朱漢華（浙江公路局） 尚岳全（浙江大學(xué)）
1、引言
馬克思主義理論核心是人的解放，在研究生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)與上層建筑之間關(guān)系的一般社會(huì)發(fā)展規(guī)律，而階級(jí)斗爭(zhēng)、唯物主義…是其理論的組成部分。在俄國(guó)和中國(guó)等國(guó)家都是結(jié)合本國(guó)的社會(huì)發(fā)展實(shí)際，才取得了革命的成功，發(fā)展成列寧主義和毛澤東思想。而結(jié)合西方發(fā)達(dá)國(guó)家的社會(huì)發(fā)展實(shí)際則進(jìn)行社會(huì)改良緩和矛盾，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，也發(fā)展成許多新理論。正確的理論需要結(jié)合社會(huì)發(fā)展階段的實(shí)際，究竟是采用革命手段還是采用改革手段才有效呢？關(guān)鍵是否符合絕大多數(shù)人的利益和社會(huì)進(jìn)步，因此馬克思主義的生命力在于時(shí)代化、具體化、大眾化。在地下工程建設(shè)中，傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”也是在解決特定地下工程建設(shè)問(wèn)題過(guò)程中提出的一般理論，實(shí)際應(yīng)用中有成功也有迷茫。
應(yīng)該記�。号ｎD力學(xué)、能量法、有限元等理論能夠解決結(jié)構(gòu)穩(wěn)定平衡問(wèn)題�；⒖硕�、本構(gòu)關(guān)系等理論建立了材料力與變形之間的關(guān)系。而結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)問(wèn)題（即構(gòu)件內(nèi)部或構(gòu)件與構(gòu)件之間的力有效傳遞問(wèn)題）并未凸顯出來(lái)，也缺乏明確的分析標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，基于成熟的構(gòu)造措施以及經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證合理的變形假定一般能夠解決變形協(xié)調(diào)問(wèn)題。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，工法與構(gòu)造創(chuàng)新雖然克服了大部分連接可靠性問(wèn)題、但是構(gòu)件之間或非均勻構(gòu)件內(nèi)部或組合變形協(xié)調(diào)問(wèn)題沒(méi)有往往重視不夠，有時(shí)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂或不利變形甚至破壞。可以基于傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”等已有地下工程建設(shè)的一些基本理念，結(jié)合施工技術(shù)發(fā)展水平，工程環(huán)境變化情況，創(chuàng)造性地提出適應(yīng)地下工程建設(shè)需要的新理論和新方法。“地下工程平衡穩(wěn)定理論”正是基于這種需要而發(fā)展的，以一般性力學(xué)模型研究地下工程建設(shè)全過(guò)程穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)的問(wèn)題，以期達(dá)到高效、安全地進(jìn)行地下工程建設(shè)。
這些理論的共同價(jià)值是“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”、“基本維持圍巖原始狀態(tài)”、“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”，解決問(wèn)題時(shí)既要思路定位正確，更要手段有效到位，真正做到“具體問(wèn)題具體分析”，否則好理念而無(wú)有效手段保障也沒(méi)用。正如國(guó)家安全的關(guān)鍵是戰(zhàn)略和軍事實(shí)力，而經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力等是支撐；工程結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵是把握物理概念與過(guò)程力學(xué)狀態(tài)正確性和手段有效到位，而數(shù)值分析和模型試驗(yàn)等是支撐，越是復(fù)雜問(wèn)題，把握物理概念與過(guò)程力學(xué)狀態(tài)正確性和手段有效到位越重要。這樣地下工程研究與實(shí)踐屬于半理論半經(jīng)驗(yàn)方法，猶如灰箱模型，面對(duì)問(wèn)題，堅(jiān)持基本物理概念與力學(xué)方法及整體和聯(lián)系的哲學(xué)思維，盡可能研究灰箱模型內(nèi)涵，著重研究物質(zhì)特性、手段效果，采用有效手段控制周邊環(huán)境與結(jié)構(gòu)共同作用行為更為關(guān)鍵。
2、需求發(fā)展與研究轉(zhuǎn)型
統(tǒng)籌區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，需要建設(shè)大量地下工程。丘陵山區(qū)隧道、城市地下車(chē)庫(kù)、人防工程、地下商場(chǎng)等建設(shè)，也主要由地質(zhì)選址轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕梢?guī)劃選址，對(duì)應(yīng)的建設(shè)環(huán)境也日趨復(fù)雜，更多地涉及破碎圍巖和軟弱圍巖、地下水富集區(qū)、偏壓、環(huán)境穩(wěn)定等問(wèn)題，地下工程構(gòu)筑物的跨度和長(zhǎng)度逐漸增大、新的結(jié)構(gòu)形式不斷出現(xiàn)，出現(xiàn)新問(wèn)題越來(lái)越多。伴隨復(fù)雜工程環(huán)境、復(fù)雜地質(zhì)條件和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，確保地下工程建設(shè)安全的難度越來(lái)越高，合理把握地下工程施工工法的復(fù)雜性和重要性日益增加。探索易于應(yīng)用的地下工程建設(shè)理論和方法，具有重大的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。（猶如人類饑餓時(shí)就只有一個(gè)吃飽問(wèn)題；而解決吃飽問(wèn)題后就會(huì)產(chǎn)生許多問(wèn)題，因此條件變化就會(huì)引起研究問(wèn)題、研究方法、解決方法等相應(yīng)變化。）
3、研究目標(biāo)與平衡穩(wěn)定理念拓展
地下工程建設(shè)已經(jīng)完成了從實(shí)踐到理論的發(fā)展，形成許多理論體系，提高、完善和簡(jiǎn)化地下工程建設(shè)理論是當(dāng)前的發(fā)展要求。工程結(jié)構(gòu)既是人類創(chuàng)造藝術(shù)品，更要承載著一定的使用功能。因此，工程結(jié)構(gòu)首先要把握整體周邊環(huán)境（物質(zhì)、水）的穩(wěn)定平衡，再要把握局部環(huán)境與結(jié)構(gòu)相互作用不但要滿足藝術(shù)上的形似平衡，更要從“力、變形、能量”等方面確保系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。“力和能量要有相應(yīng)物質(zhì)載體，并具有相應(yīng)傳遞或轉(zhuǎn)換路徑”，結(jié)構(gòu)“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”和“外力做功有效轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)彈性應(yīng)變能”是統(tǒng)一的，變形協(xié)調(diào)又是能量法和力法結(jié)構(gòu)分析的必要條件。確保“力、變形、能量”按設(shè)計(jì)路徑傳遞及方式轉(zhuǎn)化是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全、合理的基本要求，也是維持設(shè)計(jì)形式不產(chǎn)生有害過(guò)程的基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際情況，分別從“力、變形、能量”三要素中的一個(gè)或幾個(gè)要素可更好控制地下工程結(jié)構(gòu)行為，一般來(lái)說(shuō)用“力、能量”進(jìn)行定性或定量分析結(jié)構(gòu)行為，而用 “變形”進(jìn)行控制結(jié)構(gòu)行為。而確保結(jié)構(gòu)的“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”，不僅需要目標(biāo)控制，更需要圍繞目標(biāo)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全合理的過(guò)程控制，否則結(jié)構(gòu)就會(huì)不穩(wěn)定或破壞。
參照仿生學(xué)，安全合理的地下工程結(jié)構(gòu)必須滿足三個(gè)條件：①工程結(jié)構(gòu)平衡必須穩(wěn)定；②工程結(jié)構(gòu)變形必須穩(wěn)定與協(xié)調(diào)；③工程結(jié)構(gòu)敏感構(gòu)件或連接件可以檢測(cè)或維護(hù)或替換。
通過(guò)對(duì)大量國(guó)內(nèi)外經(jīng)典歷史工程堅(jiān)持用心觀摩與領(lǐng)悟、現(xiàn)代力學(xué)知識(shí)邏輯分析與判斷等可以得出結(jié)論：在整體周邊環(huán)境（物質(zhì)、水）的穩(wěn)定平衡的基礎(chǔ)上，應(yīng)通過(guò)整體力學(xué)分析研究地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)組合系統(tǒng)力學(xué)狀態(tài)與過(guò)程，必要時(shí)采用有效措施確保地下工程施工使全過(guò)程滿足圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的承載力始終保持大于隧道施工前保持原始巖體穩(wěn)定平衡的原始內(nèi)力，使得地下工程始終保持穩(wěn)定平衡狀態(tài)與變形協(xié)調(diào)，達(dá)到地下工程“基本維持圍巖原始狀態(tài)”，實(shí)現(xiàn)在保持圍巖承載能力的條件下“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”的目的。同時(shí)提出地下工程獨(dú)立受力系統(tǒng)建設(shè)使用全過(guò)程都必須滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡、三維力與變形協(xié)調(diào)、三維變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)，以使得獨(dú)立受力的組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由組合或單件部分受力體轉(zhuǎn)變?yōu)檎w共同受力體，否則會(huì)改變?cè)既S力學(xué)平衡形式或達(dá)到新的三維力學(xué)平衡形式，甚至喪失穩(wěn)定性；對(duì)于無(wú)法實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)的多個(gè)獨(dú)立受力單元的地下工程組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，避免連接部分開(kāi)裂是重點(diǎn)，例如連拱隧道與小凈距隧道及多個(gè)獨(dú)立平行斜交連續(xù)梁橋，要提高他們的受力獨(dú)立性；因此平衡穩(wěn)定理念就由穩(wěn)定平衡拓展到穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)，包括“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”、F>Po或，以及延伸拓展“基本維持圍巖原始狀態(tài)”、圍巖極限承載能力、監(jiān)測(cè)只適用于極值點(diǎn)穩(wěn)定問(wèn)題而不適用于分支點(diǎn)失穩(wěn)問(wèn)題、開(kāi)挖能量最小原理、強(qiáng)預(yù)支護(hù)理論、受力獨(dú)立性、環(huán)境穩(wěn)定與協(xié)調(diào)平衡理論等，便于更加全面研究地下工程建設(shè)安全等問(wèn)題。
