的约束混凝土支护体系施工理念，首次将方钢约束混凝土支护技术应用在我国超大断面交通隧道中，同时自主研发了高精度约束混凝土拱架机械化施工装备以及自动装配式节点、快速定位纵向连接装置等配套装置，实现了约束混凝土支护技术的快速机械化施工，同时首次将约束混凝土支护技术推广应用到市政隧道工程中。隧道工程约束混凝土典型技术革新见表2。
表2 隧道工程约束混凝土支护典型技术革新
Table 2 Typical technological innovation of confined concrete support in tunnel engineering
序号报道年份单位/人员工程地点技术革新120世纪70年代日本青函海底隧道世界首次在隧道工程领域采用约束混凝土支护技术21984年铁道部/符华兴南岭隧道我国首次在隧道工程领域采用约束混凝土支护技术32016年龙鼎隧道首次在交通隧道中应用方钢约束混凝土支护技术,采用人力施工方式42017年山东大学/笔者课题组济南市政隧道首次在市政隧道中使用薄壁约束混凝土拱架52019年乐疃隧道首次在超大断面隧道中应用装配式约束混凝土支护体系,采用机械化施工方式
2 约束混凝土支护原理与承载性能研究
高强约束混凝土拱架能够实现外部约束和核心混凝土力的共生，既发挥了约束材料强度高、延性好的优点，又发挥了核心混凝土抗压性能优、造价成本低的特点。与传统型钢拱架相比，其承载能力大幅提高，可对软弱围岩提供更大的径向作用力，提高围岩自身承载能力，有效控制围岩变形和塑性区发展。同时，高强约束混凝土拱架作为内部高强承载结构，是维护围岩自承结构完整性和有效性的主体，其与外部围岩形成整体承载体系，避免了支护体系木桶效应的产生，实现了复杂条件围岩的“高强、完整”控制。
为对比分析约束混凝土拱架与传统型钢拱架的承载性能，国内外学者系统开展了约束混凝土短柱试验、直梁与圆弧拱试验、缩尺与全比尺拱架试验，并针对约束混凝土自身结构特点，开展了约束混凝土拱架密实度试验、灌注口与组合节点性能试验研究。
2.1 约束混凝土短柱试验
2.1.1 轴压试验
1984年，蔡绍怀等[38]进行了约束混凝土短柱轴压试验，得到了约束混凝土短柱轴压承载力;1999年，韩林海[39]通过大量约束混凝土短柱试验，研究了不同因素对约束混凝土短柱破坏形态及承载力的影响;2006年，王来等[40]对十字形约束混凝土短柱的轴压过程进行数值试验，分析了钢材型号和混凝土等级对短柱力学性能的影响;2014年至今，笔者课题组[17,21,35,41-42,62]对U型约束混凝土(以下简称UCC)与方钢约束混凝土(以下简称SQCC)及对应的型钢短柱进行了轴压对比试验，并利用声发射技术研究了核心混凝土破裂机理及其与约束钢管的耦合性能。
综合上述研究可知:约束混凝土短柱受约束效应的影响，整体为塑性破坏，形态主要为腰鼓状破坏和剪切破坏，有效避免了型钢短柱由于早期失稳导致承载能力大幅下降的现象。荷载-应变曲线呈现上升→平缓上升的形式，没有下降段，反映出约束混凝土结构具有较好的延性和后期承载能力。以U型约束混凝土短柱为例，在截面含钢量基本相同的情况下，其轴压极限承载力是相同类型U型钢短柱的2.6倍以上(图3)。
图3 约束混凝土与型钢短柱试验结果对比
Fig.3 Comparison of test results of confined concrete and steel short columns
2.1.2 偏压试验
