譚緒凱，高 峰，徐 偉，羅 興

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

20世紀(jì)以來，地下工程在一系列大地震中遭遇了不可修復(fù)的嚴(yán)重毀壞，如日本阪神地震、中國四川汶川地震中出現(xiàn)地下工程坍塌事故[1-2]。隧道抗震研究逐漸引起學(xué)界的重視。

地下工程抗震研究起步相對地面工程要晚得多，其抗震研究方法和理論大多延用了地面工程的成果，但地下結(jié)構(gòu)受圍巖約束隨巖土介質(zhì)一起振動，自振特性表現(xiàn)不明顯，其地震響應(yīng)特性與地面結(jié)構(gòu)差別較大。隨著對地下工程地震特性認(rèn)識的逐漸增多，地下工程的抗震研究方法也在不斷改進(jìn)。但地下工程屬于支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖土體共同作用的綜合性承載體系，受巖土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和未知性影響，地震作用下的地下工程受力特性復(fù)雜，目前還沒有系統(tǒng)、成熟的理論及抗震減震體系，對于地下結(jié)構(gòu)地震穩(wěn)定性和失穩(wěn)判據(jù)等重大問題還未取得突破。目前隧道工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范條款簡要，主要依附于其他綜合性規(guī)范，直至2019年才開始執(zhí)行國內(nèi)首個專項(xiàng)規(guī)范(GB/T 51336—2018《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》)，當(dāng)前所有規(guī)范中關(guān)于抗震設(shè)防目標(biāo)及極限地震破壞狀態(tài)判定等關(guān)鍵條款還屬于定性或經(jīng)驗(yàn)描述，直接影響隧道抗震設(shè)計(jì)的精確性。

針對地下工程靜力和動力整體失穩(wěn)的極限狀態(tài)判定方法及標(biāo)準(zhǔn)一直是地下工程研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，雖也有大量學(xué)者從不同角度對此問題展開了大量研究，取得了很多有效成果，但目前尚未形成普遍認(rèn)可的、切實(shí)可行的地下工程體系整體失穩(wěn)判定方法和理論。

1 地下工程地震響應(yīng)特性及破壞機(jī)理

1.1 地下工程地震響應(yīng)特性

地下工程地震特性研究相對地面工程，雖起步相對較晚，但隨著地下工程建設(shè)數(shù)量的增加，及地下工程動力研究理論和方法的不斷深入，地下工程抗震研究迅猛發(fā)展。隨著研究深入，目前對地下工程地震響應(yīng)特性形成了如下認(rèn)識[3-5]：

1)地震作用下，地下結(jié)構(gòu)受圍巖約束，其地震反應(yīng)受圍巖體振動變形所控制。故當(dāng)圍巖體地質(zhì)條件存在變化，或者存在軟弱破碎帶時(shí)，圍巖體之間的相對差異變形容易導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)損壞；地震作用下地下結(jié)構(gòu)的自振特性不明顯；地下結(jié)構(gòu)不同部位具有明顯的相位差；地下結(jié)構(gòu)抗震關(guān)鍵是適應(yīng)圍巖體的地震變形運(yùn)動，建議在高烈度地震區(qū)設(shè)計(jì)柔性支護(hù)；

2)地震作用下，地下結(jié)構(gòu)和圍巖體重度差會引起慣性力相對差異，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)-圍巖間產(chǎn)生相互作用力，且當(dāng)重度差異越大，該相互作用力越大；

3)地震作用下，地下結(jié)構(gòu)及圍巖結(jié)構(gòu)體系越均勻，地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)值越小，地震破壞最容易出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)斷面或剛度突變部位；

4)地下結(jié)構(gòu)尺寸一般遠(yuǎn)小于地震波長，結(jié)構(gòu)對地震影響可忽略不計(jì)。但當(dāng)某些特定的大型地下結(jié)構(gòu)尺寸接近或大于地震波長時(shí)，地下結(jié)構(gòu)必然會對地震波產(chǎn)生影響；

5)地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)與地震波波幅、持時(shí)、震中距成正比；

6)地下結(jié)構(gòu)主要受地震中的低頻部分影響；

7)地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)受地震波入射角的影響較大；

8)當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)位于斷層帶、砂土地層或軟弱破碎帶時(shí)，在地震作用下，圍巖有可能出現(xiàn)錯位、液化等失穩(wěn)現(xiàn)象，會直接導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)強(qiáng)制破壞；