例1：變形協(xié)調(diào)概念的具體例證，幼小孩站和走不穩(wěn)定自身會(huì)摔跤，外推力只是誘因；趙州橋砌塊之間沒(méi)有砂漿，砌塊為料石是關(guān)鍵。
例2：青少年人擔(dān)100斤與壯年人擔(dān)100斤能力的區(qū)別在于具有耐力和穩(wěn)定性的常態(tài)，而不是非常態(tài)的爆發(fā)力否則人身體會(huì)受到傷害，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念也應(yīng)具有穩(wěn)定的常態(tài)性。
例3：從受壓桿件喪失穩(wěn)定問(wèn)題的分析中可以看到，監(jiān)測(cè)只適用于極值點(diǎn)穩(wěn)定問(wèn)題而不適用于分支點(diǎn)失穩(wěn)問(wèn)題。這樣實(shí)際工程中，我們?cè)谝?guī)劃工程設(shè)計(jì)施工方案時(shí)，應(yīng)該采用結(jié)構(gòu)措施或輔助手段防止結(jié)構(gòu)發(fā)生分支點(diǎn)失穩(wěn)，確保工程施工安全。
4、目標(biāo)與過(guò)程控制兩大類研究方法簡(jiǎn)單問(wèn)題的目標(biāo)控制容易把握，而復(fù)雜問(wèn)題的目標(biāo)控制具有極大的難度，正像分析樹(shù)葉落地和蘋(píng)果落地的差別，容易預(yù)測(cè)從高處落下的一個(gè)蘋(píng)果的落點(diǎn)，但你很難預(yù)測(cè)從高處落下的一片樹(shù)葉的落點(diǎn)。對(duì)于簡(jiǎn)單問(wèn)題，可以采用精確分析和目標(biāo)控制方法；對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題，應(yīng)采用整體控制與細(xì)節(jié)把握和圍繞目標(biāo)的過(guò)程控制方法。對(duì)于條件好的簡(jiǎn)單地質(zhì)環(huán)境，地下工程的穩(wěn)定平衡容易實(shí)現(xiàn)，選用什么理論和工法不重要，自然達(dá)到目標(biāo)整體控制；而對(duì)于不良地質(zhì)條件和復(fù)雜工程環(huán)境條件的地下工程建設(shè)，會(huì)遇到許多不確定性的問(wèn)題，就需要更清晰的整體思路和正確的工程保障措施，做到整體控制與細(xì)節(jié)把握和圍繞目標(biāo)的過(guò)程控制，使得全過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定平衡。因此，需要突破‘確定分析與非確定分析’和‘目標(biāo)控制與圍繞目標(biāo)的過(guò)程控制’方法上的對(duì)立，實(shí)現(xiàn)“具體問(wèn)題具體分析”思路上的統(tǒng)一。
5、理念與工法的關(guān)聯(lián)性，應(yīng)用范圍的拓展
地下工程本質(zhì)效果、表現(xiàn)形式、研究方法、手段措施息息相關(guān)，其中表現(xiàn)形式、研究方法、手段措施是與環(huán)境和條件相耦合，也隨著條件變化而變化，關(guān)鍵是把握本質(zhì)與區(qū)分形式、方法要正確、措施要到位。因此實(shí)踐發(fā)展要求理論創(chuàng)新，猶如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主板把許多不同功能硬件板卡有機(jī)組合起來(lái)一樣，地下工程平衡穩(wěn)定理論在整體周邊環(huán)境（物質(zhì)、水）的穩(wěn)定平衡的基礎(chǔ)上，應(yīng)通過(guò)整體力學(xué)分析研究地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)組合系統(tǒng)力學(xué)狀態(tài)與過(guò)程，用地下工程平衡穩(wěn)定理論把傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”的基本內(nèi)容有機(jī)組合起來(lái)，同時(shí)拓寬了四個(gè)方面內(nèi)容：①盡可能減小對(duì)圍巖原始結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)的隧道開(kāi)挖能量最小原理；②對(duì)具有穩(wěn)定性缺陷圍巖及時(shí)支護(hù)的強(qiáng)預(yù)支護(hù)理論；③減小連拱隧道與小凈距隧道開(kāi)挖相互影響的隧道受力獨(dú)立性；④確保環(huán)境穩(wěn)定和實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)平衡的地下工程建設(shè)環(huán)境穩(wěn)定與協(xié)調(diào)平衡理論；以豐富地下工程平衡穩(wěn)定理論體系，更加全面體現(xiàn)地下工程平衡穩(wěn)定性的根本內(nèi)涵。
例如分別研究社會(huì)主義、資本主義、計(jì)劃經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)等內(nèi)涵，再有機(jī)統(tǒng)一，更有利于拓寬研究與應(yīng)用，我國(guó)就不致于出現(xiàn)改革開(kāi)放前批判市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)是資本主義的產(chǎn)物，改革開(kāi)放初期也對(duì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)質(zhì)疑，經(jīng)過(guò)一段探索期才形成社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)理論；其實(shí)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)就是一種手段，與社會(huì)性質(zhì)無(wú)關(guān)，改革開(kāi)放實(shí)踐證明社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)理論（包括有計(jì)劃性質(zhì)的宏觀調(diào)控）是有效的。同樣把地下工程建設(shè)理念和有效工法分別研究與有機(jī)統(tǒng)一，更有利于拓寬研究與應(yīng)用視野，例如“松弛荷載理論”可以和現(xiàn)代工法結(jié)合；“巖承理論”可以和傳統(tǒng)工法及更多現(xiàn)代工法（除光面爆破、噴錨支護(hù)、監(jiān)控量測(cè)三大主要措施外）結(jié)合；“松弛荷載理論”與“巖承理論”也可以拓寬理念或相互融合（完善軟土盾構(gòu)施工理念等），更加適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，再和傳統(tǒng)工法及更多現(xiàn)代工法結(jié)合，能進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范。
本質(zhì)效果：本質(zhì)包括穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)、F>Po 或（對(duì)應(yīng)人類社會(huì)發(fā)展規(guī)律，不變的）；效果是驗(yàn)證地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)與變形協(xié)調(diào)，并檢驗(yàn) 判斷形式準(zhǔn)確性、使用方法和措施簡(jiǎn)單有效性。
表現(xiàn)形式：通過(guò)整體力學(xué)分析研究地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相互作用的力學(xué)狀態(tài)和過(guò)程，把握地下工程系統(tǒng)不同表現(xiàn)形式的穩(wěn)定協(xié)調(diào)（對(duì)應(yīng)不同社會(huì)形態(tài)，變化的）
研究方法：層次一、目標(biāo)與過(guò)程控制問(wèn)題(確定性分析方法與非確定性分析方法（目標(biāo)整體控制、細(xì)節(jié)把握或過(guò)程控制、類比設(shè)計(jì)、反饋修正）；或兩種方法結(jié)合)；層次二、新奧法、淺埋暗挖法、F>Po 或……，并符合穩(wěn)定協(xié)調(diào)（對(duì)應(yīng)生產(chǎn)關(guān)系，變化的）手段措施：層次一、新奧法、淺埋暗挖法、F>Po 或、……；層次二、各種具體措施必須符合本質(zhì)要求，方法要正確、措施要到位并與表現(xiàn)形式相適應(yīng)，滿足穩(wěn)定協(xié)調(diào)、F>Po 或（對(duì)應(yīng)生產(chǎn)力，變化的）
本質(zhì)是不變的、而形式是多種多樣的，解決工程結(jié)構(gòu)問(wèn)題應(yīng)搞清問(wèn)題的力學(xué)本質(zhì)與形式、抓住本質(zhì)、針對(duì)形式、選擇合適的分析方法、采取恰當(dāng)?shù)姆乐未胧�，效果可以檢驗(yàn)其有效性。
6、平衡穩(wěn)定理論是“松散荷載理論”和“‘巖承理論”的繼承和發(fā)展
任何事物演變都遵循“簡(jiǎn)單（初步認(rèn)識(shí)或研究）-復(fù)雜（抓住本質(zhì)但方法復(fù)雜）-簡(jiǎn)單（抓住本質(zhì)且方法簡(jiǎn)單有效）”的發(fā)展規(guī)律，依據(jù)‘松散荷載理論’統(tǒng)計(jì)地下工程圍巖塌方規(guī)律的規(guī)范值，對(duì)大部分地下工程預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)是可行的，但對(duì)于圍巖偏差和偏好的情況存在工程風(fēng)險(xiǎn)和支護(hù)過(guò)度。依據(jù)‘巖承理論’的新奧法源于硬巖，雖然強(qiáng)調(diào)了硬巖與軟巖應(yīng)用有區(qū)別，但在不良地質(zhì)條件下，很難把握圍巖與支護(hù)共同受力平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性，地下工程施工安全與襯砌開(kāi)裂現(xiàn)象就說(shuō)明了其存在的工程風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目研究成果基于規(guī)范但又寬于規(guī)范，在已有地下工程建設(shè)理論分析的基礎(chǔ)上，以平衡穩(wěn)定理論的本質(zhì)把握地下工程建設(shè)全過(guò)程，建立了更加全面的地下工程平衡穩(wěn)定理論體系，同時(shí)可以較好解釋許多工法和理念的合理性，如取消系統(tǒng)錨桿的措施、合理開(kāi)挖與支護(hù)技術(shù)等，以便更好地指導(dǎo)地下工程設(shè)計(jì)與施工。
