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
杨仁树等：地下空间工程服役安全的认识与思考 5 (a) (b) (d (e) ( 图4冲击荷载下含层理介质中x方向的名义应变随时间变化云图.(a)118.52us:(b)125.93s:(c)140.74s:(d)155.56s;(e)170.37μs;(f) 185.18us Fig.4 Time dependent nephogram of nominal strain in x direction in layered medium under impact load 4l:(a)118.52 us;(b)125.93 us;(c)140.74 us: (d)155.56s:(e)170.37s(f)185.18us (a) (b)■(20-(25) ■(0)-(5) ■(15)-(20) ■(-5(0) ■(10)-(15) ●-10)-(-5) ■(5-10) 》 (-15)-10) 0 ■(0-(5) ■(-20)-(-15) ■(-5)-(0) ■(-25)-(-20) ●(-10)-(-5) ■-30-25 ■(-35-30) 8 3051050 S -2 25 -10 -30 H - Girecumferential stress/MPa 35 stress/MPa 20 0.9 A 0.8 2 B .0.9 D C 1. 2. 2.22.01.81.61412 Radius of curvature of shaft wall D C and bottom plate/m E 242.22.01.81.61.41.2 Radius of curvature of shaft wall and bottom plate/m 图5组合试验井壁关键点环向应力等值曲线图6.()A点环向应力等值线图：(b)D点环向应力等值线图 Fig.5 Equivalent curves of key points on the well wall under combined tests (a)diagram of the cyclic stress contour at Point:(b)diagram of the cyclic stress contour at Point D 2.2动载下岩石、混凝土的动态力学性能 阶段延长，塑性段趋于明显，且有塑性流动现象出 岩石动态力学性质反映了岩石变形与破坏的 现].采用SHPB结合高速摄影研究了黏土经固 动态过程，其时间相关性显著，即岩石材料本身具 结作用后，应变率在60~600s范围内的动态力 有加载率敏感性.采用SHPB(霍普金森压杆)结 学特性，其动态应力-应变关系表明，固结黏土具 合DIC试验系统进行复合岩体的冲击压缩试验， 有明显的应变率相关性，在达到破坏应变前，其具 发现7：(1)复合岩体的动态力学特性及能量耗散 有理想弹塑性的特征例应用极限分析法研究了 规律均具有明显的应变率效应.(2)相同冲击速度 岩石破坏形式对强度的影响效应，通过反演分析 下，受波阻抗匹配关系影响，应力波由硬入软和由 获得了岩石黏聚力、内摩擦角等参数的简便计算 软入硬时复合岩体动力学特性差异明显.(3)复合 公式20 岩体两部分岩石破坏程度和破坏形式明显不同. 同时岩石在高应力场下表现为显著的各向异 研究了波阻抗对岩石动力学特性的影响.发现应 性，其本构关系的建立异常困难，因此对于复杂环 变率相同时，随着波阻抗的减小，反射波幅值 境下（如高地应力场、温度场等）岩石爆破的动态 增大、透射波幅值减小；峰值应力减小，应变软化 力学行为尚未进行深入的研究
2.2 动载下岩石、混凝土的动态力学性能 岩石动态力学性质反映了岩石变形与破坏的 动态过程，其时间相关性显著，即岩石材料本身具 有加载率敏感性. 采用 SHPB（霍普金森压杆）结 合 DIC 试验系统进行复合岩体的冲击压缩试验， 发现[17] ：（1）复合岩体的动态力学特性及能量耗散 规律均具有明显的应变率效应. （2）相同冲击速度 下，受波阻抗匹配关系影响，应力波由硬入软和由 软入硬时复合岩体动力学特性差异明显. （3）复合 岩体两部分岩石破坏程度和破坏形式明显不同. 研究了波阻抗对岩石动力学特性的影响. 发现应 变率相同时 ，随着波阻抗的减小 ，反射波幅值 增大、透射波幅值减小；峰值应力减小，应变软化 阶段延长，塑性段趋于明显，且有塑性流动现象出 现[18] . 采用 SHPB 结合高速摄影研究了黏土经固 结作用后，应变率在 60～600 s−1 范围内的动态力 学特性，其动态应力−应变关系表明，固结黏土具 有明显的应变率相关性，在达到破坏应变前，其具 有理想弹塑性的特征[19] . 应用极限分析法研究了 岩石破坏形式对强度的影响效应，通过反演分析 获得了岩石黏聚力、内摩擦角等参数的简便计算 公式[20] . 同时岩石在高应力场下表现为显著的各向异 性，其本构关系的建立异常困难，因此对于复杂环 境下（如高地应力场、温度场等）岩石爆破的动态 力学行为尚未进行深入的研究. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Strain Strain Strain Strain Strain Strain 图 4 冲击荷载下含层理介质中 x 方向的名义应变随时间变化云图[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 Fig.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 (a) (0)-(5) (−5)-(0) (−10)-(−5) (−15)-(10) (−20)-(−15) (−25)-(−20) (−30)-(−25) (−35)-(−30) A B C D E F G H 5 0 −5 −10 −15 −20 −25 −30 −35 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 Radius of curvature of shaft wall and bottom plate/m Sidewall height/m Girecumferential stress/MPa (b) (20)-(25) (15)-(20) (10)-(15) (5)-10) (0)-−(5) (−5)-(0) (−10)-(−5) (−15)-(−10) (−20)-(−15) A B CD E F G H 0 −5 5 −10 10 15 20 25 −15 −20 −25 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 Radius of curvature of shaft wall and bottom plate/m Sidewall height/m Girecumferential stress/MPa 图 5 组合试验井壁关键点环向应力等值曲线图[16] .