近年來，運(yùn)營(yíng)或建設(shè)中的橋梁時(shí)有發(fā)生垮塌，隧道開挖和軟土基坑施工過程中也時(shí)有發(fā)生災(zāi)害事故，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來?yè)p失。例如2007年8月13日16時(shí)40分左右，已施工完畢正在拆除施工腳手架時(shí)發(fā)生了全長(zhǎng)約268米的二級(jí)公路沱江大橋整體垮塌事故，造成重大人員傷亡；2007年8月2日，幾十名工人正在特里大壩附近的一條隧道內(nèi)施工，隧道突然發(fā)生塌陷，造成28名工人死亡；2011年發(fā)生了多起橋梁隧道垮塌事故。有關(guān)專家認(rèn)為，自20世紀(jì)80年代橋梁優(yōu)化、柔性結(jié)構(gòu)和剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)等創(chuàng)新、不良地質(zhì)環(huán)境隧道新奧法模式化施工以來，我國(guó)橋隧建設(shè)發(fā)展很快，但也暗藏著不少質(zhì)量與事故隱患。雖然國(guó)家在安全生產(chǎn)方面做了大量工作，建立了許多制度，也采取了不少措施，但始終沒有遏制工程結(jié)構(gòu)破壞事故的發(fā)生。究其原因，尚有深層次的力學(xué)理論問題（尤其是結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)、力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移及其路徑等問題）沒有引起足夠重視。特別是柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)環(huán)境地下結(jié)構(gòu)等，應(yīng)該研究其力學(xué)行為、特征與規(guī)律，以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全行為機(jī)理和安全保障措施。國(guó)家層面（如科研院校、建設(shè)部、鐵道部、交通部、安監(jiān)局等）加強(qiáng)研究，修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確保新建和加固工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量與壽命，防止出現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)和施工符合標(biāo)準(zhǔn)但隱含穩(wěn)定平衡不足或風(fēng)險(xiǎn)，避免類似問題周期性發(fā)生。對(duì)于復(fù)雜環(huán)境與結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用整體控制與細(xì)節(jié)把握，圍繞目標(biāo)（穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)）的過程控制（荷載多變性與結(jié)構(gòu)塑性變形、脆性斷裂、積累損傷、腐蝕環(huán)境等耦合；柔性、剛性組合結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)環(huán)境與力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移路徑相協(xié)調(diào)等）方法來解決結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受力路徑與實(shí)際受力路徑全過程相同問題，確保柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)環(huán)境地下結(jié)構(gòu)等全過程安全問題。
事實(shí)上，工程結(jié)構(gòu)安全事故，既有建設(shè)質(zhì)量問題，更有工程結(jié)構(gòu)建造和使用全過程的受力是否安全的設(shè)計(jì)理念問題。猶如人的猝死，外因是誘導(dǎo)因素，身體本身的毛病才是根本因素。合理的結(jié)構(gòu)是工程安全的根本。世界各國(guó)多見柔性結(jié)構(gòu)和剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)橋梁運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)生垮塌和不良地質(zhì)環(huán)境地下結(jié)構(gòu)施工過程中發(fā)生坍塌事故。分析橋梁和地下結(jié)構(gòu)安全與垮塌事故的原因，可以發(fā)現(xiàn)，如果橋梁剛度較大，不產(chǎn)生有害變形，能夠滿足功能合理轉(zhuǎn)換和力的合理傳遞，則橋梁安全；而部分橋梁剛度過小，使用過程中易產(chǎn)生局部的有害變形，甚至引起橋梁垮塌事故。地下結(jié)構(gòu)安全也完全類似，應(yīng)該滿足圍巖穩(wěn)定和開挖建設(shè)過程中力合理轉(zhuǎn)移。猶如老人小孩容易摔跤，而青壯年人有恢復(fù)能力，不容易摔跤一樣，俗稱“自力、控變、防摔（塌）”。工程結(jié)構(gòu)安全事故頻發(fā)的深層次原因是：目前工程結(jié)構(gòu)建設(shè)規(guī)范只規(guī)定了力的關(guān)系、力與變形的關(guān)系，但沒有全面規(guī)定變形協(xié)調(diào)關(guān)系。為滿足工程實(shí)踐要求，應(yīng)修改現(xiàn)有變形不完善的規(guī)定，以確保工程結(jié)構(gòu)安全。
1、工程結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的力學(xué)關(guān)系與總體思路
