中国岩石工程的不足与挑战,地质工程论文

中国岩石工程的不足与挑战,地质工程论文总结中国岩石工程的特点与复杂性，主要有下面8个方面：〔1〕工程规模大，建设周期长。如三峡工程、南水北调都是当今世界第一的岩土工程，其岩石开挖加固量都非常宏大，从勘测、设计到施工运行差不多半个世纪。〔2〕环境恶劣，地质条件复杂。当前中国很多岩石工程不但具有特殊的构造地质条件〔如膨胀岩、地下暗河和岩溶〕、松懈破碎复杂岩基，而且往往位于高海拔、高地应力、高地震烈度的西南地区，或者深水海洋，建设环境恶劣，对施工人员安全保卫至关重要。〔3〕边界模糊，且开裂毁坏多尺度。中国岩石工程尽管做了很多勘测，但岩土体介质充满着不确定性〔含随机性和模糊性〕和不确知性，因而岩土工程的应力边界复杂。加之存在从厘米岩石开裂到百米级宏观断层，多尺度特征明显。〔4〕加固处理难，十分是破碎岩体地区的加固处理至今没有好的办法。中国岩体分级标准尚未统一，给加固设计带来新问题。〔5〕岩体存在长期的流变，且监测难度大，人工建筑与自然岩体互相作用的不协调也给岩体长期变形监测带来很多困难。〔6〕岩石力学问题突出。除岩体材料非线性外，还含几何非线性的大变形和大应变，对相应的理论分析及其数值模拟提出了更高层次的要求。〔7〕岩体工程与多学科的穿插性，传统岩土工程主要是以固体力学等基础学科为支撑的。但随着岩石力学的发展，其与工程地质学、信息学、人文学、环境学的穿插越来越重要。〔8〕深部岩石力学工程越来越多，相应的设计原理、支护理论以及灾祸控制方式方法的研究亟待深切进入发展。现有的岩石工程设计原理和支护理论基本知足浅部岩石工程实践需要，但是在深部岩石工程面前，尚存在很大的不适用性。2中国岩石工程研究的缺乏。从近10a的获奖成果、973计划中岩石工程研究内容，以及岩石工程勘测设计方式方法、监测与预警方式方法、典型重大岩石工程建设能够看出，尽管中国科技工作者对岩石工程的研究牵涉到各个方面，获得了宏大的成就，但还必须清楚明晰看到存在的若干缺乏：〔1〕工程技术成就上升为原创性的理论研究成果较少，基本的本构关系、通用的岩石毁坏、强度准则大多还是在国外的研究成果基础上修正发展。〔2〕现场和实验室试验技术原创的试验设备和试验方式方法不多，当前在现场运用的主要检测、监测方式方法仍以引用国外成果为主，如微震技术等。〔3〕缺乏原创的大型数值软件平台，当前国内岩土研究应用较多的FLAC,ANSYS,Marco,Abaqus等数值软件都是从国外引进，尽管中国也发展了实用的数值仿真软件，但是其计算求解器等核心算法大多是国外研究成果。〔4〕某些领域原创性的岩石工程机械化施工、监测、开挖等成套技术、工法、设计方式方法还有很大的发展空间，如当前中国页岩气开采的瓶颈主要是非常规天然气工程岩体力学理论、开采工艺和设备。〔5〕从973计划看，国家对牵涉岩石工程的相关领域投入了大量的科研经费，十分是能源行业〔如煤炭和水电〕，发表文章数量也在国际上已经是处于前列地位，但是围绕岩石工程有份量和国际影响的重要发明成果还是较少，这虽然跟中国当前科研评估体系不够完善有关，但也讲明中国真正要成为岩石工程强国还有很长的路要走，尤其在推动岩石工程学科发展的原创理论、大规模计算方式方法、动态设计、施工工法、成套施工原创技术和岩体工程稳定控制技术还有很多研究需要做。3中国岩石工程面临的挑战。中国岩石工程历史悠久，最远可追溯到70万a前北京猿人建造的寓居洞穴，但是采用当代岩石力学科学只不过60余年的历史。