朱漢華， 吳志軍， 王迎超， 丁 智

(1. 浙江省公路局， 浙江 杭州 310000； 2. 武漢大學土木建筑工程學院， 湖北 武漢 430000； 3. 中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室， 江蘇 徐州 221116；4. 浙江大學城市學院工程學院， 浙江 杭州 310015)

0 引言

地下工程施工過程中容易發(fā)生坍塌事件甚至安全事故，通過對大量地下工程施工實踐和坍塌事件或安全事故調(diào)查分析[1-2]，得出如下結論： 1)地下工程“基本維持地層(圍巖)原始狀態(tài)”比“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”更容易判斷地下工程結構體系是否滿足結構變形協(xié)調(diào)控制。若滿足結構變形協(xié)調(diào)控制，則結構實際受力變形狀態(tài)與設計受力變形狀態(tài)基本一致； 反之，結構實際受力變形狀態(tài)與設計受力變形狀態(tài)有差別，容易產(chǎn)生各種意想不到的問題； 2)設計中往往忽視施工過程的結構力學平衡穩(wěn)定性，連結構力學平衡穩(wěn)定性都不滿足，就更不會滿足新奧法了，實際上隧道設計中不但要研究結構整體穩(wěn)定性，還要研究施工過程中分部結構穩(wěn)定性； 3)部分工程師往往缺乏類似施工經(jīng)驗，雖然熟記新奧法理念，但忽視了結構力學穩(wěn)定平衡問題，方法應用不到位，實際還是不滿足新奧法。需要明確的是新奧法是一種理念，而結構力學是基石。

很多工程師在技術層面知道如何按照規(guī)范進行工程結構設計和施工，但對產(chǎn)生結構病害的結構與力學關系研究多注重力學平衡性，而對協(xié)調(diào)性研究主要注重變形協(xié)調(diào)理論、變形協(xié)調(diào)假設等，而系統(tǒng)研究合理結構構造與力學關系的變形協(xié)調(diào)控制方法較少，難以保障結構傳力介質(zhì)的適應性和避免結構亞穩(wěn)定平衡問題。全面研究結構與力學關系才可能避免“亞穩(wěn)定解”(滿足規(guī)范，但結構構造欠合理，可能耐久性不夠甚至存在特殊風險)，而從“可用解”(滿足規(guī)范，可能合適、保守、特殊情況存在缺陷或風險)提升到“優(yōu)化解”(優(yōu)于規(guī)范，前沿研究成果或當前優(yōu)化解決方案，但要防止特殊缺陷或風險)，不斷尋求結構設計、施工研究等科學問題的真諦。也可簡述為工程結構設計階段就要考慮施工過程每一步都滿足穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制，并在施工過程嚴格落實和監(jiān)控工程結構穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制的核心指標在設計允許范圍之內(nèi)。

實際上，“新奧法”的本質(zhì)是地下工程建設過程中“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”的設計施工理念與方法，如果結構欠合理，雖然有監(jiān)控量測或預測控制，還可能發(fā)生特殊風險甚至安全事故。地下工程建設全過程必須滿足結構穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制，才能真正“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”和滿足建設運營全過程的質(zhì)量安全要求。地下工程平衡穩(wěn)定理論的優(yōu)勢是設計中無論采用松弛荷載理論還是現(xiàn)代力學(如有限元)等預先判斷地層(圍巖)自承能力或計算結構荷載，其中還涉及軟巖(土)強度值與初始流變應力值的差異和有效利用軟巖(土)高限流變應力值問題，拿出較好的支護開挖方案和應急預案，施工中采用“新奧法”理念支護開挖，并監(jiān)控量測或預測控制，然后動態(tài)調(diào)整設計施工方案，“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”和滿足結構穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制，確保地下工程結構質(zhì)量與安全。

本文統(tǒng)計大量地下工程施工的成功與失敗案例，從地下工程結構的受力變形狀態(tài)穩(wěn)定性方面出發(fā)，研究松弛荷載理論和巖承理論和其他地下工程理論與相應技術的科學本質(zhì)，及其指導現(xiàn)代地下工程建設實踐的意義和價值，探索并建立地下工程平衡穩(wěn)定理論[3]。以前的研究主要只是針對某一工程而言，本文在總結眾多工程實踐的基礎上，將地下工程平衡穩(wěn)定理論提煉升華，使其上升到一定的理論高度，具有更強更廣泛的適用性，能更好地指導實際工程的實施。與已有的研究相比，取得了長足的發(fā)展與進步，為解決新型地下工程問題做出了有益的嘗試。

1 工程結構穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制的物理意義

為了說明工程結構穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制關系的物理意義，可以通過圖1所示重物穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制關系示意圖[4]直觀地理解變形協(xié)調(diào)控制對結構平衡狀態(tài)穩(wěn)定性的影響。圖1中的重物W由n股繩子懸掛,繩子作用力S1,S2, …,Sn與自重W共同作用處于平衡狀態(tài)。該平衡狀態(tài)因為繩索作用力Si和重物W共同作用的變形協(xié)調(diào)控制關系不同，其平衡穩(wěn)定狀態(tài)也不相同，具體表現(xiàn)如下。