從總體上看工程結(jié)構(gòu)構(gòu)造與力變形相關(guān)性的實(shí)際應(yīng)用，合理的工程結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足三個(gè)關(guān)系：①三維力學(xué)穩(wěn)定平衡、②三維力與變形協(xié)調(diào)、③三維變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究了關(guān)系①、關(guān)系②和關(guān)系③的專門問題應(yīng)用研究，則工程結(jié)構(gòu)體系的傳統(tǒng)力學(xué)平衡方程是不變的；而合理結(jié)構(gòu)應(yīng)該系統(tǒng)研究關(guān)系①、關(guān)系②和關(guān)系③對(duì)關(guān)系①、關(guān)系②的影響，則當(dāng)變形不協(xié)調(diào)時(shí)，會(huì)改變結(jié)構(gòu)體系力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移路徑，使得設(shè)計(jì)狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)不一致，其力學(xué)平衡方程在實(shí)際施工和使用過程中是變化的，只有采用合理的結(jié)構(gòu)和有效的過程控制，保障結(jié)構(gòu)體系變形協(xié)調(diào)，才能最終確保結(jié)構(gòu)體系處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)需要解決不同構(gòu)件、不同材料組合結(jié)構(gòu)中變形協(xié)調(diào)性并防止力和變形突變。雖然力的平衡與變形協(xié)調(diào)是經(jīng)典的力學(xué)概念，但由于以往的工程結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、材料使用也相對(duì)單一，變形協(xié)調(diào)問題不突出，沒有在工程實(shí)踐中得到充分的重視，實(shí)際應(yīng)用中有成功也有迷茫，例如建于1173年意大利比薩斜塔，由于地基不均勻變形，塔身慢慢傾斜，多次工程措施才逐漸得到控制；2012年4月邀請(qǐng)德國(guó)和日本專家談工程結(jié)構(gòu)安全歷史，他們都說工業(yè)革命初期工程結(jié)構(gòu)也存在許多安全風(fēng)險(xiǎn)，逐步修改了不合理結(jié)構(gòu)構(gòu)造，才達(dá)到現(xiàn)在的安全水平。目前伴隨新材料的使用和結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新發(fā)展，結(jié)構(gòu)組合體系的變形協(xié)調(diào)問題日益突出，再也不能簡(jiǎn)單地停留在力學(xué)概念上，而是需要從認(rèn)知、設(shè)計(jì)與建造過程等各方面去完整把握變形協(xié)調(diào)問題的實(shí)質(zhì)，確保結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部初始應(yīng)力和附加荷載的合理轉(zhuǎn)移或傳遞，在力的重新分配過程中不產(chǎn)生產(chǎn)生有害變形或局部破壞，維持結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。分析已有研究結(jié)果，目前對(duì)變形協(xié)調(diào)問題主要限于力與變形協(xié)調(diào)、變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)的理論探索及專門問題的應(yīng)用研究，例如研究累積損傷和穩(wěn)定等。就全面解決結(jié)構(gòu)受力安全的需要，應(yīng)該從工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，系統(tǒng)地研究維持力與變形協(xié)調(diào)、變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)的合理工程結(jié)構(gòu)或措施，以及研究減少或消除因不滿足變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)對(duì)力與變形協(xié)調(diào)的不利影響。雖然在設(shè)計(jì)上滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡關(guān)系，但非協(xié)調(diào)變形的局部破壞可能發(fā)生積累效應(yīng)，最終會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的破壞。也就是說，應(yīng)重點(diǎn)研究維持三維變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)的合理工程結(jié)構(gòu)或措施，確保滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡，或滿足三維力與變形協(xié)調(diào)直至確保滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡，否則結(jié)構(gòu)在使用過程中可能會(huì)產(chǎn)生力的重新分配或不合理轉(zhuǎn)移，改變甚至破壞結(jié)構(gòu)體系原有或設(shè)計(jì)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，形成新的設(shè)計(jì)上沒有考慮到的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，這些風(fēng)險(xiǎn)因素或在結(jié)構(gòu)安全范圍之內(nèi)、或使結(jié)構(gòu)帶病害或裂縫工作、或使結(jié)構(gòu)施工或運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)不可控和安全沒有保障。即關(guān)系③直接影響關(guān)系①；或通過影響關(guān)系②，最終影響關(guān)系①。