1、引言
馬克思主義理論核心是人的解放，在研究生產力與生產關系、經濟基礎與上層建筑之間關系的一般社會發展規律，而階級斗爭、唯物主義…是其理論的組成部分。在俄國和中國等國家都是結合本國的社會發展實際，才取得了革命的成功，發展成列寧主義和毛澤東思想。而結合西方發達國家的社會發展實際則進行社會改良緩和矛盾，推動經濟社會發展，也發展成許多新理論。正確的理論需要結合社會發展階段的實際，究竟是采用革命手段還是采用改革手段才有效呢？關鍵是否符合絕大多數人的利益和社會進步，因此馬克思主義的生命力在于時代化、具體化、大眾化。在地下工程建設中，傳統“松弛荷載理論”和現代“巖承理論”也是在解決特定地下工程建設問題過程中提出的一般理論，實際應用中有成功也有迷茫。
應該記住：牛頓力學、能量法、有限元等理論能夠解決結構穩定平衡問題。虎克定律、本構關系等理論建立了材料力與變形之間的關系。而結構的變形協調問題（即構件內部或構件與構件之間的力有效傳遞問題）并未凸顯出來，也缺乏明確的分析標準。對于簡單結構，基于成熟的構造措施以及經實踐驗證合理的變形假定一般能夠解決變形協調問題。對于復雜結構而言，工法與構造創新雖然克服了大部分連接可靠性問題、但是構件之間或非均勻構件內部或組合變形協調問題沒有往往重視不夠，有時導致結構開裂或不利變形甚至破壞。可以基于傳統“松弛荷載理論”和現代“巖承理論”等已有地下工程建設的一些基本理念，結合施工技術發展水平，工程環境變化情況，創造性地提出適應地下工程建設需要的新理論和新方法。“地下工程平衡穩定理論”正是基于這種需要而發展的，以一般性力學模型研究地下工程建設全過程穩定平衡與變形協調的問題，以期達到高效、安全地進行地下工程建設。
這些理論的共同價值是“充分發揮圍巖的自承能力”、“基本維持圍巖原始狀態”、“穩定平衡與變形協調”，解決問題時既要思路定位正確，更要手段有效到位，真正做到“具體問題具體分析”，否則好理念而無有效手段保障也沒用。正如國家安全的關鍵是戰略和軍事實力，而經濟和科技實力等是支撐；工程結構安全的關鍵是把握物理概念與過程力學狀態正確性和手段有效到位，而數值分析和模型試驗等是支撐，越是復雜問題，把握物理概念與過程力學狀態正確性和手段有效到位越重要。這樣地下工程研究與實踐屬于半理論半經驗方法，猶如灰箱模型，面對問題，堅持基本物理概念與力學方法及整體和聯系的哲學思維，盡可能研究灰箱模型內涵，著重研究物質特性、手段效果，采用有效手段控制周邊環境與結構共同作用行為更為關鍵。
2、需求發展與研究轉型
統籌區域協調發展，需要建設大量地下工程。丘陵山區隧道、城市地下車庫、人防工程、地下商場等建設，也主要由地質選址轉變為主要由規劃選址，對應的建設環境也日趨復雜，更多地涉及破碎圍巖和軟弱圍巖、地下水富集區、偏壓、環境穩定等問題，地下工程構筑物的跨度和長度逐漸增大、新的結構形式不斷出現，出現新問題越來越多。伴隨復雜工程環境、復雜地質條件和復雜的結構形式，確保地下工程建設安全的難度越來越高，合理把握地下工程施工工法的復雜性和重要性日益增加。探索易于應用的地下工程建設理論和方法，具有重大的理論價值和現實意義。（猶如人類饑餓時就只有一個吃飽問題；而解決吃飽問題后就會產生許多問題，因此條件變化就會引起研究問題、研究方法、解決方法等相應變化。）
3、研究目標與平衡穩定理念拓展