圖1 多股繩子懸掛下的重物穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制關系圖

Fig. 1 Relationship between stable equilibrium and deformation coordination control of heavy objects under multi-strand rope suspension

1)當重物W受靜載荷作用時，S1,S2, …,Sn與W共同作用處于平衡狀態(tài)，當S1,S2, …,Sn都在各自強度允許范圍內(nèi)系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡；當出現(xiàn)某個Si超過極限而破壞，此時，剩余n-1根繩索的受力狀態(tài)會重新分配。在內(nèi)力重分布過程中，可能出現(xiàn)2種情況： 若內(nèi)力能夠合理轉移，剩余n-1根繩索受力仍處于強度范圍內(nèi)，系統(tǒng)將再次平衡；若系統(tǒng)結構設計不當，系統(tǒng)內(nèi)力不能合理轉移，將導致剩余n-1根繩索內(nèi)力再次超過強度范圍而引起斷裂，該過程重復出現(xiàn)將引起連鎖反應而使系統(tǒng)整體失穩(wěn)。從能量傳遞角度看，上述現(xiàn)象可以解釋為： 由于重物W的作用，每根繩子內(nèi)積聚的應變能為Ui(i=1,2,…,n), 此時結構處于穩(wěn)定平衡。倘若某個繩子內(nèi)部儲存能量Ui已達到其吸能極限而出現(xiàn)斷裂，則Ui完全釋放。由于系統(tǒng)總體能量不變，則結構變形能將重新分配，將出現(xiàn)2種情況： 若能量能夠合理傳遞，剩余n-1根繩索能有效吸收所有變形能，系統(tǒng)將再次平衡；若結構設計不當，外力做功將再次突破結構儲能極限，導致剩余n-1根繩索斷裂，引起連鎖反應而使系統(tǒng)整體失穩(wěn)。

2)當重物W受到擾動時，重物W將偏離原始的位置，因而S1,S2, …,Sn的大小將重新分布，只有當S1,S2, …,Sn變形協(xié)調(diào)(即S1,S2, …,Sn之間的內(nèi)力能夠合理轉移)時，且都在強度允許范圍內(nèi)時就處于穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制狀態(tài)，系統(tǒng)才能恢復到新的平衡位置。否則，當結構設計不合理時，系統(tǒng)內(nèi)部受力不能合理轉移，S1,S2, …,Sn的重新分布可能會造成某個繩子作用力Si超過極限而破壞甚至引起連鎖反應而出現(xiàn)系統(tǒng)整體失穩(wěn)。從能量分析角度則更好理解： 外界對重物W的擾動將給結構輸入一定的能量，只有當結構變形協(xié)調(diào)(即總體變形能在每根繩子之間能夠合理傳遞)時，且考慮到空氣和結構內(nèi)部耗能機制(例如阻尼、摩擦等)，系統(tǒng)才能恢復到原始的位置。否則，當結構設計不合理時，系統(tǒng)內(nèi)部能量不能合理傳遞，U1,U2, …,Un的重新分布可能會造成某個繩子無法吸收應有的能量而破壞甚至引起連鎖反應從而出現(xiàn)系統(tǒng)整體失穩(wěn)。

3)當重物W受動荷載作用時，各S1,S2, …,Sn受力不均勻性更加明顯，S1,S2, …,Sn與W共同作用的穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制更加復雜，因為結構輸入能量的大小隨著外部動荷載作用形式的變化而變化，考慮到空氣和結構內(nèi)部耗能機制(例如阻尼、摩擦等)，結構體系在振動過程中也會消耗一部分能量。當結構變形協(xié)調(diào)，通過外力做功輸入到結構體系的能量與系統(tǒng)耗散的能量處于動態(tài)平衡過程，系統(tǒng)不會出現(xiàn)能量不斷積聚過程。當結構設計不合理，變形不協(xié)調(diào)時，通過外力做功輸入到結構體系的能量總體上大于系統(tǒng)耗散的能量，系統(tǒng)能量不斷積聚，導致發(fā)散的系統(tǒng)振動，最終出現(xiàn)能量在結構薄弱環(huán)節(jié)積聚而導致局部破壞甚至引起連鎖反應而出現(xiàn)系統(tǒng)整體動力失穩(wěn)。

一般工程結構力學分析中隱含荷載、變形適應性，實際工程結構首先要穩(wěn)定平衡，再者結構措施要保障結構變形協(xié)調(diào)控制，往往實際工作中容易忽視。為了便于理解工程結構穩(wěn)定平衡、穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制2個概念的內(nèi)在聯(lián)系，將這2個概念對應的工程結構受力分析問題以及理論適用條件歸納總結，如表1所示。

表1變形協(xié)調(diào)控制與結構平衡狀態(tài)的關系

Table 1 Relationship between deformation coordination control and structural equilibrium state

狀態(tài)工程結構受力分析適用條件穩(wěn)定平衡 采用精確分析法解決工程結構問題 隱含或自然滿足變形協(xié)調(diào)控制 穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制 先整體控制與細節(jié)把握,再用精確分析法解決工程結構問題 構建合理結構體系和合理工法或工藝以及有效過程控制措施等,確保力的合理傳遞或轉移路徑等