也就是說，工程結(jié)構(gòu)體系的傳統(tǒng)力學(xué)平衡方程是不變的，而當(dāng)變形不協(xié)調(diào)時(shí)其力學(xué)平衡方程在實(shí)際施工和使用過程中是變化的，只有采用合理的結(jié)構(gòu)和有效的過程控制，保障結(jié)構(gòu)體系變形協(xié)調(diào)，才能最終確保結(jié)構(gòu)體系處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。這是一種普遍關(guān)系，既聯(lián)系結(jié)構(gòu)體系研究中傳統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定、疲勞、耐久性等力學(xué)問題，又聯(lián)系結(jié)構(gòu)體系力的傳遞、轉(zhuǎn)移、重新分配、荷載路徑多變性、防止誘發(fā)新的附加荷載、防止出現(xiàn)平衡關(guān)系重建的不確定性等新的力學(xué)問題，有利于解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定平衡問題，防止出現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)和施工符合標(biāo)準(zhǔn)但隱含穩(wěn)定平衡不足或風(fēng)險(xiǎn)。猶如牛頓力學(xué)適用有限物體低速運(yùn)動(dòng)范圍，后來適應(yīng)新的需要發(fā)展出量子力學(xué)和相對(duì)論等。在工程實(shí)踐過程中，解決不同工程結(jié)構(gòu)滿足三個(gè)關(guān)系的形式亦不相同，具體表現(xiàn)為三個(gè)層面：
第一層面：關(guān)系①可由牛頓力學(xué)、有限元等理論解決；關(guān)系②由虎克定律、本構(gòu)關(guān)系等理論解決；對(duì)于簡(jiǎn)單問題關(guān)系③認(rèn)定已解決或自然滿足（對(duì)應(yīng)類似“蘋果落地點(diǎn)預(yù)測(cè)”等相對(duì)簡(jiǎn)單成熟工程問題）；而對(duì)于復(fù)雜問題關(guān)系③不一定滿足或難于解決（對(duì)應(yīng)類似“樹葉落地點(diǎn)預(yù)測(cè)”等相對(duì)復(fù)雜的新型工程問題）。第二層面：構(gòu)件之間或非均勻構(gòu)件內(nèi)部或組合變形不協(xié)調(diào)問題，可能會(huì)產(chǎn)生兩方面現(xiàn)象：⑴功能不能合理轉(zhuǎn)換、⑵力不能合理傳遞或轉(zhuǎn)移?？赡軐?dǎo)致兩種結(jié)果：⑴在重復(fù)荷載作用下會(huì)加速結(jié)構(gòu)或構(gòu)件積累損傷過程，甚至引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞；⑵工程結(jié)構(gòu)受力全過程存在安全隱患甚至引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞或破壞前變形出現(xiàn)突變過程的類似結(jié)構(gòu)分支點(diǎn)失穩(wěn)破壞形式，這種破壞形態(tài)往往難于監(jiān)控預(yù)警。
第三層面：⑴傳統(tǒng)力與變形關(guān)系的解決辦法：關(guān)系①+關(guān)系②（認(rèn)定關(guān)系③自然滿足，只適用于類似“蘋果落地點(diǎn)預(yù)測(cè)”等相對(duì)簡(jiǎn)單成熟工程問題）；⑵改進(jìn)力與變形協(xié)調(diào)關(guān)系的綜合解決辦法：關(guān)系①+關(guān)系②+關(guān)系③，特別是柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)環(huán)境地下結(jié)構(gòu)等，采用整體控制與細(xì)節(jié)把握，圍繞目標(biāo)（穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)）的過程控制（積累損傷、力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移路徑等）方法解決結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)問題，把類似“樹葉落地點(diǎn)預(yù)測(cè)”等相對(duì)復(fù)雜新型工程問題，轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃?ldquo;蘋果落地點(diǎn)預(yù)測(cè)”的相對(duì)簡(jiǎn)單成熟工程問題，才能簡(jiǎn)單有效利用傳統(tǒng)解決方法去解決類似“樹葉落地點(diǎn)預(yù)測(cè)”的相對(duì)復(fù)雜新型工程問題。
“正確的路線確定之后，干部就是決定的因素”。首先需要正確的思想路線為指導(dǎo)，但不能止于此，更需要實(shí)施行動(dòng)的人。工程應(yīng)用中應(yīng)該堅(jiān)持正確的理論（即結(jié)構(gòu)體系中力與變形滿足三個(gè)關(guān)系，尤其是規(guī)范變形協(xié)調(diào)），更需要研究具體的工程措施，達(dá)到實(shí)踐中能夠符合正確理論的要求。
雖然理論上設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定平衡狀態(tài)，但在實(shí)際施工或使用過程中，可能因某些假設(shè)與實(shí)際情況的差異，導(dǎo)致建造的結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)，造成力不能按照設(shè)計(jì)的方式合理傳遞或功能不能合理轉(zhuǎn)換，其結(jié)果可能使得設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)失去原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，出現(xiàn)設(shè)計(jì)中未研究過的新平衡狀態(tài)，造成結(jié)構(gòu)在實(shí)際施工或使用過程中產(chǎn)生工程風(fēng)險(xiǎn)或累積損傷，影響結(jié)構(gòu)安全或使用。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須研究“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”互補(bǔ)問題，控制結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移，真正達(dá)到設(shè)計(jì)合理，以滿足全過程（全壽命）穩(wěn)定平衡的目的。具體工程實(shí)踐中，在符合正確的整體或戰(zhàn)略概念的前提下，可采用已有的技術(shù)或計(jì)算方法達(dá)成目標(biāo)。
