工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 地下空间工程服役安全的认识与思考 杨仁树王雁冰 Understanding and considering service safety in underground space engineering YANG Ren-shu,WANG Yan-bing 引用本文： 杨仁树，王雁冰.地下空间工程服役安全的认识与思考[J].工程科学学报，优先发表.doi:10.13374 j.issn2095- 9389.2021.08.11.002 YANG Ren-shu,WANG Yan-bing.Understanding and considering service safety in underground space engineering[J].Chinese Journal of Engineering,In press.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.11.002 在线阅读View online::https:/ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2021.08.11.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in
地下空间工程服役安全的认识与思考 杨仁树 王雁冰 Understanding and considering service safety in underground space engineering YANG Ren-shu, WANG Yan-bing 引用本文: 杨仁树, 王雁冰. 地下空间工程服役安全的认识与思考[J]. 工程科学学报, 优先发表. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2021.08.11.002 YANG Ren-shu, WANG Yan-bing. Understanding and considering service safety in underground space engineering[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.11.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.11.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in
工程科学学报.第44卷，第X期：1-9.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-9,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.11.002;http://cje.ustb.edu.cn 地下空间工程服役安全的认识与思考 杨仁树1,2)，王雁冰2,3)区 1)北京科技大学大安全科学研究院，北京1000832)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京1000833)中国矿业大学（北京）力 学与建筑工程学院，北京100083 区通信作者，E-mail:ceowyb818@163.com 摘要中国的地下空间工程规模越来越大，如何使地下空间工程在开挖、建造和服役期间最大限度的保持安全和稳定，是 目前乃至将来必须重视的重要课题.在分析地下空间工程面临的主要问题的基础上，提出了地下空间工程服役安全的3个关 键科学问题：多场耦合作用下结构体材料损伤劣化规律：循环动载作用下结构体的动态疲劳损伤特性：支护与围岩的相互作 用.总结和评述了在此方面的相关研究工作和最新进展.最后从宏观上指出了地下空间工程未来的发展趋势和需要重点关 注和加强的基础性研究工作. 关键词地下空间：地下工程；服役安全：结构体：稳定 分类号TD235 Understanding and considering service safety in underground space engineering YANG Ren-shu2.WANG Yan-bing 1)Research Institute of Macro-Safety Science,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,Beijing,100083,China 3)School of Mechanics Civil Engineering,China University of Mining Technology (Beijing),Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:ceowyb818@163.com ABSTRACT With the increasing scale of underground space projects in China,the types of underground space