工程結構只有處于穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制狀態(tài)才能存在。對于地下工程結構而言，“基本維持地層(圍巖)的原始狀態(tài)”和“施工過程控制”至關重要。以新奧法等為代表的現(xiàn)代施工技術的核心是“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”，這一提法從力學角度提出了保持圍巖穩(wěn)定的思路，決定圍巖穩(wěn)定性的關鍵是圍巖與支護系統(tǒng)共同作用達到“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制”。在實際工程中，地下工程開挖后圍巖應力會重分布，特別是存在塑性區(qū)時圍巖的應力還會產(chǎn)生轉移。因此，圍巖應力的集中區(qū)分布、圍巖穩(wěn)定性可能出現(xiàn)突變點位置的把握是十分困難的，也難以用應力控制手段實現(xiàn)圍巖的穩(wěn)定性判斷。在圍巖穩(wěn)定性評價中，關鍵是要控制變形異常，對Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級偏好圍巖主要控制塊體掉落和塊體的穩(wěn)定平衡，而Ⅲ級偏差圍巖及Ⅳ級、Ⅴ級、Ⅵ級圍巖主要控制變形協(xié)調(diào)、不產(chǎn)生有害變形導致坍塌和喪失穩(wěn)定平衡?！盎揪S持地層(圍巖)原始狀態(tài)”的理念，直接面對圍巖的“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制”，從整體穩(wěn)定的視角出發(fā)，既是保持原有圍巖與支護系統(tǒng)共同作用達到穩(wěn)定平衡和控制變形異常，又是“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”的充分必要條件。工程實踐中“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”和“基本維持地層(圍巖)原始狀態(tài)”二者理念相同，而“基本維持地層(圍巖)原始狀態(tài)”理念便于實踐應用并控制圍巖穩(wěn)定。

地下工程不同的施工工序通常會給巖土體帶來不同的受力變形狀態(tài)。地下工程設計中通常只考慮工程結構完成時的受力狀態(tài)，而忽視施工過程中的受力變形狀態(tài)。自承能力好的圍巖，在應力重分布后可以重新調(diào)節(jié)達到穩(wěn)定平衡，開挖方式對圍巖和支護結構的影響不大；但在自承能力較差的巖土體中，施工過程中必須合理把握施工工序，注重過程控制，把握施工過程中巖土體與支護結構的受力變形狀態(tài)，才能確保其受力變形狀態(tài)符合設計要求，從而實現(xiàn)地下工程巖土體“基本維持地層(圍巖)原始狀態(tài)”及結構“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制”。圍繞巖土體的受力變形狀態(tài)進行研究，地下工程過程控制和時空效應的研究與實踐是等效的。要切實落實過程控制，必須注重地下工程建設的時空效應，做到4個及時： 及時支護，及時封閉，及時量測，及時反饋。

2 傳統(tǒng)荷載理論

2.1 松弛荷載理論

“松弛荷載理論”由Haim等提出，其核心內(nèi)容是：穩(wěn)定的巖體有自穩(wěn)能力，不產(chǎn)生荷載；不穩(wěn)定的巖體則可能產(chǎn)生坍塌，需要用支護結構予以支承。這樣，作用在支護結構上的豎向荷載就是圍巖在一定范圍內(nèi)由于松弛并可能塌落的上覆巖土層的重力γH。這一理論適用于淺埋隧道，但是隨著隧道埋深的不斷增大，該理論存在許多不合理之處。對埋深較大的隧道，計算得到的壓力偏大。

松弛荷載理論曾經(jīng)產(chǎn)生過重要的影響，作為圍巖壓力的近似計算方法，應用比較簡便。在巖體破碎或淺埋隧道情況下其計算結果仍具有重要的價值，至今仍在一些國家廣泛應用。而依據(jù)松弛荷載理論統(tǒng)計地下工程圍巖塌方規(guī)律的規(guī)范值大部分可行，但在沒有采用變形協(xié)調(diào)控制手段修正其開挖和支護工法時，對于圍巖偏差和偏好的情況存在工程風險和支護過度問題。

2.1.1 圍巖破壞的有限區(qū)域理念——普氏理論

普氏理論[5]是早期的圍巖壓力計算理論，雖然在許多情況下其計算結果可能與實際情況有較大的誤差，但其圍巖破壞的有限區(qū)域理念仍然具有重要意義。

這個理論的基本要點是： 1)將巖體看成具有一定黏結力的松散體；2)作用于襯砌上的圍巖壓力，僅為壓力拱與襯砌間破碎巖體的重力，而與拱外巖層及洞室埋深無關。根據(jù)普氏理論得到矩形洞室荷載計算圖如圖2所示。

φ為巖體的內(nèi)摩擦角，°；q為壓力拱上的垂直均布荷載，N/m；ei為水平荷載，N/m；b為自然平衡拱的最大高度，m；a1為自然平衡拱的最大跨度，m。

圖2壓力拱理論計算圖

Fig. 2 Theoretical calculation sketch of pressure arch

2.1.2 圍巖破壞的穩(wěn)定平衡理念——太沙基理論

太沙基理論[6]將地層看作松散體，但它是基于應力傳遞概念而推導出作用于襯砌上的垂直壓力，其核心思想是力的平衡。假定在深度為H的巖體內(nèi)開挖跨度為2b的矩形洞室。開挖后側壁穩(wěn)定，拱頂不穩(wěn)定，可能沿著圖3所示的面AB和CD發(fā)生滑移，洞頂圍巖壓力等于上覆巖柱的重力減去側壁抗剪力。