地下工程建設已經完成了從實踐到理論的發展，形成許多理論體系，提高、完善和簡化地下工程建設理論是當前的發展要求。工程結構既是人類創造藝術品，更要承載著一定的使用功能。因此，工程結構首先要把握整體周邊環境（物質、水）的穩定平衡，再要把握局部環境與結構相互作用不但要滿足藝術上的形似平衡，更要從“力、變形、能量”等方面確保系統始終處于穩定平衡狀態。“力和能量要有相應物質載體，并具有相應傳遞或轉換路徑”，結構“穩定平衡與變形協調”和“外力做功有效轉換為結構彈性應變能”是統一的，變形協調又是能量法和力法結構分析的必要條件。確保“力、變形、能量”按設計路徑傳遞及方式轉化是結構穩定、安全、合理的基本要求，也是維持設計形式不產生有害過程的基礎，根據實際情況，分別從“力、變形、能量”三要素中的一個或幾個要素可更好控制地下工程結構行為，一般來說用“力、能量”進行定性或定量分析結構行為，而用 “變形”進行控制結構行為。而確保結構的“穩定平衡與變形協調”，不僅需要目標控制，更需要圍繞目標實現結構安全合理的過程控制，否則結構就會不穩定或破壞。
參照仿生學，安全合理的地下工程結構必須滿足三個條件：①工程結構平衡必須穩定；②工程結構變形必須穩定與協調；③工程結構敏感構件或連接件可以檢測或維護或替換。
通過對大量國內外經典歷史工程堅持用心觀摩與領悟、現代力學知識邏輯分析與判斷等可以得出結論：在整體周邊環境（物質、水）的穩定平衡的基礎上，應通過整體力學分析研究地層與支護結構組合系統力學狀態與過程，必要時采用有效措施確保地下工程施工使全過程滿足圍巖與支護結構體系的承載力始終保持大于隧道施工前保持原始巖體穩定平衡的原始內力，使得地下工程始終保持穩定平衡狀態與變形協調，達到地下工程“基本維持圍巖原始狀態”，實現在保持圍巖承載能力的條件下“充分發揮圍巖的自承能力”的目的。同時提出地下工程獨立受力系統建設使用全過程都必須滿足三維力學穩定平衡、三維力與變形協調、三維變形穩定與協調，以使得獨立受力的組合結構系統由組合或單件部分受力體轉變為整體共同受力體，否則會改變原始三維力學平衡形式或達到新的三維力學平衡形式，甚至喪失穩定性；對于無法實現變形協調的多個獨立受力單元的地下工程組合結構系統，避免連接部分開裂是重點，例如連拱隧道與小凈距隧道及多個獨立平行斜交連續梁橋，要提高他們的受力獨立性；因此平衡穩定理念就由穩定平衡拓展到穩定平衡與變形協調，包括“充分發揮圍巖的自承能力”、F>Po或，以及延伸拓展“基本維持圍巖原始狀態”、圍巖極限承載能力、監測只適用于極值點穩定問題而不適用于分支點失穩問題、開挖能量最小原理、強預支護理論、受力獨立性、環境穩定與協調平衡理論等，便于更加全面研究地下工程建設安全等問題。
例1：變形協調概念的具體例證，幼小孩站和走不穩定自身會摔跤，外推力只是誘因；趙州橋砌塊之間沒有砂漿，砌塊為料石是關鍵。
例2：青少年人擔100斤與壯年人擔100斤能力的區別在于具有耐力和穩定性的常態，而不是非常態的爆發力否則人身體會受到傷害，工程結構設計理念也應具有穩定的常態性。
例3：從受壓桿件喪失穩定問題的分析中可以看到，監測只適用于極值點穩定問題而不適用于分支點失穩問題。這樣實際工程中，我們在規劃工程設計施工方案時，應該采用結構措施或輔助手段防止結構發生分支點失穩，確保工程施工安全。
4、目標與過程控制兩大類研究方法簡單問題的目標控制容易把握，而復雜問題的目標控制具有極大的難度，正像分析樹葉落地和蘋果落地的差別，容易預測從高處落下的一個蘋果的落點，但你很難預測從高處落下的一片樹葉的落點。對于簡單問題，可以采用精確分析和目標控制方法；對于復雜問題，應采用整體控制與細節把握和圍繞目標的過程控制方法。對于條件好的簡單地質環境，地下工程的穩定平衡容易實現，選用什么理論和工法不重要，自然達到目標整體控制；而對于不良地質條件和復雜工程環境條件的地下工程建設，會遇到許多不確定性的問題，就需要更清晰的整體思路和正確的工程保障措施，做到整體控制與細節把握和圍繞目標的過程控制，使得全過程達到穩定平衡。因此，需要突破‘確定分析與非確定分析’和‘目標控制與圍繞目標的過程控制’方法上的對立，實現“具體問題具體分析”思路上的統一。
