地下工程平衡穩(wěn)定理論再研究

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(xué)土木建筑工程學(xué)院， 湖北 武漢 430000； 3. 中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221116；4. 浙江大學(xué)城市學(xué)院工程學(xué)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(duì)大量地下工程施工實(shí)踐和坍塌事件或安全事故調(diào)查分析[1-2]，得出如下結(jié)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(jié)構(gòu)體系是否滿足結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)控制。若滿足結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)控制，則結(jié)構(gòu)實(shí)際受力變形狀態(tài)與設(shè)計(jì)受力變形狀態(tài)基本一致； 反之，結(jié)構(gòu)實(shí)際受力變形狀態(tài)與設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中往往忽視施工過程的結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡穩(wěn)定性，連結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡穩(wěn)定性都不滿足，就更不會(huì)滿足新奧法了，實(shí)際上隧道設(shè)計(jì)中不但要研究結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，還要研究施工過程中分部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性； 3)部分工程師往往缺乏類似施工經(jīng)驗(yàn)，雖然熟記新奧法理念，但忽視了結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定平衡問題，方法應(yīng)用不到位，實(shí)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(jié)構(gòu)力學(xué)是基石。

很多工程師在技術(shù)層面知道如何按照規(guī)范進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工，但對(duì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)病害的結(jié)構(gòu)與力學(xué)關(guān)系研究多注重力學(xué)平衡性，而對(duì)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(shè)等，而系統(tǒng)研究合理結(jié)構(gòu)構(gòu)造與力學(xué)關(guān)系的變形協(xié)調(diào)控制方法較少，難以保障結(jié)構(gòu)傳力介質(zhì)的適應(yīng)性和避免結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)定平衡問題。全面研究結(jié)構(gòu)與力學(xué)關(guān)系才可能避免“亞穩(wěn)定解”(滿足規(guī)范，但結(jié)構(gòu)構(gòu)造欠合理，可能耐久性不夠甚至存在特殊風(fēng)險(xiǎn))，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(fēng)險(xiǎn))提升到“優(yōu)化解”(優(yōu)于規(guī)范，前沿研究成果或當(dāng)前優(yōu)化解決方案，但要防止特殊缺陷或風(fēng)險(xiǎn))，不斷尋求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工研究等科學(xué)問題的真諦。也可簡(jiǎn)述為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yán)格落實(shí)和監(jiān)控工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制的核心指標(biāo)在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。

實(shí)際上，“新奧法”的本質(zhì)是地下工程建設(shè)過程中“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”的設(shè)計(jì)施工理念與方法，如果結(jié)構(gòu)欠合理，雖然有監(jiān)控量測(cè)或預(yù)測(cè)控制，還可能發(fā)生特殊風(fēng)險(xiǎn)甚至安全事故。地下工程建設(shè)全過程必須滿足結(jié)構(gòu)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(shè)運(yùn)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(shì)是設(shè)計(jì)中無論采用松弛荷載理論還是現(xiàn)代力學(xué)(如有限元)等預(yù)先判斷地層(圍巖)自承能力或計(jì)算結(jié)構(gòu)荷載，其中還涉及軟巖(土)強(qiáng)度值與初始流變應(yīng)力值的差異和有效利用軟巖(土)高限流變應(yīng)力值問題，拿出較好的支護(hù)開挖方案和應(yīng)急預(yù)案，施工中采用“新奧法”理念支護(hù)開挖，并監(jiān)控量測(cè)或預(yù)測(cè)控制，然后動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)施工方案，“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”和滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制，確保地下工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全。

本文統(tǒng)計(jì)大量地下工程施工的成功與失敗案例，從地下工程結(jié)構(gòu)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(yīng)技術(shù)的科學(xué)本質(zhì)，及其指導(dǎo)現(xiàn)代地下工程建設(shè)實(shí)踐的意義和價(jià)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(duì)某一工程而言，本文在總結(jié)眾多工程實(shí)踐的基礎(chǔ)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(qiáng)更廣泛的適用性，能更好地指導(dǎo)實(shí)際工程的實(shí)施。與已有的研究相比，取得了長足的發(fā)展與進(jìn)步，為解決新型地下工程問題做出了有益的嘗試。