1997年，韩林海[43]对约束混凝土构件进行偏压数值试验，分析了偏压构件力学性能;2006年，陈志波[44]进行了约束混凝土短柱偏压室内试验，分析了短柱偏压力学性能，并提出偏压承载力计算方法;2008年，聂建国等[45]进行了圆钢、方钢约束混凝土短柱偏压试验，对比分析了不同偏心距下两种截面形式的短柱承载力;2015年，郭晓松[46]进行了椭圆形短柱在两种偏心距下绕短轴的偏压试验，同时采用ABAQUS软件进行数值分析，提出了承载力计算公式;2016年，江贝[34]对不同类型约束混凝土短柱进行偏压数值试验，对各短柱偏压承载能力进行了对比分析;2017年，向星赟[47]进行了约束混凝土短柱偏心受压试验，对其承载力及影响因素进行研究，并提出了偏压承载力计算公式。
目前关于约束混凝土短柱轴压、偏压试验的研究已经成熟，上述研究通过不同类型约束混凝土短柱试验，得到了短柱的轴压极限承载力、压弯承载力及影响因素，为短柱与拱架承载力计算及设计方法提供了依据。
2.2 约束混凝土直梁、圆弧拱抗弯试验
2001年，杨有福等[48]进行了矩形约束混凝土纯弯构件室内试验，对矩形约束混凝土构件在纯弯状态下的力学性能进行研究;2006—2008年，于清[49]、陶忠等[50]进行了不同钢管壁厚、混凝土强度的圆钢和方钢约束混凝土构件纯弯试验，得到了构件抗弯承载力，试验结果表明，约束混凝土构件具有较强的抗弯能力和良好的延性。
2013年，刘国磊[51]和曲广龙[52]等进行了约束混凝土圆弧拱抗弯试验研究，对约束混凝土、空钢管、U36,22 b工字钢等不同类型的圆弧拱构件进行承载性能对比分析;2018年，单仁亮等[53]对约束混凝土拱架中单拱构件进行径向加载试验，结合数值试验，得到了圆弧拱的极限承载力及影响因素。
通过上述研究可知:由于约束混凝土拱架尺寸大、成本高，进行拱架局部构件试验可一定程度上反映拱架力学性能，便于研究拱架局部破坏机制。此类拱架局部构件试验未考虑节点等因素影响，试验结果不能充分反映拱架破坏和承载机制。
2.3 约束混凝土拱架试验
2001年，臧德胜等[54]开展了直腿半圆形约束混凝土拱架缩尺试验;2009—2014年，高延法课题组开展了圆形[51]和浅底拱圆形[52]等拱架缩尺或大比尺力学性能试验(图4(a)～(d));2014年，魏建军等[55]进行了直腿半圆形拱架缩尺试验(图4(c));2015年至今，笔者课题组研发了组合式约束混凝土拱架全比尺力学试验系统[56]，开展了矿山巷道U型约束混凝土、方钢约束混凝土、圆钢约束混凝土(以下简称CCC)拱架以及U型钢和工字钢拱架的1∶1系列对比试验[2,16,20-21,34-37,57](图4(e)～(i))。首次进行了交通隧道三心圆拱架的大比尺室内试验。系统分析了不同加载模式、不同断面形状、不同截面参数以及不同核心混凝土强度等因素对拱架承载能力的影响机制，并于2019年首次进行了大断面隧道组合拱架的室内大比尺试验[58]。
约束混凝土拱架室内试验具体参数见表3，对比分析可以得到如下结论:
图4 约束混凝土拱架承载特性试验
Fig.4 Bearing characteristics test of confined concrete arch
表3 约束混凝土拱架承载特性试验统计
Table 3 Statistics of confined concrete arch bearing characteristics test
