第1章绪论
近年来，我国的交通基础设施得到大力发展，但在覆盖范围、网络密度等方面仍未达到经济社会发展的需求。为完善基础交通网、快速交通网和城际城市交通网，形成便捷高效的综合交通网络，国家加快了交通基础设施建设步伐，根据《加快建设交通强国五年行动计划》目标，到2027年，全国铁路营业里程达到17万km，其中高速铁路5.3万km左右，“八纵八横”高速铁路主通道基本建成，普速铁路11.7万km左右，瓶颈路段基本消除；国家高速公路里程达到约13万km，新增约1.1万km，普通国道里程11.7万km左右，新增约1万km。为保证项目按时按质按量完成，对土木工程专业技术人员的设计和施工水平提出了很高的要求。
地下工程中的隧道作为交通基础设施项目中重要组成部分，其变形和稳定性一直是工程师重点关注的问题。为克服地形障碍、改善线路平顺性，高速公路和高速铁路常需穿越山区和丘陵地带，因此修建的隧道埋深通常较深。隧道爆破开挖过程中会对周边围岩产生扰动，当遇到断层、破坏带及软弱夹层等特殊地质条件时，围岩易发生塑性流动大变形，引发仰拱隆起开裂或隧道顶部塌方等事故。由于山岭隧道围岩具有一定的自稳能力，隧道拱顶发生塌落破坏时塑性变形一般集中在其上方附近，未延伸至地表。图1-1为山岭隧道中仰拱隆起开裂和拱顶塌方的图片。
与公路和铁路山岭隧道不同，城市隧道建设以盾构机开挖为主，由于选线、施工技术和成本等因素限制，城市地下隧道上覆土层厚度大多较薄，隧道施工中易出现地表构筑物不均匀沉降或地表塌陷等事故。实际工程中，工程师们主要基于已有施工经验确定盾构初始施工参数，并根据洞内外反馈信息，实时调整盾构施工参数，以达到地层变形控制的目的。然而，地表高层建筑物、车辆荷载及地层条件等复杂多变，盾构施工过程中参数控制难度较大，容易因隧道支护力不足出现开挖面局部失稳、地表塌陷破坏事故，图1-2为深圳和长沙地铁施工中引发的地面塌陷图片。与深埋隧道相比，浅覆隧道地面塌陷破坏往往具有随机性和不可预料性，容易导致严重的经济损失和不良的社会影响，甚至直接威胁到人民的生命安全。若能根据理论计算获取潜在的滑移面及破坏影响范围，则能够预先在可能发生滑动的位置采用合适的预防措施，降低围岩发生失稳破坏的风险。因此，开展浅覆隧道围岩失稳地层破坏机制的研究，对于隧道开挖控制、地层预处理及防范塌陷破坏等方面均具有重要意义。
目前，极限分析上限法已成为研究地下工程稳定性问题的主要手段之一，其可避免考虑岩土体复杂的应力-应变关系，而是根据塑性力学中流动法则，直接求解地下结构破坏时极限荷载和相应的破坏模式。然而，传统的假定破坏模式的上限法计算结果的精度受限于破坏模式的合理程度，同时，当模型具有复杂边界条件时，构造符合实际的破坏模式难度较大，且公式推导过程繁琐。基于有限元技术的上限法能克服上述不足，其在求解过程中可自动搜索并获取内能耗散*小情况下极限荷载及潜在的破坏滑移面，对复杂条件下地下结构围岩稳定性分析仍具有良好的适用性。然而，常规的上限有限元法主要采用常应变单元离散模型，优化过程中单元间变形存在相互挟制作用，计算结果精度具有较强的网格依赖性，且精细化的破坏模式难以捕捉，从而导致对地层破坏机制缺乏细致的研究。
网格自适应技术是网格由粗糙到精细的数值加工过程，其能够在较小规模单元自适应调整基础上，获得更高精度的破坏荷载上限解和更精细的地层破坏模式，可有效地改善传统极限分析上限法的上述不足。因此，以极限分析上限法为理论主线，开展浅覆隧道地层破坏机制自适应上限有限元法研究，不仅丰富了极限分析理论的内涵，而且拓宽了该方法在隧道工程领域中的研究思路。研究成果可为浅覆隧道安全施工和风险控制提供理论基础和方法指导，对提高隧道设计和施工水平具有十分重要的意义。
1.1地下工程围岩稳定性理论研究现状