9)單從地震荷載影響角度分析，地下結(jié)構(gòu)埋深越深，地震響應(yīng)越小。

1.2 地下結(jié)構(gòu)地震破壞類型及破壞機(jī)理

國內(nèi)外學(xué)者通過大量震害調(diào)查，統(tǒng)計(jì)了地下結(jié)構(gòu)主要的震害有如下類型[6-7]：

1)洞口段：邊仰坡地表開裂、失穩(wěn)、垮塌，支檔防護(hù)工程出現(xiàn)裂縫、傾斜、下沉，截排水溝開裂、沉陷等；

2)洞門：洞門墻體開裂、下沉、傾斜、垮塌等；

3)洞身段：隧道襯砌開裂、剝落、錯臺、垮塌、侵限、脫空、滲水等；

4)路面：開裂、下沉或隆起、斷裂、滲水等；

5)檢修道、電纜溝、預(yù)埋溝(槽、管)開裂、錯臺等。

通過對地震災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查及地震反應(yīng)特性研究，總結(jié)了地下工程的地震破壞機(jī)理如下[8-9]：

1)地震引起巖土介質(zhì)失穩(wěn)破壞，進(jìn)而導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)強(qiáng)制破壞。如地震作用導(dǎo)致斷層帶滑移錯臺破壞、砂土地層液化破壞、軟化震陷破壞、邊坡滑坡破壞等，這些圍巖介質(zhì)破壞將直接導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)制位移而發(fā)生破壞；

2)地下結(jié)構(gòu)在巖土介質(zhì)振動變形和相對慣性力差等綜合荷載作用下發(fā)生破壞。該類破壞主要基于地震波能量傳遞過程中地下結(jié)構(gòu)體系自身達(dá)到動力強(qiáng)度極限而發(fā)生的破壞。

從地下工程地震反應(yīng)特性和破壞機(jī)理而言，地下工程是支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖土體構(gòu)成的共同承載體系；在地震荷載作用下，地下結(jié)構(gòu)體系整體失穩(wěn)破壞是圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)均達(dá)到承載能力極限后發(fā)生的，故其失穩(wěn)判定方法應(yīng)綜合考慮。

2 地下工程靜力失穩(wěn)判定方法

地下工程動力受力特性研究相較于靜力受力特性研究要晚得多，靜力學(xué)方面研究成果相對系統(tǒng)和成熟。地下工程動力分析方法和理論目前主要以靜力學(xué)已有成果為基礎(chǔ)而展開。

地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖體均為非均勻脆性材料，因此地下結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn)具有突發(fā)性。地下工程系統(tǒng)在靜力荷載作用下穩(wěn)定性研究主要集中在施工穩(wěn)定性，臨近工程擾動作用下的穩(wěn)定性，及運(yùn)營過程中降雨、堆荷等作用下的穩(wěn)定性等。地下工程體系極限承載狀態(tài)判定一直是隧道工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，受國內(nèi)外學(xué)者重視，但受圍巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和未知性限制，很難通過傳統(tǒng)力學(xué)分析方法判定失穩(wěn)極限狀態(tài)。故國內(nèi)外學(xué)者從各個角度出發(fā)，研究并提出了大量關(guān)于地下工程靜力失穩(wěn)極限狀態(tài)判定方法。

2.1 極限相對位移(極限位移速率)判定法

極限相對位移(極限位移速率)判定法是最直接、最表觀的方法。該方法通過定義地下結(jié)構(gòu)洞室極限相對位移或極限位移速率等作為失穩(wěn)判定標(biāo)準(zhǔn)。如：朱永全[10]提出通過經(jīng)驗(yàn)判定隧道失穩(wěn)的幾個方法：表觀發(fā)現(xiàn)地下工程局部落石或?qū)訝钆?，初支出現(xiàn)大量裂紋；洞室總變形達(dá)到極限值的2/3后還無收斂趨勢；洞室日變形速率達(dá)到極限值的10%；洞室變形速率在未受干擾情況下突增?，F(xiàn)行鐵路隧道及公路隧道相關(guān)規(guī)范中均根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)總結(jié)，考慮洞室跨度、圍巖級別、埋置深度等因素規(guī)定了隧道初支極限相對位移。