development and utilization are characterized by diversification,deepening,and complexity.Moreover,many underground space projects have been transferred from the construction stage to the long-term,safe,and stable operation stage.At present,and even in the future,how to maintain the safety and stability of underground space engineering during excavation,construction,and service is an important topic that must be considered.Based on the analysis of the complex geological conditions faced by underground space engineering,the influence of construction quality on service safety,deterioration of structural performance caused by environmental factors and sudden disasters, and extensive development of underground space,this study identified three key scientific problems of service safety in underground space engineering.namely,the law of damage and deterioration of structural materials under multi-field coupling.dynamic fatigue damage characteristics of structures under cyclic dynamic load,and interaction between support and surrounding rock.This study summarized and commented on the failure process of rock and concrete in special environments,dynamic mechanical properties of rock and concrete under dynamic load,damage test and evaluation method of rock mass under explosion load,rock and concrete fatigue, surrounding rock stability analysis,support mechanism of underground space engineering,and other related research work and latest progress.Finally,this study specified the future development trend of this subject and the basic research work that needs to be focused on and strengthened,that is,developing new green building materials for underground space engineering,establishing a new support design theory,conducting underground space service safety research based on artificial intelligence,and building a full life-cycle 收稿日期：2021-08-11 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(51934001)
地下空间工程服役安全的认识与思考 杨仁树1,2)，王雁冰2,3) 苣 1) 北京科技大学大安全科学研究院，北京 100083 2) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083 3) 中国矿业大学 (北京) 力 学与建筑工程学院，北京 100083 苣通信作者， E-mail: ceowyb818@163.com 摘 要 中国的地下空间工程规模越来越大. 如何使地下空间工程在开挖、建造和服役期间最大限度的保持安全和稳定，是 目前乃至将来必须重视的重要课题. 在分析地下空间工程面临的主要问题的基础上，提出了地下空间工程服役安全的 3 个关 键科学问题：多场耦合作用下结构体材料损伤劣化规律；循环动载作用下结构体的动态疲劳损伤特性；支护与围岩的相互作 用. 总结和评述了在此方面的相关研究工作和最新进展. 最后从宏观上指出了地下空间工程未来的发展趋势和需要重点关 注和加强的基础性研究工作. 关键词 地下空间；地下工程；服役安全；结构体；稳定 分类号 TD235 Understanding and considering service safety in underground space engineering YANG Ren-shu1,2) ，WANG Yan-bing2,3) 苣 1) Research Institute of Macro-Safety Science, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, Beijing, 100083, China 3) School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: ceowyb818@163.com ABSTRACT With the increasing scale of underground space projects in China, the types of underground space development and utilization are characterized by diversification, deepening, and complexity. Moreover, many underground space projects have been transferred from the construction stage to the long-term, safe, and stable operation stage. At present, and even in the future, how to maintain the safety and stability of underground space engineering during excavation, construction, and service is an important topic that must be considered. Based on the analysis of the complex geological conditions faced by underground space engineering, the influence of construction quality on service safety, deterioration of structural performance caused by environmental factors and sudden disasters, and extensive development of underground space, this study identified three key scientific problems of service safety in underground space engineering, namely, the law of damage and deterioration of structural materials under multi-field coupling, dynamic fatigue damage characteristics of structures under cyclic dynamic load, and interaction between support and surrounding rock. This study summarized and commented on the failure process of rock and concrete in special environments, dynamic mechanical properties of rock and concrete under dynamic load, damage test and evaluation method of rock mass under explosion load, rock and concrete fatigue, surrounding rock stability analysis, support mechanism of underground space engineering, and other related research work and latest progress. Finally, this study specified the future development trend of this subject and the basic research work that needs to be focused on and strengthened, that is, developing new green building materials for underground space