楊仁樹，王雁冰

1) 北京科技大學(xué)大安全科學(xué)研究院，北京 100083 2) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 3) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083

21世紀(jì)，人類步入地下空間開發(fā)的新時(shí)代，世界各國(guó)日益重視對(duì)地下空間的開發(fā)和利用[1].近年來我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)——西部大開發(fā)、南水北調(diào)、西氣東輸、高速鐵路（公路）、深地資源開采、城市地下空間開發(fā)等都涉及大量的地下空間工程.地下空間開發(fā)利用的類型也呈現(xiàn)出多樣化、深層化和復(fù)雜化的特點(diǎn)[2-3].另外，許多地下空間工程已由建造階段轉(zhuǎn)入長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)階段，如何使地下空間工程長(zhǎng)期保持高安全、高穩(wěn)定、高可靠的運(yùn)營(yíng)品質(zhì)，已成為現(xiàn)階段我國(guó)地下空間工程發(fā)展面臨的突出問題，而探明地下空間工程結(jié)構(gòu)體系在全生命周期中的動(dòng)態(tài)性能演變規(guī)律和效應(yīng)，建立科學(xué)有效的地下空間工程服役安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和控制方法，是解決這一突出問題的重要法寶，也是當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵難題.與地面工程相比，地下空間工程安全服役面臨的問題主要有：

（1）復(fù)雜的地質(zhì)條件.我國(guó)國(guó)土面積幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜多變.工程建設(shè)中需要考慮地質(zhì)構(gòu)造、巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)、地下水的賦存和分布及地質(zhì)災(zāi)害等方面的信息.竣工的地下工程結(jié)構(gòu)埋置于地質(zhì)體中，尚應(yīng)考慮工程建設(shè)對(duì)區(qū)域地質(zhì)體安全的影響.

（2）建造質(zhì)量影響服役安全.地下空間工程的結(jié)構(gòu)體在建造過程中就已經(jīng)受到各種復(fù)雜的力學(xué)作用.例如，新澆筑的混凝土在未達(dá)到齡期前，已經(jīng)承受地層壓力或圍巖卸荷壓力的作用；寒區(qū)施工時(shí)，混凝土構(gòu)件在未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前，已經(jīng)受到了反復(fù)凍脹荷載的作用；在巖石工程鉆爆法施工時(shí)，爆破作用已經(jīng)對(duì)被保留巖體造成初始損傷.建造過程中這些復(fù)雜的力學(xué)作用已使得結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度降低.另外，建筑材料的自身性能也直接影響結(jié)構(gòu)體的壽命.

（3）環(huán)境因素引起的結(jié)構(gòu)性能劣化.許多結(jié)構(gòu)體在服役期間常處于多重有害的化學(xué)環(huán)境中，例如，西部地區(qū)的地下水中含有大量的氯離子和硫酸根離子，與混凝土發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，使得混凝土的強(qiáng)度和耐久性降低；礦山礦井建設(shè)開采中的瓦斯、一氧化碳、二氧化硫等有害氣體危害著地下建筑物的安全性能，且二氧化硫等自身具有的強(qiáng)腐蝕性也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞；高原地區(qū)溫度改變時(shí)的凍脹融沉也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體的壽命產(chǎn)生影響.

（4）突發(fā)災(zāi)害.突發(fā)的自然災(zāi)害和超強(qiáng)沖擊荷載可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體帶來毀滅性的打擊.例如，地下空間中的火災(zāi)和水災(zāi)，結(jié)構(gòu)體在高溫或水的作用下，強(qiáng)度大大降低；地震作為一種復(fù)雜的特殊荷載作用，對(duì)結(jié)構(gòu)體及支護(hù)體-圍巖提出了更高的要求；人防工程、防護(hù)工程等對(duì)超強(qiáng)沖擊的防御能力也是服役安全中應(yīng)該考慮的問題.

