1.3 高地應(yīng)力軟巖荷載問題的研究現(xiàn)狀

1.3.1 高地應(yīng)力軟巖荷載問題國外研究現(xiàn)狀

在圍巖壓力和圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用機理研究方面，有以巖體本構(gòu)模型為出發(fā)點的理論研究，也有新興科學(xué)理論及方法交叉發(fā)展。由于地質(zhì)條件的差異性，不同國家和地區(qū)研究的側(cè)重點也不相同，更有工程實踐超前理論發(fā)展等特點。

在隧道圍巖的應(yīng)力分布、穩(wěn)定性及圍巖壓力研究方面，許多學(xué)者對連續(xù)介質(zhì)圍巖中單拱隧道的解析解進行了研究。半個多世紀(jì)以來，一些學(xué)者曾采用各種巖體本構(gòu)模型和不同的強度準(zhǔn)則，對隧道圍巖的應(yīng)力和位移進行過廣泛的研究。許多巖石力學(xué)工作者以彈塑性理論為基礎(chǔ)研究了圍巖的應(yīng)力分布、穩(wěn)定性及圍巖壓力。從理論上講，彈塑性理論比較嚴密，但數(shù)學(xué)運算復(fù)雜。為了簡化計算和分析，一般總是對圓形洞室進行分析，因為圓形洞室在特定條件下是應(yīng)力軸對稱的，數(shù)學(xué)上容易解決。在這當(dāng)中比較有名的有芬納（Fenner）公式、卡柯（Caquot）公式和勃萊（Bray）公式[20]。

當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，各學(xué)科之間相互滲透，相互影響。由于巖體材料的復(fù)雜性、模糊性和不確定性等，許多新興科學(xué)理論及方法被引入到本領(lǐng)域中來。由Kachnov和Rabotnov創(chuàng)立的損傷力學(xué)理論，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域，成為固體力學(xué)研究的一個前沿。Dougill最早把損傷力學(xué)應(yīng)用于巖石和混凝土材料。Kyoya[21]等最先將損傷力學(xué)應(yīng)用于地下洞室?guī)r體的穩(wěn)定性分析。近幾年，Kawamoto[22]、Zhang Wohua[23]等又將其應(yīng)用延伸到節(jié)理裂隙巖體。分形幾何學(xué)是Mandelbrot創(chuàng)建并發(fā)展起來的一門研究自然界不規(guī)則現(xiàn)象及其內(nèi)在規(guī)律的學(xué)科。它主要研究一些具有自相似性的不規(guī)則曲線或位形。分形幾何已被應(yīng)用于巖石力學(xué)問題的研究中。Chiles[24]通過對巖體中6600多條斷裂形跡的統(tǒng)計分析指出，這些斷裂具有統(tǒng)計自相似性，并提出了巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬的分形方法。模糊數(shù)學(xué)也被引入巖石力學(xué)領(lǐng)域以研究天然巖石的不確定性。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、系統(tǒng)工程、人工智能專家系統(tǒng)、灰色系統(tǒng)理論、控制論、信息論的成就也在巖體力學(xué)領(lǐng)域中得到應(yīng)用[20]。

由于東、西方地質(zhì)條件的差異性，歐美等發(fā)達國家對高地應(yīng)力條件下的硬巖及巖爆等問題研究的相對較多，而對以構(gòu)造應(yīng)力作用為主的隧道軟弱圍巖的本構(gòu)模型、開挖支護后圍巖壓力與位移、應(yīng)力分布等研究相對較少。

1.3.2 高地應(yīng)力軟巖荷載問題國內(nèi)研究進展

隨著中國經(jīng)濟、技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是近年來重大地下工程建設(shè)規(guī)模越來越大，埋深越來越深，高地應(yīng)力問題在國內(nèi)引起了極大關(guān)注和深入研究。僅在隧道工程方面，就遇到了大量的高地應(yīng)力問題。近幾年來，穿越高地應(yīng)力區(qū)且工程地質(zhì)環(huán)境惡劣的軟弱圍巖長大隧道工程不斷涌現(xiàn)，典型的如全長20.050km的蘭武二線烏鞘嶺特長隧道[25]，全長32.605km的新關(guān)角隧道[26]，以及蘭渝鐵路木寨嶺隧道[27]（全長19.090km）、天池坪隧道（全長14.528km）、兩水隧道（全長4.94km）等。高地應(yīng)力軟弱圍巖問題的主要表現(xiàn)就是大變形問題，尤其是從烏鞘嶺隧道的修建開始，中國科研工作者再次更加關(guān)注高地應(yīng)力軟弱圍巖的大變形問題。