2、改進(jìn)力與變形協(xié)調(diào)關(guān)系-解決結(jié)構(gòu)累積損傷與變形突變問題
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、安全的基本要求，也是維持設(shè)計(jì)形式不產(chǎn)生有害過程的基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)際情況，可以從“力、變形、能量”三要素中的一個(gè)或幾個(gè)要素控制工程結(jié)構(gòu)行為。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)安全合理的過程控制，否則結(jié)構(gòu)就會(huì)不穩(wěn)定或破壞。
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)問題。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，工法與構(gòu)造創(chuàng)新雖然克服了大部分連接的可靠性問題，但是構(gòu)件之間或非均勻構(gòu)件內(nèi)部是否滿足變形協(xié)調(diào)的問題就不易把握或不一定滿足，對(duì)此問題以往沒有得到足夠的重視，有時(shí)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂或不利變形甚至結(jié)構(gòu)破壞。
（1）疲勞引起的結(jié)構(gòu)累積損傷問題
受重復(fù)荷載作用，在高應(yīng)力、應(yīng)力集中、大變形構(gòu)件、變形不協(xié)調(diào)構(gòu)件組合等情況下，結(jié)構(gòu)處于非完全彈性狀態(tài)，外力做功除轉(zhuǎn)換為彈性應(yīng)變能外，還產(chǎn)生其他形式的能量（例如熱能：受拉桿件斷口發(fā)熱等），就會(huì)由因材料疲勞引起結(jié)構(gòu)累積損傷，最后造成強(qiáng)度破壞，影響結(jié)構(gòu)使用壽命，猶如人的過勞死，長(zhǎng)期高強(qiáng)度勞動(dòng)會(huì)影響人的健康和壽命。因此單純用靜力分析很難說明為什么許多中小跨度橋梁在超載車輛作用下會(huì)突然垮塌，需要結(jié)合疲勞引起的累積損傷進(jìn)行分析。
?。?）部分結(jié)構(gòu)受力與變形出現(xiàn)突變問題
當(dāng)結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)時(shí)，結(jié)構(gòu)雖然平衡但狀態(tài)不同。即結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)加速度a=0，而結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)速度、位移可以是v=0、s=0；也可以是v=v1、s=s1；…或是v=vn、s=sn。這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（特別是柔性結(jié)構(gòu)）會(huì)改變力的合理傳遞路徑，或產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力甚至超過荷載內(nèi)力，那么結(jié)構(gòu)就可能出現(xiàn)開裂或破壞，而處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。
結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)時(shí)，重復(fù)荷載作用、外力做功較大或結(jié)構(gòu)處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，可能會(huì)使結(jié)構(gòu)受力與變形進(jìn)入突變階段。結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即可能產(chǎn)生類似結(jié)構(gòu)分支點(diǎn)失穩(wěn)問題（難于監(jiān)控預(yù)警），應(yīng)該提前加以防范或通過加固改造變?yōu)楹侠斫Y(jié)構(gòu)，使其破壞前有明顯的變形過程，易于監(jiān)測(cè)預(yù)警，即轉(zhuǎn)為類似結(jié)構(gòu)極值點(diǎn)失穩(wěn)問題（能監(jiān)控預(yù)警）。
當(dāng)工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的變形不協(xié)調(diào)時(shí)，結(jié)構(gòu)體系受力方式將發(fā)生變化，力的傳遞或轉(zhuǎn)移路徑亦會(huì)出現(xiàn)變化，可能會(huì)在某些部位出現(xiàn)不應(yīng)有的應(yīng)力集中或受力方式（如拉壓得改變），破壞結(jié)構(gòu)體系原有或設(shè)計(jì)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，形成新的設(shè)計(jì)沒有研究的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，這些風(fēng)險(xiǎn)因素或在結(jié)構(gòu)安全范圍之內(nèi)、或使結(jié)構(gòu)帶病害或裂縫工作、或使結(jié)構(gòu)施工或運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)不可控和安全沒有保障。
?。?）橋梁事故案例分析