地下工程極限相對位移(極限位移速率)判定法雖然很直觀，但由于地質(zhì)條件的獨(dú)特性、復(fù)雜性及未知性，每個獨(dú)立的工程或區(qū)段極限位移值具有很大的個性特點(diǎn)且很難確定，故其判定誤差很大，甚至?xí)霈F(xiàn)誤判。

2.2 圍巖變形速率拐點(diǎn)判定法

由于巖體的非連續(xù)性、非均勻性，在其受力過程中呈現(xiàn)出階段性變形特點(diǎn)，目前對地下工程開挖過程中的變形和受力演化階段基本有了共性認(rèn)識：分為壓密、彈性、塑性及破裂破壞這4個階段[11]，不同階段呈現(xiàn)不同的變形特征。劉鎮(zhèn)等[12]基于協(xié)同學(xué)方法研究了隧道施工過程中的變形規(guī)律，研究表明：在隧道開挖后，洞室變形經(jīng)歷了初始平衡變形、等速穩(wěn)定變形、加速失穩(wěn)變形這3個階段，進(jìn)而提出通過洞室變形加速度預(yù)判隧道失穩(wěn)的觀點(diǎn)。郭瑞等[13]通過隧道失穩(wěn)破壞試驗(yàn)，研究了洞室變形規(guī)律，研究表明：盾構(gòu)隧道受力變形分為彈性、帶裂縫、失穩(wěn)破壞這3個階段，當(dāng)從帶裂縫階段過渡到失穩(wěn)破壞階段時(shí)，洞室變形速率突增，最終失穩(wěn)。

地下洞室變形速率拐點(diǎn)判定法具有明確的力學(xué)機(jī)理，且直觀易實(shí)現(xiàn)；在目前的失穩(wěn)判定研究中應(yīng)用較多，且在動力穩(wěn)定性判定過程中也有使用。但該方法存在以下不足：① 決定地下工程變形特征的因素多且復(fù)雜，變形速率拐點(diǎn)可能由失穩(wěn)因素以外的其他外部因素導(dǎo)致；② 變形速率往往都是通過關(guān)鍵點(diǎn)變形特性體現(xiàn)的，而關(guān)鍵點(diǎn)變形速率突增主要體現(xiàn)于局部破壞，但局部破壞并不能完全代表整體失穩(wěn)。

2.3 基于巖土體強(qiáng)度準(zhǔn)則失穩(wěn)判定法

強(qiáng)度準(zhǔn)則是描述介質(zhì)承載破壞極限的準(zhǔn)則，根據(jù)方法分為理論強(qiáng)度準(zhǔn)則和經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則[14]。理論強(qiáng)度準(zhǔn)則是基于材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)等通過嚴(yán)格推導(dǎo)演化而來，如莫爾-庫侖準(zhǔn)則、D-P準(zhǔn)則及修正準(zhǔn)則等；經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則是通過經(jīng)驗(yàn)方法統(tǒng)計(jì)總結(jié)得出，如Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則、Barton-Brown準(zhǔn)則等。強(qiáng)度準(zhǔn)則雖能從材料力學(xué)角度分析材料在極限承載狀態(tài)下的破壞，但材料的破壞并不能體現(xiàn)巖體破壞程度和穩(wěn)定性。因?yàn)閹r體達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)依然能承擔(dān)荷載，失穩(wěn)往往發(fā)生在應(yīng)變?nèi)趸瘏^(qū)段，而巖石具有流變性，外部因素也能使其進(jìn)入應(yīng)變?nèi)趸瘏^(qū)段。故在地下工程靜動力分析中，強(qiáng)度準(zhǔn)則只能判定體系出現(xiàn)損壞，而無法判定體系出現(xiàn)整體失穩(wěn)破壞[15-16]。

2.4 基于塑性力學(xué)的失穩(wěn)判定法

巖體屬于彈塑性脆性材料，基于塑性力學(xué)失穩(wěn)判定法由鄭穎人等[17]在邊坡工程中獲得成功應(yīng)用，其提出的強(qiáng)度折減法已成為邊坡穩(wěn)定性研究的主要方法，其提出通過塑性區(qū)貫通、計(jì)算不收斂、位移突然增大等作為失穩(wěn)的判定標(biāo)準(zhǔn)。塑性失穩(wěn)判定法同樣被應(yīng)用于地下工程，關(guān)寶樹[18]通過研究提出將圍巖塑性區(qū)達(dá)到0.2倍的隧道直徑作為隧道失穩(wěn)判定標(biāo)準(zhǔn)。E.HOEK[19]提出將塑性區(qū)達(dá)到錨桿支護(hù)深度后作為隧道失穩(wěn)判定標(biāo)準(zhǔn)。鄭穎人等[20]從剪切破壞和拉壓破壞角度出發(fā)，分別提出以地下洞室圍巖塑性應(yīng)變或位移發(fā)生突變和洞內(nèi)臨空面處(不包括底部臨空面)圍巖出現(xiàn)第1個單元拉裂破壞作為隧道失穩(wěn)判定標(biāo)準(zhǔn)。