（1）“松弛荷載理論”曾經(jīng)產(chǎn)生過(guò)重要的影響，作為圍巖壓力的近似計(jì)算方法，應(yīng)用比較簡(jiǎn)便，在巖體破碎或淺埋隧道情況下其計(jì)算結(jié)果仍有一定的價(jià)值，至今仍在一些國(guó)家廣泛應(yīng)用。依據(jù)“松弛荷載理論”統(tǒng)計(jì)地下工程圍巖塌方規(guī)律的規(guī)范值大部分可行，但在沒(méi)有采用變形協(xié)調(diào)控制手段修正時(shí)，對(duì)于圍巖偏差和偏好的情況存在工程風(fēng)險(xiǎn)和支護(hù)過(guò)度的情況。
（2）“巖承理論”中基于圍巖位移支護(hù)特性曲線進(jìn)行圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題：支護(hù)特性曲線上的D點(diǎn)是理論上存在，但實(shí)踐上無(wú)法把握；圍巖位移支護(hù)特性曲線雖然解決了隧道圍巖結(jié)構(gòu)受力平衡問(wèn)題，但對(duì)于軟弱圍巖等部分體系較難把握隧道圍巖結(jié)構(gòu)的平衡穩(wěn)定性問(wèn)題。依據(jù)“巖承理論”的新奧法源于硬巖，雖然強(qiáng)調(diào)了硬巖與軟巖應(yīng)用有區(qū)別，但在不良地質(zhì)條件下，對(duì)于分支點(diǎn)失穩(wěn)的工程問(wèn)題，很難把握圍巖與支護(hù)共同受力平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性，地下工程施工安全與襯砌開(kāi)裂現(xiàn)象就說(shuō)明了其存在的工程風(fēng)險(xiǎn)。其中“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”與“基本維持圍巖原始狀態(tài)”相統(tǒng)一。
圖2 圍巖位移支護(hù)特性曲線（解決特定地下工程建設(shè)問(wèn)題過(guò)程中提出的一般理論）
另外“新奧法”偏于概念化（“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”），猶如社會(huì)主義優(yōu)越性（“各盡所能、按勞分配”）現(xiàn)實(shí)中很難發(fā)揮。
（3）地下工程平衡穩(wěn)定理論在整體周邊環(huán)境（物質(zhì)、水）的穩(wěn)定平衡的基礎(chǔ)上，應(yīng)通過(guò)整體力學(xué)分析研究地層支護(hù)結(jié)構(gòu)組合系統(tǒng)力學(xué)狀態(tài)與過(guò)程，用平衡穩(wěn)定理論把傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”的基本內(nèi)容有機(jī)組合起來(lái)，同時(shí)拓寬了平衡穩(wěn)定性內(nèi)容，是地下工程平衡穩(wěn)定性的新認(rèn)識(shí)、新理念。其中地下工程平衡穩(wěn)定包括兩層含義：第一、結(jié)構(gòu)受力平衡與變形協(xié)調(diào)；第二、結(jié)構(gòu)受力平衡與變形協(xié)調(diào)狀態(tài)的穩(wěn)定。
圖3 隧道平衡穩(wěn)定理論的力-位移特征曲線圖（以一般性力學(xué)模型研究問(wèn)題提出的理論）
例如：地下水位低的北方地區(qū)硬土或南方地區(qū)硬粘土等情況應(yīng)該采用淺埋暗挖法；地下水位高的長(zhǎng)三角地區(qū)軟土P約為0等情況應(yīng)該采用盾構(gòu)施工；山城重慶等巖石地區(qū)應(yīng)該采用礦山法（新奧法）施工。
因此地下工程平衡穩(wěn)定理論通過(guò)整體力學(xué)分析研究地層支護(hù)結(jié)構(gòu)組合體系力學(xué)狀態(tài)與過(guò)程，用平衡穩(wěn)定理論把傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”的基本內(nèi)容有機(jī)組合起來(lái)，同時(shí)拓寬了平衡穩(wěn)定性內(nèi)容，是地下工程平衡穩(wěn)定性的新認(rèn)識(shí)、新理念。該成果基于規(guī)范但又寬于規(guī)范，在已有地下工程建設(shè)理論分析的基礎(chǔ)上，把平衡穩(wěn)定理論應(yīng)用于地下工程，建立了更加可靠的地下工程平衡穩(wěn)定理論體系，同時(shí)可以較好解釋許多工法和理念的合理性，如取消系統(tǒng)錨桿、合理開(kāi)挖與支護(hù)技術(shù)等，可以更好地指導(dǎo)地下工程設(shè)計(jì)與施工。
其中（2）式類似于牛頓第二定律（F=m*a），普遍適用解決地下工程平衡穩(wěn)定問(wèn)題。（2）式是不變的，各種理論表現(xiàn)形式隨著“具體問(wèn)題具體分析”而變化。
例如：盾構(gòu)法隧道施工，主要包括四道工序，即開(kāi)挖控制(保頭)、管片拼裝、注漿填充(護(hù)尾)、施工量測(cè)。而我們通常所說(shuō)的“保頭護(hù)尾”，就是開(kāi)挖控制和注漿填充工序中應(yīng)注重的方面。就是確保環(huán)境穩(wěn)定和實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)平衡的地下工程建設(shè)環(huán)境穩(wěn)定與協(xié)調(diào)平衡理論的具體體現(xiàn)。
7、地下工程平衡穩(wěn)定理論的前置條件與實(shí)踐要求
（1）松弛荷載理論的前置條件為：環(huán)境穩(wěn)定、確定的破壞模式、圍巖是外荷載、先開(kāi)挖后支護(hù)施工方式等；著重考慮強(qiáng)度平衡問(wèn)題，也存在穩(wěn)定協(xié)調(diào)問(wèn)題。
（2）巖承理論代表之一，新奧法的前置條件為：環(huán)境穩(wěn)定、圍巖承擔(dān)荷載、巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線（源于硬巖）、光面爆破與噴錨（柔性）支護(hù)等施工方式等；首次提出了充分發(fā)揮圍巖的自承能力的概念，幫助性支護(hù)成本最低，但應(yīng)用范圍受限。對(duì)于軟弱圍巖等部分體系較難滿足穩(wěn)定協(xié)調(diào)問(wèn)題猶如幼小孩站和走不穩(wěn)定自身會(huì)摔跤，外推力只是誘因。顯然松弛荷載理論與巖承理論在發(fā)揮巖土體自身承載的本能屬性方面猶如抱小孩與牽小孩。
（3）巖承理論代表之二，淺埋暗挖法的前置條件為：環(huán)境穩(wěn)定、巖土體有一定自穩(wěn)能力和地下水位較低、圍巖承擔(dān)荷載、源于礦山法施工方式等，采用先柔后剛復(fù)合式襯砌新型支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，強(qiáng)調(diào)初次支護(hù)承擔(dān)全部基本荷載，二次模筑襯砌作為安全儲(chǔ)備，初次支護(hù)和二次襯砌共同承擔(dān)特殊荷載的方法，滿足穩(wěn)定協(xié)調(diào)問(wèn)題。但沒(méi)有強(qiáng)調(diào)發(fā)揮巖土體自身承載的本能屬性，這樣擴(kuò)大應(yīng)用范圍也會(huì)遇到部分工程經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)不足。
（4）巖承理論代表之三，其他工法（挪威法、新意法等）的力學(xué)特性、部分前置條件與巖承理論代表之一或二類似，只是施工方式不同。
（5）地下工程平衡穩(wěn)定理論以一般性力學(xué)模型研究地下工程建設(shè)全過(guò)程穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)的問(wèn)題，涵蓋了強(qiáng)預(yù)支護(hù)原理、基本維持圍巖原始狀態(tài)、環(huán)境穩(wěn)定與協(xié)調(diào)平衡理論等內(nèi)容，自然滿足發(fā)揮巖土體自身承載的本能屬性，同時(shí)滿足穩(wěn)定協(xié)調(diào)條件等。其中采用基本力學(xué)（理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、能量增量法等）處理復(fù)雜問(wèn)題一定要先從系統(tǒng)角度理解事物和從整體上加以把握，再?gòu)恼w與局部的關(guān)系把握問(wèn)題，統(tǒng)籌考慮各方面因素，深入分析圍巖、環(huán)境、支護(hù)系統(tǒng)相互作用之間的力學(xué)或能量增量模式（F>Po 或△T<△U），主要狀態(tài)符合基本力學(xué)或能量增量關(guān)系或通過(guò)合理剛度支護(hù)系統(tǒng)達(dá)到“基本維持圍巖原始狀態(tài)”和“保持平衡穩(wěn)定”并把復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化簡(jiǎn)單力學(xué)問(wèn)題，就可應(yīng)用基本力學(xué)解決地下工程問(wèn)題。深化地下工程問(wèn)題研究，必須“把握”三點(diǎn)：（1）首先“把握” 松弛荷載理論、巖承理論等已有理論的本意和當(dāng)時(shí)實(shí)踐環(huán)境(硬巖、軟巖)，以及實(shí)踐效果；（2）要“把握”現(xiàn)有地質(zhì)條件和生產(chǎn)力水平等實(shí)踐環(huán)境，滿足發(fā)揮圍巖承載本能、穩(wěn)定協(xié)調(diào)、建設(shè)成果的質(zhì)量安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等要求，以及預(yù)計(jì)實(shí)踐效果；（3）始終牢記實(shí)踐效果是檢驗(yàn)遵循本質(zhì)要求、判斷形式準(zhǔn)確性、使用方法和措施簡(jiǎn)單有效性的優(yōu)劣依據(jù)。
8、研究總結(jié)
適應(yīng)自然環(huán)境和生產(chǎn)力發(fā)展水平的簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)方法就是好方法，理論體系和技術(shù)方法需要繼承、借鑒、發(fā)展和簡(jiǎn)化，才能更好地服務(wù)于工程建設(shè)。本項(xiàng)目研究成果具有四大特點(diǎn)：
（1）從結(jié)構(gòu)“力、變形、能量” 三要素和過(guò)程控制均應(yīng)滿足變形協(xié)調(diào)角度，重點(diǎn)闡述地下工程結(jié)構(gòu)全過(guò)程穩(wěn)定平衡的內(nèi)涵，工程建設(shè)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，分別從“力、變形、能量”三要素中的一個(gè)或幾個(gè)要素，合理控制地下工程結(jié)構(gòu)行為，真正達(dá)到全過(guò)程穩(wěn)定平衡；（2）提煉和發(fā)展了許多地下工程理論體系的共性（本質(zhì)要求），即平衡穩(wěn)定與變形協(xié)調(diào)以及延伸理念，形成了較系統(tǒng)的新理論體系，即地下工程平衡穩(wěn)定理論，并提出 “精確分析”和“整體控制與細(xì)節(jié)把握”兩大類研究方法，及提出“目標(biāo)控制”與“圍繞目標(biāo)的過(guò)程控制”兩類地下工程安全保障措施；（3）將地下工程建設(shè)理論與已有工法和實(shí)際地質(zhì)環(huán)境等相結(jié)合（手段措施），實(shí)現(xiàn)解釋和完善已有工法，開(kāi)發(fā)新工法，并形成與已有工法和實(shí)際地質(zhì)環(huán)境等相適應(yīng)的個(gè)體化設(shè)計(jì)施工方案，做到具體問(wèn)題具體分析，防范事故、確保安全；（4）總結(jié)了地下工程本質(zhì)效果、表現(xiàn)形式、研究方法、手段措施的相互關(guān)系，它們都與環(huán)境和條件相耦合，隨著條件變化而變化，關(guān)鍵是以不變應(yīng)萬(wàn)變、把握并區(qū)分本質(zhì)與形式，方法要正確、措施要到位。