（5）地下空間開發(fā)向深部發(fā)展.在資源開采領(lǐng)域，淺部資源逐漸減少，資源開采正在向深部發(fā)展.例如，我國(guó)煤炭開采中最深的為山東新汶集團(tuán)的孫村煤礦（1501 m）.另外，在城市地下空間方面，也在提倡地下立體多層次綜合開發(fā)利用.面向2030 m的深地計(jì)劃也進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了深層地下空間開發(fā)的必要性.深部開采工程環(huán)境中的“三高一擾動(dòng)”無疑對(duì)地下空間工程的服役安全提出了更高的要求.

目前我國(guó)正處于大規(guī)模、高速度的地下空間工程開發(fā)建設(shè)的高峰期，隨著地下工程建設(shè)速度的加快以及利用率的逐漸提高，如何提高地下空間工程在其全生命周期內(nèi)的安全性及可靠性，從而保障在長(zhǎng)壽命使用條件下的安全服役，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究人員來說是極其嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和重大課題.本文在分析地下空間工程面臨的主要問題的基礎(chǔ)上，凝練出地下空間工程服役安全的3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，總結(jié)和評(píng)述了筆者及其所在課題組在此方面的相關(guān)研究工作和最新進(jìn)展，并指出未來的發(fā)展趨勢(shì)和需要重點(diǎn)關(guān)注和加強(qiáng)的基礎(chǔ)性研究工作，供地下空間工程技術(shù)、研究及管理部門參考.

1 地下空間工程服役安全的關(guān)鍵科學(xué)問題

1.1 多場(chǎng)耦合作用下結(jié)構(gòu)體材料損傷劣化規(guī)律

針對(duì)地下空間工程復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、裂隙場(chǎng)、能量場(chǎng)和物質(zhì)場(chǎng)環(huán)境，模擬地下空間工程可能出現(xiàn)的極端復(fù)雜條件，研究復(fù)雜工況單因素或多因素耦合作用下對(duì)地下巖土層、支護(hù)層服役安全的影響規(guī)律.

地下空間工程結(jié)構(gòu)體埋于地層中，在服役過程中既承受外部荷載的作用，又受到外部物理化學(xué)環(huán)境的影響.在力學(xué)、物理和化學(xué)多重作用下，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體過早破壞失效.由于外部荷載的作用，結(jié)構(gòu)體材料——巖石、混凝土內(nèi)部首先出現(xiàn)微裂隙，在物理化學(xué)作用下，微裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，形成宏觀的裂紋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的耐久性及其強(qiáng)度降低.在作用效應(yīng)中，力學(xué)、物理及化學(xué)三因素的作用之間互為前提，又相互促進(jìn).多因素耦合作用下，結(jié)構(gòu)體的損傷破裂機(jī)理要比單因素單獨(dú)作用復(fù)雜的多.結(jié)構(gòu)體的損傷劣化程度并不是單因素作用結(jié)果的簡(jiǎn)單疊加，例如有研究結(jié)果表明，環(huán)境化學(xué)因素的作用雖然存在加速混凝土結(jié)構(gòu)劣化的負(fù)面效應(yīng)，但在歷程中某一階段內(nèi)，同樣存在延緩混凝土材料與結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)程的正面效應(yīng)[4].因此研究微裂隙在多場(chǎng)耦合作用下的起裂、擴(kuò)展及其止裂規(guī)律，既能預(yù)測(cè)判斷結(jié)構(gòu)體的服役壽命，又可以采用某些可行技術(shù)措施對(duì)其損傷劣化過程進(jìn)行控制.