序号研究人员年份巷(隧)道断面形状拱架尺寸宽×高/(m×m)拱架截面形式加载方式研究结论1淮南工业学院/臧德胜2001年矿山巷道直腿半圆形缩尺3.0×2.9圆形单点加载约束混凝土拱架具有较高的承载能力和可缩性234中国矿业大学(北京)/高延法课题组2010年矿山巷道圆形缩尺1.8×1.8圆形单点加载CCC拱架含钢量是U29型钢拱架的95.2%,承载能力是U型钢拱架的3.17倍2013年矿山巷道浅底拱圆形大比尺4×3.8圆形单点加载CCC拱架具有较好的延性和承载力2014年矿山巷道扁椭圆形大比尺4.3×3.8圆形单点加载CCC拱架与U36钢拱架的承载力,前者承载力约为后者的2.5倍5中国矿业大学/魏建军2013年矿山巷道直腿半圆形缩尺1.2×1.1圆形单点加载CCC拱架具有较好的弹塑性和承载能力6789山东大学/笔者课题组2015年矿山巷道直腿半圆形全比尺5.5×4.4U形多点加载、均压UCC拱架承载能力是U型钢拱架的2.16倍2016年矿山巷道直腿半圆形全比尺5.0×4.5方形多点加载、均压SQCC拱架承载能力是U29型钢拱架的2.15倍。对拱架灌注口补强后进行加载,补强效果好2016年矿山巷道直腿半圆形全比尺5.0×4.5圆形多点加载、均压直腿半圆形CCC拱架承载力是U36型钢拱架的2.1倍2016年交通隧道三心圆形大比尺5.0×3.4～5.2×5.2方形、圆形多点加载、均压、偏压SQCC拱架承载力比相同含钢量的CCC拱架最高可提高22.7%,承载力均大于型钢拱架
续 表
序号研究人员年份巷(隧)道断面形状拱架尺寸宽×高/(m×m)拱架截面形式加载方式研究结论1011山东大学/笔者课题组2017年矿山巷道圆形全比尺5.2×5.2圆形多点加载、偏压圆形CCC拱架承载力是U36型钢拱架的2.03倍,具有良好的后期承载能力2019年交通隧道三心圆形三榀组合大比尺13.35×8.05方形多点加载、均压SQCC组合拱架承载能力是工字钢组合拱架承载能力的2.6倍以上
(1)拱架尺寸有2种形式:第1种是缩尺，模型尺寸较小;第2种是全比尺，可实现不同形状、不同尺寸拱架的1∶1力学试验。
(2)试验有2种加载方式:第1种加载方式为顶部加载，其他位置多点约束;第2种加载方式为多点加载，能够更真实模拟拱架在现场的实际受力状况。
(3)约束混凝土拱架承载力是相同截面含钢量的传统型钢拱架的2倍以上，且具有更好的延性和后期承载力。
(4)方钢约束混凝土拱架承载力比相同含钢量的圆钢约束混凝土拱架最高可提高22.7%，且与混凝土喷层结合更紧密，抗弯性能和稳定性能更好，在地下工程拱架均承受压弯荷载的情况下，方钢约束混凝土拱架更具有适用性。
2.4 约束混凝土密实度试验
核心混凝土不密实是造成约束混凝土破坏的主要原因。核心混凝土空腔及脱空缺陷导致混凝土自身承载力下降(图5)，钢管与混凝土胶结力减弱，钢管和混凝土无法形成“力的共生”效应。
图5 空腔缺陷造成的拱架破坏
Fig.5 Arch damage caused by cavity defects
众多学者对含不同空腔及脱空缺陷的约束混凝土拱架及构件进行了大量试验，结果表明，核心混凝土不密实会引起约束混凝土构件的强度折减[59-62]。核心混凝土脱空率为2.2%时，约束混凝土压弯扭试件的极限承载力下降11.5%，脱空率为4.4%时，约束混凝土压弯扭试件的极限承载力下降17.95%[59];约束混凝土拱架中核心混凝土空腔率超过14.3%时，在长期荷载作用下，整体抗弯承载能力下降较大，易发生拱架断裂等现象，严重威胁地下工程施工与生产安全[62]。
提高核心混凝土密实度十分必要。传统提高密实度的方法主要为改善核心混凝土灌注方式和改善自密实性质两种。目前常用的核心混凝土灌注方法是顶升法，即从下向上灌注混凝土，依靠混凝土自重挤压密实，顶升法多用自密实混凝土。目前在地上工程中针对自密实混凝土已经进行了大量研究，有效控制了核心混凝土的早期膨胀和后期收缩[63-65]，但在地下约束混凝土结构中尚未得到应用。笔者课题组[62]开展了核心混凝土外加膨胀剂试验研究，结果表明，添加膨胀剂可以增加混凝土与钢管之间的黏结特性，防止由于混凝土收缩带来的脱空影响。