9、實(shí)例
（1） 現(xiàn)行規(guī)范的局限性（見(jiàn)圖 7）
對(duì)于山嶺隧道，《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范－90》中規(guī)定了不宜直接使用錨噴支護(hù)的四類特殊地質(zhì)情況：
① 未膠結(jié)松散巖體或人工（自然）堆（坡）積碎石土；
② 淺埋但不宜明挖地段；
③ 膨脹性巖體或含有膨脹因子、節(jié)理發(fā)育、較松散巖體；
④ 地下水活動(dòng)較強(qiáng)，造成大面積淋水地段。
對(duì)于以上四類特殊地質(zhì)條件下的隧道開(kāi)挖，必須采用類似軟土隧道盾構(gòu)施工原理的預(yù)支護(hù)技術(shù)，即采用超前管棚、小鋼管或插板、鋼拱架和噴混凝土的聯(lián)合支護(hù)體系，或采用改良地層的設(shè)計(jì)方法，其核心是控制或限制固體顆粒流失與允許可補(bǔ)充水份流失和短開(kāi)挖強(qiáng)支護(hù)，而基本維持原始狀態(tài)力學(xué)平衡。
（2）受力獨(dú)立性問(wèn)題
（3） 環(huán)境穩(wěn)定與協(xié)調(diào)平衡問(wèn)題
軟土中開(kāi)挖隧道就像在豆腐中打洞，晃動(dòng)過(guò)大豆腐就會(huì)散。所以盾構(gòu)施工要盡量減少對(duì)土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)和基本維持土體原始狀態(tài)，減少工后沉降和其他工程風(fēng)險(xiǎn)。土體原始結(jié)構(gòu)破壞后，力學(xué)指標(biāo)急劇降低，土體變形難以控制。依據(jù)盾構(gòu)施工對(duì)地層變形影響的各階段，采取相應(yīng)的控制方法和輔助措施，減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。
圖15細(xì)顆粒土質(zhì)類構(gòu)造體結(jié)構(gòu)性能（盾構(gòu)推進(jìn)與注漿壓力合適，加注雙液漿及時(shí)固結(jié)對(duì)基本維持土體原始狀態(tài)很重要）
因此對(duì)于這類復(fù)雜地質(zhì)隧道或盾構(gòu)，施工全過(guò)程首先要研究力學(xué)穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)問(wèn)題，其次才考慮施工便利與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。
盾構(gòu)同步注漿后加注雙液漿，形成類似于水桶箍的漿脈骨架，有利于鉸接管片均衡受力，提高鉸接管片受力的穩(wěn)定性，也可用整體施加預(yù)應(yīng)力來(lái)提高穩(wěn)定性，而理論分析解決不了穩(wěn)定性問(wèn)題。
軟弱地層開(kāi)挖后形成塌落空間，改變了地層原始狀態(tài)穩(wěn)定性和受力狀況，要基本保持地層原始狀態(tài)受力和變形狀況，必須提供預(yù)支護(hù)或及時(shí)同步充填強(qiáng)度和剛度比原狀土大的材料，才能達(dá)到完全充填和固化等兩個(gè)要求，更能有利于控制地層變形。對(duì)于相對(duì)穩(wěn)定無(wú)承壓水環(huán)境的地層，也可采用混凝土輸送泵同步輸送類似沙漿、比重約為原狀土、可泵性好的細(xì)沙混合物填充盾殼和盾尾空隙。另外對(duì)于滲透系數(shù)小的淤泥質(zhì)土或粘性土等地層，在盾構(gòu)通過(guò)一定距離后容易產(chǎn)生失水固結(jié)，這時(shí)應(yīng)該通過(guò)管片補(bǔ)充注漿，以消除地層固結(jié)影響。
另外盾構(gòu)施工過(guò)程中應(yīng)該做到（1）控制推力約為水土壓力減少周?chē)紫端當(dāng)U散，（2）控制機(jī)體平行度（蛇行度）減少開(kāi)挖面積，（3）控制填充沙漿稠度（保水性）減少沙漿擴(kuò)散，目的是減少對(duì)原土體擾動(dòng)而形成的空隙，否則已有空隙要用沙漿填充的。例如某施工單位控制得好，注漿量為理論值的110～113.6%；而有的施工單位控制得不好，注漿量為理論值的200%多。
圖 16-1 盾構(gòu)斷面補(bǔ)充雙液示意圖
變形協(xié)調(diào)概念的具體例證，幼小孩站和走不穩(wěn)定自身會(huì)摔跤，外推力只是誘因；趙州橋砌塊之間沒(méi)有砂漿，砌塊為料石是關(guān)鍵。
專家提出了該在建深基坑工程必須遵循的三點(diǎn)原則：① 基坑的開(kāi)挖必須分層、分段，且開(kāi)挖暴露時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，每次分層開(kāi)挖控制在3m，分段開(kāi)挖保證在15～20m；② 基坑必須先支撐后開(kāi)挖，并把握好支撐的細(xì)節(jié)，基坑的變形要求在受控的狀態(tài)；③ 注意在雨天環(huán)境下基坑的及時(shí)排水，在完工后，要立即加固混凝土，確�；硬蛔冃�。這三點(diǎn)原則基本符合基坑與支護(hù)系統(tǒng)受力平衡狀態(tài)穩(wěn)定性要求。
地下車(chē)庫(kù)施工中導(dǎo)致附近房屋倒塌
2009年6月27日6時(shí)左右，一幢13層在建商品樓發(fā)生倒塌事故，造成一名工人死亡，如圖18-1所示。根據(jù)政府公布的調(diào)查結(jié)果：房屋傾倒的主要原因是緊貼7號(hào)樓北側(cè)在短期內(nèi)堆土過(guò)高，最高處達(dá)10米左右。與此同時(shí)，緊臨大樓南側(cè)的地下車(chē)庫(kù)基坑正在開(kāi)挖，開(kāi)挖深度達(dá)4.6米，加之支護(hù)工作不到位，地基位移過(guò)大，大樓兩側(cè)的壓力差使土體產(chǎn)生水平位移，致使樓房北側(cè)防汛墻被擠倒。防汛墻的倒塌，土體對(duì)樓房的向前傾斜的抗力消失，過(guò)大的水平力超過(guò)了樁基的抗側(cè)能力，最終導(dǎo)致房屋傾倒，如圖18-2所示。原勘測(cè)報(bào)告經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充勘測(cè)和復(fù)核，符合規(guī)范要求；原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)復(fù)核符合規(guī)范要求。大樓所用PHC管柱經(jīng)檢測(cè)質(zhì)量符合規(guī)范要求。
對(duì)于山體隧道的較大塌方空洞且地面變形要求不高的情況，可在隧道外緣采用管棚支護(hù)和插板形成棚架起支護(hù)作用，而塌方空洞采用充填輕質(zhì)材料控制塌方空洞擴(kuò)大和掉塊，同時(shí)減輕支護(hù)荷載，達(dá)到限制塌方空洞的不利影響。上述措施本質(zhì)上是確保，其途經(jīng)是通過(guò)管棚支護(hù)和插板形成棚架起支護(hù)作用提高系統(tǒng)抗力作功，通過(guò)充填輕質(zhì)材料控制塌方空洞擴(kuò)大和掉塊，減輕支護(hù)荷載，減少荷載作功（）。
復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件區(qū)的隧道開(kāi)挖，常常會(huì)因?yàn)槲搭A(yù)見(jiàn)的局部破碎圍巖而產(chǎn)生坍方。圖19為永加隧道的坍方情況，該隧道掘進(jìn)到里程K16+183掌子面時(shí)，造成洞頂塌方，現(xiàn)塌方縱向?qū)捈s11m，橫向?qū)捈s10m，高22m，體積估計(jì)約2420m3。經(jīng)地表地質(zhì)調(diào)查觀察發(fā)現(xiàn)在里程K16+183掌子面附近遇一隱伏斷裂構(gòu)造，走向北東，傾向北西，巖石中破碎夾層較多且部分厚度較大，破碎地段巖石穩(wěn)定性差，塌方處剩余厚度4.0m，塌腔厚度3.5m，其下部為塌方堆積物，有冒頂現(xiàn)象。
某中等埋深土壓平衡式盾構(gòu)在站間推進(jìn)過(guò)程中，出現(xiàn)盾頭帶動(dòng)整體上浮的情況，其行進(jìn)軌跡如圖20所示。盾構(gòu)直徑為6.3m，盾長(zhǎng)8.0m，盾構(gòu)頂部埋深為12m。
盾構(gòu)出現(xiàn)上浮時(shí)，所經(jīng)過(guò)的地層為③61、③7和⑥1，其土層類型、標(biāo)準(zhǔn)灌入試驗(yàn)和靜力觸探的指標(biāo)如下表所示。盾構(gòu)掘進(jìn)斷面的上半部為相對(duì)較硬的③61、③7，下半部為相對(duì)較軟的⑥1。
機(jī)位狀態(tài)及力學(xué)平衡分析
圖21 盾構(gòu)機(jī)位狀態(tài)力學(xué)分析示意圖
千斤頂?shù)耐屏?jiǎn)化為盾頭頂部的F1和底部的F2；F土1和F土2為開(kāi)挖面土體反力；F3為機(jī)體對(duì)機(jī)頭彈性約束力，當(dāng)機(jī)頭上浮時(shí)阻止上浮，當(dāng)機(jī)頭下壓時(shí)阻止下壓。另外盾構(gòu)還同時(shí)受到周?chē)馏w浮力的影響，盾構(gòu)重量W盾=280t，同體積土體重量 W土=430t，因此盾構(gòu)受到的浮力為150t。F4地層上硬下軟會(huì)延時(shí)填充上部空隙而不產(chǎn)生阻止上浮阻力F4≈0；F5地層上硬下軟及時(shí)填充下部空隙而產(chǎn)生向上推力。
機(jī)位上浮穩(wěn)定平衡狀態(tài)條件有：
F1+F2= F土1 +F土2 (1)
（容易滿足）
F3+F4+F5+W盾=0 (2)
（因不利變形空間和w=-150t，只有同步增加F4才能滿足）
F1D1- F土1D1+F3D2 -F2D1-F2D2+F土2D2=0 (3)
（增加F1或減少F2才能滿足）
開(kāi)挖面土體均勻的情況下F1= F2，盾頭受到土體反力F土1= F土2，盾構(gòu)可以平穩(wěn)地沿設(shè)計(jì)軌跡前進(jìn)。但當(dāng)開(kāi)挖面遇到如上圖所示上硬下軟的瞬間，如仍然以F1=F2的狀態(tài)推進(jìn)，則盾頭不再處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。假設(shè)開(kāi)挖面土體在受到F1=F2的瞬間，在開(kāi)挖面上部和下部產(chǎn)生相等的微小位移δ，土體反力F土=δ×Kx（水平機(jī)床系數(shù)）。因上部土層硬下部土層軟、亦即基床系數(shù)較大，故上部土體反力大于下部F土1>F土2（土壓盾構(gòu)機(jī)頭壓力不同），致使在設(shè)計(jì)前進(jìn)軌跡上的合力矩不平衡（如圖21所示），漸漸形成下部超挖、上部欠挖的情況。
這樣利用式（2）給盾構(gòu)殼體同步注密度大于上硬土層容重的硬性漿液，消除F4（t+Δt）中時(shí)差Δt→0，基本控制盾構(gòu)殼體位置；同時(shí)利用式（3）增加F1或減少F2調(diào)整盾構(gòu)殼體位置逐漸到盾構(gòu)軸線設(shè)計(jì)行進(jìn)軌跡。