engineering, establishing a new support design theory, conducting underground space service safety research based on artificial intelligence, and building a full life-cycle 收稿日期: 2021−08−11 基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目（51934001） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−9，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−9, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.11.002; http://cje.ustb.edu.cn
工程科学学报，第44卷，第X期 underground space service risk analysis,prevention and control system,so as to provide scientific ideas and feasible methods to ensure the service safety of urban underground space engineering KEY WORDS underground space;underground engineering:service safety;structure;stability 21世纪，人类步入地下空间开发的新时代，世 度改变时的冻张融沉也会对结构体的寿命产生 界各国日益重视对地下空间的开发和利用叫近年 影响 来我国基础设施的大规模建设一一西部大开发、 (4)突发灾害.突发的自然灾害和超强冲击荷 南水北调、西气东输、高速铁路（公路）、深地资源 载可能会对结构体带来毁灭性的打击，例如，地下 开采、城市地下空间开发等都涉及大量的地下空 空间中的火灾和水灾，结构体在高温或水的作用 间工程.地下空间开发利用的类型也呈现出多样 下，强度大大降低；地震作为一种复杂的特殊荷载 化、深层化和复杂化的特点2引另外，许多地下空 作用，对结构体及支护体-围岩提出了更高的要 间工程已由建造阶段转入长期安全稳定运营阶 求；人防工程、防护工程等对超强冲击的防御能力 段，如何使地下空间工程长期保持高安全、高稳 也是服役安全中应该考虑的问题 定、高可靠的运营品质，已成为现阶段我国地下空 (5)地下空间开发向深部发展.在资源开采领 间工程发展面临的突出问题，而探明地下空间工 域，浅部资源逐渐减少，资源开采正在向深部发 程结构体系在全生命周期中的动态性能演变规律 展.例如，我国煤炭开采中最深的为山东新汶集团 和效应，建立科学有效的地下空间工程服役安全 的孙村煤矿(1501m).另外，在城市地下空间方 评价标准和控制方法，是解决这一突出问题的重 面，也在提倡地下立体多层次综合开发利用.面 要法宝，也是当前急需解决的关键难题.与地面工 向2030m的深地计划也进一步强调了深层地下空 程相比，地下空间工程安全服役面临的问题主要有： 间开发的必要性.深部开采工程环境中的“三高一 (1)复杂的地质条件.我国国土面积幅员辽 扰动”无疑对地下空间工程的服役安全提出了更 阔，地质条件复杂多变.工程建设中需要考虑地质 高的要求 构造、岩土体的物理力学性质、地下水的赋存和 目前我国正处于大规模、高速度的地下空间 分布及地质灾害等方面的信息，竣工的地下工程 工程开发建设的高峰期，随着地下工程建设速度 结构埋置于地质体中，尚应考虑工程建设对区域 的加快以及利用率的逐渐提高，如何提高地下空 地质体安全的影响 间工程在其全生命周期内的安全性及可靠性，从 (2)建造质量影响服役安全.地下空间工程的 而保障在长寿命使用条件下的安全服役，对相关 结构体在建造过程中就已经受到各种复杂的力学 领域的研究人员来说是极其严峻的挑战和重大课 作用.例如，新浇筑的混凝土在未达到龄期前，已 题.本文在分析地下空间工程面临的主要问题的 经承受地层压力或围岩卸荷压力的作用：寒区施 基础上，凝练出地下空间工程服役安全的3个关 工时，混凝土构件在未达到设计强度前，已经受到 键科学问题，总结和评述了笔者及其所在课题组 了反复冻胀荷载的作用：在岩石工程钻爆法施工 在此方面的相关研究工作和最新进展，并指出未 时，爆破作用已经对被保留岩体造成初始损伤.建 来的发展趋势和需要重点关注和加强的基础性研 造过程中这些复杂的力学作用已使得结构体的强 究工作，供地下空间工程技术、研究及管理部门参考 度降低.另外，建筑材料的自身性能也直接影响结 1地下空间工程服役安全的关键科学问题 构体的寿命 (3)环境因素引起的结构性能劣化.许多结构 1.1多场耦合作用下结构体材料损伤劣化规律 体在服役期间常处于多重有害的化学环境中，例 针对地下空间工程复杂的应力场、渗流场、温 如，西部地区的地下水中含有大量的氯离子和硫 度场、裂隙场、能量场和物质场环境，模拟地下空 酸根离子，与混凝土发生一系列的化学反应，使得 间工程可能出现的极端复杂条件，研究复杂工况 混凝土的强度和耐久性降低；矿山矿井建设开采 单因素或多因素耦合作用下对地下岩土层、支护 中的瓦斯、一氧化碳、二氧化硫等有害气体危害 层服役安全的影响规律 着地下建筑物的安全性能，且二氧化硫等自身具 地下空间工程结构体埋于地层中，在服役过 有的强腐蚀性也会对结构产生破坏：高原地区温 程中既承受外部荷载的作用，又受到外部物理化