1 工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制關(guān)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(guān)系示意圖[4]直觀地理解變形協(xié)調(diào)控制對(duì)結(jié)構(gòu)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?yàn)槔K索作用力Si和重物W共同作用的變形協(xié)調(diào)控制關(guān)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(guān)系圖

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

1)當(dāng)重物W受靜載荷作用時(shí)，S1,S2, …,Sn與W共同作用處于平衡狀態(tài)，當(dāng)S1,S2, …,Sn都在各自強(qiáng)度允許范圍內(nèi)系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡；當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)Si超過極限而破壞，此時(shí)，剩余n-1根繩索的受力狀態(tài)會(huì)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(zhuǎn)移，剩余n-1根繩索受力仍處于強(qiáng)度范圍內(nèi)，系統(tǒng)將再次平衡；若系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，系統(tǒng)內(nèi)力不能合理轉(zhuǎn)移，將導(dǎo)致剩余n-1根繩索內(nèi)力再次超過強(qiáng)度范圍而引起斷裂，該過程重復(fù)出現(xiàn)將引起連鎖反應(yīng)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(yīng)變能為Ui(i=1,2,…,n), 此時(shí)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定平衡。倘若某個(gè)繩子內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量Ui已達(dá)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，外力做功將再次突破結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能極限，導(dǎo)致剩余n-1根繩索斷裂，引起連鎖反應(yīng)而使系統(tǒng)整體失穩(wěn)。

2)當(dāng)重物W受到擾動(dòng)時(shí)，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(dāng)S1,S2, …,Sn變形協(xié)調(diào)(即S1,S2, …,Sn之間的內(nèi)力能夠合理轉(zhuǎn)移)時(shí)，且都在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)時(shí)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(fù)到新的平衡位置。否則，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部受力不能合理轉(zhuǎn)移，S1,S2, …,Sn的重新分布可能會(huì)造成某個(gè)繩子作用力Si超過極限而破壞甚至引起連鎖反應(yīng)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(duì)重物W的擾動(dòng)將給結(jié)構(gòu)輸入一定的能量，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)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(shí)，且考慮到空氣和結(jié)構(gòu)內(nèi)部耗能機(jī)制(例如阻尼、摩擦等)，系統(tǒng)才能恢復(fù)到原始的位置。否則，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，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(huì)造成某個(gè)繩子無法吸收應(yīng)有的能量而破壞甚至引起連鎖反應(yīng)從而出現(xiàn)系統(tǒng)整體失穩(wěn)。

3)當(dāng)重物W受動(dòng)荷載作用時(shí)，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(fù)雜，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)輸入能量的大小隨著外部動(dòng)荷載作用形式的變化而變化，考慮到空氣和結(jié)構(gòu)內(nèi)部耗能機(jī)制(例如阻尼、摩擦等)，結(jié)構(gòu)體系在振動(dòng)過程中也會(huì)消耗一部分能量。當(dāng)結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，通過外力做功輸入到結(jié)構(gòu)體系的能量與系統(tǒng)耗散的能量處于動(dòng)態(tài)平衡過程，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)能量不斷積聚過程。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，變形不協(xié)調(diào)時(shí)，通過外力做功輸入到結(jié)構(gòu)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(dǎo)致發(fā)散的系統(tǒng)振動(dòng)，最終出現(xiàn)能量在結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)積聚而導(dǎo)致局部破壞甚至引起連鎖反應(yīng)而出現(xiàn)系統(tǒng)整體動(dòng)力失穩(wěn)。