但隧道體系屬于封閉系統(tǒng)，圍巖塑性區(qū)的發(fā)展區(qū)域及面積大小與隧道體系失穩(wěn)關(guān)聯(lián)性并不嚴(yán)格，且缺乏共性規(guī)律，因此塑性區(qū)只能作為隧道穩(wěn)定性判定的輔助準(zhǔn)則。

2.5 支護(hù)結(jié)構(gòu)失效判定法

支護(hù)結(jié)構(gòu)失效判定法是地面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究主要方法。目前在地下結(jié)構(gòu)分析中也有運(yùn)用，如現(xiàn)行隧道規(guī)范中的極限承載能力設(shè)計(jì)均采用支護(hù)結(jié)構(gòu)截面驗(yàn)算作為支護(hù)結(jié)構(gòu)失效判定方法。黃金等[21]在現(xiàn)行規(guī)范的襯砌截面強(qiáng)度驗(yàn)算公式基礎(chǔ)上，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)工具建立了判定隧道失效功能函數(shù)。但地下結(jié)構(gòu)以圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)為共同承載體系，一個或幾個截面破壞并不一定會導(dǎo)致整個體系的失穩(wěn)破壞，故該方法比較片面。

2.6 非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬判定法

隨著數(shù)值計(jì)算理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬方法逐漸成熟，目前應(yīng)用較多的主要為離散元法(DEM)和非連續(xù)變形分析法(DDA)等。

離散元法由P.A.CUNDALL[22]提出。隨著理論不斷發(fā)展和完善，目前已形成較成熟的商業(yè)軟件，如UDEC、3DEC、PFC2D、PFC3D等。UDEC、3DEC可基于巖體節(jié)理裂隙建立較真實(shí)的巖體模型，實(shí)現(xiàn)塊體的大位移、旋轉(zhuǎn)、滑動及分離，進(jìn)而模擬巖體非線性大變形特征及地下工程體系的掉塊坍塌過程[23-24]。楊忠民[24]通過理論研究、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法相結(jié)合，研究了節(jié)理巖體大變形引起的塌方問題，通過UDEC軟件準(zhǔn)確模擬了巖體大變形后隧道變形及破壞的受力特性。

UDEC、3DEC軟件的研究對象主要為節(jié)理巖體，但不能模擬巖體中裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展過程。PFC 2D、PFC3D顆粒流軟件通過微觀層面建立由顆粒和黏結(jié)材料組成的模型，通過微觀顆粒間連接和破壞模擬介質(zhì)宏觀力學(xué)表現(xiàn)(如裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展、大變形及結(jié)構(gòu)面的張開、滑移等)，其巖體穩(wěn)定性模擬功能更為全面，故PFC2D、PFC3D離散元軟件應(yīng)用于隧道圍巖穩(wěn)定性方面的研究越來越多[25]。顆粒流軟件是從微觀角度研究宏觀問題，存在單元數(shù)量龐大而超出計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲能力情況，部分學(xué)者對此提出了離散-連續(xù)耦合模型。文獻(xiàn)[26-27]通過FLAC/PFC耦合模型模擬了臨近工程施工、層狀軟巖隧道施工過程的洞室及圍巖變形破壞特性，取得了良好的模擬效果。

非連續(xù)變形分析法(DDA)是由SHI Genhua[28]提出，該方法類似于3DEC/UDEC法，只是DDA的塊體為變形體，3DEC為剛體。DDA法能模擬巖體變形和破損效果，被廣泛應(yīng)用于隧道塌方的研究中。文獻(xiàn)[29-30]通過DDA法分別模擬了節(jié)理隧道的施工過程，分析了隧道穩(wěn)定特性。

