1.3 高地应力软岩荷载问题的研究现状
1.3.1 高地应力软岩荷载问题国外研究现状
在围岩压力和围岩与支护结构相互作用机理研究方面，有以岩体本构模型为出发点的理论研究，也有新兴科学理论及方法交叉发展。由于地质条件的差异性，不同国家和地区研究的侧重点也不相同，更有工程实践超前理论发展等特点。
在隧道围岩的应力分布、稳定性及围岩压力研究方面，许多学者对连续介质围岩中单拱隧道的解析解进行了研究。半个多世纪以来，一些学者曾采用各种岩体本构模型和不同的强度准则，对隧道围岩的应力和位移进行过广泛的研究。许多岩石力学工作者以弹塑性理论为基础研究了围岩的应力分布、稳定性及围岩压力。从理论上讲，弹塑性理论比较严密，但数学运算复杂。为了简化计算和分析，一般总是对圆形洞室进行分析，因为圆形洞室在特定条件下是应力轴对称的，数学上容易解决。在这当中比较有名的有芬纳（Fenner）公式、卡柯（Caquot）公式和勃莱（Bray）公式[20]。
当前，科学技术的发展日新月异，各学科之间相互渗透，相互影响。由于岩体材料的复杂性、模糊性和不确定性等，许多新兴科学理论及方法被引入到本领域中来。由Kachnov和Rabotnov创立的损伤力学理论，现已被广泛应用于各个工程领域，成为固体力学研究的一个前沿。Dougill最早把损伤力学应用于岩石和混凝土材料。Kyoya[21]等最先将损伤力学应用于地下洞室岩体的稳定性分析。近几年，Kawamoto[22]、Zhang Wohua[23]等又将其应用延伸到节理裂隙岩体。分形几何学是Mandelbrot创建并发展起来的一门研究自然界不规则现象及其内在规律的学科。它主要研究一些具有自相似性的不规则曲线或位形。分形几何已被应用于岩石力学问题的研究中。Chiles[24]通过对岩体中6600多条断裂形迹的统计分析指出，这些断裂具有统计自相似性，并提出了岩体裂隙网络模拟的分形方法。模糊数学也被引入岩石力学领域以研究天然岩石的不确定性。此外，神经网络理论、系统工程、人工智能专家系统、灰色系统理论、控制论、信息论的成就也在岩体力学领域中得到应用[20]。
由于东、西方地质条件的差异性，欧美等发达国家对高地应力条件下的硬岩及岩爆等问题研究的相对较多，而对以构造应力作用为主的隧道软弱围岩的本构模型、开挖支护后围岩压力与位移、应力分布等研究相对较少。
1.3.2 高地应力软岩荷载问题国内研究进展
随着中国经济、技术的飞速发展，尤其是近年来重大地下工程建设规模越来越大，埋深越来越深，高地应力问题在国内引起了极大关注和深入研究。仅在隧道工程方面，就遇到了大量的高地应力问题。近几年来，穿越高地应力区且工程地质环境恶劣的软弱围岩长大隧道工程不断涌现，典型的如全长20.050km的兰武二线乌鞘岭特长隧道[25]，全长32.605km的新关角隧道[26]，以及兰渝铁路木寨岭隧道[27]（全长19.090km）、天池坪隧道（全长14.528km）、两水隧道（全长4.94km）等。高地应力软弱围岩问题的主要表现就是大变形问题，尤其是从乌鞘岭隧道的修建开始，中国科研工作者再次更加关注高地应力软弱围岩的大变形问题。
目前中国对高地应力问题的研究主要集中在地应力测试、高地应力下岩体力学性质、高地应力下岩体变形与破坏、岩爆机理与防治、软岩支护等方面，取得了大量有价值的研究成果。对高地应力下软岩变形机理的关注和研究要从中国修建二郎山隧道时遇到软岩大变形说起。李永林[28]（2000）在研究二郎山软岩变形后认为，大变形是剪切错动断裂面下的失稳，是正应力作用下局部产生的失稳。何满潮[15]（2002）进一步系统地论述了软岩工程力学问题。卿三惠、黄润秋[29-30]等在该隧道的支护研究中提出了以柔克刚、先柔后刚的防治技术。钱七虎[31]概括高地应力环境下深部工程特点与今后需要研究的方向：①围岩中大变形和大变形速度；②应变型岩爆的发生及岩爆的时空效应；③围岩中的分区破裂现象。