（a）A 点环向应力等值线图；（b）D 点环向应力等值线图 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 杨仁树等： 地下空间工程服役安全的认识与思考 · 5 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 2.3爆炸荷载下岩体内部的损伤测试及评价方法 分形损伤理论研究了爆炸作用下介质的损伤破坏 爆炸应力场作用下的岩石损伤测试方面，主 规律，定量研究了普通药包和切缝药包爆破中炮 要采用声波检测、钻孔窥视、声发射、微地震监 孔周围不同区域的损伤破坏程度四，如图7~8所 测、钻孔CT、围岩变形监测以及地质雷达等手段 示（图8中D1~D4为炸药耦合侧的分形维数）.在 确定围岩损伤范围. 青岛地铁区间隧道光面爆破中利用声波测试的方 为解决边界约束和冲孔的问题，自主设计研 法研究了切缝药包的减震减损规律)发明了一 发了一种“主动围压与边界约束装置”2（如图6） 种基于第二临空面形成时间的楔形掏槽起爆段别 将CT扫描及三维重构等手段引入爆破损伤的分 设计方法，适用于城市浅埋隧道的低振动精确控 析中，提出了岩石损伤度的测试及计算方法.基于 制爆破2网 (a) (b) (c) (d) 图6“主动围压与边界约束装置”实物图.(a)侧视图：(b)仰视图：(c)正视图：(d)俯视图1：(e)俯视图2 Fig6 Physical diagram of active confining pressure and boundary constraints:(a)side view,(b)bottom view,(c)front view,(d)top view (e)top view2 测的方法来描述分析岩体的损伤特性.所测数据 Upper part 为被选取两侧点之间的均值，但是岩石材料的内 +45 部颗粒组成差异性较为明显，同时密度也存在较 大差异，因此测量精度并不是很高.地质雷达的探 测精度及雷达图像的判释依据具有相对的局限 性，可靠性并不是很高，影响了地质雷达探测结果 的准确性和可靠性，并且部分操作较为困难，例如 在检测大断面空间保留岩体时明显困难；而在地 图7普通药包爆破下裂纹分区 下空间规模较大的工程中，需要不间断地对损伤 Fig.7 Crack partition under ordinary charge blasting 区进行追踪检测，但是由于坡体结构等地质因素 的制约，检测难度非常大，人力物力资源耗费严 4.0 3.5 -。-Upper part 重.因此对于岩石的爆破损伤评价仍需进行大量 3.0 --Lower part Left 的工作来深入研究 2.5 Right 2.0 2.4岩石、混凝土疲劳 1.5D,=1.610 D2=1.499 在爆破振动方面，采用现场测试的方法对岩 1.0 D3=1.502 0.5 D,=1.651 石巷道爆破近区的振动进行测试，随着掘进工作 0 0.5 1.01.5 2.02.5 面的推进，得出了爆破振动沿巷道侧壁的传播衰 lg o 减规律；基于超声波测试技术手段，通过对巷道侧 图8普通药包爆破下炮孔Ⅱ区的分形维数 壁的损伤规律进行分析，揭示了爆破振动下岩体 Fig.8 Fractal dimension of Area Il under ordinary charge blasting 的损伤累积规律] 在岩石爆破损伤评价方面，由于地质条件的 在循环载荷方面，岩石材料在循环荷载的作 复杂多变，相对应的岩石爆破损伤评价方法也多 用下，岩石的强度明显和常规条件下的强度和变 种多样，尚未形成统一、较为精确和完善的爆破损 形规律不同，强度明显降低，破坏强度峰值明显低 伤评价及控制方法.鉴于岩体内部的裂隙、节理 于常规实验条件下的破坏强度峰值.在变形方面 对于波速的敏感性较高，因此可以采用超声波检 则表现为记忆性，破坏点的位置受到常规应力-应
2.3 爆炸荷载下岩体内部的损伤测试及评价方法 爆炸应力场作用下的岩石损伤测试方面，主 要采用声波检测、钻孔窥视、声发射、微地震监 测、钻孔 CT、围岩变形监测以及地质雷达等手段 确定围岩损伤范围. 为解决边界约束和冲孔的问题，自主设计研 发了一种“主动围压与边界约束装置” [21] （如图 6）. 将 CT 扫描及三维重构等手段引入爆破损伤的分 析中，提出了岩石损伤度的测试及计算方法. 基于 分形损伤理论研究了爆炸作用下介质的损伤破坏 规律，定量研究了普通药包和切缝药包爆破中炮 孔周围不同区域的损伤破坏程度[22] ，如图 7～8 所 示（图 8 中 D1～D4 为炸药耦合侧的分形维数）. 在 青岛地铁区间隧道光面爆破中利用声波测试的方 法研究了切缝药包的减震减损规律[23] . 发明了一 种基于第二临空面形成时间的楔形掏槽起爆段别 设计方法，适用于城市浅埋隧道的低振动精确控 制爆破[24] . (a) (b) (c) (d) (e) 图 6 “主动围压与边界约束装置”实物图.（a）侧视图；（b）仰视图；（c）正视图；（d）俯视图 1；（e）俯视图 2 Fig.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 Upper part Left Right −45° +45° Ⅰ Ⅱ Ⅲ 图 7 普通药包爆破下裂纹分区 Fig.7 Crack partition under ordinary charge blasting Upper part Lower part Left Right D1 = 1.610 D2 = 1.499 D3 = 1.502 D4 = 1.651 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 lg δk lg Nδk 图 8 普通药包爆破下炮孔 II 区的分形维数 Fig.8 Fractal dimension of Area II under ordinary charge blasting 在岩石爆破损伤评价方面，由于地质条件的 复杂多变，相对应的岩石爆破损伤评价方法也多 种多样，尚未形成统一、较为精确和完善的爆破损 伤评价及控制方法. 鉴于岩体内部的裂隙、节理 对于波速的敏感性较高，因此可以采用超声波检 测的方法来描述分析岩体的损伤特性. 所测数据 为被选取两侧点之间的均值，但是岩石材料的内 部颗粒组成差异性较为明显，同时密度也存在较 大差异，因此测量精度并不是很高. 地质雷达的探 测精度及雷达图像的判释依据具有相对的局限 性，可靠性并不是很高，影响了地质雷达探测结果 的准确性和可靠性，并且部分操作较为困难，例如 在检测大断面空间保留岩体时明显困难；而在地 下空间规模较大的工程中，需要不间断地对损伤 区进行追踪检测，但是由于坡体结构等地质因素 的制约，检测难度非常大，人力物力资源耗费严 重. 因此对于岩石的爆破损伤评价仍需进行大量 的工作来深入研究. 2.4 岩石、混凝土疲劳 在爆破振动方面，采用现场测试的方法对岩 石巷道爆破近区的振动进行测试，随着掘进工作 面的推进，得出了爆破振动沿巷道侧壁的传播衰 减规律；基于超声波测试技术手段，通过对巷道侧 壁的损伤规律进行分析，揭示了爆破振动下岩体 的损伤累积规律[25] . 在循环载荷方面，岩石材料在循环荷载的作 用下，岩石的强度明显和常规条件下的强度和变 形规律不同，强度明显降低，破坏强度峰值明显低 于常规实验条件下的破坏强度峰值. 