圖3 側壁穩(wěn)定時的圍巖壓力計算圖

Fig. 3 Surrounding rock pressure calculation under condition of sidewall stability

開挖后如側壁不穩(wěn)定，拱頂不穩(wěn)定，則按圖4所示的面AB和CD發(fā)生滑移，計算相應的圍巖壓力。對于圍巖的變形破壞方式假設，太沙基理論可能過于簡化或者有不合理之處，但其力學平衡的分析理念在當前的隧道工程實踐中仍具有重要的價值。

2.1.3 代表性施工方法

隧道的常規(guī)施工方法又稱為礦山法[7]，因最早應用于采礦坑道而得名。在礦山法中，多數(shù)情況下都需要鉆孔爆破進行開挖，故又稱為鉆爆法。從隧道工程的發(fā)展趨勢來看，鉆爆法仍將是今后我國隧道最常用的開挖方法。在礦山法中，可分為以鋼木構件支撐的施工方法和采用鉆爆開挖加錨噴支護的施工方法。

圖4 側壁不穩(wěn)定時圍巖壓力計算圖

Fig. 4 Surrounding rock pressure calculation under condition of sidewall intability

基于傳統(tǒng)太沙基理論或普氏理論等設計方法的松馳荷載理論是建立在淺埋松散地層和深埋松散巖土體統(tǒng)計值的力學方法基礎之上，沒有變形協(xié)調(diào)控制和過程控制概念，也沒有體現(xiàn)“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”和“基本維持地層(圍巖)原始狀態(tài)”基本理念。對于相對比較破碎巖體或軟土地層，只有滿足“基本維持地層(圍巖)原始狀態(tài)”條件，才能達到“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”。對于淺埋松散地層隧道或軟土盾構隧道可采用簡化計算即荷載結構法思路(對應于松散荷載理論)，產(chǎn)生的誤差在支護結構強度允許范圍之內(nèi)；但施工工法和過程控制措施應采用地層結構法思路(對應于巖承理論)，實現(xiàn)地層與支護結構共同作用達到“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制”，消除風險隱患，確保受力安全。

2.2 巖承理論

2.2.1 基本原理

“巖承理論”是一種現(xiàn)代支護理論。其核心內(nèi)容是： 穩(wěn)定圍巖是因為巖體有自承能力；不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)定是有一個過程的，如果在這個過程中給圍巖提供必要的幫助或限制，則圍巖仍然能夠進入穩(wěn)定狀態(tài)。這是一種比較現(xiàn)代的理論，它已經(jīng)脫離了地面工程考慮問題的思路，而更接近于地下工程實際，近半個世紀以來被廣泛地推廣應用。

傳統(tǒng)“松弛荷載理論”更注重結果和對于結果的處理；而現(xiàn)代“巖承理論”則更注重過程和對過程的控制，即對圍巖自承能力的充分利用。由于有此區(qū)別，2種理論在原理和方法上各自表現(xiàn)出不同的特點。以這2種理論為指導的施工方法也截然不同，對隧道圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生的影響也不盡相同?；凇皫r承理論”的圍巖支護與圍巖位移關系如圖5所示。在一定范圍內(nèi)，允許圍巖變形量越大，需要的支護力就越小，否則會出現(xiàn)相反的情況。但要使圍巖不發(fā)生破壞，必須限制變形的發(fā)展。

圖5 圍巖位移支護特性曲線

Fig. 5 Displacement supporting characteristic curve of surrounding rock

新奧法核心概念廣泛應用于隧道及地下工程設計施工等實踐過程中。但是基于圍巖位移支護特性曲線進行圍巖支護設計存在一個重要問題： 支護特性曲線上的D點是理論上存在而實踐上無法把握的點，圍巖位移支護特性曲線雖然解決了隧道圍巖結構受力平衡問題，但是較難把握隧道圍巖結構的平衡穩(wěn)定性問題。依據(jù)“巖承理論”的新奧法源于硬巖，雖然強調(diào)了硬巖與軟巖應用有區(qū)別，但在不良地質(zhì)條件下，對于分支點失穩(wěn)工程問題，很難把握圍巖與支護結構共同受力平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性，地下工程施工安全事故與襯砌開裂現(xiàn)象就說明了其存在的工程風險。

2.2.2 代表性工法理念——新奧法

新奧法是由奧地利土木工程師Rabcewicz等在20世紀60年代總結隧道建設實踐經(jīng)驗的基礎上創(chuàng)立的。自提出后，該理論基礎不斷得到完善，隧道支護技術手段不斷豐富，在世界隧道設計和施工中獲得廣泛的應用，當前已被國內(nèi)外作為隧道結構設計和施工的重要方法。新奧法的理論基礎是“合理發(fā)揮圍巖自承能力”，以噴射混凝土、錨桿加固為代表和量測技術為主要特征的新奧法，盡可能保護圍巖原有強度、容許圍巖變形但又不致出現(xiàn)強烈松弛破壞、掌握圍巖與支護結構變形動態(tài)的隧道開挖與支護原則，使圍巖變形的外荷載與限制變形的結構支護抗力保持動態(tài)平衡，該施工方法具有很好的適用性和經(jīng)濟性。