“通過(guò)整體力學(xué)分析研究地層支護(hù)結(jié)構(gòu)組合系統(tǒng)力學(xué)狀態(tài)與過(guò)程，必要時(shí)采用有效措施確保地下工程施工使用全過(guò)程滿足F>Po 或，使得地下工程始終保持穩(wěn)定平衡狀態(tài)與變形協(xié)調(diào)。”的經(jīng)典歷史工程實(shí)例
1、引言
馬克思主義理論核心是人的解放，在研究生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)與上層建筑之間關(guān)系的一般社會(huì)發(fā)展規(guī)律，而階級(jí)斗爭(zhēng)、唯物主義…是其理論的組成部分。在俄國(guó)和中國(guó)等國(guó)家都是結(jié)合本國(guó)的社會(huì)發(fā)展實(shí)際，才取得了革命的成功，發(fā)展成列寧主義和毛澤東思想。而結(jié)合西方發(fā)達(dá)國(guó)家的社會(huì)發(fā)展實(shí)際則進(jìn)行社會(huì)改良緩和矛盾，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，也發(fā)展成許多新理論。正確的理論需要結(jié)合社會(huì)發(fā)展階段的實(shí)際，究竟是采用革命手段還是采用改革手段才有效呢？關(guān)鍵是否符合絕大多數(shù)人的利益和社會(huì)進(jìn)步，因此馬克思主義的生命力在于時(shí)代化、具體化、大眾化。在地下工程建設(shè)中，傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”也是在解決特定地下工程建設(shè)問(wèn)題過(guò)程中提出的一般理論，實(shí)際應(yīng)用中有成功也有迷茫。
應(yīng)該記�。号ｎD力學(xué)、能量法、有限元等理論能夠解決結(jié)構(gòu)穩(wěn)定平衡問(wèn)題�；⒖硕�、本構(gòu)關(guān)系等理論建立了材料力與變形之間的關(guān)系。而結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)問(wèn)題（即構(gòu)件內(nèi)部或構(gòu)件與構(gòu)件之間的力有效傳遞問(wèn)題）并未凸顯出來(lái)，也缺乏明確的分析標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，基于成熟的構(gòu)造措施以及經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證合理的變形假定一般能夠解決變形協(xié)調(diào)問(wèn)題。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，工法與構(gòu)造創(chuàng)新雖然克服了大部分連接可靠性問(wèn)題、但是構(gòu)件之間或非均勻構(gòu)件內(nèi)部或組合變形協(xié)調(diào)問(wèn)題沒(méi)有往往重視不夠，有時(shí)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂或不利變形甚至破壞。可以基于傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”等已有地下工程建設(shè)的一些基本理念，結(jié)合施工技術(shù)發(fā)展水平，工程環(huán)境變化情況，創(chuàng)造性地提出適應(yīng)地下工程建設(shè)需要的新理論和新方法。“地下工程平衡穩(wěn)定理論”正是基于這種需要而發(fā)展的，以一般性力學(xué)模型研究地下工程建設(shè)全過(guò)程穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)的問(wèn)題，以期達(dá)到高效、安全地進(jìn)行地下工程建設(shè)。
這些理論的共同價(jià)值是“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”、“基本維持圍巖原始狀態(tài)”、“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”，解決問(wèn)題時(shí)既要思路定位正確，更要手段有效到位，真正做到“具體問(wèn)題具體分析”，否則好理念而無(wú)有效手段保障也沒(méi)用。正如國(guó)家安全的關(guān)鍵是戰(zhàn)略和軍事實(shí)力，而經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力等是支撐；工程結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵是把握物理概念與過(guò)程力學(xué)狀態(tài)正確性和手段有效到位，而數(shù)值分析和模型試驗(yàn)等是支撐，越是復(fù)雜問(wèn)題，把握物理概念與過(guò)程力學(xué)狀態(tài)正確性和手段有效到位越重要。這樣地下工程研究與實(shí)踐屬于半理論半經(jīng)驗(yàn)方法，猶如灰箱模型，面對(duì)問(wèn)題，堅(jiān)持基本物理概念與力學(xué)方法及整體和聯(lián)系的哲學(xué)思維，盡可能研究灰箱模型內(nèi)涵，著重研究物質(zhì)特性、手段效果，采用有效手段控制周邊環(huán)境與結(jié)構(gòu)共同作用行為更為關(guān)鍵。
2、需求發(fā)展與研究轉(zhuǎn)型
統(tǒng)籌區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，需要建設(shè)大量地下工程。丘陵山區(qū)隧道、城市地下車(chē)庫(kù)、人防工程、地下商場(chǎng)等建設(shè)，也主要由地質(zhì)選址轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕梢?guī)劃選址，對(duì)應(yīng)的建設(shè)環(huán)境也日趨復(fù)雜，更多地涉及破碎圍巖和軟弱圍巖、地下水富集區(qū)、偏壓、環(huán)境穩(wěn)定等問(wèn)題，地下工程構(gòu)筑物的跨度和長(zhǎng)度逐漸增大、新的結(jié)構(gòu)形式不斷出現(xiàn)，出現(xiàn)新問(wèn)題越來(lái)越多。伴隨復(fù)雜工程環(huán)境、復(fù)雜地質(zhì)條件和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，確保地下工程建設(shè)安全的難度越來(lái)越高，合理把握地下工程施工工法的復(fù)雜性和重要性日益增加。探索易于應(yīng)用的地下工程建設(shè)理論和方法，具有重大的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。（猶如人類饑餓時(shí)就只有一個(gè)吃飽問(wèn)題；而解決吃飽問(wèn)題后就會(huì)產(chǎn)生許多問(wèn)題，因此條件變化就會(huì)引起研究問(wèn)題、研究方法、解決方法等相應(yīng)變化。）
3、研究目標(biāo)與平衡穩(wěn)定理念拓展
地下工程建設(shè)已經(jīng)完成了從實(shí)踐到理論的發(fā)展，形成許多理論體系，提高、完善和簡(jiǎn)化地下工程建設(shè)理論是當(dāng)前的發(fā)展要求。工程結(jié)構(gòu)既是人類創(chuàng)造藝術(shù)品，更要承載著一定的使用功能。因此，工程結(jié)構(gòu)首先要把握整體周邊環(huán)境（物質(zhì)、水）的穩(wěn)定平衡，再要把握局部環(huán)境與結(jié)構(gòu)相互作用不但要滿足藝術(shù)上的形似平衡，更要從“力、變形、能量”等方面確保系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。“力和能量要有相應(yīng)物質(zhì)載體，并具有相應(yīng)傳遞或轉(zhuǎn)換路徑”，結(jié)構(gòu)“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”和“外力做功有效轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)彈性應(yīng)變能”是統(tǒng)一的，變形協(xié)調(diào)又是能量法和力法結(jié)構(gòu)分析的必要條件。確保“力、變形、能量”按設(shè)計(jì)路徑傳遞及方式轉(zhuǎn)化是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全、合理的基本要求，也是維持設(shè)計(jì)形式不產(chǎn)生有害過(guò)程的基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際情況，分別從“力、變形、能量”三要素中的一個(gè)或幾個(gè)要素可更好控制地下工程結(jié)構(gòu)行為，一般來(lái)說(shuō)用“力、能量”進(jìn)行定性或定量分析結(jié)構(gòu)行為，而用 “變形”進(jìn)行控制結(jié)構(gòu)行為。而確保結(jié)構(gòu)的“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”，不僅需要目標(biāo)控制，更需要圍繞目標(biāo)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全合理的過(guò)程控制，否則結(jié)構(gòu)就會(huì)不穩(wěn)定或破壞。
參照仿生學(xué)，安全合理的地下工程結(jié)構(gòu)必須滿足三個(gè)條件：①工程結(jié)構(gòu)平衡必須穩(wěn)定；②工程結(jié)構(gòu)變形必須穩(wěn)定與協(xié)調(diào)；③工程結(jié)構(gòu)敏感構(gòu)件或連接件可以檢測(cè)或維護(hù)或替換。
通過(guò)對(duì)大量國(guó)內(nèi)外經(jīng)典歷史工程堅(jiān)持用心觀摩與領(lǐng)悟、現(xiàn)代力學(xué)知識(shí)邏輯分析與判斷等可以得出結(jié)論：在整體周邊環(huán)境（物質(zhì)、水）的穩(wěn)定平衡的基礎(chǔ)上，應(yīng)通過(guò)整體力學(xué)分析研究地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)組合系統(tǒng)力學(xué)狀態(tài)與過(guò)程，必要時(shí)采用有效措施確保地下工程施工使全過(guò)程滿足圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的承載力始終保持大于隧道施工前保持原始巖體穩(wěn)定平衡的原始內(nèi)力，使得地下工程始終保持穩(wěn)定平衡狀態(tài)與變形協(xié)調(diào)，達(dá)到地下工程“基本維持圍巖原始狀態(tài)”，實(shí)現(xiàn)在保持圍巖承載能力的條件下“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”的目的。同時(shí)提出地下工程獨(dú)立受力系統(tǒng)建設(shè)使用全過(guò)程都必須滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡、三維力與變形協(xié)調(diào)、三維變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)，以使得獨(dú)立受力的組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由組合或單件部分受力體轉(zhuǎn)變?yōu)檎w共同受力體，否則會(huì)改變?cè)既S力學(xué)平衡形式或達(dá)到新的三維力學(xué)平衡形式，甚至喪失穩(wěn)定性；對(duì)于無(wú)法實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)的多個(gè)獨(dú)立受力單元的地下工程組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，避免連接部分開(kāi)裂是重點(diǎn)，例如連拱隧道與小凈距隧道及多個(gè)獨(dú)立平行斜交連續(xù)梁橋，要提高他們的受力獨(dú)立性；因此平衡穩(wěn)定理念就由穩(wěn)定平衡拓展到穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)，包括“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”、F>Po或，以及延伸拓展“基本維持圍巖原始狀態(tài)”、圍巖極限承載能力、監(jiān)測(cè)只適用于極值點(diǎn)穩(wěn)定問(wèn)題而不適用于分支點(diǎn)失穩(wěn)問(wèn)題、開(kāi)挖能量最小原理、強(qiáng)預(yù)支護(hù)理論、受力獨(dú)立性、環(huán)境穩(wěn)定與協(xié)調(diào)平衡理論等，便于更加全面研究地下工程建設(shè)安全等問(wèn)題。