一般工程結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中隱含荷載、變形適應(yīng)性，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)首先要穩(wěn)定平衡，再者結(jié)構(gòu)措施要保障結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)控制，往往實(shí)際工作中容易忽視。為了便于理解工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定平衡、穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制2個(gè)概念的內(nèi)在聯(lián)系，將這2個(gè)概念對(duì)應(yīng)的工程結(jié)構(gòu)受力分析問題以及理論適用條件歸納總結(jié)，如表1所示。

表1變形協(xié)調(diào)控制與結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)的關(guān)系

Table 1 Relationship between deformation coordination control and structural equilibrium state

狀態(tài)工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xì)節(jié)把握,再用精確分析法解決工程結(jié)構(gòu)問題 構(gòu)建合理結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移路徑等

工程結(jié)構(gòu)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(duì)于地下工程結(jié)構(gòu)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(guān)重要。以新奧法等為代表的現(xiàn)代施工技術(shù)的核心是“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”，這一提法從力學(xué)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(guān)鍵是圍巖與支護(hù)系統(tǒng)共同作用達(dá)到“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制”。在實(shí)際工程中，地下工程開挖后圍巖應(yīng)力會(huì)重分布，特別是存在塑性區(qū)時(shí)圍巖的應(yīng)力還會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)移。因此，圍巖應(yīng)力的集中區(qū)分布、圍巖穩(wěn)定性可能出現(xiàn)突變點(diǎn)位置的把握是十分困難的，也難以用應(yīng)力控制手段實(shí)現(xiàn)圍巖的穩(wěn)定性判斷。在圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，關(guān)鍵是要控制變形異常，對(duì)Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)偏好圍巖主要控制塊體掉落和塊體的穩(wěn)定平衡，而Ⅲ級(jí)偏差圍巖及Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)、Ⅵ級(jí)圍巖主要控制變形協(xié)調(diào)、不產(chǎn)生有害變形導(dǎo)致坍塌和喪失穩(wěn)定平衡。“基本維持地層(圍巖)原始狀態(tài)”的理念，直接面對(duì)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(hù)系統(tǒng)共同作用達(dá)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(shí)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(shí)踐應(yīng)用并控制圍巖穩(wěn)定。

地下工程不同的施工工序通常會(huì)給巖土體帶來不同的受力變形狀態(tài)。地下工程設(shè)計(jì)中通常只考慮工程結(jié)構(gòu)完成時(shí)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(yīng)力重分布后可以重新調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定平衡，開挖方式對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形狀態(tài)，才能確保其受力變形狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求，從而實(shí)現(xiàn)地下工程巖土體“基本維持地層(圍巖)原始狀態(tài)”及結(jié)構(gòu)“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(jìn)行研究，地下工程過程控制和時(shí)空效應(yīng)的研究與實(shí)踐是等效的。要切實(shí)落實(shí)過程控制，必須注重地下工程建設(shè)的時(shí)空效應(yīng)，做到4個(gè)及時(shí)： 及時(shí)支護(hù)，及時(shí)封閉，及時(shí)量測(cè)，及時(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)予以支承。這樣，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)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(duì)埋深較大的隧道，計(jì)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(jì)算方法，應(yīng)用比較簡(jiǎn)便。在巖體破碎或淺埋隧道情況下其計(jì)算結(jié)果仍具有重要的價(jià)值，至今仍在一些國家廣泛應(yīng)用。而依據(jù)松弛荷載理論統(tǒng)計(jì)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(hù)工法時(shí)，對(duì)于圍巖偏差和偏好的情況存在工程風(fēng)險(xiǎn)和支護(hù)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(jì)算理論，雖然在許多情況下其計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)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(gè)理論的基本要點(diǎn)是： 1)將巖體看成具有一定黏結(jié)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(guān)。根據(jù)普氏理論得到矩形洞室荷載計(jì)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(jì)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(yīng)力傳遞概念而推導(dǎo)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(cè)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(cè)壁抗剪力。

