地下工程是以地下洞室围岩作为建筑物的结构工程。地下洞室围岩是一种受过工程开挖扰动的岩体,它又处于工程地质环境中,所以地下工程有其自身的特点。与地面工程相比,地下工程有以下几个不同点:
(1)地面工程是以大地为基础,依靠地基承载;而地下工程是以岩体作为基础,依靠围岩承载。
地面工程的重点,主要是对受力比较明了的基础进行加固,设计较为简单。而地下工程面对的是十分复杂的岩体结构,有许多不确定的因素[21]。前国际岩土工程学会主席C.Fairhust先生曾对岩土工程的主要特点进行过总结,认为岩土工程主要有以下几个特点:
(a) 地质条件和地质构造复杂。由于岩体受地质断层、裂隙、层间错动带和软弱夹层等地质构造的影响,岩体工程具有明显的三维空间非均匀性和不连续性。
(b) 具有预应力结构特征。由于岩体受自重和地质构造运动,岩体具有较大的压应力,当岩体开挖后将引起围岩卸载或加载。
(c) 岩体的强度和变形未知。岩体形成的时间很长,分布范围很广,岩体参数变化范围很大,所以岩体变形很难把握,岩体变形对岩体工程的稳定影响至关重要。
(d) 流体和固体的耦合效应使岩体工程更为复杂。地下水通常使岩体特性发生变化,因此固液耦合后岩体特性更难把握。
(e) 岩体具有可变性和不确定性。岩体受诸多不定因素的影响,随时间不断变化,岩体特性随时空不同而不同。
由于岩体具有上述特点,使得以岩体为基础的地下工程洞室围岩稳定问题变动得十分复杂。
(2)地面工程以建筑材料为主体,材料强度是关键;地下工程以支护为主体,围岩稳定是关键。
地面工程材料多以钢材、混凝土为主,其材料特性容易把握,而地下工程需要围岩稳定来保证工程的安全。围岩受岩体的力学特性、工程地质环境(断层、裂隙、层间错动、软弱夹层、地下水、地应力等)和工程因素(洞室体型、尺寸、布局、施工开挖等)的影响,在很多情况下不能保证自身的稳定,往往需采用锚固支护措施来加强围岩的稳定。围岩所处的地质环境不同,其破坏的机理也不同,所采用的锚固支护方式也就不同。由于地下工程锚固支护机理的研究,目前还处在探索之中,所以锚固支护的设计基本还是采用经验和工程类比。因此地下工程的设计难度较大,要使地下工程的设计象地面工程一样做到安全经济、合理量化,还需进行大量的研究和艰苦的努力。
(3)地面工程是浇筑浆砌而成,施工方便;而地下工程是开挖钻爆而成,施工复杂。
浇筑浆砌是一种成熟较为完善的施工工艺。地下工程开挖钻爆施工是近几十年来随着地下工程的兴起而发展起来的一种施工工艺。岩体是一种非线性介质,具有不可逆性。岩体的开挖过程,就是岩体应力的释放过程。不同的开挖方式,导致围岩的应力重分布规律不同,围岩的稳定特性也就不同。由于岩体本身的复杂性,对于不同岩体结构,应采用不同的开挖方式,以尽可能减少围岩的应力扰动,用最小的支护代价保证围岩稳定,是地下工程施工开挖的复杂性所在。
地下工程的这些特点,说明地下工程具有许多不定因素,使之比地面工程的设计和施工更加复杂,需要研究解决的问题更多,研究的难度更大。这也为岩体力学工作者提出了非常多、内容十分丰富的研究课题。