1.2 循環(huán)動(dòng)載作用下結(jié)構(gòu)體的動(dòng)態(tài)疲勞損傷特性

目前國(guó)內(nèi)一些重大的巖石地下工程建設(shè)和資源開采領(lǐng)域，爆破作為一種破巖手段被廣泛采用，但在爆破過程中，炸藥爆炸后會(huì)產(chǎn)生沖擊波和高溫高壓的爆生氣體，由爆源向巖石中傳播，應(yīng)力波在巖體中的傳播、反射引起巖體內(nèi)部裂紋發(fā)育、擴(kuò)展甚至貫通是導(dǎo)致巖體發(fā)生損傷的主要原因，在應(yīng)力波的傳播距離逐漸增大后，將衰減成為地震波.根據(jù)傳播途徑的差異，地震波分為體積波和表面波.當(dāng)爆破所產(chǎn)生的地震波在巖土體介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí)，會(huì)使爆源附近圍巖產(chǎn)生顛簸、搖晃，該現(xiàn)象稱為爆破地震效應(yīng).由爆破所引發(fā)的地震效應(yīng)具有很強(qiáng)的危害性，在單次地震波能量較小的情況下或許不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)或者巖體造成破壞，而在多次地震波反復(fù)作用下，結(jié)構(gòu)或者巖體將出現(xiàn)疲勞效應(yīng)，承載力下降，從而出現(xiàn)裂紋.

工程實(shí)踐的結(jié)果表明，動(dòng)載是影響巖體疲勞累積損傷和性能劣化的重要因素，動(dòng)態(tài)效應(yīng)存在多種負(fù)面影響，如動(dòng)態(tài)效應(yīng)可以直接破壞巖體的完整性，導(dǎo)致失穩(wěn)過程的發(fā)生，同時(shí)在反復(fù)動(dòng)載作用下巖土?xí)l(fā)生疲勞破壞，從而加速了巖體的破壞過程.從天生橋、太平釋及二灘等大型水電站引水隧洞的開挖過程中，研究人員通過分析發(fā)現(xiàn)無論在時(shí)間上還是空間上，巖爆與爆破之間都存在著極為密切的關(guān)系[5-7].因此由循環(huán)動(dòng)載作用所引起的巖體疲勞損傷破壞，是目前亟待解決的問題.目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于巖體動(dòng)態(tài)疲勞損傷破壞的研究并不突出，因此被認(rèn)為是涉及復(fù)雜動(dòng)力過程且少有參考資料的國(guó)際性前沿課題.

1.3 支護(hù)與圍巖的相互作用

地下空間工程就是在地面以下的地層中挖掘出一個(gè)空間，達(dá)到不同使用功能的目的.這樣必然導(dǎo)致原本處于平衡狀態(tài)的地層因?yàn)閿_動(dòng)而發(fā)生應(yīng)力的重新調(diào)整和變形，以尋求新的平衡態(tài).由于地質(zhì)條件的差異，有的圍巖可以通過自身的應(yīng)力調(diào)整達(dá)到新的平衡；有的圍巖則難以自身達(dá)到平衡，隨著變形的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了破壞和失穩(wěn)現(xiàn)象，這樣就需要適當(dāng)?shù)娜斯さ闹ёo(hù)干預(yù)，使其能夠盡快達(dá)到新的平衡.

支護(hù)與圍巖的相互作用關(guān)系較為復(fù)雜.首先，支護(hù)與圍巖的相互作用具有時(shí)間效應(yīng)，地下空間開挖后的應(yīng)力平衡不是瞬間實(shí)現(xiàn)的，而且支護(hù)構(gòu)件的施工和架設(shè)也需要一定的時(shí)間.再有，支護(hù)和圍巖兩者相輔相成、密不可分，支護(hù)在一定程度上可以承擔(dān)圍壓卸荷帶來的壓力，調(diào)動(dòng)圍巖自身承載能力，控制圍巖變形；圍巖自身的荷載和因變形約束產(chǎn)生的反力又作用在支護(hù)上，這對(duì)支護(hù)體的剛度和強(qiáng)度都提出了較高的要求.圍巖和支護(hù)的變形破壞往往都具有非線性的特征，兩者中的任何一方失效都可能導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體失效.所以要綜合考慮支護(hù)和圍巖的相互作用關(guān)系.

2 地下空間工程服役安全相關(guān)問題的研究現(xiàn)狀與主要進(jìn)展

2.1 特殊環(huán)境下巖石、混凝土的破壞過程

對(duì)于單一環(huán)境因素為控制變量或雙因素耦合作用影響下的巖石、混凝土的破壞過程，已有大量的研究成果.

