中國(guó)巖石工程的不足與挑戰(zhàn),地質(zhì)工程論文

中國(guó)巖石工程的不足與挑戰(zhàn),地質(zhì)工程論文總結(jié)中國(guó)巖石工程的特點(diǎn)與復(fù)雜性，主要有下面8個(gè)方面：〔1〕工程規(guī)模大，建設(shè)周期長(zhǎng)。如三峽工程、南水北調(diào)都是當(dāng)今世界第一的巖土工程，其巖石開挖加固量都非常宏大，從勘測(cè)、設(shè)計(jì)到施工運(yùn)行差不多半個(gè)世紀(jì)。〔2〕環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜。當(dāng)前中國(guó)很多巖石工程不但具有特殊的構(gòu)造地質(zhì)條件〔如膨脹巖、地下暗河和巖溶〕、松懈破碎復(fù)雜巖基，而且往往位于高海拔、高地應(yīng)力、高地震烈度的西南地區(qū)，或者深水海洋，建設(shè)環(huán)境惡劣，對(duì)施工人員安全保衛(wèi)至關(guān)重要?！?〕邊界模糊，且開裂毀壞多尺度。中國(guó)巖石工程盡管做了很多勘測(cè)，但巖土體介質(zhì)充滿著不確定性〔含隨機(jī)性和模糊性〕和不確知性，因而巖土工程的應(yīng)力邊界復(fù)雜。加之存在從厘米巖石開裂到百米級(jí)宏觀斷層，多尺度特征明顯?！?〕加固處理難，十分是破碎巖體地區(qū)的加固處理至今沒有好的辦法。中國(guó)巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，給加固設(shè)計(jì)帶來(lái)新問(wèn)題?！?〕巖體存在長(zhǎng)期的流變，且監(jiān)測(cè)難度大，人工建筑與自然巖體互相作用的不協(xié)調(diào)也給巖體長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)帶來(lái)很多困難?！?〕巖石力學(xué)問(wèn)題突出。除巖體材料非線性外，還含幾何非線性的大變形和大應(yīng)變，對(duì)相應(yīng)的理論分析及其數(shù)值模擬提出了更高層次的要求。〔7〕巖體工程與多學(xué)科的穿插性，傳統(tǒng)巖土工程主要是以固體力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科為支撐的。但隨著巖石力學(xué)的發(fā)展，其與工程地質(zhì)學(xué)、信息學(xué)、人文學(xué)、環(huán)境學(xué)的穿插越來(lái)越重要?！?〕深部巖石力學(xué)工程越來(lái)越多，相應(yīng)的設(shè)計(jì)原理、支護(hù)理論以及災(zāi)禍控制方式方法的研究亟待深切進(jìn)入發(fā)展。現(xiàn)有的巖石工程設(shè)計(jì)原理和支護(hù)理論基本知足淺部巖石工程實(shí)踐需要，但是在深部巖石工程面前，尚存在很大的不適用性。2中國(guó)巖石工程研究的缺乏。從近10a的獲獎(jiǎng)成果、973計(jì)劃中巖石工程研究?jī)?nèi)容，以及巖石工程勘測(cè)設(shè)計(jì)方式方法、監(jiān)測(cè)與預(yù)警方式方法、典型重大巖石工程建設(shè)能夠看出，盡管中國(guó)科技工作者對(duì)巖石工程的研究牽涉到各個(gè)方面，獲得了宏大的成就，但還必須清楚明晰看到存在的若干缺乏：〔1〕工程技術(shù)成就上升為原創(chuàng)性的理論研究成果較少，基本的本構(gòu)關(guān)系、通用的巖石毀壞、強(qiáng)度準(zhǔn)則大多還是在國(guó)外的研究成果基礎(chǔ)上修正發(fā)展?！?〕現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)技術(shù)原創(chuàng)的試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方式方法不多，當(dāng)前在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用的主要檢測(cè)、監(jiān)測(cè)方式方法仍以引用國(guó)外成果為主，如微震技術(shù)等?！?〕缺乏原創(chuàng)的大型數(shù)值軟件平臺(tái)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)巖土研究應(yīng)用較多的FLAC,ANSYS,Marco,Abaqus等數(shù)值軟件都是從國(guó)外引進(jìn)，盡管中國(guó)也發(fā)展了實(shí)用的數(shù)值仿真軟件，但是其計(jì)算求解器等核心算法大多是國(guó)外研究成果。〔4〕某些領(lǐng)域原創(chuàng)性的巖石工程機(jī)械化施工、監(jiān)測(cè)、開挖等成套技術(shù)、工法、設(shè)計(jì)方式方法還有很大的發(fā)展空間，如當(dāng)前中國(guó)頁(yè)巖氣開采的瓶頸主要是非常規(guī)天然氣工程巖體力學(xué)理論、開采工藝和設(shè)備?！?