科学有效的核心混凝土密实度检测方法，能及时指导对约束混凝土结构缺陷区采取补强措施。地上工程中多采用超声波无损检测法[66-69]，判别不密实缺陷的范围及其严重程度。地下工程约束混凝土结构截面较小且施工环境复杂，超声波无损检测受尺寸效应影响，检测结果误差较大，且由于缺陷位置和大小的不确定性，导致超声波无损检测方法在地下工程无法有效运用。地下工程约束混凝土结构常采用敲击法[62]。
检测出约束混凝土结构缺陷区后，一般采取钻孔压浆法进行补强[60,70]，但钢管钻孔缺陷对约束混凝土承载能力影响较大。针对混凝土不密实引起约束混凝土结构承载能力下降的问题，笔者课题组[62]进行了侧弯强化板、四面强化板及周边强化板补强方案试验研究，得到了补强优化比选方法，并在万福煤矿支护设计中进行了现场应用。
通过上述研究，总结可知:
(1)核心混凝土不密实会造成自身承载力下降，引起约束混凝土结构的强度折减。
(2)地上约束混凝土结构多通过超声波无损方法检测核心混凝土密实度，但由于其精度较小和地下工程空间的局限性，地下工程中常采用敲击法检测密实度。应进一步开展约束混凝土拱架密实度实时定量检测方法研究。
(3)通过顶升灌注、采用自密实混凝土和添加膨胀剂等方式，可提高核心混凝土的密实度;当检测出约束混凝土结构缺陷区后，通过钢板补强的方式，可有效提高约束混凝土结构的承载力。
2.5 灌注口补强研究
约束混凝土拱架大多进行现场灌注，需要在拱架上预留灌注口。灌注口的留设会造成拱架局部强度降低和应力集中，导致拱架整体承载能力的下降，是拱架破坏的关键部位，因此有必要对灌注口进行系统研究并提出补强设计方法。高延法等[71]在拱架灌注口处采用焊接加强钢板的方法进行补强;CHANG Xu等[72]基于对一系列的有缺口的约束混凝土短柱进行轴压试验，分析其破坏模式，研究钢管的缺口对约束混凝土短柱力学性能的影响，并提出用于预测带有缺口的约束混凝土短柱极限抗压强度的经验方程。
笔者课题组[34,73-74]进行了方钢和U型约束混凝土留设灌注口短柱及灌注口补强短柱试验研究(图6)，对比分析了短柱变形破坏形态、荷载位移曲线及承载力等力学性能，建立约束混凝土强度及经济指标，综合对比短柱补强效果。结果表明，留设灌注口短柱极限承载力比普通短柱降低29.9%;在侧弯钢板补强、开孔钢板补强和周边钢板3种补强方法中，侧弯钢板补强效果最好，极限承载力比留设灌注口短柱的提高了70.2%，该类侧弯钢板补强方案效果在拱架室内试验和现场应用中得到有效验证。
图6 留设灌注口短柱破坏及补强效果
Fig.6 Damage and reinforcement effect of short columns with grouting hole
2.6 约束混凝土节点试验
在地上约束混凝土结构中，约束混凝土构件多通过法兰节点进行连接，其相关研究已较为充分。在地下工程中，套管节点连接强度与施工效率高，装配式节点能够实现拱架的折叠与自动卡合，均具有广泛的研究价值。
目前关于节点的研究相对较少，笔者课题组[34-35,37,75]对地下工程约束混凝土拱架节点进行了试验研究(图7):明确了法兰节点和套管节点的力学性能及影响机制，提出了套管节点两种临界弯曲破坏模式，推导了套管节点抗弯强度的实用计算公式，建立了套管节点压弯承载力学判据，得到了约束混凝土拱架套管节点设计计算依据;进行了约束混凝土装配式节点室内试验，并将装配式节点约束混凝土拱架应用于现场，取得了较好的应用效果。
图7 约束混凝土套管节点性能试验
Fig.7 Performance test of confined concrete casing joint
3 约束混凝土计算理论与设计方法
