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 ·