目前中國對高地應(yīng)力問題的研究主要集中在地應(yīng)力測試、高地應(yīng)力下巖體力學(xué)性質(zhì)、高地應(yīng)力下巖體變形與破壞、巖爆機理與防治、軟巖支護等方面，取得了大量有價值的研究成果。對高地應(yīng)力下軟巖變形機理的關(guān)注和研究要從中國修建二郎山隧道時遇到軟巖大變形說起。李永林[28]（2000）在研究二郎山軟巖變形后認為，大變形是剪切錯動斷裂面下的失穩(wěn)，是正應(yīng)力作用下局部產(chǎn)生的失穩(wěn)。何滿潮[15]（2002）進一步系統(tǒng)地論述了軟巖工程力學(xué)問題。卿三惠、黃潤秋[29-30]等在該隧道的支護研究中提出了以柔克剛、先柔后剛的防治技術(shù)。錢七虎[31]概括高地應(yīng)力環(huán)境下深部工程特點與今后需要研究的方向：①圍巖中大變形和大變形速度；②應(yīng)變型巖爆的發(fā)生及巖爆的時空效應(yīng)；③圍巖中的分區(qū)破裂現(xiàn)象。在隧道圍巖的應(yīng)力分布、穩(wěn)定性及圍巖壓力研究方面，通常對圓形洞室圍巖的彈塑性分析，多引用庫侖屈服條件和Kastner公式。由于理想彈塑性體的后繼屈服段恒等于巖體峰值強度，使得Kastner解中洞室圍巖自承能力要高于實際圍巖的自承能力。趙德安等[32]（2009）采用三維有限元多元回歸分析方法，基于有限測點的地應(yīng)力量測結(jié)果，拓展分析隧道區(qū)原始宏觀地應(yīng)力場。建立隧道區(qū)兩個大規(guī)模三維計算模型，通過有限元分析軟件ANSYS對重力、縱橫向水平擠壓和剪切等工況的構(gòu)造應(yīng)力場分別進行計算。編制三維地應(yīng)力場多元回歸分析計算機軟件MEBA以及與ANSYS的接口程序MEBAC，實現(xiàn)地應(yīng)力場的多元回歸拓展分析，著重分析烏鞘嶺隧道嶺脊地段的復(fù)雜應(yīng)力狀況應(yīng)力值的宏觀大小和規(guī)律，特別是F4、F5、F6、F7斷層及其附近的應(yīng)力狀況。

祁生文等[33]（2011）利用數(shù)值模擬以及地應(yīng)力實測資料，研究了高地應(yīng)力區(qū)河谷應(yīng)力場的分布特征，發(fā)現(xiàn)對于無卸荷帶的均質(zhì)彈性邊坡，從坡表到坡內(nèi)可以劃分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力平穩(wěn)區(qū)兩個區(qū)；對于存在卸荷帶的邊坡，從坡表到坡內(nèi)可以劃分為三個區(qū)：應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力平穩(wěn)區(qū)。卸荷帶的存在是最大主應(yīng)力從坡表至坡內(nèi)出現(xiàn)三個帶的本質(zhì)原因。高地應(yīng)力區(qū)邊坡由于構(gòu)造應(yīng)力場的存在，使得邊坡應(yīng)力集中的水平明顯提高，集中的范圍明顯變大，邊坡常常存在較寬卸荷帶。因此，高地應(yīng)力區(qū)高陡邊坡的應(yīng)力場也可以大致劃分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力平穩(wěn)區(qū)三個帶。但一些高地應(yīng)力區(qū)邊坡內(nèi)部發(fā)育深部卸荷裂縫，其應(yīng)力集中區(qū)向坡體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)的應(yīng)力出現(xiàn)波動變化，深部裂縫存在部位應(yīng)力明顯降低。

陳志敏等[26]（2011）以關(guān)角隧道為工程背景，采用開挖應(yīng)力釋放率模型，研究高地應(yīng)力軟弱圍巖地質(zhì)條件下鐵路隧道的襯砌壓力。基于現(xiàn)場實測地應(yīng)力和施工監(jiān)測位移，根據(jù)臺階法開挖中存在的空間效應(yīng)，推算未監(jiān)測到的坑道周邊位移和掌子面前位移，再采用改進的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測隧道圍巖的最終位移。利用開挖應(yīng)力釋放率模型獲得隧道襯砌壓力及應(yīng)力釋放規(guī)律。該規(guī)律與經(jīng)典圍巖特征曲線規(guī)律一致，且與工程經(jīng)驗和現(xiàn)場施工狀態(tài)基本符合。