圖3 側(cè)壁穩(wěn)定時(shí)的圍巖壓力計(jì)算圖

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

開挖后如側(cè)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(jì)算相應(yīng)的圍巖壓力。對(duì)于圍巖的變形破壞方式假設(shè)，太沙基理論可能過于簡(jiǎn)化或者有不合理之處，但其力學(xué)平衡的分析理念在當(dāng)前的隧道工程實(shí)踐中仍具有重要的價(jià)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(yīng)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(jìn)行開挖，故又稱為鉆爆法。從隧道工程的發(fā)展趨勢(shì)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(gòu)件支撐的施工方法和采用鉆爆開挖加錨噴支護(hù)的施工方法。

圖4 側(cè)壁不穩(wěn)定時(shí)圍巖壓力計(jì)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(shè)計(jì)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(jì)值的力學(xué)方法基礎(chǔ)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(duì)于相對(duì)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(dá)到“合理發(fā)揮地層(圍巖)自承能力”。對(duì)于淺埋松散地層隧道或軟土盾構(gòu)隧道可采用簡(jiǎn)化計(jì)算即荷載結(jié)構(gòu)法思路(對(duì)應(yīng)于松散荷載理論)，產(chǎn)生的誤差在支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許范圍之內(nèi)；但施工工法和過程控制措施應(yīng)采用地層結(jié)構(gòu)法思路(對(duì)應(yīng)于巖承理論)，實(shí)現(xiàn)地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用達(dá)到“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制”，消除風(fēng)險(xiǎn)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(hù)理論。其核心內(nèi)容是： 穩(wěn)定圍巖是因?yàn)閹r體有自承能力；不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)定是有一個(gè)過程的，如果在這個(gè)過程中給圍巖提供必要的幫助或限制，則圍巖仍然能夠進(jìn)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(shí)際，近半個(gè)世紀(jì)以來被廣泛地推廣應(yīng)用。

傳統(tǒng)“松弛荷載理論”更注重結(jié)果和對(duì)于結(jié)果的處理；而現(xiàn)代“巖承理論”則更注重過程和對(duì)過程的控制，即對(duì)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(diǎn)。以這2種理論為指導(dǎo)的施工方法也截然不同，對(duì)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(hù)與圍巖位移關(guān)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(hù)力就越小，否則會(huì)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(hù)特性曲線

Fig. 5 Displacement supporting characteristic curve of surrounding rock

新奧法核心概念廣泛應(yīng)用于隧道及地下工程設(shè)計(jì)施工等實(shí)踐過程中。但是基于圍巖位移支護(hù)特性曲線進(jìn)行圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)存在一個(gè)重要問題： 支護(hù)特性曲線上的D點(diǎn)是理論上存在而實(shí)踐上無法把握的點(diǎn)，圍巖位移支護(hù)特性曲線雖然解決了隧道圍巖結(jié)構(gòu)受力平衡問題，但是較難把握隧道圍巖結(jié)構(gòu)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(qiáng)調(diào)了硬巖與軟巖應(yīng)用有區(qū)別，但在不良地質(zhì)條件下，對(duì)于分支點(diǎn)失穩(wěn)工程問題，很難把握圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)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(fēng)險(xiǎn)。

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(jì)60年代總結(jié)隧道建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)立的。自提出后，該理論基礎(chǔ)不斷得到完善，隧道支護(hù)技術(shù)手段不斷豐富，在世界隧道設(shè)計(jì)和施工中獲得廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前已被國內(nèi)外作為隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的重要方法。新奧法的理論基礎(chǔ)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(cè)技術(shù)為主要特征的新奧法，盡可能保護(hù)圍巖原有強(qiáng)度、容許圍巖變形但又不致出現(xiàn)強(qiáng)烈松弛破壞、掌握圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形動(dòng)態(tài)的隧道開挖與支護(hù)原則，使圍巖變形的外荷載與限制變形的結(jié)構(gòu)支護(hù)抗力保持動(dòng)態(tài)平衡，該施工方法具有很好的適用性和經(jīng)濟(jì)性。