约束混凝土拱架计算理论主要包括拱架内力计算、强度与稳定承载能力计算。根据约束混凝土拱架试验、计算理论和现场实践研究，本节总结了拱架整体选型，核心混凝土、灌注口与排气口、节点设计以及拱架间距与纵向连接设计等内容在内的约束混凝土支护设计方法。
3.1 拱架内力计算
拱架内力一般利用荷载结构法进行计算。作用在拱架上的围岩外荷载主要根据工程所在区域地应力大小与方向、岩体类型与性质、地质构造与结构面特性等地质条件，结合现场监测、理论分析与数值计算进行综合确定[76-79]。
2009年，谷拴成等[80]假设作用在圆形约束混凝土拱架的弹性抗力为三角形分布，建立了拱架结构内力计算模型，采用弹性中心法计算拱架各截面的内力。
2016年，笔者课题组[17]针对巷(隧)道常用断面—直腿半圆形拱架、圆形拱架及多心圆拱架，建立了任意节数、非等刚度约束混凝土拱架内力计算模型(图8中，EI为拱架刚度；EI′为节点等效刚度；Oi为三心圆拱架的第i个圆心；Ri为第i段圆弧的半径；θi为第i个节点的等效长度对应的圆心角；αi为节点定位角，表示第i个节点的位置；q为施加在拱架上的围岩等效荷载)，利用试验得到的节点等效刚度结果，将节点影响区域刚度和长度进行等效，得到约束混凝土拱架内力计算方法。
图8 拱架内力计算模型及计算结果
Fig.8 Arch internal force calculation model and calculation result
3.2 拱架强度与稳定承载能力计算
约束混凝土拱架承载能力包括强度承载能力与稳定承载能力。
3.2.1 强度承载能力
2001年，臧德胜等[24]将原岩应力场简化为均匀应力场，从安全的角度出发，取无支护时的松动区半径，利用弹塑性理论求解最大支护压力Pjmax和最小支护压力Pjmin，得到约束混凝土支护反力Pj范围，从而验算约束混凝土拱架的轴压强度承载能力。
2010年，高延法课题组[26]建立了均布荷载作用下约束混凝土半圆形拱架承载力计算模型。通过积分半圆形拱架上的径向支护反力，建立径向支护反力与拱架轴向承载力之间的关系式。采用等效系数的方法考虑压弯影响，验算半圆形拱架轴向强度承载能力。
约束混凝土拱架强度承载能力主要包括拱架基本承载能力和拱架节点承载能力。笔者课题组[75]根据套管节点的破坏模式，推导了节点破坏判据，建立了套管节点承载能力计算公式;根据装配式节点的破坏模式[81]，对节点中销轴抗剪、承压板承压及耳板承压进行强度验算，得到了装配式节点承载力计算公式，结合约束混凝土拱架任意节数、非等刚度内力计算模型与压弯强度承载力判据，得到了反映真实围岩条件下的约束混凝土支护强度承载力计算方法[20]。
3.2.2 稳定承载能力
2016年，江贝[34]采用静力平衡法，通过曲杆的平衡微分方程和几何条件建立了非等刚度两铰多心和固接多心拱架稳定承载力计算公式。2019年，笔者课题组[81]结合静力平衡法和数值分析方法，研究了多心约束混凝土拱架及拱架的空间组合支护体系的平面内及平面外稳定性问题。
3.3 设计方法
基于上述约束混凝土支护的室内试验与数值试验、计算理论和现场实践研究，形成了较为完善的约束混凝土支护设计理论。约束混凝土支护设计内容主要包括拱架整体选型设计、核心混凝土设计、灌注口与排气口设计、节点设计以及拱架间距与纵向连接设计，如图9所示。
图9 约束混凝土支护设计内容
Fig.9 Confined concrete support design content
拱架整体选型设计包括巷(隧)道断面选型、约束钢管截面选型及拱架间距设计。常用的巷(隧)道断面形状包括圆形、直腿半圆形、马蹄形及三心圆形。根据地质条件和现场需求对巷(隧)道断面形状进行选型。常用的约束钢管截面形式包括圆形、方形和U形。基于内力计算结果，结合压弯强度承载力判据，对约束钢管截面形状和尺寸进行选型。