5、理念與工法的關聯性，應用范圍的拓展
地下工程本質效果、表現形式、研究方法、手段措施息息相關，其中表現形式、研究方法、手段措施是與環境和條件相耦合，也隨著條件變化而變化，關鍵是把握本質與區分形式、方法要正確、措施要到位。因此實踐發展要求理論創新，猶如計算機系統主板把許多不同功能硬件板卡有機組合起來一樣，地下工程平衡穩定理論在整體周邊環境（物質、水）的穩定平衡的基礎上，應通過整體力學分析研究地層與支護結構組合系統力學狀態與過程，用地下工程平衡穩定理論把傳統“松弛荷載理論”和現代“巖承理論”的基本內容有機組合起來，同時拓寬了四個方面內容：①盡可能減小對圍巖原始結構的擾動的隧道開挖能量最小原理；②對具有穩定性缺陷圍巖及時支護的強預支護理論；③減小連拱隧道與小凈距隧道開挖相互影響的隧道受力獨立性；④確保環境穩定和實現協調平衡的地下工程建設環境穩定與協調平衡理論；以豐富地下工程平衡穩定理論體系，更加全面體現地下工程平衡穩定性的根本內涵。
例如分別研究社會主義、資本主義、計劃經濟、市場經濟等內涵，再有機統一，更有利于拓寬研究與應用，我國就不致于出現改革開放前批判市場經濟是資本主義的產物，改革開放初期也對市場經濟出現質疑，經過一段探索期才形成社會主義市場經濟理論；其實市場經濟就是一種手段，與社會性質無關，改革開放實踐證明社會主義市場經濟理論（包括有計劃性質的宏觀調控）是有效的。同樣把地下工程建設理念和有效工法分別研究與有機統一，更有利于拓寬研究與應用視野，例如“松弛荷載理論”可以和現代工法結合；“巖承理論”可以和傳統工法及更多現代工法（除光面爆破、噴錨支護、監控量測三大主要措施外）結合；“松弛荷載理論”與“巖承理論”也可以拓寬理念或相互融合（完善軟土盾構施工理念等），更加適應復雜環境和復雜結構，再和傳統工法及更多現代工法結合，能進一步擴大其應用范。
本質效果：本質包括穩定平衡與變形協調、F>Po 或（對應人類社會發展規律，不變的）；效果是驗證地層與支護結構相互作用處于穩定平衡狀態與變形協調，并檢驗 判斷形式準確性、使用方法和措施簡單有效性。
表現形式：通過整體力學分析研究地層與支護結構系統相互作用的力學狀態和過程，把握地下工程系統不同表現形式的穩定協調（對應不同社會形態，變化的）
研究方法：層次一、目標與過程控制問題(確定性分析方法與非確定性分析方法（目標整體控制、細節把握或過程控制、類比設計、反饋修正）；或兩種方法結合)；層次二、新奧法、淺埋暗挖法、F>Po 或……，并符合穩定協調（對應生產關系，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要求，方法要正確、措施要到位并與表現形式相適應，滿足穩定協調、F>Po 或（對應生產力，變化的）
本質是不變的、而形式是多種多樣的，解決工程結構問題應搞清問題的力學本質與形式、抓住本質、針對形式、選擇合適的分析方法、采取恰當的防治措施，效果可以檢驗其有效性。
6、平衡穩定理論是“松散荷載理論”和“‘巖承理論”的繼承和發展