underground space service risk analysis, prevention and control system, so as to provide scientific ideas and feasible methods to ensure the service safety of urban underground space engineering. KEY WORDS underground space；underground engineering；service safety；structure；stability 21 世纪，人类步入地下空间开发的新时代，世 界各国日益重视对地下空间的开发和利用[1] . 近年 来我国基础设施的大规模建设——西部大开发、 南水北调、西气东输、高速铁路（公路）、深地资源 开采、城市地下空间开发等都涉及大量的地下空 间工程. 地下空间开发利用的类型也呈现出多样 化、深层化和复杂化的特点[2−3] . 另外，许多地下空 间工程已由建造阶段转入长期安全稳定运营阶 段，如何使地下空间工程长期保持高安全、高稳 定、高可靠的运营品质，已成为现阶段我国地下空 间工程发展面临的突出问题，而探明地下空间工 程结构体系在全生命周期中的动态性能演变规律 和效应，建立科学有效的地下空间工程服役安全 评价标准和控制方法，是解决这一突出问题的重 要法宝，也是当前急需解决的关键难题. 与地面工 程相比，地下空间工程安全服役面临的问题主要有： （1）复杂的地质条件. 我国国土面积幅员辽 阔，地质条件复杂多变. 工程建设中需要考虑地质 构造、岩土体的物理力学性质、地下水的赋存和 分布及地质灾害等方面的信息. 竣工的地下工程 结构埋置于地质体中，尚应考虑工程建设对区域 地质体安全的影响. （2）建造质量影响服役安全. 地下空间工程的 结构体在建造过程中就已经受到各种复杂的力学 作用. 例如，新浇筑的混凝土在未达到龄期前，已 经承受地层压力或围岩卸荷压力的作用；寒区施 工时，混凝土构件在未达到设计强度前，已经受到 了反复冻胀荷载的作用；在岩石工程钻爆法施工 时，爆破作用已经对被保留岩体造成初始损伤. 建 造过程中这些复杂的力学作用已使得结构体的强 度降低. 另外，建筑材料的自身性能也直接影响结 构体的寿命. （3）环境因素引起的结构性能劣化. 许多结构 体在服役期间常处于多重有害的化学环境中，例 如，西部地区的地下水中含有大量的氯离子和硫 酸根离子，与混凝土发生一系列的化学反应，使得 混凝土的强度和耐久性降低；矿山矿井建设开采 中的瓦斯、一氧化碳、二氧化硫等有害气体危害 着地下建筑物的安全性能，且二氧化硫等自身具 有的强腐蚀性也会对结构产生破坏；高原地区温 度改变时的冻胀融沉也会对结构体的寿命产生 影响. （4）突发灾害. 突发的自然灾害和超强冲击荷 载可能会对结构体带来毁灭性的打击. 例如，地下 空间中的火灾和水灾，结构体在高温或水的作用 下，强度大大降低；地震作为一种复杂的特殊荷载 作用，对结构体及支护体−围岩提出了更高的要 求；人防工程、防护工程等对超强冲击的防御能力 也是服役安全中应该考虑的问题. （5）地下空间开发向深部发展. 在资源开采领 域，浅部资源逐渐减少，资源开采正在向深部发 展. 例如，我国煤炭开采中最深的为山东新汶集团 的孙村煤矿（1501 m）. 另外，在城市地下空间方 面，也在提倡地下立体多层次综合开发利用. 面 向 2030 m 的深地计划也进一步强调了深层地下空 间开发的必要性. 深部开采工程环境中的“三高一 扰动”无疑对地下空间工程的服役安全提出了更 高的要求. 目前我国正处于大规模、高速度的地下空间 工程开发建设的高峰期，随着地下工程建设速度 的加快以及利用率的逐渐提高，如何提高地下空 间工程在其全生命周期内的安全性及可靠性，从 而保障在长寿命使用条件下的安全服役，对相关 领域的研究人员来说是极其严峻的挑战和重大课 题. 本文在分析地下空间工程面临的主要问题的 基础上，凝练出地下空间工程服役安全的 3 个关 键科学问题，总结和评述了笔者及其所在课题组 在此方面的相关研究工作和最新进展，并指出未 来的发展趋势和需要重点关注和加强的基础性研 究工作，供地下空间工程技术、研究及管理部门参考. 1 地下空间工程服役安全的关键科学问题 1.1 多场耦合作用下结构体材料损伤劣化规律 针对地下空间工程复杂的应力场、渗流场、温 度场、裂隙场、能量场和物质场环境，模拟地下空 间工程可能出现的极端复杂条件，研究复杂工况 单因素或多因素耦合作用下对地下岩土层、支护 层服役安全的影响规律. 地下空间工程结构体埋于地层中，在服役过 程中既承受外部荷载的作用，又受到外部物理化 · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