在隧道围岩的应力分布、稳定性及围岩压力研究方面，通常对圆形洞室围岩的弹塑性分析，多引用库仑屈服条件和Kastner公式。由于理想弹塑性体的后继屈服段恒等于岩体峰值强度，使得Kastner解中洞室围岩自承能力要高于实际围岩的自承能力。赵德安等[32]（2009）采用三维有限元多元回归分析方法，基于有限测点的地应力量测结果，拓展分析隧道区原始宏观地应力场。建立隧道区两个大规模三维计算模型，通过有限元分析软件ANSYS对重力、纵横向水平挤压和剪切等工况的构造应力场分别进行计算。编制三维地应力场多元回归分析计算机软件MEBA以及与ANSYS的接口程序MEBAC，实现地应力场的多元回归拓展分析，着重分析乌鞘岭隧道岭脊地段的复杂应力状况应力值的宏观大小和规律，特别是F4、F5、F6、F7断层及其附近的应力状况。
祁生文等[33]（2011）利用数值模拟以及地应力实测资料，研究了高地应力区河谷应力场的分布特征，发现对于无卸荷带的均质弹性边坡，从坡表到坡内可以划分为应力降低区、应力平稳区两个区；对于存在卸荷带的边坡，从坡表到坡内可以划分为三个区：应力降低区、应力升高区、应力平稳区。卸荷带的存在是最大主应力从坡表至坡内出现三个带的本质原因。高地应力区边坡由于构造应力场的存在，使得边坡应力集中的水平明显提高，集中的范围明显变大，边坡常常存在较宽卸荷带。因此，高地应力区高陡边坡的应力场也可以大致划分为应力降低区、应力升高区、应力平稳区三个带。但一些高地应力区边坡内部发育深部卸荷裂缝，其应力集中区向坡体内部转移，应力降低区内的应力出现波动变化，深部裂缝存在部位应力明显降低。
陈志敏等[26]（2011）以关角隧道为工程背景，采用开挖应力释放率模型，研究高地应力软弱围岩地质条件下铁路隧道的衬砌压力。基于现场实测地应力和施工监测位移，根据台阶法开挖中存在的空间效应，推算未监测到的坑道周边位移和掌子面前位移，再采用改进的BP人工神经网络模型预测隧道围岩的最终位移。利用开挖应力释放率模型获得隧道衬砌压力及应力释放规律。该规律与经典围岩特征曲线规律一致，且与工程经验和现场施工状态基本符合。
黄兴等[34]（2012）为了研究深井软岩巷道大变形机制及其控制对策，以淮南矿业集团朱集矿-885m东翼轨道大巷为支护工程实践。该巷道为典型的深井高地应力软岩巷道，开挖后围岩表现出强烈非线性大变形特点，变形速率大。首先进行了围岩大变形等级识别，并基于Hoek-Brown弹塑性模型分析了巷道围岩的应力场、位移场，考虑巷道断面形状、围岩强度特征、巷道群扰动等影响，揭示了该巷道的大变形机制。针对-885m轨道大巷提出了新支护方案。
刘泉声等[35]（2012）研究高地应力破碎软岩巷道底膨问题，由于其地质条件的复杂性，该问题是煤矿开采的技术难题之一。通过总结分析高地应力破碎软岩巷道底膨的变形破坏特性，研究了底膨治理对策。研究结果表明，底板围岩呈现出挤压剪切流变特性，在支护对策上应将支护体系视为完整体系，在加强修复固结、应力转移和扩大承载圈的同时强调调动帮、顶部的间接控制作用；提出了以底板超挖、高强度预应力锚索、深孔注浆、底脚、拱角锚杆和回填为技术支撑的综合治理对策。
潘飞等[36]（2014）以鄂西宜巴高速公路峡口隧道为工程实例，针对隧道施工中遇到的高地应力软岩大变形问题，对其高地应力软岩特点和大变形特征进行分析研究；提出优化开挖方法，调整预留变形量，利用联合初期支护和可伸缩性U形钢架及信息化施工等综合大变形控制措施和施工技术，有效地控制了隧道围岩大变形。
陈志敏[37]（2014）研究岩体开挖后受扰动而产生应力重分布过程，极其复杂，尤其是在不良地质环境下更甚。对于地质条件差、地应力为高—极高的软弱围岩，其结构受力大小与受力特征对隧道结构安全尤为重要。针对目前研究中存在的问题，结合工程中出现的问题和实际需求，以高地应力软弱围岩条件下的关角隧道、木寨岭隧道等工程为背景，通过地应力现场实测、理论研究与数值分析，对高地应力软岩隧道围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制进行研究。