非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值方法較真實(shí)的模擬了巖體工程結(jié)構(gòu)特性及其裂損破壞過程，在地下工程施工穩(wěn)定性研究中獲得了較廣泛應(yīng)用；但目前非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)計(jì)算參數(shù)設(shè)定、收斂性及對計(jì)算機(jī)技術(shù)要求較高等問題還有待研究完善，以便更準(zhǔn)確地對地下工程穩(wěn)定性進(jìn)行模擬和研究。

2.7 基于非線性理論的失穩(wěn)判定法

地下工程常規(guī)失穩(wěn)判定方法大多基于強(qiáng)度理論，但巖體構(gòu)造的復(fù)雜性、未知性使得通過嚴(yán)格力學(xué)推導(dǎo)獲得體系承載極限難度很大。隨著地下工程穩(wěn)定性研究深入，發(fā)現(xiàn)地下工程失穩(wěn)破壞大多從局部破壞開始，由局部破壞向整體失穩(wěn)發(fā)展。在局部破壞和整體破壞之間存在一個穩(wěn)定發(fā)展階段，系統(tǒng)依然能承擔(dān)荷載，但當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到整體失穩(wěn)臨界點(diǎn)時(shí)，地下工程系統(tǒng)總剛度發(fā)生突變，系統(tǒng)由靜止變形轉(zhuǎn)變?yōu)闊o限變形，系統(tǒng)失穩(wěn)[31]。

地下工程系統(tǒng)在由局部破壞向整體破壞發(fā)展過程中，呈現(xiàn)出明顯的非線性特性，基于此變形特性，非線性理論逐漸被引用到地下工程穩(wěn)定性研究中。耗散結(jié)構(gòu)論、分叉及突變理論、混沌理論、分形理論、加卸載響應(yīng)比理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性科學(xué)理論與巖土工程相結(jié)合發(fā)展了大量的交叉理論研究方法。如劉鎮(zhèn)等[32]通過耗散結(jié)構(gòu)理論研究了隧道施工過程中的能量耗散和演化過程，研究了體系能量的非線性發(fā)展規(guī)律，提出了隧道失穩(wěn)判定標(biāo)準(zhǔn)。劉鎮(zhèn)等[12]還基于混沌理論和協(xié)同學(xué)方法建立了隧道失穩(wěn)破壞的動力學(xué)演化模型及判據(jù)。袁永才等[33]通過突變理論研究了地下工程穩(wěn)定性。尹祥礎(chǔ)等[34]提出的加卸載響應(yīng)比理論在非線性系統(tǒng)失穩(wěn)前兆分析中取得了非常好的預(yù)測效果，逐漸被應(yīng)用到地下工程系統(tǒng)中。

雖然地下工程靜力穩(wěn)定性研究目前還沒有形成系統(tǒng)成熟的失穩(wěn)判定方法，但目前眾多的研究方法均有一定應(yīng)用價(jià)值，為地下工程動力穩(wěn)定性研究奠定了研究基礎(chǔ)，提供了研究思路。

3 地下工程動力失穩(wěn)判定方法

地下工程相對于地面結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，地震作用下的結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)研究前期大多集中在地面結(jié)構(gòu)。但地下工程在地震作用下的受力特征及響應(yīng)規(guī)律與地面結(jié)構(gòu)有本質(zhì)區(qū)別，無法延用地面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)判定方法。

地下工程動力穩(wěn)定性研究基于靜力研究展開，但地下工程在地震作用下的受力環(huán)境相較于靜力問題要復(fù)雜得多，延用靜力方法需要開展適用性研究和方法優(yōu)化改進(jìn)；目前地下工程動力穩(wěn)定性研究的數(shù)量、深度及研究成果均嚴(yán)重不足，還處于定性和初步理論研究階段。

3.1 地下工程動力失穩(wěn)定性判定方法

地下工程抗震設(shè)防目標(biāo)延用地面工程的“小震不壞，中震可修，大震不倒”3級設(shè)防目標(biāo)；抗震設(shè)計(jì)過程中最重要的是保證大震不倒，但規(guī)范中關(guān)于“大震不倒”的極限狀態(tài)基本為定性或經(jīng)驗(yàn)描述。如《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中描述的隧道結(jié)構(gòu)坍塌判定標(biāo)準(zhǔn)為：襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的塑性鉸達(dá)到3處及以上。JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：在結(jié)構(gòu)整體變形性能驗(yàn)算時(shí)，以二襯采用的最大收斂值作為驗(yàn)算指標(biāo)；當(dāng)抗震性能要求為2時(shí)，最大收斂界限值應(yīng)不大于洞跨的5.0‰；抗震性能要求為3時(shí)，最大收斂界限值應(yīng)不大于洞跨的15.0‰。GB/T 51336—2018《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中只敘述了地震最危險(xiǎn)等級性能要求地下結(jié)構(gòu)不倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞，而沒說明極限狀態(tài)判定方法。