杨仁树等：地下空间工程服役安全的认识与思考 3 学环境的影响.在力学、物理和化学多重作用下， 13支护与围岩的相互作用 导致结构体过早破坏失效.由于外部荷载的作用， 地下空间工程就是在地面以下的地层中挖掘出 结构体材料一岩石、混凝土内部首先出现微裂 一个空间，达到不同使用功能的目的.这样必然导致 隙，在物理化学作用下，微裂隙进一步扩展，形成 原本处于平衡状态的地层因为扰动而发生应力的重 宏观的裂纹，导致结构物的耐久性及其强度降低 新调整和变形，以寻求新的平衡态.由于地质条件的 在作用效应中，力学、物理及化学三因素的作用之 差异，有的围岩可以通过自身的应力调整达到新的平 间互为前提，又相互促进.多因素耦合作用下，结 衡：有的围岩则难以自身达到平衡，随着变形的不断 构体的损伤破裂机理要比单因素单独作用复杂的 发展，出现了破坏和失稳现象，这样就需要适当的人 多.结构体的损伤劣化程度并不是单因素作用结 工的支护干预，使其能够尽快达到新的平衡 果的简单叠加，例如有研究结果表明，环境化学因 支护与围岩的相互作用关系较为复杂.首先， 素的作用虽然存在加速混凝土结构劣化的负面效 支护与围岩的相互作用具有时间效应，地下空间 应，但在历程中某一阶段内，同样存在延缓混凝土 开挖后的应力平衡不是瞬间实现的，而且支护构 材料与结构损伤进程的正面效应)因此研究微裂 件的施工和架设也需要一定的时间.再有，支护和 隙在多场耦合作用下的起裂、扩展及其止裂规律， 围岩两者相辅相成、密不可分，支护在一定程度上 既能预测判断结构体的服役寿命，又可以采用某 可以承担围压卸荷带来的压力，调动围岩自身承 些可行技术措施对其损伤劣化过程进行控制. 载能力，控制围岩变形：围岩自身的荷载和因变形 1.2循环动载作用下结构体的动态疲劳损伤特性 约束产生的反力又作用在支护上，这对支护体的 目前国内一些重大的岩石地下工程建设和资 刚度和强度都提出了较高的要求.围岩和支护的 源开采领域，爆破作为一种破岩手段被广泛采用， 变形破坏往往都具有非线性的特征，两者中的任 但在爆破过程中，炸药爆炸后会产生冲击波和高 何一方失效都可能导致整个结构体失效.所以要 温高压的爆生气体，由爆源向岩石中传播，应力波 综合考虑支护和围岩的相互作用关系 在岩体中的传播、反射引起岩体内部裂纹发育、 2地下空间工程服役安全相关问题的研究 扩展甚至贯通是导致岩体发生损伤的主要原因， 现状与主要进展 在应力波的传播距离逐渐增大后，将衰减成为地 震波.根据传播途径的差异，地震波分为体积波和 2.1特殊环境下岩石、混凝土的破坏过程 表面波.当爆破所产生的地震波在岩土体介质中 对于单一环境因素为控制变量或双因素耦合 进行传播时，会使爆源附近围岩产生颠簸、摇晃， 作用影响下的岩石、混凝土的破坏过程，已有大量 该现象称为爆破地震效应.由爆破所引发的地震 的研究成果 效应具有很强的危害性，在单次地震波能量较小 在考虑“温度”因素方面，对不同冻结温度和 的情况下或许不会对结构或者岩体造成破坏，而 不同冻融次数的饱水红砂岩进行研究，从应力一应 在多次地震波反复作用下，结构或者岩体将出现 变曲线的变化、试件的破坏形态等方面人手，研究 疲劳效应，承载力下降，从而出现裂纹 红砂岩的动力学特性的温度效应及应变率效应圆 工程实践的结果表明，动载是影响岩体疲劳 通过分析常温到负温状态下煤一岩样动态力学参 累积损伤和性能劣化的重要因素，动态效应存在 数及相关力学性质的变化，研究了低温梯度对煤- 多种负面影响，如动态效应可以直接破坏岩体的 岩动态力学性能的影响，探讨了低温与冲击荷载 完整性，导致失稳过程的发生，同时在反复动载作 耦合作用下的煤-岩应力-应变曲线特征（图1） 用下岩土会发生疲劳破坏，从而加速了岩体的破 分析了不同应变率下低温冻结煤-岩的强度性能， 坏过程.从天生桥、太平释及二滩等大型水电站 探究了应变率对试样压缩变形破坏的影响规律 引水隧洞的开挖过程中，研究人员通过分析发现 (图2).且通过对煤一岩样进行饱水处理，通过与 无论在时间上还是空间上，岩爆与爆破之间都存 干燥条件下试样的力学性能进行对比，分析了水、 在着极为密切的关系因此由循环动载作用所 水冰相变对相应煤-岩样强度性能的影响例.利用 引起的岩体疲劳损伤破坏，是目前亟待解决的问 高温加热控制系统和SHPB试验系统，开展不同温 题.目前国内外关于岩体动态疲劳损伤破坏的研 度和不同冲击速度耦合作用下的煤-岩的动态断 究并不突出，因此被认为是涉及复杂动力过程且 裂韧度测试，发现断裂韧度随温度升高而降低，但 少有参考资料的国际性前沿课题 不是线性降低0]
学环境的影响. 在力学、物理和化学多重作用下， 导致结构体过早破坏失效. 由于外部荷载的作用， 结构体材料——岩石、混凝土内部首先出现微裂 隙，在物理化学作用下，微裂隙进一步扩展，形成 宏观的裂纹，导致结构物的耐久性及其强度降低. 在作用效应中，力学、物理及化学三因素的作用之 间互为前提，又相互促进. 多因素耦合作用下，结 构体的损伤破裂机理要比单因素单独作用复杂的 多. 结构体的损伤劣化程度并不是单因素作用结 果的简单叠加，例如有研究结果表明，环境化学因 素的作用虽然存在加速混凝土结构劣化的负面效 应，但在历程中某一阶段内，同样存在延缓混凝土 材料与结构损伤进程的正面效应[4] . 因此研究微裂 隙在多场耦合作用下的起裂、扩展及其止裂规律， 既能预测判断结构体的服役寿命，又可以采用某 些可行技术措施对其损伤劣化过程进行控制. 