一般来说，地下工程围岩稳定性研究方法主要有：极限平衡法、滑移线法、有限元法和极限分析法。
1.极限平衡法
极限平衡法是研究稳定性课题的**力学方法之一，*早由Coulomb[22]应用于岩土工程中。该法假定破坏区域由若干刚体块体构成，并通过建立破坏区域静力平衡方程求解外荷载或安全系数。极限平衡法概念清晰、计算简单，已形成瑞典圆弧法、条分法等稳定分析方法[&26]。考虑到该法在边坡稳定性课题分析中的优点，该理念逐渐被引用到太沙基土压力计算、浅埋隧道围岩压力计算、开挖面极限支护力计算等隧道课题中[27-31]。然而，对于特定问题，事先假定的破坏区域形态和滑移面位置具有人为主观性，通过试算获得的计算结果精确度有限，特别是针对不规则结构、复杂地层和荷载等情况，如何构造一个合理的破坏模式是稳定性分析课题需要解决的难题。
2.滑移线法
滑移线法是指塑性区各点在满足屈服准则和特定的应力边界条件的前提下，通过建立静力平衡方程求解极限荷载或安全系数。采用滑移线法研究均匀地层稳定性时，可获得较为清晰的滑移线[32，33]。滑移线法不考虑岩土体应力-应变本构关系，仅通过平衡条件和屈服条件求解平面应变问题，然而实际问题中模型往往包含应力和位移两种边界条件，常规的滑移线法无法保障模型速度场满足相应的位移边界条件，因此需要根据工程经验判断滑移线场的合理性。
3.有限元法
有限元法*初主要被用于分析弹性、弹塑性地层变形特性，随着计算机和有限元软件的迅猛发展，才逐渐被用于岩土工程稳定性研究。不同于极限平衡法，
有限元法不仅可以满足力的平衡条件，还可嵌套高级的土体本构模型，并综合考虑地层的各向异性、不均匀性、非关联流动法则、应变硬化和应变软化等特性。同时，有限元法能够研究结构与地层接触面等复杂结构，且能进行大变形、流固耦合和动力等复杂地层响应分析。在稳定性课题研究中，研究者主要通过不断加载或卸载的方式以逼近塑性流动临界状态，从而获取极限荷载。目前，国内外已有大量学者采用有限元法对各种外在环境因素作用下岩土工程稳定性进行了研究。1968年，Zienkiewicz等[34]*次采用有限元法研究了地下电站和隧道等岩土工程算例。随后，Zienkiewicz等[35]提出将有限元法和强度折减法结合来评价岩土体的稳定性。由于当时的计算机硬件和软件设备落后，计算耗时大，未引起岩土工程界重视。随着计算机运行速度的提高和许多大型商业有限元软件的出现，研究者们可以较为容易地构建出复杂的岩土工程分析模型，推动了有限元法在边坡、路基、土顼和隧道围岩稳定性分析中[36-42]的应用，并取得了一些有益的研究成果。
虽然有限元法针对复杂环境下岩土工程稳定性研究优势明显，但在实际应用过程中仍存在制约其发展的一些难题：①强度折减法岩土体参数折减问题。常规有限元强度折减法仅对岩土体内摩擦角和黏聚力折减，且折减比例一致。然而，内摩擦角和黏聚力对地层稳定性贡献不同，且弹性模量和泊松比对地层破坏模式亦有影响。②极限平衡状态判据问题。目前应用较多的失稳判据主要有数值计算不收敛、监测点变形突变、塑性区贯通等3种。然而，影响数值计算不收敛的因素较多，采用数值计算不收敛为失稳判据得到的结果通用性较差；以监测点变形突变为判据时，选取不同监测点获得的极限荷载可能不同，且同一监测点变形-荷载*线中临界点确定标准具有一定的人为主观性；当塑性区贯通时地层尾部处于破坏状态，还需确定塑性应变是否具有继续发展的趋势，因此，以塑性区贯通为失稳判据时所得结果偏于保守。总而言之，上述的不足对有限元法在岩土工程稳定性分析中计算精度具有较大的影响，同时需要通过大量迭代计算获得*终结果，因此，有限元法不是岩土工程稳定性课题研究的*佳方法。
4.极限分析法