在变形方面 则表现为记忆性，破坏点的位置受到常规应力−应 · 6 · 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 7 变全过程曲线的控制.目前针对岩石的疲劳损伤 和支护机理做了大量研究 研究主要是在交变循环应力或者循环应变的作用 在冻结凿井方面，利用复变函数理论，建立了 下的一个损伤破坏过程，爆破荷载所产生的动态 非均匀荷载作用下圆形水平冻结壁模型（图9），并 应力场为脉冲应力场，这和以往所研究的应力场 考虑冻结壁与围岩作用及开挖卸荷作用，推导出 状态完全不同.同样爆破荷载作用下岩石的疲劳 弹性冻结壁与围岩的应力和位移解析解，讨论了 特性表现出动静荷载相互叠加的作用，弹性波应 基于Tresca和Mises准则的冻结壁厚度设计方法P 力场和岩体的静态应力场相互交织，注定了研究 利用复合型最优化设计方法计算出非圆形冻结壁 的复杂性 的映射函数方程，推导出非均匀荷载作用下非圆 2.5地下空间工程围岩稳定性分析及支护机理 形水平冻结壁与围岩的弹性应力和位移近似解 近年来主要围绕煤矿地下空间围岩安全稳定 析解27 (a) (b) krozen wall Surrounding rock 图9圆形冻结壁力学模型.(a)力学模型A:(b)力学模型B Fig.9 Mechanical model of a circular frozen wall:(a)mechanical model A:(b)mechanical model B D20-M22-2400Φ18-M20-2000 压注浆系统对高应力深井破坏软岩等效试件进行 了注浆试验0，研究了注浆后试件单轴抗压强度、 30o 313 .875 875 6006。 裂隙变化情况和试件内部裂隙分形维数变化规律 -R300 在支护智能设计方面，研发了煤巷支护方案 专家系统，实现了不同地质条件下煤巷支护方案 Roadway 的智能决策3)，如图10所示 国美 图9(a)中冻结壁的内外半径为ro,:围岩的 centerline 内外半径为r1,2(2→o:p,为任一点径向压力； P,0为围岩初始压力；σ1，o,1分别为冻结壁处环向 和径向处应力；t1为冻结壁处的剪应力；图9(b) 4800 5000 Unit:mm 中σ，和x、G和分别模型内、外边界的边界面 图因10系统生成的支护断面图 力，下标j=什1，(i=0,1),0代表冻结壁内边界；1代 Fig.10 Cross-sectional view of the generated support system 表冻结壁外边界；2代表围岩无限远处；E,、4分别 为围岩的弹性模量和泊松比；、)分别对应图1 在支护方面，为解决高应力破碎软岩巷道支 中的o、n或r、2,oao,分别为某一点处的环 护难题，将深部稳定岩体视为围岩大结构，提出以 向和径向应力；tB为某一点处的剪应力.其中力 强力锚杆为基础，通过进行注浆来强化巷道浅部 学模型B是力学模型A的深人表达 破碎和裂隙损伤岩体等围岩小结构，且通过高预 在分析围岩的变形失稳机理过程中，一般遵 应力锚索注浆前后两次张拉，形成了围岩大小结 循连续性、均匀性假设，即将围岩视为连续均匀介 构间协同承载的联合支护技术1研究了酮室群 质，因此当分析围岩时，侧重点偏向岩性，然而对 及周边巷道围岩变形破坏特征和机理，提出了酮 于层状顶板中所存在的软弱结构面分析较少；在 室及周边20m范围内巷道围岩“强柱固底”的加 分析锚杆锚索受力时，一般集中于轴向拉伸的分 固支护方案，有效控制了围岩变形，达到了理想的 析探究，而忽视了锚杆锚索横向层间剪切滑动的 加固支护效果9 研究；在锚杆与锚索联合支护体系中，对锚杆锚索 在注浆加固方面，采用自主研发的实验室液 间的作用机制理解较为片面，同时由于缺乏对层
变全过程曲线的控制. 目前针对岩石的疲劳损伤 研究主要是在交变循环应力或者循环应变的作用 下的一个损伤破坏过程，爆破荷载所产生的动态 应力场为脉冲应力场，这和以往所研究的应力场 状态完全不同. 同样爆破荷载作用下岩石的疲劳 特性表现出动静荷载相互叠加的作用，弹性波应 力场和岩体的静态应力场相互交织，注定了研究 的复杂性. 2.5 地下空间工程围岩稳定性分析及支护机理 近年来主要围绕煤矿地下空间围岩安全稳定 和支护机理做了大量研究. 在冻结凿井方面，利用复变函数理论，建立了 非均匀荷载作用下圆形水平冻结壁模型（图 9），并 考虑冻结壁与围岩作用及开挖卸荷作用，推导出 弹性冻结壁与围岩的应力和位移解析解，讨论了 基于 Tresca 和 Mises 准则的冻结壁厚度设计方法[26] . 利用复合型最优化设计方法计算出非圆形冻结壁 的映射函数方程，推导出非均匀荷载作用下非圆 形水平冻结壁与围岩的弹性应力和位移近似解 析解[27] . Surrounding rock Frozen wall r2 r1 rj ri r σr1 σr σθ1 σθ σ F j Ej , μj τ F j τrθ1 τrθ r0 pr pr0 (a) (b) 图 9 圆形冻结壁力学模型.（a）力学模型 A；（b）力学模型 B Fig.9 Mechanical model of a circular frozen wall：(a) mechanical model A；(b) mechanical model B 在支护方面，为解决高应力破碎软岩巷道支 护难题，将深部稳定岩体视为围岩大结构，提出以 强力锚杆为基础，通过进行注浆来强化巷道浅部 破碎和裂隙损伤岩体等围岩小结构，且通过高预 应力锚索注浆前后两次张拉，形成了围岩大小结 构间协同承载的联合支护技术[28] . 研究了硐室群 及周边巷道围岩变形破坏特征和机理，提出了硐 室及周边 20 m 范围内巷道围岩“强柱固底”的加 固支护方案，有效控制了围岩变形，达到了理想的 加固支护效果[29] . 在注浆加固方面，采用自主研发的实验室液 压注浆系统对高应力深井破坏软岩等效试件进行 了注浆试验[30] ，研究了注浆后试件单轴抗压强度、 裂隙变化情况和试件内部裂隙分形维数变化规律. 在支护智能设计方面，研发了煤巷支护方案 专家系统，实现了不同地质条件下煤巷支护方案 的智能决策[31] ，如图 10 所示. 图 9（a）中冻结壁的内外半径为 r0，r1；围岩的 内外半径为 r1， r2（ r2→∞)； pr 为任一点径向压力； pr0 为围岩初始压力；σ θ1，σ r1 分别为冻结壁处环向 和径向处应力；τ rθ1 为冻结壁处的剪应力；图 9（b） 中 σi F 和 τi F、σj F 和 τj F 分别模型内、外边界的边界面 力,下标 j = i+1,(i = 0,1)，0 代表冻结壁内边界；1 代 表冻结壁外边界；2 代表围岩无限远处；Ej、μj 分别 为围岩的弹性模量和泊松比；ri、rj 分别对应图 1 中的 r0、r1 或 r1、r2，σ θ、 σ r 分别为某一点处的环 向和径向应力；τ rθ 为某一点处的剪应力. 其中力 学模型 B 是力学模型 A 的深入表达. 