黃興等[34]（2012）為了研究深井軟巖巷道大變形機制及其控制對策，以淮南礦業(yè)集團朱集礦-885m東翼軌道大巷為支護工程實踐。該巷道為典型的深井高地應(yīng)力軟巖巷道，開挖后圍巖表現(xiàn)出強烈非線性大變形特點，變形速率大。首先進行了圍巖大變形等級識別，并基于Hoek-Brown彈塑性模型分析了巷道圍巖的應(yīng)力場、位移場，考慮巷道斷面形狀、圍巖強度特征、巷道群擾動等影響，揭示了該巷道的大變形機制。針對-885m軌道大巷提出了新支護方案。

劉泉聲等[35]（2012）研究高地應(yīng)力破碎軟巖巷道底膨問題，由于其地質(zhì)條件的復(fù)雜性，該問題是煤礦開采的技術(shù)難題之一。通過總結(jié)分析高地應(yīng)力破碎軟巖巷道底膨的變形破壞特性，研究了底膨治理對策。研究結(jié)果表明，底板圍巖呈現(xiàn)出擠壓剪切流變特性，在支護對策上應(yīng)將支護體系視為完整體系，在加強修復(fù)固結(jié)、應(yīng)力轉(zhuǎn)移和擴大承載圈的同時強調(diào)調(diào)動幫、頂部的間接控制作用；提出了以底板超挖、高強度預(yù)應(yīng)力錨索、深孔注漿、底腳、拱角錨桿和回填為技術(shù)支撐的綜合治理對策。

潘飛等[36]（2014）以鄂西宜巴高速公路峽口隧道為工程實例，針對隧道施工中遇到的高地應(yīng)力軟巖大變形問題，對其高地應(yīng)力軟巖特點和大變形特征進行分析研究；提出優(yōu)化開挖方法，調(diào)整預(yù)留變形量，利用聯(lián)合初期支護和可伸縮性U形鋼架及信息化施工等綜合大變形控制措施和施工技術(shù)，有效地控制了隧道圍巖大變形。

陳志敏[37]（2014）研究巖體開挖后受擾動而產(chǎn)生應(yīng)力重分布過程，極其復(fù)雜，尤其是在不良地質(zhì)環(huán)境下更甚。對于地質(zhì)條件差、地應(yīng)力為高—極高的軟弱圍巖，其結(jié)構(gòu)受力大小與受力特征對隧道結(jié)構(gòu)安全尤為重要。針對目前研究中存在的問題，結(jié)合工程中出現(xiàn)的問題和實際需求，以高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下的關(guān)角隧道、木寨嶺隧道等工程為背景，通過地應(yīng)力現(xiàn)場實測、理論研究與數(shù)值分析，對高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖壓力和圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用機制進行研究。

羅超文等[38]（2014）基于贛龍鐵路梅花山隧道圍巖應(yīng)力以及圍巖巖體模量實測結(jié)果，對隧道圍巖應(yīng)力分布特征、圍巖模量的分布特征、圍巖應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移特性以及開挖方式對圍巖松弛區(qū)的影響進行分析。

申艷軍等[39]（2014）研究發(fā)現(xiàn)高地應(yīng)力區(qū)大型水電硐室圍巖工程地質(zhì)特征較一般地應(yīng)力狀態(tài)下差異很大，相應(yīng)圍巖分類評價思路及體系應(yīng)有所差異，但目前水電工程圍巖分類法（簡稱為“HC法”）對評價高地應(yīng)力區(qū)尚存在諸多缺陷，造成評價結(jié)果與真實情況存在一定差距。以高地應(yīng)力區(qū)HC法合理應(yīng)用為研究目的，首先對該方法存在的諸多問題全面分析，并針對相對地應(yīng)力分類評價指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)提出新的建議；而后，針對HC法對高地應(yīng)力區(qū)的評價思路與方法進行優(yōu)化，提出相應(yīng)的優(yōu)化方法；最后，以在建的猴子巖水電站主廠房為分析實例，采用對比分析方法印證該優(yōu)化方法的適宜性。