尽管科技人员在岩石力学与工程方面做出了突出奉献，为中国岩石工程的实践发展提供了坚实的基础；但由于岩石工程的复杂性、个案性，还存在很多没有解决的问题，笔者从岩石工程学科发展的角度提出了中国当下岩石工程面临10个挑战问题。〔1〕工程材料、构造、系统相结合。岩石不但是能记忆所经历漫长地质作用的地球介质，也是由多种矿物晶粒、胶结物及孔隙组成的复杂的混合物材料；岩体也是一种存在断裂面、节理和断层等缺陷的岩石构造；而当岩石、岩体与混凝土、锚系加固等组合一起时，又是一个自然与人工结合的系统。天然裂纹、孔洞缺陷使真实岩石材料、岩体构造呈现非连续、非均匀、各向异性和非弹性等特征；岩石材料、岩体构造，岩石工程系统的力学行为在构造和时间上都呈现不连续性、不确定性、不规则性等复杂性特征。因而在考虑岩土工程勘测、设计、施工运行时，必须将岩石工程的材料、构造和系统相结合整体考虑。〔2〕岩石工程与岩土工程研究相融合。王思敬强调了岩石力学与工程地质结合的重要性，而在岩石工程中另一个重要的结合是岩石与土的融合，十分是近年来被科学家广泛研究的土石混合体，更确认了土石混合体是一种特殊组合构造，在工程状态下呈现出与单纯土体和岩体都很不同的力学特征。加强岩体和土体在理论和工程上的统一性考虑，对优化岩石工程的理论、勘测、设计与施工加固都具有重要意义。〔3〕岩石力学理论与工程实践相促进。岩石、岩体和岩石工程有其特殊的力学属性和行为。尽管中国在原创岩石力学理论上成果不很突出，但结合重大岩石工程仍获得了一系列成就，尤其具体表现出了岩石力学理论与工程的互相验证，如陈宗基、孙钧等结合三峡工程在岩石流变理论上获得的成就；钱七虎结合中国重大地下工程，提出了岩石非协调变形理论和岩体分区破裂的非线性静动力学理论，解决了国防地下工程中的系列问题。岩石力学理论与工程结合，如应加强非常规天然气工程岩体力学理论探寻求索促进工程经历体验的提炼升华，便于推广应用。〔4〕工程勘测、设计、施工、运行相统一。大型岩石工程、如水电工程、边坡、地下交通隧道、海洋工程、国防工程等，其安全问题贯穿于工程勘测设计、施工和运行全经过。岩石工程的生命周期的起点为地质勘察设计，终点为相应工程的退役，期间经过岩体开挖锚固及渗流控制等施工改造阶段，以及人工与自然构造系统在各种复杂环境互相作用的运行阶段。由此可见，大型岩石工程性能不仅仅取决于工程设计，还与施工质量、运行控制等密切相关。其安全性和稳定性需要进行全生命周期的评估。强调四者的结合就是具体表现出以全生命周期性能演化规律为核心，统筹兼顾勘测、设计、施工和运行不同阶段的安全控制的学术思想。中国岩石工程长期安全性能评价还缺少基于全生命周期观点的研究。〔5〕工程理论、试验、监测、数值分析一体化。岩石工程开裂、毁坏、失稳机制与岩石、岩体性能的真实参数是贯穿岩石工程设计、施工以及运行反应的基础。早期试验研究一直是探究岩石材料真实性能和参数的主要手段；随着时代发展，除按传统试验方式方法测定岩石强度、弹性模量、浸透系数等基本参数，还采用原位观测数据反应分析大坝构造真实状态参数的方式方法得到了广泛应用。但是对于大型岩石工程中真实岩石材料、岩体构造性能，当前的研究仍没有克制现场试验值以及设计值还存在较大的差异性、离散性；缺乏从试验、数值与原型观测相统一的分析与评价角度考虑问题，更难于提出岩石工程的长期安全稳定的评价方式方法与技术。因而，强化理论、试验、数值与原型观测相统一的分析与评价体系，是岩石工程发展的重要方向。〔6〕工程短期与长期效应〔工程时效性〕相协调。针对岩石的流变特性的研究已经获得了较丰富的成果，而针对岩石工程短期与长期相协调的时效变形试验和分析研究尚待深切进入。