在分析围岩的变形失稳机理过程中，一般遵 循连续性、均匀性假设，即将围岩视为连续均匀介 质，因此当分析围岩时，侧重点偏向岩性，然而对 于层状顶板中所存在的软弱结构面分析较少；在 分析锚杆锚索受力时，一般集中于轴向拉伸的分 析探究，而忽视了锚杆锚索横向层间剪切滑动的 研究；在锚杆与锚索联合支护体系中，对锚杆锚索 间的作用机制理解较为片面，同时由于缺乏对层 5000 4800 875 875 30° 30° 10° 10° 313300 1000 1500 3750 3800 500 600 R300 Unit: mm Roadway centerline Φ20-M22-2400 Φ18-M20-2000 图 10 系统生成的支护断面图 Fig.10 Cross-sectional view of the generated support system 杨仁树等： 地下空间工程服役安全的认识与思考 · 7 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 状顶板变形失稳的深人考虑导致了支护方案针对 通过客观案例进行可行性验证.在此基础上针对 性较差 地下空间的开发利用，构建“三全”（全周期、全体 3未来的研究方向 系、全系统)技术体系，从而为保障城市地下空间 工程服役安全提供科学的思路及可行的方法 开展以工学学科为基本，多学科“渗透”为特 色的地下空间服役安全研究，展现中国地下空间 参考文献 学术研究的大格局 [1]Qian Q H.Challenges faced by underground projects construction (1)研发应用于地下空间工程的新型绿色建 safety and countermeasures.Chin J Rock Mech Eng,2012. 筑材料 31(10):1945 开展以石墨烯混凝土复合材料为代表的高强增 (钱七虎.地下工程建设安全面临的挑战与对策.岩石力学与工 程学报，2012,31(10)：1945) 韧低渗水率材料的研发，并将其应用于地下空间工程 [2] China Society of Rock Mechanics and Engineering Underground 服役结构.研发新型智能材料，使其具有采暖、防静 Space Branch,Nanjing Huilong City Planning and Design Co.Ltd. 电、电磁屏蔽、应变传感器和接地雷电保护功能 Blue Book on Urban Underground Space Development in China (2)新的支护设计理论 2019 (Public Edition)[J/OL].Ebook Online (2019-11-15)[2021- 锚杆锚索在腐蚀环境中的阳极溶解造成裂纹 08-11].http://www.csmme.com/Home/Content/show/id/979.do 萌生与扩展：而氢原子在裂纹处富集将加速裂纹 (中国岩石力学与工程学会地下空间分会，南京慧龙城市规划 扩展.阳极溶解和氢脆是支护材料产生应力腐蚀 设计有限公司.中国城市地下空间发展蓝皮书2019（公共 断裂的关键因素，提出以“抑制微区电化学过程” 版)0/OL].电子书在线(2019-11-15)[2021-08-11].hp:ww csrme.com/Home/Content/show/id/979.do) 和“限制氢扩散”为核心的抗scc(应力腐蚀开裂) [3] Xie H P.Underground space utilization and deep ecosphere. 钢二元设计理论，为开发新型耐蚀高强支护材料 Urban and Rural Dev,2019(7):20 奠定了基础 (谢和平.地下空间利用与深地生态圈.城乡建设，2019(7)：20) 依托国际一流的腐蚀与防护研究基地—国 [4] Sun W.Durability and service life of structure concrete under load 家材料环境腐蚀平台，结合锚杆锚索真实受力特 and environment coupling effects.J Southeast Uniy Nat Sci,2006. 征，阐明锚杆锚索在高侵蚀环境服役过程中力学 36(Suppl 2):7 性能衰减规律，从材料、环境、应力三个维度，揭 (孙伟.荷载与环境因素耦合作用下结构混凝土的耐久性与服 役寿命.东南大学学报（自然科学版），2006,36（增刊2）7) 示锚杆锚索应力腐蚀断裂机理 [5] Zhou D P,Hong K R.The rockbukst features of Taipingyi tunnel (3)基于人工智能的地下空间服役安全研究 and the prevention methods.Chin J Rock Mech Eng,1995,14(2): 从未来地下空间的发展角度看，基于“智慧城 171 市”的地下空间发展是必然趋势，其学术研究的发 (周德培，洪开荣.太平驿隧洞岩爆特征及防治措施.岩石力学 展潜力巨大，BM(建筑信息模型)、网络化信息技 与工程学报，1995,14(2)：171) 术、人工智能技术和大数据处理分析技术等与地 [6]Zhang J S,Lu J Y,Jia Y R.Study on Rockburst in the diversion 下空间工程服役安全的深度融合等研究方向或将 tunnel of Tianshenggiao II hydropower station.Water Power, 1991,17(10):34 成为未来10年地下空间学术研究的焦点 (张津生，陆家佑，贾思如.天生桥二级水电站引水隧洞岩爆研 建立基于多场联测、智慧物联的透明地下空 究.水力发电，1991,17(10：34) 间监测预警与安全评估中心，应急救援决策中心， [7]Xu Z M,Huang R Q.Relationship between rock burst and 以及重特大事故调查与仿真推演实验中心.通过 blasting.J Rock Mech Eng,2003(3):414 人工智能算法能预测地下空间工程服役安全风 (徐则民，黄润秋.岩爆与爆破的关系.岩石力学与工程学报 险，最终能形成应急救援技术辅助决策能力、重大 2003(3):414) 事故调查专家支持能力等 [8]Yang R S,Fang S Z,Li W Y,et al.Experimental study on the (4)构建全生命周期的地下空间服役风险分 dynamic properties of three types of rock at negative temperature 析与防控体系 Geotech Geol Eng,2019,37(1):455 对地下空间工程服役周期中的设计、建造、运 [9]Wang Y B,Yang Y.Zhang Y T,et al.Dynamic mechanical properties of coals subject to the low temperature-impact load 维等各个重要环节进行主要风险因素辨识及相应 coupling effect.Sci Rep,2019,9:20218 事故分析，判断主要因素的相互关系.综合考虑多 [10]Wang Y B.Experimental Study on Dynamic Fracture of Rock and 因素、多方法，建立起安全评价指标体系，并且要 Coal Under Special Condition [Dissertation].Beijing:China