張德華[40]（2015）結(jié)合正在修建的蘭新鐵路第二雙線LXS-7標(biāo)的極高地應(yīng)力大梁隧道，開展型鋼鋼架與格柵鋼架支護機理研究。在綜合考慮噴射混凝土?xí)r間硬化效應(yīng)對初期支護強度影響的基礎(chǔ)上，基于圍巖支護特征理論綜合分析型鋼鋼架及格柵鋼架的支護機理及其適應(yīng)性，探索高地應(yīng)力軟巖隧道工程中不同剛度支護的力學(xué)響應(yīng)過程，繪制高地應(yīng)力軟巖隧道幾種可能的圍巖支護特征曲線，為高地應(yīng)力軟巖隧道合理支護形式的確定提供理論依據(jù)，并提出適合于圍巖大變形的合理支護形式，以及控制高地應(yīng)力軟巖隧道大變形的合理措施。

陳菲等[41]（2015）針對國內(nèi)曾先后提出多種地應(yīng)力分級方案，但分級結(jié)果與工程巖體的實際行為存在一定差距，部分預(yù)測為高地應(yīng)力的工程未出現(xiàn)高地應(yīng)力現(xiàn)象（如官地地下廠房），而預(yù)測為低地應(yīng)力的工程（如二灘地下廠房）卻出現(xiàn)嚴重的巖爆等高地應(yīng)力現(xiàn)象。針對此問題，在國內(nèi)常用地應(yīng)力分級方案基礎(chǔ)上，討論了影響地應(yīng)力分級的主要因素，將高地應(yīng)力劃分為初始高地應(yīng)力與誘發(fā)高地應(yīng)力兩類。

另一方面，中國各學(xué)科之間也存在相互滲透，相互影響。許多新興科學(xué)理論及方法被引入到本領(lǐng)域中來，損傷力學(xué)、分型幾何學(xué)、尖點災(zāi)變模型、模糊數(shù)學(xué)等被應(yīng)用到巖體力學(xué)中，但這些方法主要還是適用于硬脆性巖體隧道。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、系統(tǒng)工程、人工智能專家系統(tǒng)、灰色系統(tǒng)理論、控制論、信息論的成就也在巖體力學(xué)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近幾年發(fā)展起來的十分熱門的交叉學(xué)科，涉及生物、電子、計算機、數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科，是模擬人腦學(xué)習(xí)功能的一種智能方法，可用于預(yù)測。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜的非線性系統(tǒng)中有較高的建模能力及對數(shù)據(jù)良好的擬合能力，使其在多項工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。進入20世紀(jì)90年代以來，它在巖體力學(xué)領(lǐng)域得到了迅速的應(yīng)用，大量文獻采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對巖體力學(xué)及隧道工程問題進行了研究。由此可見，正是巖體的復(fù)雜性和各種地質(zhì)環(huán)境條件的影響，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在預(yù)測隧道圍巖分類、施工引起地表變形和隧道圍巖變形等方面得到了廣泛應(yīng)用，但是在高地應(yīng)力對隧道結(jié)構(gòu)影響研究方面卻尚未見報道，可見，將可以模擬具有不確定性和高度非線性的巖體性能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能方法應(yīng)用在研究高地應(yīng)力軟巖與隧道結(jié)構(gòu)相互作用方面，不失為一種較好的切入點。

從目前掌握的資料看，雖然高地應(yīng)力問題研究已經(jīng)取得了大量研究成果，但國內(nèi)、外在高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道中，從原巖應(yīng)力場過渡到開挖后的應(yīng)力狀態(tài)變化的實用成果較少。雖然在高地應(yīng)力條件下，針對具體隧道工程也提出了一些支護設(shè)計、施工的相關(guān)技術(shù)，但實用性的理論研究成果很少，尤其是幾乎沒有能夠真正應(yīng)用于工程實踐的理論成果，因此該問題仍然是一個開放課題，有進一步進行深入理論研究的必要。就高地應(yīng)力軟巖隧道的設(shè)計、施工而言，目前急需解決的問題是，高地應(yīng)力條件下基于原巖應(yīng)力與隧道容許位移（或支護后實際量測位移）考慮巖性、施工等各種因素，探尋圍巖作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載規(guī)律，即在高地應(yīng)力原巖應(yīng)力場、隧道位移與隧道圍巖壓力之間“架一座橋”，構(gòu)建基于原始地應(yīng)力場和隧道位移的地下工程圍巖壓力計算公式。