新奧法是建立在巖石試驗力學的基礎之上，其結構力學分析方法不很明確，使用中容易忽視，使得支護結構不合理。要體現(xiàn)“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”和“基本維持地層(圍巖)原始狀態(tài)”理念，需要深厚力學理論知識和豐富類似工程實踐經(jīng)驗相結合，才能真正落實巖承理論的精髓，確保圍巖與支護結構共同作用達到“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制”。在“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”和“基本維持地層(圍巖)原始狀態(tài)”即“變形協(xié)調(diào)控制”理念基礎上，建立適用多種巖土體結構特征的廣義力學穩(wěn)定平衡方程，重視合理開挖工法、支護結構措施及施工過程控制等研究，確保圍巖與支護結構共同作用達到穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制，這也是地下工程結構設計和安全分析的基本要求。在不良地質(zhì)條件下，地下工程施工過程中地層(圍巖)與支護結構共同作用力的平衡穩(wěn)定性和變形協(xié)調(diào)性有時不一定滿足，施工單位也難以有效控制，往往產(chǎn)生施工安全事故，只好要求在規(guī)劃和設計過程中加以考慮，才能避免類似事故。

3 地下工程平衡穩(wěn)定理論

3.1 隧道有效承載結構層控制圍巖荷載轉移規(guī)律

3.1.1 圍巖應力會向深部轉移

通過適當開挖與支護，圍巖應力會逐漸向深部轉移，減輕表部圍巖應力集中導致變形或破壞。天然洞穴如圖6所示，該洞穴高200 m，寬150 m，此洞穴尺寸會逐漸擴大，這是由于周邊圍巖產(chǎn)生了塑性破壞，使得圍巖的應力集中區(qū)向深部逐漸轉移。

圖6 天然洞穴

3.1.2 隧道有效承載結構層控制圍巖荷載轉移規(guī)律

隧道圍巖的穩(wěn)定是隧道圍巖與支護系統(tǒng)共同作用的結果，如果施工開挖支護過程不合理，平衡狀態(tài)就會發(fā)生轉換。當隧道采用預支護而使圍巖基本保持原始狀態(tài)時，有

P1cosα1+P2cosα2=T=W。

(1)

式中：P1、P2為圍巖之間相互支持力，N；W為重力，N；T為支護抗力(T起到合理發(fā)揮P1、P2的作用)，N。

破碎圍巖等特殊地質(zhì)隧道開挖后自穩(wěn)時間短，易形成冒落。通過施加預支護，預支護結構、初期支護和二次襯砌形成支護結構體系共同承載。采用淺埋暗挖法或類似軟土隧道盾構施工原理的預支護，可以防止松弛坍塌和產(chǎn)生松弛壓力。但其機制與錨噴支護不同，可參照普氏理論和太沙基理論進行設計。由于破碎等特殊地質(zhì)圍巖自穩(wěn)能力差，且常常伴有地下水的作用，為安全起見，不考慮圍巖的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c值(即c=φ=0)的作用，僅考慮由于預支護而不產(chǎn)生有害松弛的圍巖之間相互支持力P1和P2的作用(見圖7)。

圖7 隧道有效承載結構層控制圍巖荷載轉移規(guī)律

Fig. 7 Load transfer law of surrounding rock controlled by effective bearing structure layer of tunnel

當隧道圍巖沒有采用預支護而發(fā)生較大松弛或塌方時，則有T≤W。也就是說，對于破碎等特殊地質(zhì)圍巖必須采用預支護技術才能確保支護結構承受的圍巖壓力是形變壓力而不是松弛壓力。同時，施作預支護時也必須考慮到預支護的剛度和開挖后噴射混凝土的時間，即時空效應，這些都影響特殊地質(zhì)圍巖的變形，即影響圍巖壓力的大小和分布情況。隧道有效承載結構層控制圍巖荷載轉移規(guī)律，選取適當?shù)念A支護剛度和噴射混凝土的時間等及時形成隧道有效承載結構層十分重要。

3.2 地下工程平衡穩(wěn)定理論的建立

不論松弛荷載理論還是巖承理論，在實際地下工程應用中有優(yōu)勢也有不足，甚至存在安全隱患，本文通過大量巖石、土體、巖土混合體地下工程結構應力變形狀態(tài)試驗研究得出。巖土體地下工程結構控制安全邊界線如圖8所示。圖5中P0-D段與圖8中控制安全邊界線相對應，而圖5中D-σ段在地下工程設計施工中沒有應用意義。在控制安全邊界線內(nèi)，能有效利用高限流變應力值，其對建立地下工程平衡穩(wěn)定理論具有較好的實踐意義。

(a) 應變邊界

(b) 應力邊界

Fig. 8 Safety boundary line of structure control for underground engineering of rock and soil mass

