地下工程專題序

地下工程專題序

進入21世紀以來，隧道及地下工程已成為土木工程最為活躍的學科方向，其作用和地位凸顯，并在交通基礎設施和城市軌道交通建設中發揮了關鍵作用.事實上，正是復雜長大隧道和城市地下空間開發技術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模快速建設成為可能.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問題，其中包括：隧道圍巖變形及致災機理、支護與圍巖作用機制及評價方法和地下結構的動力響應等，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特征出發，提出隧道圍巖穩定性、“支護--圍巖”作用關系和結構體系的動力響應等三個本學科的基本問題，并給出了三者之間的關系以及在地下結構設計中的應用方法.

基于圍巖的漸進破壞特點，提出了深淺層圍巖結構的理念，建立了基于結構層穩定性的分析模型，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，提出了支護與圍巖作用的四階段理論，分別對應圍巖自由變形、超前支護、初期支護和二次襯砌施作，由此建立了其動態描述方法.

明確了隧道支護的基本作用，即調動圍巖承載和協助圍巖承載，明確了不同支護形式的作用特點，建立了支護結構體系的協同作用模型.

(2)隧道工程災害與控制

基于隧道坍塌事故特點的分析，提出了隧道圍巖失穩、支護結構失效和工程環境失調三種機理分析模型，并對其發生過程進行了描述；針對穩定性極差的復雜圍巖條件，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，分析了三種隧道突水事故模式的形成機制和演化過程，提出了突水災害的控制方案；建立了基于堵水限排的水壓力和滲水量預測模型，可實現排水量的動態調控.

針對巖溶隧道，從系統論角度分析了突水災變的形成機理，建立了隔水巖體厚度分析模型，提出了突水災害由災害源、突水通道與隔水阻泥結構等三要素構成，并對其發展趨勢進行了論述.

(3)隧道結構設計原理

針對盾構隧道結構受力特點，基于Drucker-Prager屈服準則，建立了考慮滲流效應的圍巖-襯砌結構相互作用的彈塑性分析模型，給出了圍巖應力、位移及塑性區半徑等關鍵參數與支護阻力的關系式，據此確定管片隧道結構的受力狀態和荷載值.

通過引入剛度折減系數，等效地考慮了接頭引起盾構管片襯砌結構整體剛度的影響，并據此分析了管片襯砌結構與圍巖相互作用的靜力響應；在盾構隧道結構設計時考慮了流固耦合效應以及滲流力對襯砌結構支護特性曲線的影響，并進行了簡化，可為類似工程的設計施工提供借鑒.

針對地下結構的耐久性，提出了一種以兩相材料為對象的新參考介質，推導了新參考介質下兩相材料的有效模量表達式，并給出相應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測.

(4)隧道及地下結構的動力響應

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

與壓力波的傳播特性相類似，氣動荷載所引起的附加壓應力具有往復傳播特征，且隧道緩沖結構形態是引起應力集中的決定因素，這對于隧道洞口緩沖結構的設計及安全巡查具有指導意義.

針對地鐵車站結構特點，采用數值模擬與振動臺試驗方法重點分析了車站Y型柱和側墻的加速度、位移及應變規律，Y型柱加速度最大位置出現于柱頂端稍下的位置，分叉位置處應變出現突變，這是抗震設計中需要加強的部位；Y型柱加速度和位移變化均大于側墻，對該類地鐵車站結構的抗震性能設計具有參考價值.

本專題研究論文重點介紹了隧道及地下工程領域中設計、施工和安全控制方面的主要研究進展，特別關注其中涉及的力學問題.希望本專題能使讀者對隧道及地下工程這一學科的核心問題及其研究進展有所了解，同時也期望相關學科的學者對此予以關注，將這一領域的理論研究引向深入，整體提升本學科方向的學術層次和學術水平，為實現我國由隧道大國向隧道強國的跨越作出貢獻.

北京交通大學隧道及地下工程教育部工程研究中心