統(tǒng)計(jì)近年發(fā)生事故的橋梁類型歸納為簡(jiǎn)支板梁、組合拱橋、剛架橋等，均屬于柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)，由于這類結(jié)構(gòu)常常處于彈塑性階段，受力過程不具有疊加性，而與應(yīng)力路徑有關(guān)，恰恰汽車重復(fù)荷載路徑多變性不像火車或工業(yè)吊車重復(fù)荷載路徑相對(duì)穩(wěn)定，這樣柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)在汽車重復(fù)荷載作用下橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力可能很不相同，容易產(chǎn)生積累損傷，降低橋梁使用壽命，可能導(dǎo)致橋梁提前損壞或破壞，就存在行車安全風(fēng)險(xiǎn)。而火車或工業(yè)吊車重復(fù)荷載橋梁設(shè)計(jì)規(guī)定在彈性階段工作，設(shè)計(jì)應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力基本相同，行車安全風(fēng)險(xiǎn)較?。焕纾?0m標(biāo)準(zhǔn)板梁自重26t，而汽車最大規(guī)定重量55t，每塊板承受27.5t（1/2）, 行車安全風(fēng)險(xiǎn)較大，特別是超載影響更大；著名橋梁工程師茅以升主持設(shè)計(jì)和施工的錢塘江大橋?yàn)榻?jīng)典成熟的鋼桁梁橋，由結(jié)構(gòu)剛度控制，安全度有富余、材料質(zhì)量穩(wěn)定、基本處于彈性工作狀態(tài)，行車安全風(fēng)險(xiǎn)也較小。
3、改進(jìn)力與變形協(xié)調(diào)關(guān)系-解決不良地質(zhì)環(huán)境安全隱患問題
在軟弱不良地質(zhì)環(huán)境條件下，地下工程建造和使用全過程存在安全隱患甚至引起工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞，改進(jìn)力與變形協(xié)調(diào)關(guān)系尤為重要。
（1）理論繼承與借鑒改進(jìn)
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”是在解決特定地下工程建設(shè)問題過程中提出的一般理論，實(shí)際應(yīng)用中有成功也有迷茫。
地下工程建設(shè)理論的共同價(jià)值是“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”與 “基本維持圍巖的原始狀態(tài)”，達(dá)到“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”互補(bǔ)，就能維持地下工程圍巖穩(wěn)定，保證地下工程開挖卸載的合理轉(zhuǎn)移，而不產(chǎn)生有害的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，使得需要的支護(hù)抗力盡可能小，才能符合支護(hù)能量最小原理的理念。地下工程開挖過程中形成新的臨空面，改變圍巖的自然應(yīng)力平衡狀態(tài)，產(chǎn)生應(yīng)力重分布。在力的轉(zhuǎn)移過程中，圍巖變形和局部破壞，都將影響力的轉(zhuǎn)移路徑。而圍巖的破壞是不可逆過程，如果不能合理控制圍巖重分布應(yīng)力的轉(zhuǎn)移路徑，就會(huì)引起局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致圍巖在施工過程中出現(xiàn)過量的破壞區(qū)，甚至出現(xiàn)安全隱患。對(duì)于不良地質(zhì)條件, 地下工程開挖支護(hù)方式不同，圍巖變形特征和力的轉(zhuǎn)移路徑就不同，合理開挖支護(hù)方案非常重要，有利于達(dá)到力的合理轉(zhuǎn)移和結(jié)構(gòu)受力安全。
根據(jù)地質(zhì)環(huán)境特殊性，從結(jié)構(gòu)與工法等設(shè)計(jì)來控制開挖過程中圍巖應(yīng)力合理轉(zhuǎn)移路徑，選擇合理施工工法和過程控制措施，確保施工全過程“基本維持圍巖的原始狀態(tài)”，不出現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程中的應(yīng)力集中導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)局部有危害性的破壞，達(dá)到“自力、控變、防塌”目標(biāo)。因此，需要合理控制開挖步驟和支護(hù)方式及時(shí)機(jī)，達(dá)到“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”狀態(tài)，有效發(fā)揮圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的整體承載能力，確保地下工程施工過程安全。
?。?）地下工程平衡穩(wěn)定理論是“松散荷載理論”和“巖承理論”的繼承與發(fā)展
“松弛荷載理論”曾經(jīng)產(chǎn)生過重要的影響，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。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)過度的情況。
“巖承理論”是基于圍巖位移支護(hù)特性曲線進(jìn)行圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”的目標(biāo)。圍巖位移支護(hù)特性曲線雖然解決了隧道圍巖結(jié)構(gòu)受力平衡問題，但很難把握軟弱圍巖隧道結(jié)構(gòu)的平衡穩(wěn)定性問題。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)于類似結(jié)構(gòu)分支點(diǎn)失穩(wěn)的工程問題，很難把握圍巖與支護(hù)共同受力平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性。因此“松弛荷載理論”荷載模式猶如抱小孩；而“巖承理論”荷載模式猶如牽小孩。