状顶板变形失稳的深入考虑导致了支护方案针对 性较差. 3 未来的研究方向 开展以工学学科为基本，多学科“渗透”为特 色的地下空间服役安全研究，展现中国地下空间 学术研究的大格局. （1）研发应用于地下空间工程的新型绿色建 筑材料. 开展以石墨烯混凝土复合材料为代表的高强增 韧低渗水率材料的研发，并将其应用于地下空间工程 服役结构. 研发新型智能材料，使其具有采暖、防静 电、电磁屏蔽、应变传感器和接地/雷电保护功能. （2）新的支护设计理论. 锚杆锚索在腐蚀环境中的阳极溶解造成裂纹 萌生与扩展；而氢原子在裂纹处富集将加速裂纹 扩展. 阳极溶解和氢脆是支护材料产生应力腐蚀 断裂的关键因素，提出以“抑制微区电化学过程” 和“限制氢扩散”为核心的抗 scc（应力腐蚀开裂） 钢二元设计理论，为开发新型耐蚀高强支护材料 奠定了基础. 依托国际一流的腐蚀与防护研究基地——国 家材料环境腐蚀平台，结合锚杆锚索真实受力特 征，阐明锚杆锚索在高侵蚀环境服役过程中力学 性能衰减规律，从材料、环境、应力三个维度，揭 示锚杆锚索应力腐蚀断裂机理. （3）基于人工智能的地下空间服役安全研究. 从未来地下空间的发展角度看，基于“智慧城 市”的地下空间发展是必然趋势，其学术研究的发 展潜力巨大，BIM（建筑信息模型）、网络化信息技 术、人工智能技术和大数据处理分析技术等与地 下空间工程服役安全的深度融合等研究方向或将 成为未来 10 年地下空间学术研究的焦点. 建立基于多场联测、智慧物联的透明地下空 间监测预警与安全评估中心，应急救援决策中心， 以及重特大事故调查与仿真推演实验中心. 通过 人工智能算法能预测地下空间工程服役安全风 险，最终能形成应急救援技术辅助决策能力、重大 事故调查专家支持能力等. （4）构建全生命周期的地下空间服役风险分 析与防控体系. 对地下空间工程服役周期中的设计、建造、运 维等各个重要环节进行主要风险因素辨识及相应 事故分析，判断主要因素的相互关系. 综合考虑多 因素、多方法，建立起安全评价指标体系，并且要 通过客观案例进行可行性验证. 在此基础上针对 地下空间的开发利用，构建“三全”（全周期、全体 系、全系统）技术体系，从而为保障城市地下空间 工程服役安全提供科学的思路及可行的方法. 参 考 文 献 Qian Q H. Challenges faced by underground projects construction safety and countermeasures. Chin J Rock Mech Eng, 2012, 31（10）: 1945 （钱七虎. 地下工程建设安全面临的挑战与对策. 岩石力学与工 程学报, 2012, 31（10）：1945） [1] China Society of Rock Mechanics and Engineering Underground Space Branch, Nanjing Huilong City Planning and Design Co. Ltd. Blue Book on Urban Underground Space Development in China 2019 (Public Edition) [J/OL]. Ebook Online (2019-11-15) [2021- 08-11]. http://www.csrme.com/Home/Content/show/id/979.do （ 中国岩石力学与工程学会地下空间分会, 南京慧龙城市规划 设计有限公司. 中国城市地下空间发展蓝皮书2019(公共 版 )[J/OL]. 电 子 书 在 线 (2019-11-15)[2021-08-11]. http://www. csrme.com/Home/Content/show/id/979.do） [2] Xie H P. Underground space utilization and deep ecosphere. Urban and Rural Dev, 2019（7）: 20 （谢和平. 地下空间利用与深地生态圈. 城乡建设, 2019（7）：20） [3] Sun W. Durability and service life of structure concrete under load and environment coupling effects. J Southeast Univ Nat Sci, 2006, 36(Suppl 2): 7 （ 孙伟. 荷载与环境因素耦合作用下结构混凝土的耐久性与服 役寿命. 东南大学学报(自然科学版), 2006, 36(增刊2): 7） [4] Zhou D P, Hong K R. The rockbukst features of Taipingyi tunnel and the prevention methods. Chin J Rock Mech Eng, 1995, 14（2）: 171 （周德培, 洪开荣. 太平驿隧洞岩爆特征及防治措施. 岩石力学 与工程学报, 1995, 14（2）：171） [5] Zhang J S, Lu J Y, Jia Y R. Study on Rockburst in the diversion tunnel of Tianshengqiao II hydropower station. Water Power, 1991, 17（10）: 34 （张津生, 陆家佑, 贾愚如. 天生桥二级水电站引水隧洞岩爆研 究. 水力发电, 1991, 17（10）：34） [6] Xu Z M, Huang R Q. Relationship between rock burst and blasting. J Rock Mech Eng, 2003（3）: 414 （徐则民, 黄润秋. 岩爆与爆破的关系. 岩石力学与工程学报, 2003（3）：414） [7] Yang R S, Fang S Z, Li W Y, et al. Experimental study on the dynamic properties of three types of rock at negative temperature. Geotech Geol Eng, 2019, 37（1）: 455 [8] Wang Y B, Yang Y, Zhang Y T, et al. Dynamic mechanical properties of coals subject to the low temperature-impact load coupling effect. Sci Rep, 2019, 9: 20218 [9] Wang Y B. Experimental Study on Dynamic Fracture of Rock and Coal Under Special Condition [Dissertation]. Beijing: China [10] · 8 · 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 9 University of Mining and Technology(Beijing),2018 [21]Wang Y B,Yang R S.Experiment Method for Quantitatively (王雁冰.