以淤泥質(zhì)軟土和砂巖為例，對比了土體或巖體在工程應用中應力控制方法和應變控制方法的工程力學特性(見圖8)。虛線為巖體或土體對應原始狀態(tài)的安全控制邊界，即自然安全邊界線。虛線內(nèi)部的受力或變形狀態(tài)為安全狀態(tài)(四邊形所示狀態(tài))，超出虛線即認為巖體或土體發(fā)生破壞。該狀態(tài)可以通過工程措施得到一定程度的提高，例如在軟土中注漿、在巖體中加錨桿錨索，如果工程結構滿足變形協(xié)調(diào)控制，安全容許范圍就會擴大至實線范圍。此時某些原本不安全狀態(tài)就轉化為安全狀態(tài)(三角形所示狀態(tài))，即通過工程措施能夠有效利用高限流變應力值。值得注意的是，工程措施實施過程必須滿足變形協(xié)調(diào)控制，否則會產(chǎn)生局部應力過大或者變形過大導致結構失穩(wěn)。只有這樣，才能保證地下工程結構力的合理傳遞或轉移、穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制。

由圖8還可以發(fā)現(xiàn)，地層巖土應力大的應變反而小，因此結構變形協(xié)調(diào)控制對不良巖土地層地下工程控制變形尤為重要。地下工程穩(wěn)定平衡狀態(tài)可以抽象并提煉出隧道圍巖自承力P、支護抗力T和圍巖原巖壓力P0三者之間的力學關系，真實反映隧道“圍巖-支護”體系在開挖與支護(含預支護)過程中的互動過程和相互作用。建立地下工程建設工程平衡穩(wěn)定理論將有助于解決地下工程設計計算方法的合理選用和施工方案的合理制定。

隧道施工開挖形成新的臨空面，導致隧道圍巖在徑向上產(chǎn)生應力釋放，而遠離隧道地層的應力狀態(tài)并不發(fā)生變化。不失一般性，考慮均勻地應力場，用P0表示原巖壓力。圍巖與支護共同作用如圖9所示。從靜力學的原理可知，P0由“圍巖-支護”結構體系的承載力來平衡。

圖9 圍巖與支護共同作用

隧道預支護力[8]不只是支護結構對圍巖的作用力，它是由圍巖結構自承能力和支護結構直接對圍巖提供的支護抗力共同組成的。圍巖結構自承能力可以通過預支護措施和采取合理開挖措施得到維持。

為了更好地理解預支護力，將其定義為

F=T+P。

(2)

式中：F為預支護力，N；T為支護抗力，N；P為圍巖自承能力，N。

當預支護力大于使圍巖發(fā)生過大變形或破壞的力時，隧道圍巖處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。根據(jù)圍巖穩(wěn)定的一般原理，地應力是使圍巖發(fā)生變形和破壞的根本動力[9]，是使圍巖失穩(wěn)的“力源”。隧道預支護技術可進一步表述為： 預支護力F要始終保持大于或等于隧道施工前保持原始巖體穩(wěn)定平衡的原巖壓力P0，圍巖處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即

F≥P0。

(3)

式(3)普遍適用于解決地下工程穩(wěn)定平衡問題，各種理論表現(xiàn)形式，可以隨著“具體問題具體分析”而變化，但式(3)是不變的。

地下工程平衡穩(wěn)定理論的力-位移特征曲線圖如圖10所示。其總體可表述為如下形式： 1)自承能力好的完整圍巖，這種完整圍巖自承能力比較大，可以提供維持圍巖穩(wěn)定所需要的承載力，如圖11(a)所示，即使不采取任何支護措施，圍巖也能自穩(wěn)，可以取消系統(tǒng)錨桿，自然滿足式(3)，對應于挪威法。2)有一定自承能力的圍巖，這種圍巖的預支護原理的曲線如圖11(b)所示，采用新奧法施工，容易滿足式(3)；或用有限元初步計算P0，然后根據(jù)地質(zhì)情況折算P，則可以初步估計T值，也可以滿足式(3)，對應于新奧法。3)自承能力差的破碎圍巖或軟弱圍巖，如圖11(c)曲線所示，這種破碎圍巖的自承能力相對較小而且在隧道開挖后會迅速下降，圍巖形變壓力迅速轉化為松弛壓力，圍巖很快進入松弛狀態(tài)，即很快從非穩(wěn)定平衡狀態(tài)向失穩(wěn)狀態(tài)轉化，所以要求開挖前提供預支護或超前支護，以改善圍巖的原始狀態(tài)提高自承能力，這時圍巖自承能力P約為0，系統(tǒng)錨桿不起作用，則要求T>P0，對應于新意法； 4)其他情況可參考式(1)、(2)、(3)，并依據(jù)地下工程平衡穩(wěn)定理論執(zhí)行。

圖10 地下工程平衡穩(wěn)定理論的力-位移特征曲線圖

Fig. 10 Force-displacement characteristic curves of equilibrium and stability theory for underground engineering

(a) 圍巖(對應于挪威法)

(b) 一般自承能力的圍巖(對應于新奧法)

(c) 自承能力很差的圍巖(對應于新意法)

圖11地下工程平衡穩(wěn)定理論的力-位移特征曲線3種階段特例圖

Fig. 11 Three stages of force-displacement characteristic curves of equilibrium and stability theory for underground engineering