〕從973計(jì)劃看，國(guó)家對(duì)牽涉巖石工程的相關(guān)領(lǐng)域投入了大量的科研經(jīng)費(fèi)，十分是能源行業(yè)〔如煤炭和水電〕，發(fā)表文章數(shù)量也在國(guó)際上已經(jīng)是處于前列地位，但是圍繞巖石工程有份量和國(guó)際影響的重要發(fā)明成果還是較少，這雖然跟中國(guó)當(dāng)前科研評(píng)估體系不夠完善有關(guān)，但也講明中國(guó)真正要成為巖石工程強(qiáng)國(guó)還有很長(zhǎng)的路要走，尤其在推動(dòng)巖石工程學(xué)科發(fā)展的原創(chuàng)理論、大規(guī)模計(jì)算方式方法、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、施工工法、成套施工原創(chuàng)技術(shù)和巖體工程穩(wěn)定控制技術(shù)還有很多研究需要做。3中國(guó)巖石工程面臨的挑戰(zhàn)。中國(guó)巖石工程歷史悠久，最遠(yuǎn)可追溯到70萬(wàn)a前北京猿人建造的寓居洞穴，但是采用當(dāng)代巖石力學(xué)科學(xué)只不過(guò)60余年的歷史。盡管科技人員在巖石力學(xué)與工程方面做出了突出奉獻(xiàn)，為中國(guó)巖石工程的實(shí)踐發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；但由于巖石工程的復(fù)雜性、個(gè)案性，還存在很多沒有解決的問(wèn)題，筆者從巖石工程學(xué)科發(fā)展的角度提出了中國(guó)當(dāng)下巖石工程面臨10個(gè)挑戰(zhàn)問(wèn)題?！?〕工程材料、構(gòu)造、系統(tǒng)相結(jié)合。巖石不但是能記憶所經(jīng)歷漫長(zhǎng)地質(zhì)作用的地球介質(zhì)，也是由多種礦物晶粒、膠結(jié)物及孔隙組成的復(fù)雜的混合物材料；巖體也是一種存在斷裂面、節(jié)理和斷層等缺陷的巖石構(gòu)造；而當(dāng)巖石、巖體與混凝土、錨系加固等組合一起時(shí)，又是一個(gè)自然與人工結(jié)合的系統(tǒng)。天然裂紋、孔洞缺陷使真實(shí)巖石材料、巖體構(gòu)造呈現(xiàn)非連續(xù)、非均勻、各向異性和非彈性等特征；巖石材料、巖體構(gòu)造，巖石工程系統(tǒng)的力學(xué)行為在構(gòu)造和時(shí)間上都呈現(xiàn)不連續(xù)性、不確定性、不規(guī)則性等復(fù)雜性特征。因而在考慮巖土工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工運(yùn)行時(shí)，必須將巖石工程的材料、構(gòu)造和系統(tǒng)相結(jié)合整體考慮?！?〕巖石工程與巖土工程研究相融合。王思敬強(qiáng)調(diào)了巖石力學(xué)與工程地質(zhì)結(jié)合的重要性，而在巖石工程中另一個(gè)重要的結(jié)合是巖石與土的融合，十分是近年來(lái)被科學(xué)家廣泛研究的土石混合體，更確認(rèn)了土石混合體是一種特殊組合構(gòu)造，在工程狀態(tài)下呈現(xiàn)出與單純土體和巖體都很不同的力學(xué)特征。加強(qiáng)巖體和土體在理論和工程上的統(tǒng)一性考慮，對(duì)優(yōu)化巖石工程的理論、勘測(cè)、設(shè)計(jì)與施工加固都具有重要意義?！?〕巖石力學(xué)理論與工程實(shí)踐相促進(jìn)。巖石、巖體和巖石工程有其特殊的力學(xué)屬性和行為。盡管中國(guó)在原創(chuàng)巖石力學(xué)理論上成果不很突出，但結(jié)合重大巖石工程仍獲得了一系列成就，尤其具體表現(xiàn)出了巖石力學(xué)理論與工程的互相驗(yàn)證，如陳宗基、孫鈞等結(jié)合三峽工程在巖石流變理論上獲得的成就；錢七虎結(jié)合中國(guó)重大地下工程，提出了巖石非協(xié)調(diào)變形理論和巖體分區(qū)破裂的非線性靜動(dòng)力學(xué)理論，解決了國(guó)防地下工程中的系列問(wèn)題。巖石力學(xué)理論與工程結(jié)合，如應(yīng)加強(qiáng)非常規(guī)天然氣工程巖體力學(xué)理論探尋求索促進(jìn)工程經(jīng)歷體驗(yàn)的提煉升華，便于推廣應(yīng)用。〔4〕工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行相統(tǒng)一。大型巖石工程、如水電工程、邊坡、地下交通隧道、海洋工程、國(guó)防工程等，其安全問(wèn)題貫穿于工程勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行全經(jīng)過(guò)。