地下工程專題序

地下工程專題序

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隧道及地下工程已成為土木工程最為活躍的學(xué)科方向，其作用和地位凸顯，并在交通基礎(chǔ)設(shè)施和城市軌道交通建設(shè)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用.事實(shí)上，正是復(fù)雜長大隧道和城市地下空間開發(fā)技術(shù)的突破才使得我國高速鐵路、高速公路和城市軌道交通工程的大規(guī)?？焖俳ㄔO(shè)成為可能.在隧道及地下工程的安全建造和安全服役中涉及諸多力學(xué)問題，其中包括：隧道圍巖變形及致災(zāi)機(jī)理、支護(hù)與圍巖作用機(jī)制及評價方法和地下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)等，本刊組織了“地下工程專題”，主要介紹以下四個方面的研究進(jìn)展：

(1)隧道及地下工程的基本問題

從隧道及地下工程的本質(zhì)特征出發(fā)，提出隧道圍巖穩(wěn)定性、“支護(hù)--圍巖”作用關(guān)系和結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)等三個本學(xué)科的基本問題，并給出了三者之間的關(guān)系以及在地下結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用方法.

基于圍巖的漸進(jìn)破壞特點(diǎn)，提出了深淺層圍巖結(jié)構(gòu)的理念，建立了基于結(jié)構(gòu)層穩(wěn)定性的分析模型，提出了圍巖荷載的計算方法，給出了隧道圍巖特性曲線的解析分析方法.

基于圍巖變形過程的特點(diǎn)，提出了支護(hù)與圍巖作用的四階段理論，分別對應(yīng)圍巖自由變形、超前支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌施作，由此建立了其動態(tài)描述方法.

明確了隧道支護(hù)的基本作用，即調(diào)動圍巖承載和協(xié)助圍巖承載，明確了不同支護(hù)形式的作用特點(diǎn)，建立了支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同作用模型.

(2)隧道工程災(zāi)害與控制

基于隧道坍塌事故特點(diǎn)的分析，提出了隧道圍巖失穩(wěn)、支護(hù)結(jié)構(gòu)失效和工程環(huán)境失調(diào)三種機(jī)理分析模型，并對其發(fā)生過程進(jìn)行了描述；針對穩(wěn)定性極差的復(fù)雜圍巖條件，提出了隧道圍巖安全性的新理念，并建立了安全性評價體系和評價方法.

針對海底隧道的突水特點(diǎn)，分析了三種隧道突水事故模式的形成機(jī)制和演化過程，提出了突水災(zāi)害的控制方案；建立了基于堵水限排的水壓力和滲水量預(yù)測模型，可實(shí)現(xiàn)排水量的動態(tài)調(diào)控.

針對巖溶隧道，從系統(tǒng)論角度分析了突水災(zāi)變的形成機(jī)理，建立了隔水巖體厚度分析模型，提出了突水災(zāi)害由災(zāi)害源、突水通道與隔水阻泥結(jié)構(gòu)等三要素構(gòu)成，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了論述.

(3)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

針對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，基于Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，建立了考慮滲流效應(yīng)的圍巖-襯砌結(jié)構(gòu)相互作用的彈塑性分析模型，給出了圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)半徑等關(guān)鍵參數(shù)與支護(hù)阻力的關(guān)系式，據(jù)此確定管片隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和荷載值.

通過引入剛度折減系數(shù)，等效地考慮了接頭引起盾構(gòu)管片襯砌結(jié)構(gòu)整體剛度的影響，并據(jù)此分析了管片襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用的靜力響應(yīng)；在盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮了流固耦合效應(yīng)以及滲流力對襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)特性曲線的影響，并進(jìn)行了簡化，可為類似工程的設(shè)計施工提供借鑒.

針對地下結(jié)構(gòu)的耐久性，提出了一種以兩相材料為對象的新參考介質(zhì)，推導(dǎo)了新參考介質(zhì)下兩相材料的有效模量表達(dá)式，并給出相應(yīng)修正張量的近似計算方法；將多層次均勻化方法用于多相材料性能的預(yù)測.

(4)隧道及地下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)

針對高速列車引起的車隧氣動效應(yīng)，采用Ansys軟件的workbench模擬平臺，對氣動載荷作用下隧道緩沖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化及流固耦合特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：行車速度為350km/h時，氣動載荷引起的附加應(yīng)力可達(dá)80kPa，緩沖結(jié)構(gòu)開口周圍成為附加應(yīng)力集中區(qū)；對于雙線隧道，近車側(cè)附加應(yīng)力值大于遠(yuǎn)車側(cè)，但其變化規(guī)律一致.

與壓力波的傳播特性相類似，氣動荷載所引起的附加壓應(yīng)力具有往復(fù)傳播特征，且隧道緩沖結(jié)構(gòu)形態(tài)是引起應(yīng)力集中的決定因素，這對于隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計及安全巡查具有指導(dǎo)意義.

針對地鐵車站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬與振動臺試驗(yàn)方法重點(diǎn)分析了車站Y型柱和側(cè)墻的加速度、位移及應(yīng)變規(guī)律，Y型柱加速度最大位置出現(xiàn)于柱頂端稍下的位置，分叉位置處應(yīng)變出現(xiàn)突變，這是抗震設(shè)計中需要加強(qiáng)的部位；Y型柱加速度和位移變化均大于側(cè)墻，對該類地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計具有參考價值.

本專題研究論文重點(diǎn)介紹了隧道及地下工程領(lǐng)域中設(shè)計、施工和安全控制方面的主要研究進(jìn)展，特別關(guān)注其中涉及的力學(xué)問題.希望本專題能使讀者對隧道及地下工程這一學(xué)科的核心問題及其研究進(jìn)展有所了解，同時也期望相關(guān)學(xué)科的學(xué)者對此予以關(guān)注，將這一領(lǐng)域的理論研究引向深入，整體提升本學(xué)科方向的學(xué)術(shù)層次和學(xué)術(shù)水平，為實(shí)現(xiàn)我國由隧道大國向隧道強(qiáng)國的跨越作出貢獻(xiàn).

北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心