地下工程平衡穩(wěn)定理論既反映了傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”的基本內(nèi)容，又拓寬了平衡穩(wěn)定性等內(nèi)容，是地下工程平衡穩(wěn)定性的新認識、新理念。該成果基于規(guī)范但又寬于規(guī)范，在已有地下工程建設理論的基礎上，把平衡穩(wěn)定理論應用于地下工程，建立了更加全面的地下工程平衡穩(wěn)定理論，同時可以較好解釋許多工法和理念的合理性，如取消系統(tǒng)錨桿、合理開挖與支護技術等，以便更好地指導地下工程設計與施工。采用基本力學(理論力學、結構力學、能量增量法等)處理復雜問題一定要先從系統(tǒng)角度理解事物并從整體上加以把握，再從整體與局部的關系把握問題，統(tǒng)籌考慮各方面因素，深入分析圍巖、環(huán)境、支護系統(tǒng)相互作用之間的力學或能量增量模式(F>P0或ΔU>ΔT(即應變能增量大于外力做功增量))[10-12]，主要狀態(tài)符合基本力學或能量增量關系或通過合理剛度支護系統(tǒng)達到“基本維持地層(圍巖)原始狀態(tài)”和“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制”，并把復雜力學問題轉化為簡單力學問題，就可應用基本力學解決地下工程問題。

總之，工程實踐揭示了隧道有效承載結構層控制圍巖荷載轉移規(guī)律，建立了地下工程平衡穩(wěn)定理論，兼容了新奧法、挪威法、新意法等思想，便于根據(jù)圍巖承載能力不同階段，分類預防和控制地下工程質(zhì)量和安全。另外，地下工程平衡穩(wěn)定理論拓寬了研究與應用范圍： 例如“松弛荷載理論”可以和現(xiàn)代工法結合，“巖承理論”可以和傳統(tǒng)工法及更多現(xiàn)代工法結合，“松弛荷載理論”與“巖承理論”也可以拓寬理念或相互融合(完善軟土盾構施工理念等)，更加適應復雜環(huán)境和復雜結構，再和傳統(tǒng)工法及更多現(xiàn)代工法結合，能進一步擴大其應用范圍。實踐發(fā)展要求理論創(chuàng)新，猶如計算機系統(tǒng)主板把許多不同功能硬件板卡有機組合起來一樣，地下工程平衡穩(wěn)定理論基于力學分析研究地層支護結構系統(tǒng)的力學狀態(tài)，用平衡穩(wěn)定理論把傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”的基本內(nèi)容有機組合起來，同時拓寬了許多方面內(nèi)容，以豐富地下工程平衡穩(wěn)定理論，全面體現(xiàn)地下工程平衡穩(wěn)定性的根本內(nèi)涵，即F>P0或ΔU>ΔT。

3.3 地下工程平衡穩(wěn)定理論的應用

地下工程結構體系滿足“變形協(xié)調(diào)控制”條件的判別方法： 現(xiàn)有工程材料的強度破壞準則，無論是經(jīng)典的摩爾-庫侖準則，還是雙剪應力屈服準則，乃至統(tǒng)一強度理論，均以應力作為衡量標準。但是對于復雜的地下工程，按工程力學分析結果和應力強度標準判斷，有時理論上整體滿足條件，實際工程結構仍有可能存在一些問題甚至安全隱患，因此利用傳統(tǒng)破壞準則判別結構是否安全不全面或不夠全面，還應該增加變形控制條件。對于簡單結構體系變形具有確定性，不會產(chǎn)生畸變，但是對于復雜工程結構有時由于構造不合理，容易產(chǎn)生變形畸變等，出現(xiàn)實際狀態(tài)與設計狀態(tài)不符。簡而言之，對于沒有變形協(xié)調(diào)問題的材料單體或者簡單結構，因為已經(jīng)隱含變形協(xié)調(diào)條件，所以利用現(xiàn)有判斷準則不會出現(xiàn)問題。但是對于復雜結構，并不一定符合變形協(xié)調(diào)控制條件，所以利用現(xiàn)有判斷準則很可能產(chǎn)生變形畸變，進一步影響應力的重分布使之與設計狀態(tài)不符，導致結構積累損傷甚至破壞。

對于復雜工程結構穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制問題，盡管本質(zhì)因素是判斷結構實際受力變形狀態(tài)穩(wěn)定性或者分析結構是否超過設計受力變形狀態(tài)[13]，但在實際工程應用中，常采用具體的、易測量的變量(如變形量、自振頻率等)來衡量變形狀態(tài)穩(wěn)定性。

地下工程結構也可用圍巖是否滿足或有效控制“基本維持巖土體的原始狀態(tài)”條件來判斷地下工程結構體系是否滿足變形協(xié)調(diào)控制條件。若滿足變形協(xié)調(diào)控制條件，則結構實際受力變形狀態(tài)與設計受力變形狀態(tài)基本一致；反之，結構實際受力變形狀態(tài)與設計受力變形狀態(tài)有差別，容易產(chǎn)生各種意想不到的問題。

工程結構體系設計過程中，先借鑒經(jīng)典工程結構構造特征，初步設計合理工程結構體系[14]，一般情況能滿足“變形協(xié)調(diào)控制”條件；復雜或特殊情況可用模型或大比例尺試驗進一步驗證。