塑性力学中极限分析法可通过构造运动许可的速度场和静力许可的应力场，分别从上、下限求解岩土体失稳临界状态对应的极限荷载和破坏模式。稳定性课题中岩土体的稳定性、安全程度和地层破坏模式是研究者重点考虑的问题，而岩土体内部位移场和应力场等具体数值不是研究者*关心的。极限分析法假定材料为理想刚塑性体，且忽略岩土体复杂的弹塑性过程，对岩土体稳定性分析具有较好的适用性。不同于极限平衡法和滑移线法，极限分析法构建的破坏模式除满足静力平衡条件和屈服条件外，还通过流动法则将应力-应变关系引入岩土体稳定性
分析中，因此，计算结果具有严格的理论基础。
20世纪50年代极限分析上、下限定理被证实后，Drucker针对稳定材料提出了与屈服条件相关联的流动法则。随后，Drucker等[43，44]通过构建速度场和应力场，建立了完整的塑性极限分析理论，即**的上、下限定理，并研究了理想弹塑性模型平面和空间问题。1975年，Chen[45]在其专著中详细地阐述了极限分析理论基本原理，并介绍了其在地基承载力、边坡和土压力等结构稳定性分析中的应用，推动了极限分析理论在岩土工程稳定性课题研究中的发展。然而，人为构造运动许可的速度场和运动许可的应力场难度较大，部分学者开始将有限元技术引入极限分析法中，使得优化过程中可自动搜索*优破坏模式。因此，本书以极限分析上限有限元法为主要研究手段，对浅覆地层隧道失稳破坏机制进行研究。
1.2极限分析法在隧道工程中研究现状
1.2.1假定破坏模式的极限分析法
极限分析理论*初主要用于边坡、土压力和地基承载力等问题的稳定性分析，后被推广用于研究隧道围岩压力和围岩稳定性，并取得了大量有意义的研究成果。其中，假定破坏模式极限分析法是常用的研究手段之一，该法需预先构建合理的破坏模式，推导模型中各点之间的几何、速度及应力等关系，*终基于数学规划模型获得极限荷载(或安全系数）的上、下限解。
Atkinson和Potts等[46]通过构造运动许可的速度场和静力许可的应力场，采用极限分析刚性滑块法推导了无黏性土地层圆形隧道极限支护力上、下限解公式，并通过模型试验结果验证其合理性。Davis等[47]基于极限分析上限定理和下限定理，通过横向和纵向平面应变问题的分析，对不排水条件下隧道开挖面稳定问题进行研究，并提出四种多刚性块体的浅埋圆形隧道破坏模式（图1-3），相较于Atkinson和Potts的单块体模形破坏，其上限解精度更高。随后，Sloan和Assadi[48]通过增加边墙位置的刚性块体数目，采用7个刚性滑块构建浅埋隧道破坏模式。
图1-3Davis等[47]提出的黏性土不排水条件下浅埋圆形隧道破坏模式
为了进一步提高极限荷载的计算精度，杨峰和阳军生[49]将圆形隧道简化为矩形隧道，提出两种由个刚性滑块构成的破坏模式（图1-4），并探讨了一般岩土体地层地层）下浅埋隧道极限围岩压力计算方法。王成洋等将圆形隧道简化为矩形隧道进行计算，构建非饱和浅埋隧道环向开挖面的破坏模式及相容速度场，得到围岩压力的*优上限解，并分析了非饱和土体参数对浅埋隧道围岩压力和破裂面的影响。黄茂松等[51]采用多刚性滑块的破坏模式，推导了黏性地层隧道围岩稳定支护压力，并基于简化的破坏模式获取极限支护力上限解简化表达式，并与离心试验对比检验。于丽等[52]基于已有的直线型多块体破坏机制，采用极限分析上限法求解隧道整体安全系数的上限解的方法，构建浅埋黄土隧道的二维有限多块体平动破坏模式，求得隧道整体安全系数的上限解及对应的滑裂面。
上述极限分析理论的应用领域主要针对浅埋隧道，为了探讨深埋隧道地层破坏机理，Guarracino和Fraldi[53，54]假定深埋隧道发生失稳时破坏区域仅限于隧道上
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