環(huán)境（物質(zhì)、水）的穩(wěn)定平衡是地下工程平衡穩(wěn)定的基礎(chǔ)，應(yīng)通過整體力學(xué)分析研究地層支護(hù)結(jié)構(gòu)組合系統(tǒng)的力學(xué)狀態(tài)與過程，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。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。
對(duì)于不良地質(zhì)條件的地下工程（基坑與隧道開挖），施工全過程首先要研究力學(xué)“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”互補(bǔ)問題，確保相互作用力形成合理轉(zhuǎn)移路徑；其次才考慮施工便利與經(jīng)濟(jì)問題。
?。?）對(duì)于不良地質(zhì)條件，地下工程設(shè)計(jì)與施工。首先，應(yīng)初步分析開挖過程中巖土體變形規(guī)律，采用合理開挖支護(hù)方式，做到整體控制；然后，按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)和施工，落實(shí)目標(biāo)控制和過程控制及細(xì)節(jié)把握；同時(shí)，施工中堅(jiān)持動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工，及時(shí)修正設(shè)計(jì)和施工方案，控制變形和力的合理轉(zhuǎn)移路徑，確保地下工程施工安全。
?。?）動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工是有條件的，應(yīng)當(dāng)引起業(yè)界重視。前提是把握變形規(guī)律，采用合理開挖支護(hù)方式，基本確保力的合理轉(zhuǎn)移路徑；其次是根據(jù)地質(zhì)和施工情況，及時(shí)修正設(shè)計(jì)和施工方案。如果對(duì)圍巖的基本特性沒有正確認(rèn)識(shí)，過分地依賴動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工，就可能出現(xiàn)工程災(zāi)害。正像抱嬰幼兒一樣，由于嬰幼兒本身變形控制能力不足，開始就必須認(rèn)識(shí)到要摟著屁股抱著腰，在抱的過程中逐漸調(diào)整手的位置，使嬰幼兒舒適安全，否則會(huì)使嬰幼兒受傷。
（3）基坑施工事故案例分析
目前城市地鐵車站或地下車庫(kù)等工程建設(shè)中，大部分工程進(jìn)展順利、質(zhì)量安全良好，但也存在部分工程失效或出現(xiàn)安全事故問題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)的基本現(xiàn)象：在不良軟弱地質(zhì)環(huán)境下，凡是地下基坑開挖工藝與支護(hù)結(jié)構(gòu)合理，使得圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用受力平衡狀態(tài)處于穩(wěn)定，工程進(jìn)展順利、質(zhì)量安全良好；大量破壞現(xiàn)象的發(fā)生則是由于不滿足整體穩(wěn)定平衡。如圖1（a）所示，由于在建地下車庫(kù)邊墻失穩(wěn)，土體變形改變了原來結(jié)構(gòu)荷載向下傳遞的作用力方向，形成向下和側(cè)向并存的作用力，又受堆填土側(cè)向力作用，即使沒有堆填土側(cè)向力作用，PHC管柱抗側(cè)傾能力低等也會(huì)導(dǎo)致房屋倒塌，其核心是巖土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)組合體系缺乏足夠的變形協(xié)調(diào)能力（即支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防止底部失穩(wěn)突泥），共同控制巖土變形防止出現(xiàn)新的受力狀態(tài)（即使設(shè)計(jì)狀態(tài)受力與實(shí)際狀態(tài)受力相同）。圖1（b）所示的在建地下基坑同樣處于不良軟弱地質(zhì)環(huán)境和旁邊高樓林立，施工過程中開挖工藝與支護(hù)結(jié)構(gòu)合理，基坑邊墻穩(wěn)定確保了原來向下作用力轉(zhuǎn)移路徑和原始相互作用力狀態(tài)，保證了附近房屋的穩(wěn)定與安全。
圖1 基坑開挖導(dǎo)致房屋倒塌與合理開挖支護(hù)保證附近房屋穩(wěn)定與安全
4、近12年研究團(tuán)隊(duì)的成功實(shí)踐
因?yàn)楣こ毯奢d路徑多變性或誘發(fā)新的附加荷載、結(jié)構(gòu)體系力的重新分配或轉(zhuǎn)移等與結(jié)構(gòu)的塑性變形、脆性斷裂、積累損傷、環(huán)境腐蝕等耦合，使工程結(jié)構(gòu)（特別是標(biāo)準(zhǔn)梁）的分析計(jì)算結(jié)果具有較大的不確定性。柔性結(jié)構(gòu)與剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)環(huán)境等條件下，力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移路徑控制與變形協(xié)調(diào)控制等問題十分復(fù)雜。所以，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)最好基本處于彈性階段，保持變形協(xié)調(diào)和設(shè)計(jì)受力路徑與實(shí)際受力路徑全過程相同，使求解的問題簡(jiǎn)單化，保證工程結(jié)構(gòu)的安全可靠。