任何事物演變都遵循“簡單（初步認識或研究）-復雜（抓住本質但方法復雜）-簡單（抓住本質且方法簡單有效）”的發展規律，依據‘松散荷載理論’統計地下工程圍巖塌方規律的規范值，對大部分地下工程預測評價是可行的，但對于圍巖偏差和偏好的情況存在工程風險和支護過度。依據‘巖承理論’的新奧法源于硬巖，雖然強調了硬巖與軟巖應用有區別，但在不良地質條件下，很難把握圍巖與支護共同受力平衡狀態的穩定性，地下工程施工安全與襯砌開裂現象就說明了其存在的工程風險。本項目研究成果基于規范但又寬于規范，在已有地下工程建設理論分析的基礎上，以平衡穩定理論的本質把握地下工程建設全過程，建立了更加全面的地下工程平衡穩定理論體系，同時可以較好解釋許多工法和理念的合理性，如取消系統錨桿的措施、合理開挖與支護技術等，以便更好地指導地下工程設計與施工。
（1）“松弛荷載理論”曾經產生過重要的影響，作為圍巖壓力的近似計算方法，應用比較簡便，在巖體破碎或淺埋隧道情況下其計算結果仍有一定的價值，至今仍在一些國家廣泛應用。依據“松弛荷載理論”統計地下工程圍巖塌方規律的規范值大部分可行，但在沒有采用變形協調控制手段修正時，對于圍巖偏差和偏好的情況存在工程風險和支護過度的情況。
（2）“巖承理論”中基于圍巖位移支護特性曲線進行圍巖支護設計存在的主要問題：支護特性曲線上的D點是理論上存在，但實踐上無法把握；圍巖位移支護特性曲線雖然解決了隧道圍巖結構受力平衡問題，但對于軟弱圍巖等部分體系較難把握隧道圍巖結構的平衡穩定性問題。依據“巖承理論”的新奧法源于硬巖，雖然強調了硬巖與軟巖應用有區別，但在不良地質條件下，對于分支點失穩的工程問題，很難把握圍巖與支護共同受力平衡狀態的穩定性，地下工程施工安全與襯砌開裂現象就說明了其存在的工程風險。其中“充分發揮圍巖的自承能力”與“基本維持圍巖原始狀態”相統一。
另外“新奧法”偏于概念化（“充分發揮圍巖的自承能力”），猶如社會主義優越性（“各盡所能、按勞分配”）現實中很難發揮。
（3）地下工程平衡穩定理論在整體周邊環境（物質、水）的穩定平衡的基礎上，應通過整體力學分析研究地層支護結構組合系統力學狀態與過程，用平衡穩定理論把傳統“松弛荷載理論”和現代“巖承理論”的基本內容有機組合起來，同時拓寬了平衡穩定性內容，是地下工程平衡穩定性的新認識、新理念。其中地下工程平衡穩定包括兩層含義：第一、結構受力平衡與變形協調；第二、結構受力平衡與變形協調狀態的穩定。
例如：地下水位低的北方地區硬土或南方地區硬粘土等情況應該采用淺埋暗挖法；地下水位高的長三角地區軟土P約為0等情況應該采用盾構施工；山城重慶等巖石地區應該采用礦山法（新奧法）施工。
因此地下工程平衡穩定理論通過整體力學分析研究地層支護結構組合體系力學狀態與過程，用平衡穩定理論把傳統“松弛荷載理論”和現代“巖承理論”的基本內容有機組合起來，同時拓寬了平衡穩定性內容，是地下工程平衡穩定性的新認識、新理念。該成果基于規范但又寬于規范，在已有地下工程建設理論分析的基礎上，把平衡穩定理論應用于地下工程，建立了更加可靠的地下工程平衡穩定理論體系，同時可以較好解釋許多工法和理念的合理性，如取消系統錨桿、合理開挖與支護技術等，可以更好地指導地下工程設計與施工。
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定問題。（2）式是不變的，各種理論表現形式隨著“具體問題具體分析”而變化。
例如：盾構法隧道施工，主要包括四道工序，即開挖控制(保頭)、管片拼裝、注漿填充(護尾)、施工量測。而我們通常所說的“保頭護尾”，就是開挖控制和注漿填充工序中應注重的方面。就是確保環境穩定和實現協調平衡的地下工程建設環境穩定與協調平衡理論的具體體現。