在考慮“溫度”因素方面，對(duì)不同凍結(jié)溫度和不同凍融次數(shù)的飽水紅砂巖進(jìn)行研究，從應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化、試件的破壞形態(tài)等方面入手，研究紅砂巖的動(dòng)力學(xué)特性的溫度效應(yīng)及應(yīng)變率效應(yīng)[8].通過分析常溫到負(fù)溫狀態(tài)下煤-巖樣動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)及相關(guān)力學(xué)性質(zhì)的變化，研究了低溫梯度對(duì)煤-巖動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，探討了低溫與沖擊荷載耦合作用下的煤-巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征（圖1）.分析了不同應(yīng)變率下低溫凍結(jié)煤-巖的強(qiáng)度性能，探究了應(yīng)變率對(duì)試樣壓縮變形破壞的影響規(guī)律（圖2）.且通過對(duì)煤-巖樣進(jìn)行飽水處理，通過與干燥條件下試樣的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，分析了水、水冰相變對(duì)相應(yīng)煤-巖樣強(qiáng)度性能的影響[9].利用高溫加熱控制系統(tǒng)和SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)，開展不同溫度和不同沖擊速度耦合作用下的煤-巖的動(dòng)態(tài)斷裂韌度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)斷裂韌度隨溫度升高而降低，但不是線性降低[10].

圖1 不同溫度下煤-巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線[9].（a）飽水煤樣；（b）干燥煤樣Fig.1 Stress-strain curves of the coal-rock samples at different temperatures[9]：(a) water saturated coal sample; (b) dry coal sample

圖2 不同應(yīng)變率下的煤-巖樣品的破壞形態(tài)[9].（a）49 s-1；（b）61 s-1；（c）70 s-1；（d）82 s-1；（e）101 s-1Fig.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

在考慮巖石、混凝土自身所含裂隙、節(jié)理、孔洞等缺陷對(duì)破壞過程的影響方面，將焦散線法引入爆炸、沖擊實(shí)驗(yàn)中，研究了爆生裂紋與弱面[11]、缺陷[12]等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的相互作用機(jī)理.研究了含層理煤的動(dòng)態(tài)斷裂韌度，并將不同層理角度（β）下的動(dòng)態(tài)斷裂韌度與離散格子彈簧（DLSM）的數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比[13]，如圖3所示.采用霍普金森桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC）研究了含傾斜弱面介質(zhì)中動(dòng)態(tài)裂紋的擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)裂紋在遇到弱面后易偏向弱面擴(kuò)展，裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)初始為拉應(yīng)力場(chǎng)，而隨著裂紋逐漸偏向弱面擴(kuò)展，導(dǎo)致裂紋尖端出現(xiàn)拉剪復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)，且隨之改變的有開裂應(yīng)變及開裂速度，均出現(xiàn)增大現(xiàn)象[14]，如圖4所示.

圖3 含層理煤的動(dòng)態(tài)斷裂結(jié)果[13]Fig.3 Dynamic fracture results of coal with a bedding structure[13]

圖4 沖擊荷載下含層理介質(zhì)中 x 方向的名義應(yīng)變隨時(shí)間變化云圖[14].（a）118.52 μs；（b）125.93 μs；（c）140.74 μs；（d）155.56 μs；（e）170.37 μs；（f）185.18 μsFig.4 Time dependent nephogram of nominal strain in x direction in layered medium under impact load [14]：（a）118.52 μs；（b）125.93 μs；（c）140.74 μs；（d）155.56 μs；（e）170.37 μs；（f）185.18 μs

在水-巖作用方面，開展了水壓作用下井壁高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，建立了高強(qiáng)混凝土在不同水壓條件下的兩參數(shù)破壞準(zhǔn)則，提出了高強(qiáng)混凝土在不同水壓條件下的單軸單參數(shù)本構(gòu)模型和三軸全曲線的三參數(shù)本構(gòu)模型[15].利用混合罰函數(shù)方法和復(fù)變函數(shù)理論，推導(dǎo)出全水壓作用下直墻半圓拱斜井井壁的映射函數(shù)方程和井壁的彈性近似解析解，分析了量綱為一的水壓、井壁設(shè)計(jì)參數(shù)等因素對(duì)井壁應(yīng)力和位移分布的影響[16]，如圖5所示，圖中A～H點(diǎn)為井壁測(cè)點(diǎn)，其中A為拱頂，D為底板.