巖石工程的生命周期的起點(diǎn)為地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)，終點(diǎn)為相應(yīng)工程的退役，期間經(jīng)過(guò)巖體開挖錨固及滲流控制等施工改造階段，以及人工與自然構(gòu)造系統(tǒng)在各種復(fù)雜環(huán)境互相作用的運(yùn)行階段。由此可見，大型巖石工程性能不僅僅取決于工程設(shè)計(jì)，還與施工質(zhì)量、運(yùn)行控制等密切相關(guān)。其安全性和穩(wěn)定性需要進(jìn)行全生命周期的評(píng)估。強(qiáng)調(diào)四者的結(jié)合就是具體表現(xiàn)出以全生命周期性能演化規(guī)律為核心，統(tǒng)籌兼顧勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行不同階段的安全控制的學(xué)術(shù)思想。中國(guó)巖石工程長(zhǎng)期安全性能評(píng)價(jià)還缺少基于全生命周期觀點(diǎn)的研究?！?〕工程理論、試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)、數(shù)值分析一體化。巖石工程開裂、毀壞、失穩(wěn)機(jī)制與巖石、巖體性能的真實(shí)參數(shù)是貫穿巖石工程設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)行反應(yīng)的基礎(chǔ)。早期試驗(yàn)研究一直是探究巖石材料真實(shí)性能和參數(shù)的主要手段；隨著時(shí)代發(fā)展，除按傳統(tǒng)試驗(yàn)方式方法測(cè)定巖石強(qiáng)度、彈性模量、浸透系數(shù)等基本參數(shù)，還采用原位觀測(cè)數(shù)據(jù)反應(yīng)分析大壩構(gòu)造真實(shí)狀態(tài)參數(shù)的方式方法得到了廣泛應(yīng)用。但是對(duì)于大型巖石工程中真實(shí)巖石材料、巖體構(gòu)造性能，當(dāng)前的研究仍沒有克制現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)值以及設(shè)計(jì)值還存在較大的差異性、離散性；缺乏從試驗(yàn)、數(shù)值與原型觀測(cè)相統(tǒng)一的分析與評(píng)價(jià)角度考慮問(wèn)題，更難于提出巖石工程的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定的評(píng)價(jià)方式方法與技術(shù)。因而，強(qiáng)化理論、試驗(yàn)、數(shù)值與原型觀測(cè)相統(tǒng)一的分析與評(píng)價(jià)體系，是巖石工程發(fā)展的重要方向?！?〕工程短期與長(zhǎng)期效應(yīng)〔工程時(shí)效性〕相協(xié)調(diào)。針對(duì)巖石的流變特性的研究已經(jīng)獲得了較豐富的成果，而針對(duì)巖石工程短期與長(zhǎng)期相協(xié)調(diào)的時(shí)效變形試驗(yàn)和分析研究尚待深切進(jìn)入。運(yùn)行工況靜力穩(wěn)定，是巖石工程作為其使用屬性在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)最基本的要求，對(duì)不同的巖石工程其核心穩(wěn)定對(duì)象會(huì)有不同，如邊坡是保證潛在滑動(dòng)面的穩(wěn)定，地下工程則是保證圍巖的穩(wěn)定；特殊工況動(dòng)力穩(wěn)定則指在地震等工況下，知足抗震設(shè)計(jì)要求的性能，保證巖石與人工構(gòu)造的安全穩(wěn)定。因而，考慮工程短期與長(zhǎng)期時(shí)間效應(yīng)結(jié)合就是要考慮巖石工程施工工況的臨時(shí)穩(wěn)定、運(yùn)行工況靜力穩(wěn)定以及特殊工況動(dòng)力穩(wěn)定的有機(jī)結(jié)合?！?〕工程與環(huán)境的互相依存。近年來(lái)，環(huán)境問(wèn)題變得越來(lái)越緊迫，牽涉巖石工程的采礦、水電、交通、海洋工程等不管是在施工期還是在運(yùn)行期，都會(huì)給環(huán)境和生態(tài)施加一些負(fù)面的影響。施工中大量的土石方開挖常毀壞現(xiàn)場(chǎng)植被和土壤，導(dǎo)致大面積水土流失，增加了潛在的滑坡數(shù)量。采礦工程中所遺留下來(lái)的采空區(qū)易導(dǎo)致地面塌陷進(jìn)而引發(fā)各種災(zāi)禍?zhǔn)鹿暑l發(fā)，改變乃至毀壞了地球外表和巖石圈的自然平衡，給礦區(qū)附近居民帶來(lái)極大的安全隱患。因而，在進(jìn)行巖石工程的規(guī)劃和建設(shè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)就區(qū)域內(nèi)巖石工程以及相關(guān)工程建設(shè)對(duì)環(huán)境和生態(tài)條件的綜合影響和長(zhǎng)期影響進(jìn)行詳盡的研究和分析，并提出相應(yīng)的建議，真正做到巖石工程建設(shè)功在現(xiàn)代、利在千秋。