7、地下工程平衡穩定理論的前置條件與實踐要求
（1）松弛荷載理論的前置條件為：環境穩定、確定的破壞模式、圍巖是外荷載、先開挖后支護施工方式等；著重考慮強度平衡問題，也存在穩定協調問題。
（2）巖承理論代表之一，新奧法的前置條件為：環境穩定、圍巖承擔荷載、巖石應力應變曲線（源于硬巖）、光面爆破與噴錨（柔性）支護等施工方式等；首次提出了充分發揮圍巖的自承能力的概念，幫助性支護成本最低，但應用范圍受限。對于軟弱圍巖等部分體系較難滿足穩定協調問題猶如幼小孩站和走不穩定自身會摔跤，外推力只是誘因。顯然松弛荷載理論與巖承理論在發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：環境穩定、巖土體有一定自穩能力和地下水位較低、圍巖承擔荷載、源于礦山法施工方式等，采用先柔后剛復合式襯砌新型支護結構體系，強調初次支護承擔全部基本荷載，二次模筑襯砌作為安全儲備，初次支護和二次襯砌共同承擔特殊荷載的方法，滿足穩定協調問題。但沒有強調發揮巖土體自身承載的本能屬性，這樣擴大應用范圍也會遇到部分工程經濟優勢不足。
（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）地下工程平衡穩定理論以一般性力學模型研究地下工程建設全過程穩定平衡與變形協調的問題，涵蓋了強預支護原理、基本維持圍巖原始狀態、環境穩定與協調平衡理論等內容，自然滿足發揮巖土體自身承載的本能屬性，同時滿足穩定協調條件等。其中采用基本力學（理論力學、結構力學、能量增量法等）處理復雜問題一定要先從系統角度理解事物和從整體上加以把握，再從整體與局部的關系把握問題，統籌考慮各方面因素，深入分析圍巖、環境、支護系統相互作用之間的力學或能量增量模式（F>Po 或△T<△U），主要狀態符合基本力學或能量增量關系或通過合理剛度支護系統達到“基本維持圍巖原始狀態”和“保持平衡穩定”并把復雜力學問題轉化簡單力學問題，就可應用基本力學解決地下工程問題。深化地下工程問題研究，必須“把握”三點：（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時實踐環境(硬巖、軟巖)，以及實踐效果；（2）要“把握”現有地質條件和生產力水平等實踐環境，滿足發揮圍巖承載本能、穩定協調、建設成果的質量安全、經濟發展水平等要求，以及預計實踐效果；（3）始終牢記實踐效果是檢驗遵循本質要求、判斷形式準確性、使用方法和措施簡單有效性的優劣依據。
8、研究總結
適應自然環境和生產力發展水平的簡單經濟方法就是好方法，理論體系和技術方法需要繼承、借鑒、發展和簡化，才能更好地服務于工程建設。本項目研究成果具有四大特點：
（1）從結構“力、變形、能量” 三要素和過程控制均應滿足變形協調角度，重點闡述地下工程結構全過程穩定平衡的內涵，工程建設過程中應根據實際情況，分別從“力、變形、能量”三要素中的一個或幾個要素，合理控制地下工程結構行為，真正達到全過程穩定平衡；（2）提煉和發展了許多地下工程理論體系的共性（本質要求），即平衡穩定與變形協調以及延伸理念，形成了較系統的新理論體系，即地下工程平衡穩定理論，并提出 “精確分析”和“整體控制與細節把握”兩大類研究方法，及提出“目標控制”與“圍繞目標的過程控制”兩類地下工程安全保障措施；（3）將地下工程建設理論與已有工法和實際地質環境等相結合（手段措施），實現解釋和完善已有工法，開發新工法，并形成與已有工法和實際地質環境等相適應的個體化設計施工方案，做到具體問題具體分析，防范事故、確保安全；（4）總結了地下工程本質效果、表現形式、研究方法、手段措施的相互關系，它們都與環境和條件相耦合，隨著條件變化而變化，關鍵是以不變應萬變、把握并區分本質與形式，方法要正確、措施要到位。