新奧法是建立在巖石試驗(yàn)力學(xué)的基礎(chǔ)之上，其結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法不很明確，使用中容易忽視，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)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(xué)理論知識(shí)和豐富類似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，才能真正落實(shí)巖承理論的精髓，確保圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用達(dá)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(chǔ)上，建立適用多種巖土體結(jié)構(gòu)特征的廣義力學(xué)穩(wěn)定平衡方程，重視合理開挖工法、支護(hù)結(jié)構(gòu)措施及施工過程控制等研究，確保圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用達(dá)到穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制，這也是地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)共同作用力的平衡穩(wěn)定性和變形協(xié)調(diào)性有時(shí)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)層控制圍巖荷載轉(zhuǎn)移規(guī)律

3.1.1 圍巖應(yīng)力會(huì)向深部轉(zhuǎn)移

通過適當(dāng)開挖與支護(hù)，圍巖應(yīng)力會(huì)逐漸向深部轉(zhuǎn)移，減輕表部圍巖應(yīng)力集中導(dǎo)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(huì)逐漸擴(kuò)大，這是由于周邊圍巖產(chǎn)生了塑性破壞，使得圍巖的應(yīng)力集中區(qū)向深部逐漸轉(zhuǎn)移。

圖6 天然洞穴

3.1.2 隧道有效承載結(jié)構(gòu)層控制圍巖荷載轉(zhuǎn)移規(guī)律

隧道圍巖的穩(wěn)定是隧道圍巖與支護(hù)系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，如果施工開挖支護(hù)過程不合理，平衡狀態(tài)就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換。當(dāng)隧道采用預(yù)支護(hù)而使圍巖基本保持原始狀態(tài)時(shí)，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(hù)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(shí)間短，易形成冒落。通過施加預(yù)支護(hù)，預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)、初期支護(hù)和二次襯砌形成支護(hù)結(jié)構(gòu)體系共同承載。采用淺埋暗挖法或類似軟土隧道盾構(gòu)施工原理的預(yù)支護(hù)，可以防止松弛坍塌和產(chǎn)生松弛壓力。但其機(jī)制與錨噴支護(hù)不同，可參照普氏理論和太沙基理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(yù)支護(hù)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(jié)構(gòu)層控制圍巖荷載轉(zhuǎn)移規(guī)律

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

當(dāng)隧道圍巖沒有采用預(yù)支護(hù)而發(fā)生較大松弛或塌方時(shí)，則有T≤W。也就是說，對(duì)于破碎等特殊地質(zhì)圍巖必須采用預(yù)支護(hù)技術(shù)才能確保支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力是形變壓力而不是松弛壓力。同時(shí)，施作預(yù)支護(hù)時(shí)也必須考慮到預(yù)支護(hù)的剛度和開挖后噴射混凝土的時(shí)間，即時(shí)空效應(yīng)，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(jié)構(gòu)層控制圍巖荷載轉(zhuǎn)移規(guī)律，選取適當(dāng)?shù)念A(yù)支護(hù)剛度和噴射混凝土的時(shí)間等及時(shí)形成隧道有效承載結(jié)構(gòu)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(shí)際地下工程應(yīng)用中有優(yōu)勢(shì)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(jié)構(gòu)應(yīng)力變形狀態(tài)試驗(yàn)研究得出。巖土體地下工程結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)，而圖5中D-σ段在地下工程設(shè)計(jì)施工中沒有應(yīng)用意義。在控制安全邊界線內(nèi)，能有效利用高限流變應(yīng)力值，其對(duì)建立地下工程平衡穩(wěn)定理論具有較好的實(shí)踐意義。