在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算過程中應(yīng)該謹(jǐn)記如下兩點(diǎn)：①工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要把握好兩個(gè)前提條件，即在全面分析結(jié)構(gòu)體系力學(xué)規(guī)律前提下，合理結(jié)構(gòu)和過程控制（避免積累損傷、保證力的傳遞或轉(zhuǎn)移路徑合理等），才能解決結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)問題，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受力路徑與實(shí)際受力路徑全過程相同；②力學(xué)分析軟件合理應(yīng)用的前提條件是要建立正確的計(jì)算模型，模型應(yīng)能夠反映結(jié)構(gòu)建造和使用的實(shí)際過程。分析計(jì)算過程中，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到有塑性破壞或積累損傷時(shí)的結(jié)構(gòu)受力與應(yīng)力路徑有關(guān)，不滿足線彈性力學(xué)分析的應(yīng)力疊加原理。如果分析計(jì)算忽略結(jié)構(gòu)建造和使用過程中的某些重要環(huán)節(jié)，就可能忽略局部塑性變形或積累損傷對(duì)最終計(jì)算結(jié)果的影響。當(dāng)前分析軟件應(yīng)用存在的主要問題是人們只與友好的軟件界面溝通，缺乏分析過程的基本力學(xué)原理的把握，因此在實(shí)際培訓(xùn)和應(yīng)用軟件中往往忽視力學(xué)模型合理構(gòu)建。這正如許多人使用了很長(zhǎng)時(shí)間的傻瓜相機(jī)拍照，卻不了解光圈、速度和感光度的配置要求，在良好光照條件下不會(huì)出現(xiàn)拍攝問題，但在不良光照條件下，就會(huì)導(dǎo)致照片不清晰等問題。
不注意應(yīng)力傳遞或轉(zhuǎn)移路徑的正確把握，可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力很不相同，導(dǎo)致施工和使用中隱含安全風(fēng)險(xiǎn)。
?。?）在寧波市交通委員會(huì)大力支持下，寧波市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司等單位在以下橋梁工程上根據(jù)研究成果進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)：采用合理結(jié)構(gòu)構(gòu)造和合理配筋的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁。
?。?.1）海鹽大橋
海鹽大橋主橋布跨為45＋70＋45m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，橋梁全寬27m，該橋于2000年4月開工，2001年10月完工，十年來沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，使用情況良好。見下圖：
（1.2）梅山大橋
梅山大橋主橋布跨為75+130+75m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，上下行分幅布置，單幅橋梁寬度13.55m，該橋于2008年3月開工，2010年5月完工，2年來沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，使用情況非常好。見下圖：
（1.3）舟山大陸連島工程寧波連接線
本項(xiàng)目路線總長(zhǎng)4.143公里，設(shè)置主線高架橋全長(zhǎng)3.845km/1座，與寧波繞城高速公路相交的蛟川樞紐互通立交1處，主線收費(fèi)站1處。主線高架橋橋梁寬度26m，主線高架橋采整體式等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，標(biāo)準(zhǔn)跨徑30m，該工程于2007年12月開工，2009年11月完工，2年多來沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，使用情況非常好。見下圖：
?。?）不良地質(zhì)環(huán)境地下工程的合理開挖支護(hù)措施
對(duì)于不良地質(zhì)條件, 地下工程開挖支護(hù)方式不同，變形特征與卸載方式和力的轉(zhuǎn)移路徑就不同，合理開挖支護(hù)方案非常重要，有利于達(dá)到力的合理轉(zhuǎn)移路徑和結(jié)構(gòu)受力與安全。
十八跳隧道位于浙皖交界附近，為一座越嶺隧道，全長(zhǎng)為1160m，凈寬10.5m，凈高5m，拱頂凈高6.98m。隧址區(qū)屬侵蝕山嶺地貌，植被發(fā)育，沿軸線地形起伏大。區(qū)內(nèi)主要分布有古生代寒武系地層，依次是荷塘組炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖，楊柳崗組泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)泥巖、條帶狀灰?guī)r和華嚴(yán)寺組白云質(zhì)條帶灰?guī)r及第四系覆蓋層和巖脈侵入體。2001年5月隧道施工到K30+359遇到擠壓破碎帶，并出現(xiàn)拱頂局部坍塌，采用小管棚短臺(tái)階法控制開挖過程應(yīng)力轉(zhuǎn)移路徑，防止圍巖局部破壞，保障了隧道建造獲得成功。西灣隧道、海游連拱隧道等施工也是一樣。
在浙江大成建設(shè)有限公司大力支持下，2008年6月杭州地鐵九堡站基坑施工過程中，發(fā)現(xiàn)局部軟弱土體改變了原來向下作用力轉(zhuǎn)移路徑現(xiàn)象，采用現(xiàn)澆基坑圈梁并焊接原橫撐鋼管等合理結(jié)構(gòu)構(gòu)造，確保支撐體系穩(wěn)定，避免發(fā)生基坑坍塌事故。2011年杭州市地鐵1號(hào)線城湖區(qū)間為雙線單圓盾構(gòu)區(qū)間8號(hào)盾構(gòu)施工效果良好。
（3）結(jié)構(gòu)體系中變形協(xié)調(diào)對(duì)力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移和力的重新分配等影響