爆炸的动静作用破岩及煤在特殊状态下动态断裂的 Analyzing Rock Blasting Damage:China Patent,CN109813617B. 试验研究博士后研究工作报告].北京：中国矿业大学（北京）， 2020-07-31 2018) (王雁冰，杨仁树.一种定量分析岩石爆破损伤的实验方法：中 [11]Yang R S,Wang Y B,Xue H J,et al.SEM experiment of rock 国专利，CN109813617B.2020-07-31) crack cross section morphology after explosion fracturing with [22]Yang R S,Xiao C L,Li Y L,et al.A fractal study on blasting slotted cartridge.J China Univ Min Technol,2013,42(3):337 damage of an eccentric decouple charge structure.J Vib Shock, (杨仁树，王雁冰，薛华俊，等切缝药包爆破岩石爆生裂纹断面 2020,39(12):129 的SEM试验.中国矿业大学学报，2013,42(3)：337) (杨仁树，肖成龙，李永亮，等.不耦合偏心装药结构爆破损伤破 [12]Yang R S,Wang Y B.Hou L D.et al.Dldc experiment on crack 坏的分形研究.振动与冲击，2020,39(12)：129) propagation in defective medium under impact loading.Chin J [23]Yang R S,Che Y L,Sun Q,et al.Applied research on smooth Rock Mech Eng,2014,33(10:1971 blasting with different charge structure in metro running tunnel. (杨仁树，王雁冰，侯丽冬，等.冲击荷载下缺陷介质裂纹扩展的 Blasting,2013,30(2:90 DLDC试验.岩石力学与工程学报，2014,33(10)：1971) (杨仁树，车玉龙，孙强，等.地铁区间隧道不同装药结构光面爆 [13]Wang Y B.Yang R S.Study of the dynamic fracture 破应用研究.爆破，2013,30(2)：90) characteristics of coal with a bedding structure based on the NSCB [24]Gong M,Li Y Q,Zhang M G,et al.Wedge Slotting Detonation impact test.Eng Fract Mech,2017,184:319 Segment Design Method Based on Second Free Face Forming [14]Xu P,Yang R S,Ju Y,et al.Experimental study on influences of Time:China Patent,CN107843157B.2018-10-02 inclined weak interface on the dynamic crack propagation (龚敏，李永强，张明高，等.基于第二临空面形成时间的楔形掏 behavior.Chin J Geotech Eng,2019,41(9):1645 槽起爆段别设计方法：中国专利，CN107843157B.2018-10-02) (许鹏，杨仁树，鞠杨，等.含倾斜弱面介质中动态裂纹扩展行为 [25]Yang G L,Yang R S,Che Y L.Damage accumulative effect of 研究.岩土工程学报，2019,41(9)：1645) surrounding rock under periodic blasting vibration.J China Coal [15]Xu X F.Experimental Study on Mechanical Properties of Shaft Soc,2013,38(Suppl125 Lining High Strength Concrete uder Hydraulic Pressure (杨国梁，杨仁树，车玉龙.周期性爆破振动下围岩的损伤累积 [Dissertation].Beijing:China University of Mining Technology, 效应.煤炭学报，2013,38（增刊1）上25) Beijing,2016 [26]Yang R S,Wang Q X.Elastic analysis and design of circular (徐晓峰.水压作用下井壁高强混凝土力学性能的试验研究学 horizontal frozen wall based on interaction between frozen wall 位论文].北京：中国矿业大学（北京），2016) and surrounding rock.J China Coal Soc,2016.41(5):1069 [16]Yang R S,Wang Q X,Chen S Z.Elastic analysis of irregular (杨仁树，王千星.基于复变函数的圆形水平冻结壁弹性分析与 inclined shaft lining subjected to water pressure.China UnivMin 设计.煤炭学报，2016,41(5)：1069) Technol,.2017,46(1)：上48 [27]Yang RS,Wang QX,Yang L Y.Closed-form elastic solution for (杨仁树，王千星，陈帅志.全水压作用下非圆形斜井内壁弹性 irregular frozen wall of inclined shaft considering the interaction 分析.中国矿业大学学报，2017,46(1)：48) with ground.Int J Rock Mech Min Sci,2017,100:62 [17]Yang R S,Li W Y,Fang S Z,et al.Experimental study on impact [28]Yang R S,Li Y L,Guo D M,et al.Failure mechanism and control dynamic characteristics of layered composite rocks.Chin J Rock technology of water-immersed roadway in high-stress and soft Mech Eng,.2019,38(9):1747 rock in a deep mine.Int J Min Sci Technol,2017,27(2):245 (杨仁树，李炜煜，方士正，等.