(a) 應(yīng)變邊界

(b) 應(yīng)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(duì)比了土體或巖體在工程應(yīng)用中應(yīng)力控制方法和應(yīng)變控制方法的工程力學(xué)特性(見圖8)。虛線為巖體或土體對(duì)應(yīng)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(rèn)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(jié)構(gòu)滿足變形協(xié)調(diào)控制，安全容許范圍就會(huì)擴(kuò)大至實(shí)線范圍。此時(shí)某些原本不安全狀態(tài)就轉(zhuǎn)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(yīng)力值。值得注意的是，工程措施實(shí)施過程必須滿足變形協(xié)調(diào)控制，否則會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力過大或者變形過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。只有這樣，才能保證地下工程結(jié)構(gòu)力的合理傳遞或轉(zhuǎn)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(yīng)力大的應(yīng)變反而小，因此結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)控制對(duì)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(hù)抗力T和圍巖原巖壓力P0三者之間的力學(xué)關(guān)系，真實(shí)反映隧道“圍巖-支護(hù)”體系在開挖與支護(hù)(含預(yù)支護(hù))過程中的互動(dòng)過程和相互作用。建立地下工程建設(shè)工程平衡穩(wěn)定理論將有助于解決地下工程設(shè)計(jì)計(jì)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(dǎo)致隧道圍巖在徑向上產(chǎn)生應(yīng)力釋放，而遠(yuǎn)離隧道地層的應(yīng)力狀態(tài)并不發(fā)生變化。不失一般性，考慮均勻地應(yīng)力場(chǎng)，用P0表示原巖壓力。圍巖與支護(hù)共同作用如圖9所示。從靜力學(xué)的原理可知，P0由“圍巖-支護(hù)”結(jié)構(gòu)體系的承載力來平衡。

圖9 圍巖與支護(hù)共同作用

隧道預(yù)支護(hù)力[8]不只是支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的作用力，它是由圍巖結(jié)構(gòu)自承能力和支護(hù)結(jié)構(gòu)直接對(duì)圍巖提供的支護(hù)抗力共同組成的。圍巖結(jié)構(gòu)自承能力可以通過預(yù)支護(hù)措施和采取合理開挖措施得到維持。

為了更好地理解預(yù)支護(hù)力，將其定義為

F=T+P。

(2)

式中：F為預(yù)支護(hù)力，N；T為支護(hù)抗力，N；P為圍巖自承能力，N。

當(dāng)預(yù)支護(hù)力大于使圍巖發(fā)生過大變形或破壞的力時(shí)，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(yīng)力是使圍巖發(fā)生變形和破壞的根本動(dòng)力[9]，是使圍巖失穩(wěn)的“力源”。隧道預(yù)支護(hù)技術(shù)可進(jìn)一步表述為： 預(yù)支護(hù)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(hù)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(duì)應(yīng)于挪威法。2)有一定自承能力的圍巖，這種圍巖的預(yù)支護(hù)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(jì)算P0，然后根據(jù)地質(zhì)情況折算P，則可以初步估計(jì)T值，也可以滿足式(3)，對(duì)應(yīng)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(duì)較小而且在隧道開挖后會(huì)迅速下降，圍巖形變壓力迅速轉(zhuǎn)化為松弛壓力，圍巖很快進(jìn)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(zhuǎn)化，所以要求開挖前提供預(yù)支護(hù)或超前支護(hù)，以改善圍巖的原始狀態(tài)提高自承能力，這時(shí)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)于挪威法)

(b) 一般自承能力的圍巖(對(duì)應(yīng)于新奧法)

(c) 自承能力很差的圍巖(對(duì)應(yīng)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(rèn)識(shí)、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(shè)理論的基礎(chǔ)上，把平衡穩(wěn)定理論應(yīng)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(shí)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(hù)技術(shù)等，以便更好地指導(dǎo)地下工程設(shè)計(jì)與施工。采用基本力學(xué)(理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、能量增量法等)處理復(fù)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(guān)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(hù)系統(tǒng)相互作用之間的力學(xué)或能量增量模式(F>P0或ΔU>ΔT(即應(yīng)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(xué)或能量增量關(guān)系或通過合理剛度支護(hù)系統(tǒng)達(dá)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(fù)雜力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單力學(xué)問題，就可應(yīng)用基本力學(xué)解決地下工程問題。