1.2 循环动载作用下结构体的动态疲劳损伤特性 目前国内一些重大的岩石地下工程建设和资 源开采领域，爆破作为一种破岩手段被广泛采用， 但在爆破过程中，炸药爆炸后会产生冲击波和高 温高压的爆生气体，由爆源向岩石中传播，应力波 在岩体中的传播、反射引起岩体内部裂纹发育、 扩展甚至贯通是导致岩体发生损伤的主要原因， 在应力波的传播距离逐渐增大后，将衰减成为地 震波. 根据传播途径的差异，地震波分为体积波和 表面波. 当爆破所产生的地震波在岩土体介质中 进行传播时，会使爆源附近围岩产生颠簸、摇晃， 该现象称为爆破地震效应. 由爆破所引发的地震 效应具有很强的危害性，在单次地震波能量较小 的情况下或许不会对结构或者岩体造成破坏，而 在多次地震波反复作用下，结构或者岩体将出现 疲劳效应，承载力下降，从而出现裂纹. 工程实践的结果表明，动载是影响岩体疲劳 累积损伤和性能劣化的重要因素，动态效应存在 多种负面影响，如动态效应可以直接破坏岩体的 完整性，导致失稳过程的发生，同时在反复动载作 用下岩土会发生疲劳破坏，从而加速了岩体的破 坏过程. 从天生桥、太平释及二滩等大型水电站 引水隧洞的开挖过程中，研究人员通过分析发现 无论在时间上还是空间上，岩爆与爆破之间都存 在着极为密切的关系[5−7] . 因此由循环动载作用所 引起的岩体疲劳损伤破坏，是目前亟待解决的问 题. 目前国内外关于岩体动态疲劳损伤破坏的研 究并不突出，因此被认为是涉及复杂动力过程且 少有参考资料的国际性前沿课题. 1.3 支护与围岩的相互作用 地下空间工程就是在地面以下的地层中挖掘出 一个空间，达到不同使用功能的目的. 这样必然导致 原本处于平衡状态的地层因为扰动而发生应力的重 新调整和变形，以寻求新的平衡态. 由于地质条件的 差异，有的围岩可以通过自身的应力调整达到新的平 衡；有的围岩则难以自身达到平衡，随着变形的不断 发展，出现了破坏和失稳现象，这样就需要适当的人 工的支护干预，使其能够尽快达到新的平衡. 支护与围岩的相互作用关系较为复杂. 首先， 支护与围岩的相互作用具有时间效应，地下空间 开挖后的应力平衡不是瞬间实现的，而且支护构 件的施工和架设也需要一定的时间. 再有，支护和 围岩两者相辅相成、密不可分，支护在一定程度上 可以承担围压卸荷带来的压力，调动围岩自身承 载能力，控制围岩变形；围岩自身的荷载和因变形 约束产生的反力又作用在支护上，这对支护体的 刚度和强度都提出了较高的要求. 围岩和支护的 变形破坏往往都具有非线性的特征，两者中的任 何一方失效都可能导致整个结构体失效. 所以要 综合考虑支护和围岩的相互作用关系. 2 地下空间工程服役安全相关问题的研究 现状与主要进展 2.1 特殊环境下岩石、混凝土的破坏过程 对于单一环境因素为控制变量或双因素耦合 作用影响下的岩石、混凝土的破坏过程，已有大量 的研究成果. 在考虑“温度”因素方面，对不同冻结温度和 不同冻融次数的饱水红砂岩进行研究，从应力−应 变曲线的变化、试件的破坏形态等方面入手，研究 红砂岩的动力学特性的温度效应及应变率效应[8] . 通过分析常温到负温状态下煤−岩样动态力学参 数及相关力学性质的变化，研究了低温梯度对煤− 岩动态力学性能的影响，探讨了低温与冲击荷载 耦合作用下的煤−岩应力−应变曲线特征（图 1）. 分析了不同应变率下低温冻结煤−岩的强度性能， 探究了应变率对试样压缩变形破坏的影响规律 （图 2）. 且通过对煤−岩样进行饱水处理，通过与 干燥条件下试样的力学性能进行对比，分析了水、 水冰相变对相应煤−岩样强度性能的影响[9] . 利用 高温加热控制系统和 SHPB 试验系统，开展不同温 度和不同冲击速度耦合作用下的煤−岩的动态断 裂韧度测试，发现断裂韧度随温度升高而降低，但 不是线性降低[10] . 杨仁树等： 地下空间工程服役安全的认识与思考 · 3 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 45 60 .(a) (b) 35 50 10 0 0 0 0.0020.0040.0060.0080.0100.012 0.0020.0040.006 0.0080.010 Strain Strain 图1不同温度下煤-岩样应力-应变曲线例.(a)饱水煤样：(b)干燥煤样 Fig.1 Stress-strain curves of the coal-rock samples at different temperatures (a)water saturated coal sample;(b)dry coal sample (a) 6 (d) (e) 图2不同应变率下的煤-岩样品的破坏形态.(a)49s:(b)61s:(c)70s:(d)82s:(e)101s Fig.2 Disruption morphology of the coal-rock samples at different strain rates!(a)49s;(b)61 s;(c)70 s;(d)82 s;(e)101 s 在考虑岩石、混凝土自身所含裂隙、节理、孔 普金森杆实验系统，结合数字图像相关法(DIC)研 洞等缺陷对破坏过程的影响方面，将焦散线法引 究了含倾斜弱面介质中动态裂纹的扩展行为，发 入爆炸、冲击实验中，研究了爆生裂纹与弱面四、 现裂纹在遇到弱面后易偏向弱面扩展，裂纹尖端 缺陷1等不连续结构面的相互作用机理.