层状复合岩体冲击动力学特性试 [29]Yang R S,Xue H J,Guo D M,et al.Failure mechanism of 验研究.岩石力学与工程学报，2019,38(9)：1747) surrounding rock of large section chambers in complex rock [18]Yang R S,Li W Y,Fang S Z,et al.Tests for effects of wave formations and its control.J China Coal Soc,2015,40(10):2234 impedance on rock's dynamic performance.J Vib Shock,2020, (杨仁树，薛华俊，郭东明，等.复杂岩层大断面酮室群围岩破坏 39(3):178 机理及控制.煤炭学报，2015,40(10)：2234) (杨仁树，李炜煜，方士正，等.波阻抗对岩石动力学特性彩响的 [30]Yang R S,Xue H J,Guo D M,et al.Laboratory grouting 模拟试验研究.振动与冲击，2020,39(3)：178) experiment based CT analysis of grouted soft rocks in deep mines. [19]Yang R S,Chen J,Yang L Y,et al.An experimental study of high J China Coal Soc,2016,41(2):345 strain-rate properties of clay under high consolidation stress.Soil (杨仁树，薛华俊，郭东明，等.基于注浆试验的深井软岩CT分 Dyn Earthg Eng,2017,92:46 析.煤炭学报，2016.41(2)：345) [20]Yang R S,Chen J,Fang S Z,et al.Inversion analysis of M-C [31]Yang R S,Ma X M,Li Q,et al.Research on expert system of criterion parameters of rock based on uniaxial shearing failure. roadway supporting schemes for coal mine and its application.J Chin J Geotech Eng,2017,39(7):1351 Min Saf Eng,2013,30(5):648 (杨仁树，陈骏，方士正，等.基于单轴剪切破坏的岩石M-C准则 (杨仁树，马鑫民，李清，等.煤矿巷道支护方案专家系统及应用 参数反演分析.岩土工程学报，2017,39(7)：1351) 研究.采矿与安全工程学报，2013,30(5)：648)
University of Mining and Technology (Beijing), 2018 （ 王雁冰. 爆炸的动静作用破岩及煤在特殊状态下动态断裂的 试验研究[博士后研究工作报告]. 北京: 中国矿业大学(北京), 2018） Yang R S, Wang Y B, Xue H J, et al. SEM experiment of rock crack cross section morphology after explosion fracturing with slotted cartridge. J China Univ Min Technol, 2013, 42（3）: 337 （杨仁树, 王雁冰, 薛华俊, 等. 切缝药包爆破岩石爆生裂纹断面 的SEM试验. 中国矿业大学学报, 2013, 42（3）：337） [11] Yang R S, Wang Y B, Hou L D, et al. Dldc experiment on crack propagation in defective medium under impact loading. Chin J Rock Mech Eng, 2014, 33（10）: 1971 （杨仁树, 王雁冰, 侯丽冬, 等. 冲击荷载下缺陷介质裂纹扩展的 DLDC试验. 岩石力学与工程学报, 2014, 33（10）：1971） [12] Wang Y B, Yang R S. Study of the dynamic fracture characteristics of coal with a bedding structure based on the NSCB impact test. Eng Fract Mech, 2017, 184: 319 [13] Xu P, Yang R S, Ju Y, et al. Experimental study on influences of inclined weak interface on the dynamic crack propagation behavior. Chin J Geotech Eng, 2019, 41（9）: 1645 （许鹏, 杨仁树, 鞠杨, 等. 含倾斜弱面介质中动态裂纹扩展行为 研究. 岩土工程学报, 2019, 41（9）：1645） [14] Xu X F. Experimental Study on Mechanical Properties of Shaft Lining High Strength Concrete under Hydraulic Pressure [Dissertation]. Beijing: China University of Mining & Technology, Beijing, 2016 （ 徐晓峰. 水压作用下井壁高强混凝土力学性能的试验研究[学 位论文]. 北京: 中国矿业大学(北京), 2016） [15] Yang R S, Wang Q X, Chen S Z. Elastic analysis of irregular inclined shaft lining subjected to water pressure. J China Univ Min Technol, 2017, 46（1）: 48 （杨仁树, 王千星, 陈帅志. 全水压作用下非圆形斜井内壁弹性 分析. 中国矿业大学学报, 2017, 46（1）：48） [16] Yang R S, Li W Y, Fang S Z, et al. Experimental study on impact dynamic characteristics of layered composite rocks. Chin J Rock Mech Eng, 2019, 38（9）: 1747 （杨仁树, 李炜煜, 方士正, 等. 层状复合岩体冲击动力学特性试 验研究. 