例1：變形協(xié)調(diào)概念的具體例證，幼小孩站和走不穩(wěn)定自身會(huì)摔跤，外推力只是誘因；趙州橋砌塊之間沒(méi)有砂漿，砌塊為料石是關(guān)鍵。
例2：青少年人擔(dān)100斤與壯年人擔(dān)100斤能力的區(qū)別在于具有耐力和穩(wěn)定性的常態(tài)，而不是非常態(tài)的爆發(fā)力否則人身體會(huì)受到傷害，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念也應(yīng)具有穩(wěn)定的常態(tài)性。
例3：從受壓桿件喪失穩(wěn)定問(wèn)題的分析中可以看到，監(jiān)測(cè)只適用于極值點(diǎn)穩(wěn)定問(wèn)題而不適用于分支點(diǎn)失穩(wěn)問(wèn)題。這樣實(shí)際工程中，我們?cè)谝?guī)劃工程設(shè)計(jì)施工方案時(shí)，應(yīng)該采用結(jié)構(gòu)措施或輔助手段防止結(jié)構(gòu)發(fā)生分支點(diǎn)失穩(wěn)，確保工程施工安全。
4、目標(biāo)與過(guò)程控制兩大類研究方法簡(jiǎn)單問(wèn)題的目標(biāo)控制容易把握，而復(fù)雜問(wèn)題的目標(biāo)控制具有極大的難度，正像分析樹(shù)葉落地和蘋(píng)果落地的差別，容易預(yù)測(cè)從高處落下的一個(gè)蘋(píng)果的落點(diǎn)，但你很難預(yù)測(cè)從高處落下的一片樹(shù)葉的落點(diǎn)。對(duì)于簡(jiǎn)單問(wèn)題，可以采用精確分析和目標(biāo)控制方法；對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題，應(yīng)采用整體控制與細(xì)節(jié)把握和圍繞目標(biāo)的過(guò)程控制方法。對(duì)于條件好的簡(jiǎn)單地質(zhì)環(huán)境，地下工程的穩(wěn)定平衡容易實(shí)現(xiàn)，選用什么理論和工法不重要，自然達(dá)到目標(biāo)整體控制；而對(duì)于不良地質(zhì)條件和復(fù)雜工程環(huán)境條件的地下工程建設(shè)，會(huì)遇到許多不確定性的問(wèn)題，就需要更清晰的整體思路和正確的工程保障措施，做到整體控制與細(xì)節(jié)把握和圍繞目標(biāo)的過(guò)程控制，使得全過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定平衡。因此，需要突破‘確定分析與非確定分析’和‘目標(biāo)控制與圍繞目標(biāo)的過(guò)程控制’方法上的對(duì)立，實(shí)現(xiàn)“具體問(wèn)題具體分析”思路上的統(tǒng)一。
5、理念與工法的關(guān)聯(lián)性，應(yīng)用范圍的拓展
地下工程本質(zhì)效果、表現(xiàn)形式、研究方法、手段措施息息相關(guān)，其中表現(xiàn)形式、研究方法、手段措施是與環(huán)境和條件相耦合，也隨著條件變化而變化，關(guān)鍵是把握本質(zhì)與區(qū)分形式、方法要正確、措施要到位。因此實(shí)踐發(fā)展要求理論創(chuàng)新，猶如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主板把許多不同功能硬件板卡有機(jī)組合起來(lái)一樣，地下工程平衡穩(wěn)定理論在整體周邊環(huán)境（物質(zhì)、水）的穩(wěn)定平衡的基礎(chǔ)上，應(yīng)通過(guò)整體力學(xué)分析研究地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)組合系統(tǒng)力學(xué)狀態(tài)與過(guò)程，用地下工程平衡穩(wěn)定理論把傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”的基本內(nèi)容有機(jī)組合起來(lái)，同時(shí)拓寬了四個(gè)方面內(nèi)容：①盡可能減小對(duì)圍巖原始結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)的隧道開(kāi)挖能量最小原理；②對(duì)具有穩(wěn)定性缺陷圍巖及時(shí)支護(hù)的強(qiáng)預(yù)支護(hù)理論；③減小連拱隧道與小凈距隧道開(kāi)挖相互影響的隧道受力獨(dú)立性；④確保環(huán)境穩(wěn)定和實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)平衡的地下工程建設(shè)環(huán)境穩(wěn)定與協(xié)調(diào)平衡理論；以豐富地下工程平衡穩(wěn)定理論體系，更加全面體現(xiàn)地下工程平衡穩(wěn)定性的根本內(nèi)涵。
例如分別研究社會(huì)主義、資本主義、計(jì)劃經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)等內(nèi)涵，再有機(jī)統(tǒng)一，更有利于拓寬研究與應(yīng)用，我國(guó)就不致于出現(xiàn)改革開(kāi)放前批判市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)是資本主義的產(chǎn)物，改革開(kāi)放初期也對(duì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)質(zhì)疑，經(jīng)過(guò)一段探索期才形成社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)理論；其實(shí)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)就是一種手段，與社會(huì)性質(zhì)無(wú)關(guān)，改革開(kāi)放實(shí)踐證明社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)理論（包括有計(jì)劃性質(zhì)的宏觀調(diào)控）是有效的。同樣把地下工程建設(shè)理念和有效工法分別研究與有機(jī)統(tǒng)一，更有利于拓寬研究與應(yīng)用視野，例如“松弛荷載理論”可以和現(xiàn)代工法結(jié)合；“巖承理論”可以和傳統(tǒng)工法及更多現(xiàn)代工法（除光面爆破、噴錨支護(hù)、監(jiān)控量測(cè)三大主要措施外）結(jié)合；“松弛荷載理論”與“巖承理論”也可以拓寬理念或相互融合（完善軟土盾構(gòu)施工理念等），更加適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，再和傳統(tǒng)工法及更多現(xiàn)代工法結(jié)合，能進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范。
本質(zhì)效果：本質(zhì)包括穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)、F>Po 或（對(duì)應(yīng)人類社會(huì)發(fā)展規(guī)律，不變的）；效果是驗(yàn)證地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)與變形協(xié)調(diào)，并檢驗(yàn) 判斷形式準(zhǔn)確性、使用方法和措施簡(jiǎn)單有效性。
表現(xiàn)形式：通過(guò)整體力學(xué)分析研究地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相互作用的力學(xué)狀態(tài)和過(guò)程，把握地下工程系統(tǒng)不同表現(xiàn)形式的穩(wěn)定協(xié)調(diào)（對(duì)應(yīng)不同社會(huì)形態(tài)，變化的）
研究方法：層次一、目標(biāo)與過(guò)程控制問(wèn)題(確定性分析方法與非確定性分析方法（目標(biāo)整體控制、細(xì)節(jié)把握或過(guò)程控制、類比設(shè)計(jì)、反饋修正）；或兩種方法結(jié)合)；層次二、新奧法、淺埋暗挖法、F>Po 或……，并符合穩(wěn)定協(xié)調(diào)（對(duì)應(yīng)生產(chǎn)關(guān)系，變化的）手段措施：層次一、新奧法、淺埋暗挖法、F>Po 或、……；層次二、各種具體措施必須符合本質(zhì)要求，方法要正確、措施要到位并與表現(xiàn)形式相適應(yīng)，滿足穩(wěn)定協(xié)調(diào)、F>Po 或（對(duì)應(yīng)生產(chǎn)力，變化的）
本質(zhì)是不變的、而形式是多種多樣的，解決工程結(jié)構(gòu)問(wèn)題應(yīng)搞清問(wèn)題的力學(xué)本質(zhì)與形式、抓住本質(zhì)、針對(duì)形式、選擇合適的分析方法、采取恰當(dāng)?shù)姆乐未胧�，效果可以檢驗(yàn)其有效性。
6、平衡穩(wěn)定理論是“松散荷載理論”和“‘巖承理論”的繼承和發(fā)展
任何事物演變都遵循“簡(jiǎn)單（初步認(rèn)識(shí)或研究）-復(fù)雜（抓住本質(zhì)但方法復(fù)雜）-簡(jiǎn)單（抓住本質(zhì)且方法簡(jiǎn)單有效）”的發(fā)展規(guī)律，依據(jù)‘松散荷載理論’統(tǒng)計(jì)地下工程圍巖塌方規(guī)律的規(guī)范值，對(duì)大部分地下工程預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)是可行的，但對(duì)于圍巖偏差和偏好的情況存在工程風(fēng)險(xiǎn)和支護(hù)過(guò)度。依據(jù)‘巖承理論’的新奧法源于硬巖，雖然強(qiáng)調(diào)了硬巖與軟巖應(yīng)用有區(qū)別，但在不良地質(zhì)條件下，很難把握圍巖與支護(hù)共同受力平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性，地下工程施工安全與襯砌開(kāi)裂現(xiàn)象就說(shuō)明了其存在的工程風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目研究成果基于規(guī)范但又寬于規(guī)范，在已有地下工程建設(shè)理論分析的基礎(chǔ)上，以平衡穩(wěn)定理論的本質(zhì)把握地下工程建設(shè)全過(guò)程，建立了更加全面的地下工程平衡穩(wěn)定理論體系，同時(shí)可以較好解釋許多工法和理念的合理性，如取消系統(tǒng)錨桿的措施、合理開(kāi)挖與支護(hù)技術(shù)等，以便更好地指導(dǎo)地下工程設(shè)計(jì)與施工。