研究了 应力场初始为拉应力场，而随着裂纹逐渐偏向弱 含层理煤的动态断裂韧度，并将不同层理角度() 面扩展，导致裂纹尖端出现拉剪复合应力场，且随 下的动态断裂韧度与离散格子弹簧(DLSM)的数 之改变的有开裂应变及开裂速度，均出现增大现 值计算的结果进行了对比)，如图3所示.采用霍 象，如图4所示 B=0° B=22.5° B=45° B=67.5° B=90° 图3含层理煤的动态断裂结果) Fig.3 Dynamic fracture results of coal with a bedding structurel 在水一岩作用方面，开展了水压作用下井壁高 如图5所示，图中A~H点为井壁测点，其中A为 强混凝土力学性能的试验研究，建立了高强混凝 拱顶，D为底板. 土在不同水压条件下的两参数破坏准则，提出了 以上研究的考虑角度各有侧重，很少涉及多 高强混凝土在不同水压条件下的单轴单参数本构 因素耦合或是多场耦合条件下的岩石、混凝土材 模型和三轴全曲线的三参数本构模型利用混 料的破坏过程.多场耦合下，材料的破坏效应并非 合罚函数方法和复变函数理论，推导出全水压作 是单因素影响效应的叠加，对此需要进行深入的 用下直墙半圆拱斜井井壁的映射函数方程和井壁 研究.另外，理论和试验研究往往会提前对某些条 的弹性近似解析解，分析了量纲为一的水压、井壁 件进行简化和假设，理论成果对实际工程直接指 设计参数等因素对井壁应力和位移分布的影响6， 导作用的针对性有待加强
在考虑岩石、混凝土自身所含裂隙、节理、孔 洞等缺陷对破坏过程的影响方面，将焦散线法引 入爆炸、冲击实验中，研究了爆生裂纹与弱面[11]、 缺陷[12] 等不连续结构面的相互作用机理. 研究了 含层理煤的动态断裂韧度，并将不同层理角度（β） 下的动态断裂韧度与离散格子弹簧（DLSM）的数 值计算的结果进行了对比[13] ，如图 3 所示. 采用霍 普金森杆实验系统，结合数字图像相关法（DIC）研 究了含倾斜弱面介质中动态裂纹的扩展行为，发 现裂纹在遇到弱面后易偏向弱面扩展，裂纹尖端 应力场初始为拉应力场，而随着裂纹逐渐偏向弱 面扩展，导致裂纹尖端出现拉剪复合应力场，且随 之改变的有开裂应变及开裂速度，均出现增大现 象[14] ，如图 4 所示. β = 0° β = 22.5° β = 45° β = 67.5° β = 90° 图 3 含层理煤的动态断裂结果[13] Fig.3 Dynamic fracture results of coal with a bedding structure[13] 在水−岩作用方面，开展了水压作用下井壁高 强混凝土力学性能的试验研究，建立了高强混凝 土在不同水压条件下的两参数破坏准则，提出了 高强混凝土在不同水压条件下的单轴单参数本构 模型和三轴全曲线的三参数本构模型[15] . 利用混 合罚函数方法和复变函数理论，推导出全水压作 用下直墙半圆拱斜井井壁的映射函数方程和井壁 的弹性近似解析解，分析了量纲为一的水压、井壁 设计参数等因素对井壁应力和位移分布的影响[16] ， 如图 5 所示，图中 A～H 点为井壁测点，其中 A 为 拱顶，D 为底板. 以上研究的考虑角度各有侧重，很少涉及多 因素耦合或是多场耦合条件下的岩石、混凝土材 料的破坏过程. 多场耦合下，材料的破坏效应并非 是单因素影响效应的叠加，对此需要进行深入的 研究. 另外，理论和试验研究往往会提前对某些条 件进行简化和假设，理论成果对实际工程直接指 导作用的针对性有待加强. Strain (a) Stress/MPa Stress/MPa 45 40 30 25 35 20 15 10 5 0 40 50 60 30 20 10 0 0 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.002 Strain (b) 0 0.004 0.006 0.008 0.010 0.002 25 ℃ −5 ℃ −10 ℃ −20 ℃ −30 ℃ −40 ℃ −15 ℃ 25 ℃ −5 ℃ −10 ℃ −20 ℃ −30 ℃ −40 ℃ −15 ℃ 图 1 不同温度下煤−岩样应力−应变曲线[9] .（a）饱水煤样；（b）干燥煤样 Fig.1 Stress–strain curves of the coal–rock samples at different temperatures[9] ：(a) water saturated coal sample; (b) dry coal sample (a) (b) (c) (d) (e) 图 2 不同应变率下的煤−岩样品的破坏形态[9] . (a) 49 s−1 ；(b) 61 s−1 ；(c) 70 s−1 ；(d) 82 s−1 ；(e) 101 s−1 Fig.2 Disruption morphology of the coal−rock samples at different strain rates[9] ：(a) 49 s−1 ；(b) 61 s−1 ；(c) 70 s−1 ；(d) 82 s−1 ；(e) 101 s−1 · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期