核心混凝土设计包括混凝土型号设计、灌注方法设计和不密实处强化设计。核心混凝土可采用自密实混凝土和微膨胀混凝土提高密实度，混凝土的强度等级[82]应不低于C30，一般选用C40碎石混凝土，粗骨料粒径宜采用5～15 mm，水灰比不宜大于0.45，坍落度不宜小于150 m，以满足泵送顶升灌注的要求。针对核心混凝土不密实区域进行强化设计，可采取钻孔压浆法进行强化。同时，可以采用笔者课题组[62]提出的侧弯强化板、四面强化板及周边强化板强化方案。灌注方法应采用先架后灌顶升灌注，保证核心混凝土密实度。
灌注口设计包括尺寸设计、位置设计和补强设计。灌注口形状多采用圆形开口，灌注口在满足施工要求的前提下尽量靠下布置。在补强设计方面，可采用高延法课题组[71]提出的注浆短管、加强板和封孔塞的组合补强方式，也可采用笔者课题组[73]提出的侧弯钢板、开孔钢板和周边钢板补强方式。排气口在满足施工条件下尽量靠上布置。
约束混凝土节点设计包括套管节点设计、法兰节点设计和装配式节点设计。相关设计可参考笔者课题组的研究结果，其中套管节点参数设计方法可参考文献[75]，法兰节点设计方法可参考文献[34]，装配式节点设计方法可参考文献[81，83]。
笔者课题组[75]综合考虑了方钢约束混凝土套管节点力学性能和经济性要求，给出了套管长度、套管间隙及套管壁厚的设计方法。江贝[34]通过数值试验的方式进行法兰节点参数的设计。孙会彬、笔者[81]根据销轴、耳板及承压板的破坏模式，给出了装配式节点的承载力计算公式与设计方法。
拱架间距根据单榀拱架的极限承载能力与所需围岩支护强度计算。纵向连接主要包括人力施工形式和机械化施工形式[84]，基于精确定位和保证整体稳定的原则，对拱架纵向连接进行设计。
4 约束混凝土现场应用与施工工艺
4.1 约束混凝土典型现场应用
通过前期大量的研究工作，约束混凝土支护技术得到了快速发展。在矿山工程领域，除了表1中所列举的臧德胜在平煤四矿[24]，高延法在钱家营矿[26]、查干淖尔矿[27]，笔者在赵楼煤矿[21]、梁家煤矿[3]和万福煤矿[28]以及刘立民在平煤十矿[31]进行的典型工程应用外，众多学者与工程技术人员也对约束混凝土支护技术进行了推广:王思[86]、谷拴成[90]分别将直腿半圆形约束混凝土拱架应用到了大淑村煤矿和澄合二矿中，李帅[91]将椭圆形约束混凝土拱架应用到了口孜东煤矿，李剑锋[92]和杨惠元等[93]分别将圆形约束混凝土拱架应用到了新安煤矿和清水营煤矿，杨明等[94]、毛庆福等[95]分别将浅底拱圆形约束混凝土拱架应用到了查干淖尔与阳城煤矿;在隧道工程领域，主要为表2中所列举的日本青函海底隧道[32]，符华兴在南岭隧道[33]，笔者在龙鼎隧道[35]、济南市政隧道[36]和乐疃隧道[37]，以及谷拴成[80]在地铁区间隧道进行的约束混凝土支护技术应用。约束混凝土在矿山工程和隧道工程的典型现场应用情况如图10，11所示。
图10 矿山工程典型现场应用
Fig.10 Typical field applications of mine engineering
图11 隧道工程典型现场应用
Fig.11 Typical field applications of tunnel engineering
在矿山工程中，约束混凝土拱架的形式主要包括:马蹄形，圆(椭圆)形以及直(弧)腿半圆形;在隧道工程中，约束混凝土拱架的形式主要采用圆(圆拱)形和三心圆形。