圖5 組合試驗(yàn)井壁關(guān)鍵點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力等值曲線圖[16].（a）A點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力等值線圖；（b）D點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力等值線圖Fig.5 Equivalent curves of key points on the well wall under combined tests[16]：(a) diagram of the cyclic stress contour at Point A；(b) diagram of the cyclic stress contour at Point D

以上研究的考慮角度各有側(cè)重，很少涉及多因素耦合或是多場(chǎng)耦合條件下的巖石、混凝土材料的破壞過程.多場(chǎng)耦合下，材料的破壞效應(yīng)并非是單因素影響效應(yīng)的疊加，對(duì)此需要進(jìn)行深入的研究.另外，理論和試驗(yàn)研究往往會(huì)提前對(duì)某些條件進(jìn)行簡(jiǎn)化和假設(shè)，理論成果對(duì)實(shí)際工程直接指導(dǎo)作用的針對(duì)性有待加強(qiáng).

2.2 動(dòng)載下巖石、混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)反映了巖石變形與破壞的動(dòng)態(tài)過程，其時(shí)間相關(guān)性顯著，即巖石材料本身具有加載率敏感性.采用SHPB（霍普金森壓桿）結(jié)合DIC試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合巖體的沖擊壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)[17]：（1）復(fù)合巖體的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性及能量耗散規(guī)律均具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng).（2）相同沖擊速度下，受波阻抗匹配關(guān)系影響，應(yīng)力波由硬入軟和由軟入硬時(shí)復(fù)合巖體動(dòng)力學(xué)特性差異明顯.（3）復(fù)合巖體兩部分巖石破壞程度和破壞形式明顯不同.研究了波阻抗對(duì)巖石動(dòng)力學(xué)特性的影響.發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率相同時(shí)，隨著波阻抗的減小，反射波幅值增大、透射波幅值減?。环逯祽?yīng)力減小，應(yīng)變軟化階段延長(zhǎng)，塑性段趨于明顯，且有塑性流動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)[18].采用SHPB結(jié)合高速攝影研究了黏土經(jīng)固結(jié)作用后，應(yīng)變率在60～600 s-1范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，其動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表明，固結(jié)黏土具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性，在達(dá)到破壞應(yīng)變前，其具有理想彈塑性的特征[19].應(yīng)用極限分析法研究了巖石破壞形式對(duì)強(qiáng)度的影響效應(yīng)，通過反演分析獲得了巖石黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)的簡(jiǎn)便計(jì)算公式[20].

同時(shí)巖石在高應(yīng)力場(chǎng)下表現(xiàn)為顯著的各向異性，其本構(gòu)關(guān)系的建立異常困難，因此對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下（如高地應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等）巖石爆破的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為尚未進(jìn)行深入的研究.

2.3 爆炸荷載下巖體內(nèi)部的損傷測(cè)試及評(píng)價(jià)方法

爆炸應(yīng)力場(chǎng)作用下的巖石損傷測(cè)試方面，主要采用聲波檢測(cè)、鉆孔窺視、聲發(fā)射、微地震監(jiān)測(cè)、鉆孔CT、圍巖變形監(jiān)測(cè)以及地質(zhì)雷達(dá)等手段確定圍巖損傷范圍.

為解決邊界約束和沖孔的問題，自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一種“主動(dòng)圍壓與邊界約束裝置”[21]（如圖6）.將CT掃描及三維重構(gòu)等手段引入爆破損傷的分析中，提出了巖石損傷度的測(cè)試及計(jì)算方法.基于分形損傷理論研究了爆炸作用下介質(zhì)的損傷破壞規(guī)律，定量研究了普通藥包和切縫藥包爆破中炮孔周圍不同區(qū)域的損傷破壞程度[22]，如圖7～8所示（圖8中D1～D4為炸藥耦合側(cè)的分形維數(shù)）.在青島地鐵區(qū)間隧道光面爆破中利用聲波測(cè)試的方法研究了切縫藥包的減震減損規(guī)律[23].發(fā)明了一種基于第二臨空面形成時(shí)間的楔形掏槽起爆段別設(shè)計(jì)方法，適用于城市淺埋隧道的低振動(dòng)精確控制爆破[24].