“力和能量要有相應物質(zhì)載體，并具有相應傳遞或轉換路徑”，結構“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制”和“能量合理轉換”是統(tǒng)一的，結構變形協(xié)調(diào)控制又是能量法和力法或位移法結構分析的必要條件。確?！傲Α⒆冃?、能量”按設計路徑傳遞并按設計方式轉換是結構穩(wěn)定、安全、合理的基本要求，也是維持設計形式不產(chǎn)生有害過程的基礎。根據(jù)實際情況，分別從“力、變形、能量”3要素中的1個或幾個要素入手進行優(yōu)化，可更好地控制地下工程結構行為。而確保結構的“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制”，不僅需要目標控制，更需要圍繞目標實現(xiàn)結構安全合理的過程控制，否則結構就會不穩(wěn)定或破壞。通過對大量國內(nèi)外經(jīng)典歷史工程考察、現(xiàn)代力學邏輯分析與判斷等可以得出結論： 地下工程圍巖與支護結構共同作用，在建設使用全過程都必須滿足穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制，使得各受力的組合結構系統(tǒng)由組合或單體受力體轉變?yōu)檎w共同受力，否則會改變原始力學平衡形式或出現(xiàn)非預期的新的力學平衡形式，甚至喪失穩(wěn)定性；對于無法實現(xiàn)變形協(xié)調(diào)控制的多個獨立受力單元的地下工程組合結構系統(tǒng)，避免連接部分開裂是重點，例如連拱隧道與小凈距隧道及多個獨立平行斜交連續(xù)梁橋，要提高他們的受力獨立性。平衡穩(wěn)定理念就由穩(wěn)定平衡拓展到穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制，包括“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”、F>P0或ΔU>ΔT，以及延伸拓展“基本維持地層(圍巖)原始狀態(tài)”、開挖能量控制技術、強預支護技術、受力獨立性綜合技術、變形協(xié)調(diào)控制技術等，以便于更加全面研究地下工程建設安全等問題。

實現(xiàn)穩(wěn)定平衡的目標，需要現(xiàn)代施工技術(如新奧法、淺埋暗挖法、挪威法、新意法等)和傳統(tǒng)施工技術(如礦山法、太沙基理論、普氏理論等)及適用特殊環(huán)境地下工程的其他有效工法作為輔助手段，以及開挖能量控制技術、強預支護技術、受力獨立性綜合技術、變形協(xié)調(diào)控制技術等隧道工程建設的技術措施。只有掌握其指導思想和技術措施，才能真正應用好地下工程平衡穩(wěn)定理論。

4 結論與建議

本文在大量工程實踐和試驗的基礎上，揭示了地下工程有效承載結構層與圍巖荷載轉移規(guī)律之間的關聯(lián)性，建立了地下工程平衡穩(wěn)定理論和創(chuàng)新了4項關鍵技術，兼容了新奧法、挪威法、新意法等的基本思想，主要結論與建議如下。

4.1 地下工程荷載轉移規(guī)律和變形協(xié)調(diào)控制方法

通過大量地下工程實踐、觀察、試驗、統(tǒng)計等，揭示了地下工程有效承載結構層與圍巖荷載轉移規(guī)律之間的關聯(lián)性，類似圍巖開挖卸荷破壞的能量機制，為建立地下工程平衡穩(wěn)定理論與關鍵技術打下基礎?？芍笇鷰r穩(wěn)定性評價計算及加固設計，為利用地下工程開挖能量釋放來平衡圍巖穩(wěn)定提供了變形協(xié)調(diào)控制方法基礎。

4.2 地下工程平衡穩(wěn)定理論體系與關鍵技術

面對不同地質(zhì)地段導致的地下工程施工中的坍塌、滲漏水、地層變形過大等施工難題，在傳統(tǒng)工程結構平衡穩(wěn)定理論的基礎上，按照工程結構變形協(xié)調(diào)控制方法，融合“松弛荷載理論”和“巖承理論”的優(yōu)勢，創(chuàng)建了地下工程平衡穩(wěn)定理論體系和配套關鍵技術。在國內(nèi)外首次兼容了新奧法、挪威法、新意法等的基本思想，可根據(jù)圍巖承載能力不同階段，分類預防和控制地下工程質(zhì)量和安全，確保地下工程施工質(zhì)量與安全。

4.3 地下工程圍巖變形協(xié)調(diào)控制等新技術

開發(fā)了擠壓大變形圍巖隧道近似全斷面開挖與讓壓-剛性聯(lián)合支護設計施工方法、淺埋下穿高速公路大斷面隧道的施工方法、雙側偏壓小凈距隧道施工方法等多個新方法和隧道坍腔充填泡沫、連拱隧道結構優(yōu)化設計等多個新型結構的地下工程變形協(xié)調(diào)控制新技術，確保地下工程平衡穩(wěn)定理論體系與關鍵技術解決實際問題更加實用可靠。

本文雖然對地下工程平衡穩(wěn)定理論提煉升華，使其上升到了一定的理論高度，具有更強、更廣泛的適用性，能更好地指導實際工程的實施，但由于地下工程的復雜性與多樣性，實際施工過程中往往會遇到意想不到的困難，建議具體問題具體分析，這樣才能更好地運用地下工程平衡穩(wěn)定理論，并使其不斷豐富與發(fā)展。