總之，工程實(shí)踐揭示了隧道有效承載結(jié)構(gòu)層控制圍巖荷載轉(zhuǎn)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(yù)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(yīng)用范圍： 例如“松弛荷載理論”可以和現(xiàn)代工法結(jié)合，“巖承理論”可以和傳統(tǒng)工法及更多現(xiàn)代工法結(jié)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(gòu)施工理念等)，更加適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，再和傳統(tǒng)工法及更多現(xiàn)代工法結(jié)合，能進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。實(shí)踐發(fā)展要求理論創(chuàng)新，猶如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主板把許多不同功能硬件板卡有機(jī)組合起來一樣，地下工程平衡穩(wěn)定理論基于力學(xué)分析研究地層支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的力學(xué)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(jī)組合起來，同時(shí)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(yīng)用

地下工程結(jié)構(gòu)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(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，無論是經(jīng)典的摩爾-庫侖準(zhǔn)則，還是雙剪應(yīng)力屈服準(zhǔn)則，乃至統(tǒng)一強(qiáng)度理論，均以應(yīng)力作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。但是對(duì)于復(fù)雜的地下工程，按工程力學(xué)分析結(jié)果和應(yīng)力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)判斷，有時(shí)理論上整體滿足條件，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)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(zhǔn)則判別結(jié)構(gòu)是否安全不全面或不夠全面，還應(yīng)該增加變形控制條件。對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)體系變形具有確定性，不會(huì)產(chǎn)生畸變，但是對(duì)于復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)有時(shí)由于構(gòu)造不合理，容易產(chǎn)生變形畸變等，出現(xiàn)實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)不符。簡(jiǎn)而言之，對(duì)于沒有變形協(xié)調(diào)問題的材料單體或者簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，因?yàn)橐呀?jīng)隱含變形協(xié)調(diào)條件，所以利用現(xiàn)有判斷準(zhǔn)則不會(huì)出現(xiàn)問題。但是對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，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(zhǔn)則很可能產(chǎn)生變形畸變，進(jìn)一步影響應(yīng)力的重分布使之與設(shè)計(jì)狀態(tài)不符，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)積累損傷甚至破壞。

對(duì)于復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)實(shí)際受力變形狀態(tài)穩(wěn)定性或者分析結(jié)構(gòu)是否超過設(shè)計(jì)受力變形狀態(tài)[13]，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，常采用具體的、易測(cè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)實(shí)際受力變形狀態(tài)與設(shè)計(jì)受力變形狀態(tài)基本一致；反之，結(jié)構(gòu)實(shí)際受力變形狀態(tài)與設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)過程中，先借鑒經(jīng)典工程結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，初步設(shè)計(jì)合理工程結(jié)構(gòu)體系[14]，一般情況能滿足“變形協(xié)調(diào)控制”條件；復(fù)雜或特殊情況可用模型或大比例尺試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