9、實例
（1） 現行規范的局限性（見圖 7）
對于山嶺隧道，《公路隧道設計規范－90》中規定了不宜直接使用錨噴支護的四類特殊地質情況：
① 未膠結松散巖體或人工（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、節理發育、較松散巖體；
④ 地下水活動較強，造成大面積淋水地段。
對于以上四類特殊地質條件下的隧道開挖，必須采用類似軟土隧道盾構施工原理的預支護技術，即采用超前管棚、小鋼管或插板、鋼拱架和噴混凝土的聯合支護體系，或采用改良地層的設計方法，其核心是控制或限制固體顆粒流失與允許可補充水份流失和短開挖強支護，而基本維持原始狀態力學平衡。
（2）受力獨立性問題
（3） 環境穩定與協調平衡問題
軟土中開挖隧道就像在豆腐中打洞，晃動過大豆腐就會散。所以盾構施工要盡量減少對土體結構的擾動和基本維持土體原始狀態，減少工后沉降和其他工程風險。土體原始結構破壞后，力學指標急劇降低，土體變形難以控制。依據盾構施工對地層變形影響的各階段，采取相應的控制方法和輔助措施，減小對周邊環境的影響。
因此對于這類復雜地質隧道或盾構，施工全過程首先要研究力學穩定平衡與變形協調問題，其次才考慮施工便利與經濟問題。
盾構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定性，也可用整體施加預應力來提高穩定性，而理論分析解決不了穩定性問題。
軟弱地層開挖后形成塌落空間，改變了地層原始狀態穩定性和受力狀況，要基本保持地層原始狀態受力和變形狀況，必須提供預支護或及時同步充填強度和剛度比原狀土大的材料，才能達到完全充填和固化等兩個要求，更能有利于控制地層變形。對于相對穩定無承壓水環境的地層，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、可泵性好的細沙混合物填充盾殼和盾尾空隙。另外對于滲透系數小的淤泥質土或粘性土等地層，在盾構通過一定距離后容易產生失水固結，這時應該通過管片補充注漿，以消除地層固結影響。
另外盾構施工過程中應該做到（1）控制推力約為水土壓力減少周圍孔隙水擴散，（2）控制機體平行度（蛇行度）減少開挖面積，（3）控制填充沙漿稠度（保水性）減少沙漿擴散，目的是減少對原土體擾動而形成的空隙，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。
變形協調概念的具體例證，幼小孩站和走不穩定自身會摔跤，外推力只是誘因；趙州橋砌塊之間沒有砂漿，砌塊為料石是關鍵。
專家提出了該在建深基坑工程必須遵循的三點原則：① 基坑的開挖必須分層、分段，且開挖暴露時間不宜過長，每次分層開挖控制在3m，分段開挖保證在15～20m；② 基坑必須先支撐后開挖，并把握好支撐的細節，基坑的變形要求在受控的狀態；③ 注意在雨天環境下基坑的及時排水，在完工后，要立即加固混凝土，確保基坑不變形。這三點原則基本符合基坑與支護系統受力平衡狀態穩定性要求。
地下車庫施工中導致附近房屋倒塌
