地下工程专题序

地下工程专题序

进入21世纪以来，隧道及地下工程已成为土木工程最为活跃的学科方向，其作用和地位凸显，并在交通基础设施和城市轨道交通建设中发挥了关键作用.事实上，正是复杂长大隧道和城市地下空间开发技术的突破才使得我国高速铁路、高速公路和城市轨道交通工程的大规模快速建设成为可能.在隧道及地下工程的安全建造和安全服役中涉及诸多力学问题，其中包括：隧道围岩变形及致灾机理、支护与围岩作用机制及评价方法和地下结构的动力响应等，本刊组织了“地下工程专题”，主要介绍以下四个方面的研究进展：

(1)隧道及地下工程的基本问题

从隧道及地下工程的本质特征出发，提出隧道围岩稳定性、“支护--围岩”作用关系和结构体系的动力响应等三个本学科的基本问题，并给出了三者之间的关系以及在地下结构设计中的应用方法.

基于围岩的渐进破坏特点，提出了深浅层围岩结构的理念，建立了基于结构层稳定性的分析模型，提出了围岩荷载的计算方法，给出了隧道围岩特性曲线的解析分析方法.

基于围岩变形过程的特点，提出了支护与围岩作用的四阶段理论，分别对应围岩自由变形、超前支护、初期支护和二次衬砌施作，由此建立了其动态描述方法.

明确了隧道支护的基本作用，即调动围岩承载和协助围岩承载，明确了不同支护形式的作用特点，建立了支护结构体系的协同作用模型.

(2)隧道工程灾害与控制

基于隧道坍塌事故特点的分析，提出了隧道围岩失稳、支护结构失效和工程环境失调三种机理分析模型，并对其发生过程进行了描述；针对稳定性极差的复杂围岩条件，提出了隧道围岩安全性的新理念，并建立了安全性评价体系和评价方法.

针对海底隧道的突水特点，分析了三种隧道突水事故模式的形成机制和演化过程，提出了突水灾害的控制方案；建立了基于堵水限排的水压力和渗水量预测模型，可实现排水量的动态调控.

针对岩溶隧道，从系统论角度分析了突水灾变的形成机理，建立了隔水岩体厚度分析模型，提出了突水灾害由灾害源、突水通道与隔水阻泥结构等三要素构成，并对其发展趋势进行了论述.

(3)隧道结构设计原理

针对盾构隧道结构受力特点，基于Drucker-Prager屈服准则，建立了考虑渗流效应的围岩-衬砌结构相互作用的弹塑性分析模型，给出了围岩应力、位移及塑性区半径等关键参数与支护阻力的关系式，据此确定管片隧道结构的受力状态和荷载值.

通过引入刚度折减系数，等效地考虑了接头引起盾构管片衬砌结构整体刚度的影响，并据此分析了管片衬砌结构与围岩相互作用的静力响应；在盾构隧道结构设计时考虑了流固耦合效应以及渗流力对衬砌结构支护特性曲线的影响，并进行了简化，可为类似工程的设计施工提供借鉴.

针对地下结构的耐久性，提出了一种以两相材料为对象的新参考介质，推导了新参考介质下两相材料的有效模量表达式，并给出相应修正张量的近似计算方法；将多层次均匀化方法用于多相材料性能的预测.

(4)隧道及地下结构的动力响应

针对高速列车引起的车隧气动效应，采用Ansys软件的workbench模拟平台，对气动载荷作用下隧道缓冲结构的应力变化及流固耦合特性进行了分析，结果表明：行车速度为350km/h时，气动载荷引起的附加应力可达80kPa，缓冲结构开口周围成为附加应力集中区；对于双线隧道，近车侧附加应力值大于远车侧，但其变化规律一致.

与压力波的传播特性相类似，气动荷载所引起的附加压应力具有往复传播特征，且隧道缓冲结构形态是引起应力集中的决定因素，这对于隧道洞口缓冲结构的设计及安全巡查具有指导意义.

针对地铁车站结构特点，采用数值模拟与振动台试验方法重点分析了车站Y型柱和侧墙的加速度、位移及应变规律，Y型柱加速度最大位置出现于柱顶端稍下的位置，分叉位置处应变出现突变，这是抗震设计中需要加强的部位；Y型柱加速度和位移变化均大于侧墙，对该类地铁车站结构的抗震性能设计具有参考价值.

本专题研究论文重点介绍了隧道及地下工程领域中设计、施工和安全控制方面的主要研究进展，特别关注其中涉及的力学问题.希望本专题能使读者对隧道及地下工程这一学科的核心问题及其研究进展有所了解，同时也期望相关学科的学者对此予以关注，将这一领域的理论研究引向深入，整体提升本学科方向的学术层次和学术水平，为实现我国由隧道大国向隧道强国的跨越作出贡献.

北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心