（1）“松弛荷載理論”曾經(jīng)產(chǎn)生過(guò)重要的影響，作為圍巖壓力的近似計(jì)算方法，應(yīng)用比較簡(jiǎn)便，在巖體破碎或淺埋隧道情況下其計(jì)算結(jié)果仍有一定的價(jià)值，至今仍在一些國(guó)家廣泛應(yīng)用。依據(jù)“松弛荷載理論”統(tǒng)計(jì)地下工程圍巖塌方規(guī)律的規(guī)范值大部分可行，但在沒(méi)有采用變形協(xié)調(diào)控制手段修正時(shí)，對(duì)于圍巖偏差和偏好的情況存在工程風(fēng)險(xiǎn)和支護(hù)過(guò)度的情況。
（2）“巖承理論”中基于圍巖位移支護(hù)特性曲線進(jìn)行圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題：支護(hù)特性曲線上的D點(diǎn)是理論上存在，但實(shí)踐上無(wú)法把握；圍巖位移支護(hù)特性曲線雖然解決了隧道圍巖結(jié)構(gòu)受力平衡問(wèn)題，但對(duì)于軟弱圍巖等部分體系較難把握隧道圍巖結(jié)構(gòu)的平衡穩(wěn)定性問(wèn)題。依據(jù)“巖承理論”的新奧法源于硬巖，雖然強(qiáng)調(diào)了硬巖與軟巖應(yīng)用有區(qū)別，但在不良地質(zhì)條件下，對(duì)于分支點(diǎn)失穩(wěn)的工程問(wèn)題，很難把握圍巖與支護(hù)共同受力平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性，地下工程施工安全與襯砌開(kāi)裂現(xiàn)象就說(shuō)明了其存在的工程風(fēng)險(xiǎn)。其中“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”與“基本維持圍巖原始狀態(tài)”相統(tǒng)一。
另外“新奧法”偏于概念化（“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”），猶如社會(huì)主義優(yōu)越性（“各盡所能、按勞分配”）現(xiàn)實(shí)中很難發(fā)揮。
（3）地下工程平衡穩(wěn)定理論在整體周邊環(huán)境（物質(zhì)、水）的穩(wěn)定平衡的基礎(chǔ)上，應(yīng)通過(guò)整體力學(xué)分析研究地層支護(hù)結(jié)構(gòu)組合系統(tǒng)力學(xué)狀態(tài)與過(guò)程，用平衡穩(wěn)定理論把傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”的基本內(nèi)容有機(jī)組合起來(lái)，同時(shí)拓寬了平衡穩(wěn)定性內(nèi)容，是地下工程平衡穩(wěn)定性的新認(rèn)識(shí)、新理念。其中地下工程平衡穩(wěn)定包括兩層含義：第一、結(jié)構(gòu)受力平衡與變形協(xié)調(diào)；第二、結(jié)構(gòu)受力平衡與變形協(xié)調(diào)狀態(tài)的穩(wěn)定。
例如：地下水位低的北方地區(qū)硬土或南方地區(qū)硬粘土等情況應(yīng)該采用淺埋暗挖法；地下水位高的長(zhǎng)三角地區(qū)軟土P約為0等情況應(yīng)該采用盾構(gòu)施工；山城重慶等巖石地區(qū)應(yīng)該采用礦山法（新奧法）施工。
因此地下工程平衡穩(wěn)定理論通過(guò)整體力學(xué)分析研究地層支護(hù)結(jié)構(gòu)組合體系力學(xué)狀態(tài)與過(guò)程，用平衡穩(wěn)定理論把傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”的基本內(nèi)容有機(jī)組合起來(lái)，同時(shí)拓寬了平衡穩(wěn)定性內(nèi)容，是地下工程平衡穩(wěn)定性的新認(rèn)識(shí)、新理念。該成果基于規(guī)范但又寬于規(guī)范，在已有地下工程建設(shè)理論分析的基礎(chǔ)上，把平衡穩(wěn)定理論應(yīng)用于地下工程，建立了更加可靠的地下工程平衡穩(wěn)定理論體系，同時(shí)可以較好解釋許多工法和理念的合理性，如取消系統(tǒng)錨桿、合理開(kāi)挖與支護(hù)技術(shù)等，可以更好地指導(dǎo)地下工程設(shè)計(jì)與施工。
其中（2）式類似于牛頓第二定律（F=m*a），普遍適用解決地下工程平衡穩(wěn)定問(wèn)題。（2）式是不變的，各種理論表現(xiàn)形式隨著“具體問(wèn)題具體分析”而變化。
例如：盾構(gòu)法隧道施工，主要包括四道工序，即開(kāi)挖控制(保頭)、管片拼裝、注漿填充(護(hù)尾)、施工量測(cè)。而我們通常所說(shuō)的“保頭護(hù)尾”，就是開(kāi)挖控制和注漿填充工序中應(yīng)注重的方面。就是確保環(huán)境穩(wěn)定和實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)平衡的地下工程建設(shè)環(huán)境穩(wěn)定與協(xié)調(diào)平衡理論的具體體現(xiàn)。
7、地下工程平衡穩(wěn)定理論的前置條件與實(shí)踐要求
（1）松弛荷載理論的前置條件為：環(huán)境穩(wěn)定、確定的破壞模式、圍巖是外荷載、先開(kāi)挖后支護(hù)施工方式等；著重考慮強(qiáng)度平衡問(wèn)題，也存在穩(wěn)定協(xié)調(diào)問(wèn)題。
（2）巖承理論代表之一，新奧法的前置條件為：環(huán)境穩(wěn)定、圍巖承擔(dān)荷載、巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線（源于硬巖）、光面爆破與噴錨（柔性）支護(hù)等施工方式等；首次提出了充分發(fā)揮圍巖的自承能力的概念，幫助性支護(hù)成本最低，但應(yīng)用范圍受限。對(duì)于軟弱圍巖等部分體系較難滿足穩(wěn)定協(xié)調(diào)問(wèn)題猶如幼小孩站和走不穩(wěn)定自身會(huì)摔跤，外推力只是誘因。顯然松弛荷載理論與巖承理論在發(fā)揮巖土體自身承載的本能屬性方面猶如抱小孩與牽小孩。
（3）巖承理論代表之二，淺埋暗挖法的前置條件為：環(huán)境穩(wěn)定、巖土體有一定自穩(wěn)能力和地下水位較低、圍巖承擔(dān)荷載、源于礦山法施工方式等，采用先柔后剛復(fù)合式襯砌新型支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，強(qiáng)調(diào)初次支護(hù)承擔(dān)全部基本荷載，二次模筑襯砌作為安全儲(chǔ)備，初次支護(hù)和二次襯砌共同承擔(dān)特殊荷載的方法，滿足穩(wěn)定協(xié)調(diào)問(wèn)題。但沒(méi)有強(qiáng)調(diào)發(fā)揮巖土體自身承載的本能屬性，這樣擴(kuò)大應(yīng)用范圍也會(huì)遇到部分工程經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)不足。
（4）巖承理論代表之三，其他工法（挪威法、新意法等）的力學(xué)特性、部分前置條件與巖承理論代表之一或二類似，只是施工方式不同。
（5）地下工程平衡穩(wěn)定理論以一般性力學(xué)模型研究地下工程建設(shè)全過(guò)程穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)的問(wèn)題，涵蓋了強(qiáng)預(yù)支護(hù)原理、基本維持圍巖原始狀態(tài)、環(huán)境穩(wěn)定與協(xié)調(diào)平衡理論等內(nèi)容，自然滿足發(fā)揮巖土體自身承載的本能屬性，同時(shí)滿足穩(wěn)定協(xié)調(diào)條件等。其中采用基本力學(xué)（理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、能量增量法等）處理復(fù)雜問(wèn)題一定要先從系統(tǒng)角度理解事物和從整體上加以把握，再?gòu)恼w與局部的關(guān)系把握問(wèn)題，統(tǒng)籌考慮各方面因素，深入分析圍巖、環(huán)境、支護(hù)系統(tǒng)相互作用之間的力學(xué)或能量增量模式（F>Po 或△T<△U），主要狀態(tài)符合基本力學(xué)或能量增量關(guān)系或通過(guò)合理剛度支護(hù)系統(tǒng)達(dá)到“基本維持圍巖原始狀態(tài)”和“保持平衡穩(wěn)定”并把復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化簡(jiǎn)單力學(xué)問(wèn)題，就可應(yīng)用基本力學(xué)解決地下工程問(wèn)題。深化地下工程問(wèn)題研究，必須“把握”三點(diǎn)：（1）首先“把握” 松弛荷載理論、巖承理論等已有理論的本意和當(dāng)時(shí)實(shí)踐環(huán)境(硬巖、軟巖)，以及實(shí)踐效果；（2）要“把握”現(xiàn)有地質(zhì)條件和生產(chǎn)力水平等實(shí)踐環(huán)境，滿足發(fā)揮圍巖承載本能、穩(wěn)定協(xié)調(diào)、建設(shè)成果的質(zhì)量安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等要求，以及預(yù)計(jì)實(shí)踐效果；（3）始終牢記實(shí)踐效果是檢驗(yàn)遵循本質(zhì)要求、判斷形式準(zhǔn)確性、使用方法和措施簡(jiǎn)單有效性的優(yōu)劣依據(jù)。
8、研究總結(jié)
適應(yīng)自然環(huán)境和生產(chǎn)力發(fā)展水平的簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)方法就是好方法，理論體系和技術(shù)方法需要繼承、借鑒、發(fā)展和簡(jiǎn)化，才能更好地服務(wù)于工程建設(shè)。本項(xiàng)目研究成果具有四大特點(diǎn)：
（1）從結(jié)構(gòu)“力、變形、能量” 三要素和過(guò)程控制均應(yīng)滿足變形協(xié)調(diào)角度，重點(diǎn)闡述地下工程結(jié)構(gòu)全過(guò)程穩(wěn)定平衡的內(nèi)涵，工程建設(shè)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，分別從“力、變形、能量”三要素中的一個(gè)或幾個(gè)要素，合理控制地下工程結(jié)構(gòu)行為，真正達(dá)到全過(guò)程穩(wěn)定平衡；（2）提煉和發(fā)展了許多地下工程理論體系的共性（本質(zhì)要求），即平衡穩(wěn)定與變形協(xié)調(diào)以及延伸理念，形成了較系統(tǒng)的新理論體系，即地下工程平衡穩(wěn)定理論，并提出 “精確分析”和“整體控制與細(xì)節(jié)把握”兩大類研究方法，及提出“目標(biāo)控制”與“圍繞目標(biāo)的過(guò)程控制”兩類地下工程安全保障措施；（3）將地下工程建設(shè)理論與已有工法和實(shí)際地質(zhì)環(huán)境等相結(jié)合（手段措施），實(shí)現(xiàn)解釋和完善已有工法，開(kāi)發(fā)新工法，并形成與已有工法和實(shí)際地質(zhì)環(huán)境等相適應(yīng)的個(gè)體化設(shè)計(jì)施工方案，做到具體問(wèn)題具體分析，防范事故、確保安全；（4）總結(jié)了地下工程本質(zhì)效果、表現(xiàn)形式、研究方法、手段措施的相互關(guān)系，它們都與環(huán)境和條件相耦合，隨著條件變化而變化，關(guān)鍵是以不變應(yīng)萬(wàn)變、把握并區(qū)分本質(zhì)與形式，方法要正確、措施要到位。