3.2 地下工程動力失穩(wěn)判定方法理論研究

關(guān)于地下結(jié)構(gòu)在地震作用下坍塌破壞的理論研究較少，主要是將靜力穩(wěn)定性研究方法引用到動力穩(wěn)定性分析中，并加以改進(jìn)。

3.2.1 靜力法、擬靜力法和靜力穩(wěn)定性判定法結(jié)合

當(dāng)直接通過靜力法和擬靜力法進(jìn)行地下工程地震響應(yīng)研究時(shí)，其失穩(wěn)判定方法即為靜力方法。如張露晨等[35]通過擬靜力法研究了隧道動力特性，引用塊體理論判定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并計(jì)算了地下結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。趙穎等[36]基于擬靜力法及支護(hù)結(jié)構(gòu)的塑性損傷本構(gòu)模型研究了地下結(jié)構(gòu)損傷破壞機(jī)理。張佳華等[37]基于擬靜力法及塑性理論研究了非偏壓和偏壓隧道的地震破壞極限。

3.2.2 時(shí)程分析和支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度判定法結(jié)合

該方法重點(diǎn)基于支護(hù)結(jié)構(gòu)損傷本構(gòu)研究，確定地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的失穩(wěn)臨界點(diǎn)判定方法，進(jìn)而模擬體系的失穩(wěn)破壞。該類研究重點(diǎn)集中于支護(hù)結(jié)構(gòu)為主要承載結(jié)構(gòu)的大型地下工程中，如針對阪神地震大開地鐵車站的典型破壞案例，AN Xuehui等[38]基于彌散加筋混凝土模型、土體模型及接觸模型，通過有限元動力分析法研究了大開車站在阪神地震中的失穩(wěn)破壞機(jī)理。杜修力[4, 39-40]基于材料軟化、破壞本構(gòu)模型研究，開展了大量針對大開車站的地震破壞過程模擬和破壞機(jī)理研究。

3.2.3 時(shí)程分析和塑性力學(xué)判定法結(jié)合

鄭穎人等[41-42]延用計(jì)算不收斂、關(guān)鍵點(diǎn)位移突變及塑性區(qū)貫通等靜力穩(wěn)定性判定方法對地下工程動力穩(wěn)定性展開了研究，并嘗試將強(qiáng)度折減法引入到地下工程動力穩(wěn)定性研究中。

3.2.4 非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬判定法

雖然非連續(xù)介質(zhì)方法模擬地下工程動力問題對計(jì)算機(jī)要求很高，但仍有學(xué)者展開了嘗試性研究。崔臻等[43]利用3DEC離散元軟件模擬了某水電站地下洞室的地震穩(wěn)定性。張波等[44]，金煒楓等[45]分別建立了基于FLAC-PFC的離散-連續(xù)耦合模型，對阪神地震大開車站坍塌事故進(jìn)行了時(shí)程分析，直觀模擬了車站的失穩(wěn)坍塌過程。

3.2.5 非線性理論判定方法

目前針對非線性理論在地下工程動力穩(wěn)定性判定中的應(yīng)用研究極少，大部分非線性研究還是在傳統(tǒng)材料動力非線性本構(gòu)關(guān)系(如襯砌的動力損傷本構(gòu)關(guān)系)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，通過傳統(tǒng)時(shí)程動力分析進(jìn)行地下工程的地震響應(yīng)特性研究[46-47]。

非線性理論目前在巖體工程動力穩(wěn)定性判定主要應(yīng)用于邊坡工程[48-49]，對地下工程應(yīng)用極少。但源自于地震預(yù)測方法的加卸載響應(yīng)比法著眼于非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性變化的動力學(xué)本質(zhì)，從宏觀上表達(dá)系統(tǒng)材料損傷演化過程，在方法論層面體現(xiàn)出該理論的科學(xué)性、合理性和先進(jìn)性，在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測領(lǐng)域體現(xiàn)出了優(yōu)良的預(yù)測效果[50]，其原理如圖1。目前在地下工程穩(wěn)定性研究方面也進(jìn)行了嘗試性研究[51-52]，但研究有待于更加深入。