约束混凝土拱架前期截面基本为圆形，后期出现了方形、U形和D形截面，其中以方形截面应用最为广泛。拱架的节数以4～6节为主，间距主要集中在0.5～1.0 m，核心混凝土等级主要采用C40～C60。
拱架连接节点主要包括套管节点、法兰节点与装配式节点。套管节点连接强度高，施工效率高，被广泛采用;法兰节点连接强度低、施工效率慢，主要被用于拱腿与反底拱的连接中;装配式节点主要用于机械化施工中，能够实现拱架折叠与自动卡合，具有安全高效的优点。
核心混凝土灌注工艺主要包括3种形式:① 先在地上灌注养护再将拱架移至现场架设。这种灌注工艺可保证核心混凝土的灌注质量，但是导致了拱架重量增加，增大了运输与现场施工难度，需配合机械化施工工艺;② 先架设拱架，现场进行“由上至下”的灌注工艺。该方法减小了拱架在安装过程中的施工难度，但混凝土极容易产生气泡，造成混凝土的不密实，大幅降低拱架承载能力;③ 先架设拱架，现场进行“顶升灌注”的灌注工艺。该方法能够有效排出气体、保证核心混凝土密实度，从而保证约束混凝土拱架的整体承载能力。
约束混凝土拱架现场应用具体参数见表4，5。
表4 隧道工程典型现场应用
Table 4 Typical field applications of tunnel engineering
序号报道年份单位/人员工程地点工程特点主要参数形状,尺寸/m节数,间距/m,连接方式截面尺寸/(mm×mm)混凝土等级灌注工艺11984年铁道部/符华兴南岭隧道围岩破碎圆拱形,R1=5.49R2=6.393,0.8,法兰节点ϕ159×4.5ϕ165×5300号水泥砂浆先架后灌22009年西安科技大学/谷拴成地铁区间隧道岩性复杂/受地下水的影响较大圆形,R=34,0.3,法兰节点ϕ127×4.0C60先架后灌顶升灌注32016年42017年52019年山东大学/笔者课题组龙鼎隧道浅埋大跨/穿越断层破碎 三心圆,R1=10.5R2=6.9R3=2.35,1,法兰节点方钢管140×6C40先灌后架济南市政隧道极浅埋/强风化岩直腿圆拱形,宽6.75×高3.95,0.5,套管节点ϕ159×5.0C40微膨胀混凝土先架后灌顶升灌注乐疃隧道小净距/超大断面三心圆,R1=9.95R2=6.1R3=1.755,1,装配式节点方钢管150×8C40先灌后架
表5 矿山工程典型现场应用
Table 5 Typical field applications of mine engineering
序号报道年份单位/人员工程地点工程特点主要参数形状尺寸宽×高/(m×m)节数,间距/m,连接方式截面尺寸/(mm×mm)混凝土等级灌注工艺12000年淮南工业学院/臧德胜平煤四矿岩层松散/膨胀岩/节理发育圆形5×54,0.4,法兰节点可缩接头ϕ127×4.5C60先灌后架22010年42013年中国矿业大学(北京)/高延法课题组钱家营矿埋深大/强采动直腿半圆形4.34×4.164,0.6,套管节点ϕ140×8.5套管ϕ168×10C40先架后灌由上至下查干淖尔矿膨胀岩/软岩马蹄形6.288×5.2664,0.5,套管节点ϕ194×10套管ϕ219×8C40钢纤维混凝土先架后灌顶升灌注52012年冀中能源集团/王思大淑村煤矿破碎围岩/高应力直腿半圆形4.4×4.34,0.8,套管节点ϕ194×8套管ϕ219×8C50先架后灌顶升灌注62013年西安科技大学/谷拴成澄合二矿破碎带/强风化/岩溶直腿半圆形4×43,0.5,法兰节点ϕ132×5.2C30先架后灌顶升灌注72014年徐州矿务集团/李剑锋新安煤矿软岩圆形4.312×4.3124,0.8,套管节点ϕ194×10套管ϕ219×10C40先架后灌顶升灌注82014年安徽理工大学/杨明查干淖尔矿软岩/膨胀岩浅底拱圆形6.711×5.7005,0.7,套管节点ϕ194×10套管ϕ219×8C40钢纤维混凝土先架后灌顶升灌注92015年102016年112019年山东大学/笔者课题组赵楼煤矿千米深井/软岩/断层直腿半圆形5.5×4.44,1,套管节点U29封板10 