岩石力学与工程学报, 2019, 38（9）：1747） [17] Yang R S, Li W Y, Fang S Z, et al. Tests for effects of wave impedance on rock's dynamic performance. J Vib Shock, 2020, 39（3）: 178 （杨仁树, 李炜煜, 方士正, 等. 波阻抗对岩石动力学特性影响的 模拟试验研究. 振动与冲击, 2020, 39（3）：178） [18] Yang R S, Chen J, Yang L Y, et al. An experimental study of high strain-rate properties of clay under high consolidation stress. Soil Dyn Earthq Eng, 2017, 92: 46 [19] Yang R S, Chen J, Fang S Z, et al. Inversion analysis of M–C criterion parameters of rock based on uniaxial shearing failure. Chin J Geotech Eng, 2017, 39（7）: 1351 （杨仁树, 陈骏, 方士正, 等. 基于单轴剪切破坏的岩石M–C准则 参数反演分析. 岩土工程学报, 2017, 39（7）：1351） [20] Wang Y B, Yang R S. Experiment Method for Quantitatively Analyzing Rock Blasting Damage: China Patent, CN109813617B. 2020-07-31 （ 王雁冰, 杨仁树. 一种定量分析岩石爆破损伤的实验方法: 中 国专利, CN109813617B. 2020-07-31） [21] Yang R S, Xiao C L, Li Y L, et al. A fractal study on blasting damage of an eccentric decouple charge structure. J Vib Shock, 2020, 39（12）: 129 （杨仁树, 肖成龙, 李永亮, 等. 不耦合偏心装药结构爆破损伤破 坏的分形研究. 振动与冲击, 2020, 39（12）：129） [22] Yang R S, Che Y L, Sun Q, et al. Applied research on smooth blasting with different charge structure in metro running tunnel. Blasting, 2013, 30（2）: 90 （杨仁树, 车玉龙, 孙强, 等. 地铁区间隧道不同装药结构光面爆 破应用研究. 爆破, 2013, 30（2）：90） [23] Gong M, Li Y Q, Zhang M G, et al. Wedge Slotting Detonation Segment Design Method Based on Second Free Face Forming Time: China Patent, CN107843157B. 2018-10-02 （ 龚敏, 李永强, 张明高, 等. 基于第二临空面形成时间的楔形掏 槽起爆段别设计方法: 中国专利, CN107843157B. 2018-10-02） [24] Yang G L, Yang R S, Che Y L. Damage accumulative effect of surrounding rock under periodic blasting vibration. J China Coal Soc, 2013, 38(Suppl 1): 25 （ 杨国梁, 杨仁树, 车玉龙. 周期性爆破振动下围岩的损伤累积 效应. 煤炭学报, 2013, 38(增刊1): 25） [25] Yang R S, Wang Q X. Elastic analysis and design of circular horizontal frozen wall based on interaction between frozen wall and surrounding rock. J China Coal Soc, 2016, 41（5）: 1069 （杨仁树, 王千星. 基于复变函数的圆形水平冻结壁弹性分析与 设计. 煤炭学报, 2016, 41（5）：1069） [26] Yang R S, Wang Q X, Yang L Y. Closed-form elastic solution for irregular frozen wall of inclined shaft considering the interaction with ground. Int J Rock Mech Min Sci, 2017, 100: 62 [27] Yang R S, Li Y L, Guo D M, et al. Failure mechanism and control technology of water-immersed roadway in high-stress and soft rock in a deep mine. Int J Min Sci Technol, 2017, 27（2）: 245 [28] Yang R S, Xue H J, Guo D M, et al. Failure mechanism of surrounding rock of large section chambers in complex rock formations and its control. J China Coal Soc, 2015, 40（10）: 2234 （杨仁树, 薛华俊, 郭东明, 等. 复杂岩层大断面硐室群围岩破坏 机理及控制. 煤炭学报, 2015, 40（10）：2234） [29] Yang R S, Xue H J, Guo D M, et al. Laboratory grouting experiment based CT analysis of grouted soft rocks in deep mines. J China Coal Soc, 2016, 41（2）: 345 （杨仁树, 薛华俊, 郭东明, 等. 基于注浆试验的深井软岩CT分 析. 煤炭学报, 2016, 41（2）：345） [30] Yang R S, Ma X M, Li Q, et al. Research on expert system of roadway supporting schemes for coal mine and its application. J Min Saf Eng, 2013, 30（5）: 648 （杨仁树, 马鑫民, 李清, 等. 煤矿巷道支护方案专家系统及应用 研究. 采矿与安全工程学报, 2013, 30（5）：648） [31] 杨仁树等： 地下空间工程服役安全的认识与思考 · 9 ·