2009年6月27日6時左右，一幢13層在建商品樓發生倒塌事故，造成一名工人死亡，如圖18-1所示。根據政府公布的調查結果：房屋傾倒的主要原因是緊貼7號樓北側在短期內堆土過高，最高處達10米左右。與此同時，緊臨大樓南側的地下車庫基坑正在開挖，開挖深度達4.6米，加之支護工作不到位，地基位移過大，大樓兩側的壓力差使土體產生水平位移，致使樓房北側防汛墻被擠倒。防汛墻的倒塌，土體對樓房的向前傾斜的抗力消失，過大的水平力超過了樁基的抗側能力，最終導致房屋傾倒，如圖18-2所示。原勘測報告經現場補充勘測和復核，符合規范要求；原結構設計經復核符合規范要求。大樓所用PHC管柱經檢測質量符合規范要求。
對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和插板形成棚架起支護作用，而塌方空洞采用充填輕質材料控制塌方空洞擴大和掉塊，同時減輕支護荷載，達到限制塌方空洞的不利影響。上述措施本質上是確保，其途經是通過管棚支護和插板形成棚架起支護作用提高系統抗力作功，通過充填輕質材料控制塌方空洞擴大和掉塊，減輕支護荷載，減少荷載作功（）。
復雜地質結構條件區的隧道開挖，常常會因為未預見的局部破碎圍巖而產生坍方。圖19為永加隧道的坍方情況，該隧道掘進到里程K16+183掌子面時，造成洞頂塌方，現塌方縱向寬約11m，橫向寬約10m，高22m，體積估計約2420m3。經地表地質調查觀察發現在里程K16+183掌子面附近遇一隱伏斷裂構造，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，有冒頂現象。
某中等埋深土壓平衡式盾構在站間推進過程中，出現盾頭帶動整體上浮的情況，其行進軌跡如圖20所示。盾構直徑為6.3m，盾長8.0m，盾構頂部埋深為12m。
盾構出現上浮時，所經過的地層為③61、③7和⑥1，其土層類型、標準灌入試驗和靜力觸探的指標如下表所示。盾構掘進斷面的上半部為相對較硬的③61、③7，下半部為相對較軟的⑥1。
機位狀態及力學平衡分析
千斤頂的推力簡化為盾頭頂部的F1和底部的F2；F土1和F土2為開挖面土體反力；F3為機體對機頭彈性約束力，當機頭上浮時阻止上浮，當機頭下壓時阻止下壓。另外盾構還同時受到周圍土體浮力的影響，盾構重量W盾=280t，同體積土體重量 W土=430t，因此盾構受到的浮力為150t。F4地層上硬下軟會延時填充上部空隙而不產生阻止上浮阻力F4≈0；F5地層上硬下軟及時填充下部空隙而產生向上推力。
機位上浮穩定平衡狀態條件有：
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，盾構可以平穩地沿設計軌跡前進。但當開挖面遇到如上圖所示上硬下軟的瞬間，如仍然以F1=F2的狀態推進，則盾頭不再處于穩定平衡狀態。假設開挖面土體在受到F1=F2的瞬間，在開挖面上部和下部產生相等的微小位移δ，土體反力F土=δ×Kx（水平機床系數）。因上部土層硬下部土層軟、亦即基床系數較大，故上部土體反力大于下部F土1>F土2（土壓盾構機頭壓力不同），致使在設計前進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）中時差Δt→0，基本控制盾構殼體位置；同時利用式（3）增加F1或減少F2調整盾構殼體位置逐漸到盾構軸線設計行進軌跡。
“通過整體力學分析研究地層支護結構組合系統力學狀態與過程，必要時采用有效措施確保地下工程施工使用全過程滿足F>Po 或，使得地下工程始終保持穩定平衡狀態與變形協調。”的經典歷史工程實例