圖6 “主動(dòng)圍壓與邊界約束裝置”實(shí)物圖.（a）側(cè)視圖；（b）仰視圖；（c）正視圖；（d）俯視圖1；（e）俯視圖2Fig.6 Physical diagram of active confining pressure and boundary constraints：(a) side view; (b) bottom view; (c) front view; (d) top view 1; (e) top view 2

圖7 普通藥包爆破下裂紋分區(qū)Fig.7 Crack partition under ordinary charge blasting

圖8 普通藥包爆破下炮孔II區(qū)的分形維數(shù)Fig.8 Fractal dimension of Area II under ordinary charge blasting

在巖石爆破損傷評(píng)價(jià)方面，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，相對(duì)應(yīng)的巖石爆破損傷評(píng)價(jià)方法也多種多樣，尚未形成統(tǒng)一、較為精確和完善的爆破損傷評(píng)價(jià)及控制方法.鑒于巖體內(nèi)部的裂隙、節(jié)理對(duì)于波速的敏感性較高，因此可以采用超聲波檢測(cè)的方法來描述分析巖體的損傷特性.所測(cè)數(shù)據(jù)為被選取兩側(cè)點(diǎn)之間的均值，但是巖石材料的內(nèi)部顆粒組成差異性較為明顯，同時(shí)密度也存在較大差異，因此測(cè)量精度并不是很高.地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)精度及雷達(dá)圖像的判釋依據(jù)具有相對(duì)的局限性，可靠性并不是很高，影響了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，并且部分操作較為困難，例如在檢測(cè)大斷面空間保留巖體時(shí)明顯困難；而在地下空間規(guī)模較大的工程中，需要不間斷地對(duì)損傷區(qū)進(jìn)行追蹤檢測(cè)，但是由于坡體結(jié)構(gòu)等地質(zhì)因素的制約，檢測(cè)難度非常大，人力物力資源耗費(fèi)嚴(yán)重.因此對(duì)于巖石的爆破損傷評(píng)價(jià)仍需進(jìn)行大量的工作來深入研究.

2.4 巖石、混凝土疲勞

在爆破振動(dòng)方面，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法對(duì)巖石巷道爆破近區(qū)的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，得出了爆破振動(dòng)沿巷道側(cè)壁的傳播衰減規(guī)律；基于超聲波測(cè)試技術(shù)手段，通過對(duì)巷道側(cè)壁的損傷規(guī)律進(jìn)行分析，揭示了爆破振動(dòng)下巖體的損傷累積規(guī)律[25].

在循環(huán)載荷方面，巖石材料在循環(huán)荷載的作用下，巖石的強(qiáng)度明顯和常規(guī)條件下的強(qiáng)度和變形規(guī)律不同，強(qiáng)度明顯降低，破壞強(qiáng)度峰值明顯低于常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件下的破壞強(qiáng)度峰值.在變形方面則表現(xiàn)為記憶性，破壞點(diǎn)的位置受到常規(guī)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線的控制.目前針對(duì)巖石的疲勞損傷研究主要是在交變循環(huán)應(yīng)力或者循環(huán)應(yīng)變的作用下的一個(gè)損傷破壞過程，爆破荷載所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)為脈沖應(yīng)力場(chǎng)，這和以往所研究的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)完全不同.同樣爆破荷載作用下巖石的疲勞特性表現(xiàn)出動(dòng)靜荷載相互疊加的作用，彈性波應(yīng)力場(chǎng)和巖體的靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)相互交織，注定了研究的復(fù)雜性.