〔8〕多學(xué)科的穿插協(xié)作。巖石力學(xué)與工程學(xué)科是一個(gè)歷史不長(zhǎng)的學(xué)科，既要承接其他基礎(chǔ)學(xué)科，如固體力學(xué)、斷裂力學(xué)、構(gòu)造力學(xué)、爆炸力學(xué)、計(jì)算力學(xué)中有利于本身發(fā)展的理論、技術(shù)和方式方法，也要與近年新興的信息技術(shù)、工程仿真、智能控制等多學(xué)科相結(jié)合，重視新材料、新工藝、新技術(shù)和新裝備的應(yīng)用，并綜合采用多種分析手段，如理論分析、數(shù)值模擬、物理模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等，真正實(shí)現(xiàn)材料構(gòu)造系統(tǒng)研究一體化，理論監(jiān)測(cè)數(shù)值分析一體化，設(shè)計(jì)施工運(yùn)行分析一體化。又如頁(yè)巖氣開采關(guān)鍵就是巖體壓裂〔體破裂〕，即三維斷裂力學(xué)問(wèn)題。在引用、借鑒其他學(xué)科成果時(shí)，更應(yīng)關(guān)注巖石材料、構(gòu)造和巖石工程系統(tǒng)的特殊屬性?！?〕巖石工程與智能化管理相聚合。大型巖石工程是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，有效的項(xiàng)目組織、管理是工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)、高效的保證，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和公共安全具有重要意義。近十幾年學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)管理經(jīng)歷體驗(yàn)，中國(guó)巖石工程管理方面已經(jīng)獲得不少進(jìn)步，但仍然存在體制機(jī)制上的問(wèn)題，十分是管理部門尚未協(xié)調(diào)好多個(gè)專業(yè)之間的合作關(guān)系，因而重大巖石工程中技術(shù)革新與智能管理相會(huì)聚結(jié)合的創(chuàng)新是巖石工程設(shè)計(jì)、建設(shè)與安全運(yùn)行的迫切需要，也是國(guó)家級(jí)巖土工程計(jì)劃和項(xiàng)目立項(xiàng)、跟蹤監(jiān)管與有效驗(yàn)收的需求。應(yīng)加強(qiáng)人才培養(yǎng)，并完善發(fā)揮其作用的管理體制和運(yùn)行機(jī)制，以及工程決策與施行監(jiān)控管理手段。實(shí)現(xiàn)巖體工程智能化的發(fā)展道路包括：①工程安全高效運(yùn)作、環(huán)境災(zāi)禍控制決策和施行監(jiān)控的信息化，即在可靠的地理地質(zhì)信息和不同采動(dòng)條件下巖層運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力分布動(dòng)態(tài)構(gòu)造模型基礎(chǔ)上決策；智能化,即在正確的理論和相關(guān)事故控制決策模型的指導(dǎo)下計(jì)算機(jī)自動(dòng)決策；可視化，即用三維圖象表示，形象化的輸出決策結(jié)果，必須發(fā)展以不同采動(dòng)條件下可能波及的圍巖范圍和相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)分布特征為核心實(shí)用巖層運(yùn)動(dòng)控制的理論及相關(guān)決策模型的建設(shè)，并以此為基礎(chǔ)，成功開發(fā)計(jì)算機(jī)決策軟件與相應(yīng)信息采集系統(tǒng)。②采用集遙控生產(chǎn)操作、工況監(jiān)控于一體的智能化裝備完成工程推進(jìn)的全經(jīng)過(guò)，必須在發(fā)展巖石工程理論的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工程化裝備的新突破。③巖石工程搶險(xiǎn)救災(zāi)應(yīng)急體系的智能化。〔10〕巖石工程的產(chǎn)學(xué)研共同發(fā)展。近30a中國(guó)巖石工程的科研形式主要是結(jié)合國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)院直接介入開展聯(lián)合科研攻關(guān)。這些攻關(guān)項(xiàng)目的主要特點(diǎn)包括：①組織形式多是由設(shè)計(jì)院根據(jù)設(shè)計(jì)需求首先提出，然后組織相關(guān)專家論證，高校和科研單位介入，最后業(yè)主配合，由科技部等相關(guān)部委立項(xiàng)和進(jìn)行跟