“力和能量要有相應(yīng)物質(zhì)載體，并具有相應(yīng)傳遞或轉(zhuǎn)換路徑”，結(jié)構(gòu)“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制”和“能量合理轉(zhuǎn)換”是統(tǒng)一的，結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)控制又是能量法和力法或位移法結(jié)構(gòu)分析的必要條件。確?！傲Α⒆冃?、能量”按設(shè)計(jì)路徑傳遞并按設(shè)計(jì)方式轉(zhuǎn)換是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全、合理的基本要求，也是維持設(shè)計(jì)形式不產(chǎn)生有害過程的基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)際情況，分別從“力、變形、能量”3要素中的1個(gè)或幾個(gè)要素入手進(jìn)行優(yōu)化，可更好地控制地下工程結(jié)構(gòu)行為。而確保結(jié)構(gòu)的“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)控制”，不僅需要目標(biāo)控制，更需要圍繞目標(biāo)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全合理的過程控制，否則結(jié)構(gòu)就會(huì)不穩(wěn)定或破壞。通過對(duì)大量國內(nèi)外經(jīng)典歷史工程考察、現(xiàn)代力學(xué)邏輯分析與判斷等可以得出結(jié)論： 地下工程圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用，在建設(shè)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)由組合或單體受力體轉(zhuǎn)變?yōu)檎w共同受力，否則會(huì)改變?cè)剂W(xué)平衡形式或出現(xiàn)非預(yù)期的新的力學(xué)平衡形式，甚至喪失穩(wěn)定性；對(duì)于無法實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)控制的多個(gè)獨(dú)立受力單元的地下工程組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，避免連接部分開裂是重點(diǎn)，例如連拱隧道與小凈距隧道及多個(gè)獨(dú)立平行斜交連續(xù)梁橋，要提高他們的受力獨(dú)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(shù)、強(qiáng)預(yù)支護(hù)技術(shù)、受力獨(dú)立性綜合技術(shù)、變形協(xié)調(diào)控制技術(shù)等，以便于更加全面研究地下工程建設(shè)安全等問題。

實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平衡的目標(biāo)，需要現(xiàn)代施工技術(shù)(如新奧法、淺埋暗挖法、挪威法、新意法等)和傳統(tǒng)施工技術(shù)(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(shù)、強(qiáng)預(yù)支護(hù)技術(shù)、受力獨(dú)立性綜合技術(shù)、變形協(xié)調(diào)控制技術(shù)等隧道工程建設(shè)的技術(shù)措施。只有掌握其指導(dǎo)思想和技術(shù)措施，才能真正應(yīng)用好地下工程平衡穩(wěn)定理論。

4 結(jié)論與建議

本文在大量工程實(shí)踐和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，揭示了地下工程有效承載結(jié)構(gòu)層與圍巖荷載轉(zhuǎn)移規(guī)律之間的關(guān)聯(lián)性，建立了地下工程平衡穩(wěn)定理論和創(chuàng)新了4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，兼容了新奧法、挪威法、新意法等的基本思想，主要結(jié)論與建議如下。

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

通過大量地下工程實(shí)踐、觀察、試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)等，揭示了地下工程有效承載結(jié)構(gòu)層與圍巖荷載轉(zhuǎn)移規(guī)律之間的關(guān)聯(lián)性，類似圍巖開挖卸荷破壞的能量機(jī)制，為建立地下工程平衡穩(wěn)定理論與關(guān)鍵技術(shù)打下基礎(chǔ)?？芍笇?dǎo)圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)計(jì)算及加固設(shè)計(jì)，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(chǔ)。

4.2 地下工程平衡穩(wěn)定理論體系與關(guān)鍵技術(shù)

面對(duì)不同地質(zhì)地段導(dǎo)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(jié)構(gòu)平衡穩(wěn)定理論的基礎(chǔ)上，按照工程結(jié)構(gòu)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(shì)，創(chuàng)建了地下工程平衡穩(wěn)定理論體系和配套關(guān)鍵技術(shù)。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(yù)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(shù)

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(hù)設(shè)計(jì)施工方法、淺埋下穿高速公路大斷面隧道的施工方法、雙側(cè)偏壓小凈距隧道施工方法等多個(gè)新方法和隧道坍腔充填泡沫、連拱隧道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等多個(gè)新型結(jié)構(gòu)的地下工程變形協(xié)調(diào)控制新技術(shù)，確保地下工程平衡穩(wěn)定理論體系與關(guān)鍵技術(shù)解決實(shí)際問題更加實(shí)用可靠。

本文雖然對(duì)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(qiáng)、更廣泛的適用性，能更好地指導(dǎo)實(shí)際工程的實(shí)施，但由于地下工程的復(fù)雜性與多樣性，實(shí)際施工過程中往往會(huì)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(yùn)用地下工程平衡穩(wěn)定理論，并使其不斷豐富與發(fā)展。