2.5 地下空間工程圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)機(jī)理

近年來主要圍繞煤礦地下空間圍巖安全穩(wěn)定和支護(hù)機(jī)理做了大量研究.

在凍結(jié)鑿井方面，利用復(fù)變函數(shù)理論，建立了非均勻荷載作用下圓形水平凍結(jié)壁模型（圖9），并考慮凍結(jié)壁與圍巖作用及開挖卸荷作用，推導(dǎo)出彈性凍結(jié)壁與圍巖的應(yīng)力和位移解析解，討論了基于Tresca和Mises準(zhǔn)則的凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)方法[26].利用復(fù)合型最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法計(jì)算出非圓形凍結(jié)壁的映射函數(shù)方程，推導(dǎo)出非均勻荷載作用下非圓形水平凍結(jié)壁與圍巖的彈性應(yīng)力和位移近似解析解[27].

圖9 圓形凍結(jié)壁力學(xué)模型.（a）力學(xué)模型 A；（b）力學(xué)模型 BFig.9 Mechanical model of a circular frozen wall：(a) mechanical model A；(b) mechanical model B

在支護(hù)方面，為解決高應(yīng)力破碎軟巖巷道支護(hù)難題，將深部穩(wěn)定巖體視為圍巖大結(jié)構(gòu)，提出以強(qiáng)力錨桿為基礎(chǔ)，通過進(jìn)行注漿來強(qiáng)化巷道淺部破碎和裂隙損傷巖體等圍巖小結(jié)構(gòu)，且通過高預(yù)應(yīng)力錨索注漿前后兩次張拉，形成了圍巖大小結(jié)構(gòu)間協(xié)同承載的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[28].研究了硐室群及周邊巷道圍巖變形破壞特征和機(jī)理，提出了硐室及周邊20 m范圍內(nèi)巷道圍巖“強(qiáng)柱固底”的加固支護(hù)方案，有效控制了圍巖變形，達(dá)到了理想的加固支護(hù)效果[29].

在注漿加固方面，采用自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)室液壓注漿系統(tǒng)對(duì)高應(yīng)力深井破壞軟巖等效試件進(jìn)行了注漿試驗(yàn)[30]，研究了注漿后試件單軸抗壓強(qiáng)度、裂隙變化情況和試件內(nèi)部裂隙分形維數(shù)變化規(guī)律.

在支護(hù)智能設(shè)計(jì)方面，研發(fā)了煤巷支護(hù)方案專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同地質(zhì)條件下煤巷支護(hù)方案的智能決策[31]，如圖10所示.

圖10 系統(tǒng)生成的支護(hù)斷面圖Fig.10 Cross-sectional view of the generated support system

圖9（a）中凍結(jié)壁的內(nèi)外半徑為r0，r1；圍巖的內(nèi)外半徑為r1，r2（r2→∞)；pr為任一點(diǎn)徑向壓力；pr0為圍巖初始?jí)毫?；σ?，σr1分別為凍結(jié)壁處環(huán)向和徑向處應(yīng)力；τrθ1為凍結(jié)壁處的剪應(yīng)力；圖9（b）中σiF和τiF、σjF和τjF分別模型內(nèi)、外邊界的邊界面力,下標(biāo)j=i+1,(i=0,1)，0代表凍結(jié)壁內(nèi)邊界；1代表凍結(jié)壁外邊界；2代表圍巖無限遠(yuǎn)處；Ej、μj分別為圍巖的彈性模量和泊松比；ri、rj分別對(duì)應(yīng)圖1中的r0、r1或r1、r2，σθ、σr分別為某一點(diǎn)處的環(huán)向和徑向應(yīng)力；τrθ為某一點(diǎn)處的剪應(yīng)力.其中力學(xué)模型B是力學(xué)模型A的深入表達(dá).