mmC40先架后灌顶升灌注梁家煤矿海域极软岩圆形4.5×4.54,0.8,法兰节点方钢管150×8C40先架后灌顶升灌注万福煤矿巨厚冲积层直腿半圆形6.5×6.37,1,套管节点方钢管200×10套管234×12C40先架后灌顶升灌注122017年中煤新集公司/李帅口孜东煤矿高应力/破碎围岩椭圆形6.3×4.54,0.7,套管节点ϕ194×10套管ϕ219×8C40先架后灌顶升灌注132018年神华集团/杨惠元清水营煤矿富水/软岩圆形6×64,0.7,套管节点ϕ194×8套管ϕ219×8C40先架后灌顶升灌注142019年山东济矿集团/毛庆福阳城煤矿断层破碎带/软岩浅底拱圆形2.886×3.6204,0.8,套管节点ϕ194×8套管ϕ219×8C40先架后灌顶升灌注
4.2 施工工艺
约束混凝土支护技术在矿山巷道方面主要应用于高应力、极软岩、强采动等条件中，在交通隧道方面主要应用于大断面、小净距、极浅埋与断层破碎带等条件中。针对矿山巷道和交通隧道不同的地质条件、形状尺寸以及施工特点，形成了两类不同的施工工艺。
矿山巷道断面尺寸小，对应拱架每节尺寸也较小，多采用套管节点连接，使用人力施工，在架设后顶升灌注核心混凝土。针对巷道支护特点，建立了矿山巷道复合施工工法，主要包括定量让压拱架组合拼装、核心混凝土高效灌注、释能让压材料快速充填、拱架关键部位重点补强等关键技术[85-86]。矿山巷道典型施工工艺如图12所示。
图12 矿山工程现场施工工艺
Fig.12 Field construction technology of mine engineering
交通隧道断面尺寸大，对应的拱架每节尺寸也较大，多采用使用机械化施工，拱架提前预制，在架设前灌注核心混凝土。针对隧道支护的特点，研制了高精度拱架安装机、高自由度拱架辅助安装机等机械化施工装备，建立了交通隧道机械施工工法，主要包括约束混凝土拱架预制折叠、装配式节点自动卡合、拱架纵向精确定位等关键技术[87-88]。交通隧道典型施工工艺如图13所示。
图13 隧道工程现场施工工艺
Fig.13 Field construction technology of tunnel engineering
5 结论与展望
(1)约束混凝土拱架具有高强、高刚的性质，其承载力是相同截面含钢量传统型钢拱架的2～5倍，可对软弱围岩提供更大的径向作用力，提高深部岩体的峰后强度和围岩自承能力，能够实现“高强、完整”控制，有效控制复杂条件围岩变形，避免工程安全事故。
(2)约束混凝土支护设计方法主要包括拱架整体选型设计、核心混凝土设计、灌注口与排气口设计、节点设计以及拱架间距与纵向连接设计。目前建立的设计方法实现了约束混凝土支护的科学定量设计，发挥了约束混凝土高强承载特性，保证了支护体系整体强度与稳定性。
(3)约束混凝土支护体系现场施工主要包括矿山巷道复合施工工法与交通隧道机械施工工法，实现了复杂条件地下工程安全经济施工。机械化施工装备与配套设备的研发，为约束混凝土支护的高效智能施工提供了条件，是未来施工的发展方向。
(4)约束混凝土支护技术已经在矿山工程中进行了广泛应用，并在隧道工程中推广使用，下一步应制定约束混凝土支护设计、施工和验收规范，并推进约束混凝土支护技术在交通、水利、市政等不同行业领域的推广应用。
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