运行工况静力稳定，是岩石工程作为其使用属性在设计寿命内最基本的要求，对不同的岩石工程其核心稳定对象会有不同，如边坡是保证潜在滑动面的稳定，地下工程则是保证围岩的稳定；特殊工况动力稳定则指在地震等工况下，知足抗震设计要求的性能，保证岩石与人工构造的安全稳定。因而，考虑工程短期与长期时间效应结合就是要考虑岩石工程施工工况的临时稳定、运行工况静力稳定以及特殊工况动力稳定的有机结合。〔7〕工程与环境的互相依存。近年来，环境问题变得越来越紧迫，牵涉岩石工程的采矿、水电、交通、海洋工程等不管是在施工期还是在运行期，都会给环境和生态施加一些负面的影响。施工中大量的土石方开挖常毁坏现场植被和土壤，导致大面积水土流失，增加了潜在的滑坡数量。采矿工程中所遗留下来的采空区易导致地面塌陷进而引发各种灾祸事故频发，改变乃至毁坏了地球外表和岩石圈的自然平衡，给矿区附近居民带来极大的安全隐患。因而，在进行岩石工程的规划和建设时，应当就区域内岩石工程以及相关工程建设对环境和生态条件的综合影响和长期影响进行详尽的研究和分析，并提出相应的建议，真正做到岩石工程建设功在现代、利在千秋。〔8〕多学科的穿插协作。岩石力学与工程学科是一个历史不长的学科，既要承接其他基础学科，如固体力学、断裂力学、构造力学、爆炸力学、计算力学中有利于本身发展的理论、技术和方式方法，也要与近年新兴的信息技术、工程仿真、智能控制等多学科相结合，重视新材料、新工艺、新技术和新装备的应用，并综合采用多种分析手段，如理论分析、数值模拟、物理模拟和现场测试等，真正实现材料构造系统研究一体化，理论监测数值分析一体化，设计施工运行分析一体化。又如页岩气开采关键就是岩体压裂〔体破裂〕，即三维断裂力学问题。在引用、借鉴其他学科成果时，更应关注岩石材料、构造和岩石工程系统的特殊属性。〔9〕岩石工程与智能化管理相聚合。大型岩石工程是一个庞大的系统工程，有效的项目组织、管理是工程设计、施工和运行安全、经济、高效的保证，对国家经济发展和公共安全具有重要意义。近十几年学习国外先进管理经历体验，中国岩石工程管理方面已经获得不少进步，但仍然存在体制机制上的问题，十分是管理部门尚未协调好多个专业之间的合作关系，因而重大岩石工程中技术革新与智能管理相会聚结合的创新是岩石工程设计、建设与安全运行的迫切需要，也是国家级岩土工程计划和项目立项、跟踪监管与有效验收的需求。应加强人才培养，并完善发挥其作用的管理体制和运行机制，以及工程决策与施行监控管理手段。实现岩体工程智能化的发展道路包括：①工程安全高效运作、环境灾祸控制决策和施行监控的信息化，即在可靠的地理地质信息和不同采动条件下岩层运动和应力分布动态构造模型基础上决策；智能化,即在正确的理论和相关事故控制决策模型的指导下计算机自动决策；可视化，即用三维图象表示，形象化的输出决策结果，必须发展以不同采动条件下可能波及的围岩范围和相应的应力场分布特征为核心实用岩层运动控制的理论及相关决策模型的建设，并以此为基础，成功开发计算机决策软件与相应信息采集系统。②采用集遥控生产操作、工况监控于一体的智能化装备完成工程推进的全经过，必须在发展岩石工程理论的基础上实现工程化装备的新突破。③岩石工程抢险救灾应急体系的智能化。〔10〕岩石工程的产学研共同发展。近30a中国岩石工程的科研形式主要是结合国家科技攻关项目，设计院直接介入开展联合科研攻关。这些攻关项目的主要特点包括：①组织形式多是由设计院根据设计需求首先提出，然后组织相关专家论证，高校和科研单位介入，最后业主配合，由科技部等相关部委立项和进行跟