罗超文等[38]（2014）基于赣龙铁路梅花山隧道围岩应力以及围岩岩体模量实测结果，对隧道围岩应力分布特征、围岩模量的分布特征、围岩应力集中区向深部转移特性以及开挖方式对围岩松弛区的影响进行分析。
申艳军等[39]（2014）研究发现高地应力区大型水电硐室围岩工程地质特征较一般地应力状态下差异很大，相应围岩分类评价思路及体系应有所差异，但目前水电工程围岩分类法（简称为“HC法”）对评价高地应力区尚存在诸多缺陷，造成评价结果与真实情况存在一定差距。以高地应力区HC法合理应用为研究目的，首先对该方法存在的诸多问题全面分析，并针对相对地应力分类评价指标及标准提出新的建议；而后，针对HC法对高地应力区的评价思路与方法进行优化，提出相应的优化方法；最后，以在建的猴子岩水电站主厂房为分析实例，采用对比分析方法印证该优化方法的适宜性。
张德华[40]（2015）结合正在修建的兰新铁路第二双线LXS-7标的极高地应力大梁隧道，开展型钢钢架与格栅钢架支护机理研究。在综合考虑喷射混凝土时间硬化效应对初期支护强度影响的基础上，基于围岩支护特征理论综合分析型钢钢架及格栅钢架的支护机理及其适应性，探索高地应力软岩隧道工程中不同刚度支护的力学响应过程，绘制高地应力软岩隧道几种可能的围岩支护特征曲线，为高地应力软岩隧道合理支护形式的确定提供理论依据，并提出适合于围岩大变形的合理支护形式，以及控制高地应力软岩隧道大变形的合理措施。
陈菲等[41]（2015）针对国内曾先后提出多种地应力分级方案，但分级结果与工程岩体的实际行为存在一定差距，部分预测为高地应力的工程未出现高地应力现象（如官地地下厂房），而预测为低地应力的工程（如二滩地下厂房）却出现严重的岩爆等高地应力现象。针对此问题，在国内常用地应力分级方案基础上，讨论了影响地应力分级的主要因素，将高地应力划分为初始高地应力与诱发高地应力两类。
另一方面，中国各学科之间也存在相互渗透，相互影响。许多新兴科学理论及方法被引入到本领域中来，损伤力学、分型几何学、尖点灾变模型、模糊数学等被应用到岩体力学中，但这些方法主要还是适用于硬脆性岩体隧道。此外，神经网络理论、系统工程、人工智能专家系统、灰色系统理论、控制论、信息论的成就也在岩体力学领域中得到应用。人工神经网络是近几年发展起来的十分热门的交叉学科，涉及生物、电子、计算机、数学、物理等学科，是模拟人脑学习功能的一种智能方法，可用于预测。人工神经网络在复杂的非线性系统中有较高的建模能力及对数据良好的拟合能力，使其在多项工程领域得到了广泛应用。进入20世纪90年代以来，它在岩体力学领域得到了迅速的应用，大量文献采用神经网络模型对岩体力学及隧道工程问题进行了研究。由此可见，正是岩体的复杂性和各种地质环境条件的影响，使得神经网络方法在预测隧道围岩分类、施工引起地表变形和隧道围岩变形等方面得到了广泛应用，但是在高地应力对隧道结构影响研究方面却尚未见报道，可见，将可以模拟具有不确定性和高度非线性的岩体性能的神经网络等智能方法应用在研究高地应力软岩与隧道结构相互作用方面，不失为一种较好的切入点。
从目前掌握的资料看，虽然高地应力问题研究已经取得了大量研究成果，但国内、外在高地应力软弱围岩隧道中，从原岩应力场过渡到开挖后的应力状态变化的实用成果较少。虽然在高地应力条件下，针对具体隧道工程也提出了一些支护设计、施工的相关技术，但实用性的理论研究成果很少，尤其是几乎没有能够真正应用于工程实践的理论成果，因此该问题仍然是一个开放课题，有进一步进行深入理论研究的必要。就高地应力软岩隧道的设计、施工而言，目前急需解决的问题是，高地应力条件下基于原岩应力与隧道容许位移（或支护后实际量测位移）考虑岩性、施工等各种因素，探寻围岩作用在隧道结构上的荷载规律，即在高地应力原岩应力场、隧道位移与隧道围岩压力之间“架一座桥”，构建基于原始地应力场和隧道位移的地下工程围岩压力计算公式。