圖1 加卸載響應(yīng)比原理

3.3 地下工程動力失穩(wěn)的振動臺試驗(yàn)研究

振動臺模型試驗(yàn)是地下工程抗震分析中最重要的研究手段之一，但目前地下工程振動臺模型試驗(yàn)研究主要集中在地下工程地震響應(yīng)特性研究，缺乏針對地下工程動力失穩(wěn)規(guī)律的專項(xiàng)破壞試驗(yàn)研究。信春雷等[53]只是通過振動臺模型試驗(yàn)呈現(xiàn)了隧道震壞后的裂縫形態(tài)；郭子紅等[54]僅通過振動臺模型試驗(yàn)呈現(xiàn)了強(qiáng)震作用下隧道的塌方范圍，其研究表明：隧道拱頂上方出現(xiàn)近似漏斗形狀的垮塌區(qū)。

4 結(jié) 論

4.1 目前存在的問題

綜合可見，目前地下工程動力失穩(wěn)判據(jù)研究較少，基本處于定性研究和初步理論研究階段，缺少成熟的判定方法。目前研究主要存在如下問題：

1)當(dāng)前隧道及地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對隧道結(jié)構(gòu)坍塌判定采用的是定性判定標(biāo)準(zhǔn)，該定性標(biāo)準(zhǔn)沒有考慮巖土的破壞性能，缺少理論支撐；

2)地下工程動力失穩(wěn)判定方法的理論研究較少，主要延用靜力判定方法。地下工程動力受力機(jī)理較靜力問題要復(fù)雜得多，靜力失穩(wěn)判定方法很難直接運(yùn)用到動力問題中。如塑性判據(jù)中的不收斂、位移突變、塑性區(qū)貫通等在動力有限元分析中，受周期循環(huán)的地震荷載影響，判定難度較大；非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬方法在地下工程動力分析中的應(yīng)用還不夠成熟；非線性理論在巖土非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究尚處于初級階段，且主要集中在靜力方面或邊坡動力穩(wěn)定性研究方面，地下工程動力穩(wěn)定性方面研究極少，還有待深入研究；

3)缺乏針對地下工程在地震作用下失穩(wěn)判定方法的振動臺破壞試驗(yàn)的專項(xiàng)研究。

4.2 研究展望

結(jié)合地下工程動力失穩(wěn)判定方法研究現(xiàn)狀及存在問題，建議從以下方面展開更深入研究：

1)非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值方法可模擬巖土結(jié)構(gòu)的非連續(xù)性，及大位移、旋轉(zhuǎn)、滑動、分離等受力特征；顆粒流軟件還能模擬出裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，較真實(shí)地模擬了巖體工程結(jié)構(gòu)特性及其裂損破壞過程，非常適合開展地下工程穩(wěn)定性研究。受微觀精細(xì)化模擬和地下工程巨大計(jì)算模型沖突，限制了非連續(xù)方法在地下工程動力分析中的應(yīng)用，有限元-離散元耦合模型的提出和不斷發(fā)展為從微觀層面研究宏觀的地下工程問題提供了平臺，建議繼續(xù)深入研究和完善有限元-離散元耦合動力模型；

2)加卸載響應(yīng)比法的提出最初是用于地震預(yù)測，該方法著眼于非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性變化的動力學(xué)本質(zhì)，從宏觀上表達(dá)系統(tǒng)材料損傷演化過程，加上地震等動力荷載循環(huán)周期荷載符合加卸載條件，因此，基于加卸載響應(yīng)比理論的地下工程地震穩(wěn)定性研究有待更深入開發(fā)；

3)建議加強(qiáng)地下工程在地震作用下失穩(wěn)判定研究振動臺破壞試驗(yàn)的專項(xiàng)研究；

4)地下工程抗震設(shè)計(jì)以抗震設(shè)防目標(biāo)為基礎(chǔ)，故建議加強(qiáng)抗震設(shè)防目標(biāo)等級的定量力學(xué)描述研究，便于設(shè)計(jì)工作者在設(shè)計(jì)中更為準(zhǔn)確地根據(jù)設(shè)防目標(biāo)開展計(jì)算和設(shè)計(jì)。