非常必要全面系統(tǒng)從工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)研究維持力與變形協(xié)調(diào)、變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)的合理工程結(jié)構(gòu)或措施，以及研究減少或消除變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)對(duì)力與變形協(xié)調(diào)的不利影響。雖然在設(shè)計(jì)上滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡關(guān)系，但非協(xié)調(diào)變形的局部破壞可能發(fā)生積累效應(yīng)，最終會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的破壞。也就是說，應(yīng)重點(diǎn)研究維持三維變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)的合理工程結(jié)構(gòu)或措施，確保滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡、或滿足三維力與變形協(xié)調(diào)直至確保滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡，否則結(jié)構(gòu)在使用過程在可能會(huì)產(chǎn)生力的重新分配或轉(zhuǎn)移，改變甚至破壞結(jié)構(gòu)體系原有或設(shè)計(jì)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，形成新的設(shè)計(jì)上沒有考慮到的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，這些風(fēng)險(xiǎn)因素或在結(jié)構(gòu)安全范圍之內(nèi)、或使結(jié)構(gòu)帶病害或裂縫工作、或使結(jié)構(gòu)施工或運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)不可控和安全沒有保障。
?。?.1）深埋涵洞受力影響分析
從圖a可知：由于涵洞剛度大于路基剛度，涵洞設(shè)計(jì)荷載呈矩形分布小于涵洞實(shí)際荷載呈類似倒梯形分布，淺埋涵洞超額受力在安全范圍之內(nèi)；深埋涵洞超額受力會(huì)導(dǎo)致涵洞開裂。
從圖b可知：由于涵洞上填一定厚度輕質(zhì)材料，則涵洞與輕質(zhì)材料組合體系剛度小于路基剛度，涵洞設(shè)計(jì)荷載呈矩形分布大于涵洞實(shí)際荷載類似塌落體分布，上部荷載轉(zhuǎn)移給路基承擔(dān)，這樣不管淺埋或深埋涵洞受力都在安全范圍之內(nèi)，涵洞不會(huì)開裂。
（3.2）路面、路床受力影響分析
從圖c可知：當(dāng)路面各層剛度合理和變形協(xié)調(diào)時(shí)，則汽車輪胎荷載在路面各層呈類似梯形分布，這樣路面各層按均布荷載層狀彈性平板結(jié)構(gòu)受力分析；但是，當(dāng)上或中面層剛度小于貨車輪胎剛度時(shí)，則汽車輪胎荷載在上或中面層呈類似剪切矩形集中分布，上面層容易產(chǎn)生車轍，中面層容易產(chǎn)生剪切損壞；當(dāng)路床填料不均勻，則路床容易產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào)，路床的局部不均勻沉降會(huì)對(duì)基層和底基層產(chǎn)生較大的附加彎拉應(yīng)力。這樣基層受力不是均布荷載層狀彈性平板結(jié)構(gòu)受力，而是呈類似彈性基礎(chǔ)平板受力， 基層更容易產(chǎn)生彎拉開裂損壞。
（3.3）不良地質(zhì)環(huán)境隧道、基坑、邊坡等結(jié)構(gòu)體系受力影響分析
當(dāng)不良地質(zhì)環(huán)境隧道、基坑、邊坡等結(jié)構(gòu)體系合理并在設(shè)計(jì)和施工全過程中開挖支護(hù)方法合理，控制好變形協(xié)調(diào)，確保力的合理轉(zhuǎn)移，則其結(jié)構(gòu)體系受力影響基本符合設(shè)計(jì)荷載；但是，當(dāng)不良地質(zhì)環(huán)境隧道、基坑、邊坡等結(jié)構(gòu)體系不合理或在設(shè)計(jì)和施工全過程中開挖支護(hù)方法不合理，造成結(jié)構(gòu)體系變形不協(xié)調(diào)和力不能合理轉(zhuǎn)移時(shí)，則其結(jié)構(gòu)體系承擔(dān)的重新分配或轉(zhuǎn)移或誘發(fā)新的附加荷載可能大于或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基本設(shè)計(jì)荷載（例如某高速新昌滑坡和某地鐵湘湖深基坑等由于前期處理不當(dāng)導(dǎo)致坍塌后誘發(fā)了很大新的附加荷載，造成后期處理難度增加，出現(xiàn)了平衡關(guān)系重建的不確定性問題），這樣結(jié)構(gòu)體系施工安全就存在風(fēng)險(xiǎn)或施工安全風(fēng)險(xiǎn)不可控，并且結(jié)構(gòu)體系容易產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致了平衡關(guān)系重建的不確定性問題。猶如體質(zhì)不好的人應(yīng)該注意保養(yǎng)和適度行為，否則過度作為容易誘發(fā)病發(fā)癥，后果很難預(yù)料。
?。?.4）承擔(dān)重復(fù)荷載的柔性和剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)體系等受力影響分析
簡(jiǎn)支板梁、組合拱橋、剛架橋等均屬于柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)，由于這類結(jié)構(gòu)常常處于彈塑性階段，受力過程不具有疊加性，而與應(yīng)力路徑有關(guān)，恰恰汽車重復(fù)荷載路徑多變性，這樣柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)在汽車重復(fù)荷載作用下橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力可能很不相同，容易產(chǎn)生積累損傷，降低橋梁使用壽命，可能導(dǎo)致橋梁提前損壞或破壞，就存在行車安全風(fēng)險(xiǎn)。