在分析圍巖的變形失穩(wěn)機(jī)理過程中，一般遵循連續(xù)性、均勻性假設(shè)，即將圍巖視為連續(xù)均勻介質(zhì)，因此當(dāng)分析圍巖時(shí)，側(cè)重點(diǎn)偏向巖性，然而對(duì)于層狀頂板中所存在的軟弱結(jié)構(gòu)面分析較少；在分析錨桿錨索受力時(shí)，一般集中于軸向拉伸的分析探究，而忽視了錨桿錨索橫向?qū)娱g剪切滑動(dòng)的研究；在錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)體系中，對(duì)錨桿錨索間的作用機(jī)制理解較為片面，同時(shí)由于缺乏對(duì)層狀頂板變形失穩(wěn)的深入考慮導(dǎo)致了支護(hù)方案針對(duì)性較差.

3 未來的研究方向

開展以工學(xué)學(xué)科為基本，多學(xué)科“滲透”為特色的地下空間服役安全研究，展現(xiàn)中國(guó)地下空間學(xué)術(shù)研究的大格局.

（1）研發(fā)應(yīng)用于地下空間工程的新型綠色建筑材料.

開展以石墨烯混凝土復(fù)合材料為代表的高強(qiáng)增韌低滲水率材料的研發(fā)，并將其應(yīng)用于地下空間工程服役結(jié)構(gòu).研發(fā)新型智能材料，使其具有采暖、防靜電、電磁屏蔽、應(yīng)變傳感器和接地/雷電保護(hù)功能.

（2）新的支護(hù)設(shè)計(jì)理論.

錨桿錨索在腐蝕環(huán)境中的陽極溶解造成裂紋萌生與擴(kuò)展；而氫原子在裂紋處富集將加速裂紋擴(kuò)展.陽極溶解和氫脆是支護(hù)材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的關(guān)鍵因素，提出以“抑制微區(qū)電化學(xué)過程”和“限制氫擴(kuò)散”為核心的抗scc（應(yīng)力腐蝕開裂）鋼二元設(shè)計(jì)理論，為開發(fā)新型耐蝕高強(qiáng)支護(hù)材料奠定了基礎(chǔ).

依托國(guó)際一流的腐蝕與防護(hù)研究基地——國(guó)家材料環(huán)境腐蝕平臺(tái)，結(jié)合錨桿錨索真實(shí)受力特征，闡明錨桿錨索在高侵蝕環(huán)境服役過程中力學(xué)性能衰減規(guī)律，從材料、環(huán)境、應(yīng)力三個(gè)維度，揭示錨桿錨索應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理.

（3）基于人工智能的地下空間服役安全研究.

從未來地下空間的發(fā)展角度看，基于“智慧城市”的地下空間發(fā)展是必然趨勢(shì)，其學(xué)術(shù)研究的發(fā)展?jié)摿薮螅珺IM（建筑信息模型）、網(wǎng)絡(luò)化信息技術(shù)、人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)等與地下空間工程服役安全的深度融合等研究方向或?qū)⒊蔀槲磥?0年地下空間學(xué)術(shù)研究的焦點(diǎn).

建立基于多場(chǎng)聯(lián)測(cè)、智慧物聯(lián)的透明地下空間監(jiān)測(cè)預(yù)警與安全評(píng)估中心，應(yīng)急救援決策中心，以及重特大事故調(diào)查與仿真推演實(shí)驗(yàn)中心.通過人工智能算法能預(yù)測(cè)地下空間工程服役安全風(fēng)險(xiǎn)，最終能形成應(yīng)急救援技術(shù)輔助決策能力、重大事故調(diào)查專家支持能力等.

（4）構(gòu)建全生命周期的地下空間服役風(fēng)險(xiǎn)分析與防控體系.

對(duì)地下空間工程服役周期中的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維等各個(gè)重要環(huán)節(jié)進(jìn)行主要風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)及相應(yīng)事故分析，判斷主要因素的相互關(guān)系.綜合考慮多因素、多方法，建立起安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并且要通過客觀案例進(jìn)行可行性驗(yàn)證.在此基礎(chǔ)上針對(duì)地下空間的開發(fā)利用，構(gòu)建“三全”（全周期、全體系、全系統(tǒng)）技術(shù)體系，從而為保障城市地下空間工程服役安全提供科學(xué)的思路及可行的方法.