9、實(shí)例
（1） 現(xiàn)行規(guī)范的局限性（見(jiàn)圖 7）
對(duì)于山嶺隧道，《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范－90》中規(guī)定了不宜直接使用錨噴支護(hù)的四類特殊地質(zhì)情況：
① 未膠結(jié)松散巖體或人工（自然）堆（坡）積碎石土；
② 淺埋但不宜明挖地段；
③ 膨脹性巖體或含有膨脹因子、節(jié)理發(fā)育、較松散巖體；
④ 地下水活動(dòng)較強(qiáng)，造成大面積淋水地段。
對(duì)于以上四類特殊地質(zhì)條件下的隧道開(kāi)挖，必須采用類似軟土隧道盾構(gòu)施工原理的預(yù)支護(hù)技術(shù)，即采用超前管棚、小鋼管或插板、鋼拱架和噴混凝土的聯(lián)合支護(hù)體系，或采用改良地層的設(shè)計(jì)方法，其核心是控制或限制固體顆粒流失與允許可補(bǔ)充水份流失和短開(kāi)挖強(qiáng)支護(hù)，而基本維持原始狀態(tài)力學(xué)平衡。
（2）受力獨(dú)立性問(wèn)題
（3） 環(huán)境穩(wěn)定與協(xié)調(diào)平衡問(wèn)題
軟土中開(kāi)挖隧道就像在豆腐中打洞，晃動(dòng)過(guò)大豆腐就會(huì)散。所以盾構(gòu)施工要盡量減少對(duì)土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)和基本維持土體原始狀態(tài)，減少工后沉降和其他工程風(fēng)險(xiǎn)。土體原始結(jié)構(gòu)破壞后，力學(xué)指標(biāo)急劇降低，土體變形難以控制。依據(jù)盾構(gòu)施工對(duì)地層變形影響的各階段，采取相應(yīng)的控制方法和輔助措施，減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。
因此對(duì)于這類復(fù)雜地質(zhì)隧道或盾構(gòu)，施工全過(guò)程首先要研究力學(xué)穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)問(wèn)題，其次才考慮施工便利與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。
盾構(gòu)同步注漿后加注雙液漿，形成類似于水桶箍的漿脈骨架，有利于鉸接管片均衡受力，提高鉸接管片受力的穩(wěn)定性，也可用整體施加預(yù)應(yīng)力來(lái)提高穩(wěn)定性，而理論分析解決不了穩(wěn)定性問(wèn)題。
軟弱地層開(kāi)挖后形成塌落空間，改變了地層原始狀態(tài)穩(wěn)定性和受力狀況，要基本保持地層原始狀態(tài)受力和變形狀況，必須提供預(yù)支護(hù)或及時(shí)同步充填強(qiáng)度和剛度比原狀土大的材料，才能達(dá)到完全充填和固化等兩個(gè)要求，更能有利于控制地層變形。對(duì)于相對(duì)穩(wěn)定無(wú)承壓水環(huán)境的地層，也可采用混凝土輸送泵同步輸送類似沙漿、比重約為原狀土、可泵性好的細(xì)沙混合物填充盾殼和盾尾空隙。另外對(duì)于滲透系數(shù)小的淤泥質(zhì)土或粘性土等地層，在盾構(gòu)通過(guò)一定距離后容易產(chǎn)生失水固結(jié)，這時(shí)應(yīng)該通過(guò)管片補(bǔ)充注漿，以消除地層固結(jié)影響。
另外盾構(gòu)施工過(guò)程中應(yīng)該做到（1）控制推力約為水土壓力減少周?chē)紫端當(dāng)U散，（2）控制機(jī)體平行度（蛇行度）減少開(kāi)挖面積，（3）控制填充沙漿稠度（保水性）減少沙漿擴(kuò)散，目的是減少對(duì)原土體擾動(dòng)而形成的空隙，否則已有空隙要用沙漿填充的。例如某施工單位控制得好，注漿量為理論值的110～113.6%；而有的施工單位控制得不好，注漿量為理論值的200%多。
變形協(xié)調(diào)概念的具體例證，幼小孩站和走不穩(wěn)定自身會(huì)摔跤，外推力只是誘因；趙州橋砌塊之間沒(méi)有砂漿，砌塊為料石是關(guān)鍵。
專家提出了該在建深基坑工程必須遵循的三點(diǎn)原則：① 基坑的開(kāi)挖必須分層、分段，且開(kāi)挖暴露時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，每次分層開(kāi)挖控制在3m，分段開(kāi)挖保證在15～20m；② 基坑必須先支撐后開(kāi)挖，并把握好支撐的細(xì)節(jié)，基坑的變形要求在受控的狀態(tài)；③ 注意在雨天環(huán)境下基坑的及時(shí)排水，在完工后，要立即加固混凝土，確�；硬蛔冃�。這三點(diǎn)原則基本符合基坑與支護(hù)系統(tǒng)受力平衡狀態(tài)穩(wěn)定性要求。
地下車(chē)庫(kù)施工中導(dǎo)致附近房屋倒塌
2009年6月27日6時(shí)左右，一幢13層在建商品樓發(fā)生倒塌事故，造成一名工人死亡，如圖18-1所示。根據(jù)政府公布的調(diào)查結(jié)果：房屋傾倒的主要原因是緊貼7號(hào)樓北側(cè)在短期內(nèi)堆土過(guò)高，最高處達(dá)10米左右。與此同時(shí)，緊臨大樓南側(cè)的地下車(chē)庫(kù)基坑正在開(kāi)挖，開(kāi)挖深度達(dá)4.6米，加之支護(hù)工作不到位，地基位移過(guò)大，大樓兩側(cè)的壓力差使土體產(chǎn)生水平位移，致使樓房北側(cè)防汛墻被擠倒。防汛墻的倒塌，土體對(duì)樓房的向前傾斜的抗力消失，過(guò)大的水平力超過(guò)了樁基的抗側(cè)能力，最終導(dǎo)致房屋傾倒，如圖18-2所示。原勘測(cè)報(bào)告經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充勘測(cè)和復(fù)核，符合規(guī)范要求；原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)復(fù)核符合規(guī)范要求。大樓所用PHC管柱經(jīng)檢測(cè)質(zhì)量符合規(guī)范要求。
對(duì)于山體隧道的較大塌方空洞且地面變形要求不高的情況，可在隧道外緣采用管棚支護(hù)和插板形成棚架起支護(hù)作用，而塌方空洞采用充填輕質(zhì)材料控制塌方空洞擴(kuò)大和掉塊，同時(shí)減輕支護(hù)荷載，達(dá)到限制塌方空洞的不利影響。上述措施本質(zhì)上是確保，其途經(jīng)是通過(guò)管棚支護(hù)和插板形成棚架起支護(hù)作用提高系統(tǒng)抗力作功，通過(guò)充填輕質(zhì)材料控制塌方空洞擴(kuò)大和掉塊，減輕支護(hù)荷載，減少荷載作功（）。
復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件區(qū)的隧道開(kāi)挖，常常會(huì)因?yàn)槲搭A(yù)見(jiàn)的局部破碎圍巖而產(chǎn)生坍方。圖19為永加隧道的坍方情況，該隧道掘進(jìn)到里程K16+183掌子面時(shí)，造成洞頂塌方，現(xiàn)塌方縱向?qū)捈s11m，橫向?qū)捈s10m，高22m，體積估計(jì)約2420m3。經(jīng)地表地質(zhì)調(diào)查觀察發(fā)現(xiàn)在里程K16+183掌子面附近遇一隱伏斷裂構(gòu)造，走向北東，傾向北西，巖石中破碎夾層較多且部分厚度較大，破碎地段巖石穩(wěn)定性差，塌方處剩余厚度4.0m，塌腔厚度3.5m，其下部為塌方堆積物，有冒頂現(xiàn)象。
某中等埋深土壓平衡式盾構(gòu)在站間推進(jìn)過(guò)程中，出現(xiàn)盾頭帶動(dòng)整體上浮的情況，其行進(jìn)軌跡如圖20所示。盾構(gòu)直徑為6.3m，盾長(zhǎng)8.0m，盾構(gòu)頂部埋深為12m。
盾構(gòu)出現(xiàn)上浮時(shí)，所經(jīng)過(guò)的地層為③61、③7和⑥1，其土層類型、標(biāo)準(zhǔn)灌入試驗(yàn)和靜力觸探的指標(biāo)如下表所示。盾構(gòu)掘進(jìn)斷面的上半部為相對(duì)較硬的③61、③7，下半部為相對(duì)較軟的⑥1。
機(jī)位狀態(tài)及力學(xué)平衡分析
千斤頂?shù)耐屏?jiǎn)化為盾頭頂部的F1和底部的F2；F土1和F土2為開(kāi)挖面土體反力；F3為機(jī)體對(duì)機(jī)頭彈性約束力，當(dāng)機(jī)頭上浮時(shí)阻止上浮，當(dāng)機(jī)頭下壓時(shí)阻止下壓。另外盾構(gòu)還同時(shí)受到周?chē)馏w浮力的影響，盾構(gòu)重量W盾=280t，同體積土體重量 W土=430t，因此盾構(gòu)受到的浮力為150t。F4地層上硬下軟會(huì)延時(shí)填充上部空隙而不產(chǎn)生阻止上浮阻力F4≈0；F5地層上硬下軟及時(shí)填充下部空隙而產(chǎn)生向上推力。
機(jī)位上浮穩(wěn)定平衡狀態(tài)條件有：
F1+F2= F土1 +F土2 (1)
（容易滿足）
F3+F4+F5+W盾=0 (2)
（因不利變形空間和w=-150t，只有同步增加F4才能滿足）
F1D1- F土1D1+F3D2 -F2D1-F2D2+F土2D2=0 (3)
（增加F1或減少F2才能滿足）
開(kāi)挖面土體均勻的情況下F1= F2，盾頭受到土體反力F土1= F土2，盾構(gòu)可以平穩(wěn)地沿設(shè)計(jì)軌跡前進(jìn)。但當(dāng)開(kāi)挖面遇到如上圖所示上硬下軟的瞬間，如仍然以F1=F2的狀態(tài)推進(jìn)，則盾頭不再處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。假設(shè)開(kāi)挖面土體在受到F1=F2的瞬間，在開(kāi)挖面上部和下部產(chǎn)生相等的微小位移δ，土體反力F土=δ×Kx（水平機(jī)床系數(shù)）。因上部土層硬下部土層軟、亦即基床系數(shù)較大，故上部土體反力大于下部F土1>F土2（土壓盾構(gòu)機(jī)頭壓力不同），致使在設(shè)計(jì)前進(jìn)軌跡上的合力矩不平衡（如圖21所示），漸漸形成下部超挖、上部欠挖的情況。
這樣利用式（2）給盾構(gòu)殼體同步注密度大于上硬土層容重的硬性漿液，消除F4（t+Δt）中時(shí)差Δt→0，基本控制盾構(gòu)殼體位置；同時(shí)利用式（3）增加F1或減少F2調(diào)整盾構(gòu)殼體位置逐漸到盾構(gòu)軸線設(shè)計(jì)行進(jìn)軌跡。
“通過(guò)整體力學(xué)分析研究地層支護(hù)結(jié)構(gòu)組合系統(tǒng)力學(xué)狀態(tài)與過(guò)程，必要時(shí)采用有效措施確保地下工程施工使用全過(guò)程滿足F>Po 或，使得地下工程始終保持穩(wěn)定平衡狀態(tài)與變形協(xié)調(diào)。”的經(jīng)典歷史工程實(shí)例
