理論研究和工程實(shí)踐表明: 工程地質(zhì)系統(tǒng)是開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，工程地質(zhì)學(xué)隸屬于以歸納和演繹方法組成的“將今論古”方法論為主導(dǎo)的地質(zhì)科學(xué)范疇，是綜合性很強(qiáng)的基礎(chǔ)應(yīng)用型學(xué)科。這要求工程地質(zhì)學(xué)家從系統(tǒng)學(xué)出發(fā)評價工程地質(zhì)條件( 崔政權(quán)， 1992; 楊志法， 1993; 黃潤秋等，1997) ，所用主要思路和方法是綜合。新近提出的大成綜合理論( Meta-synthesis) ( 王思敬，2011) ，標(biāo)志著工程地質(zhì)綜合已達(dá)到科學(xué)思維的高度抽象階段。

 

  現(xiàn)在很多情況下地質(zhì)工程規(guī)劃已不僅僅局限于原來的“地質(zhì)選線”。施工速度、方法和高新技術(shù)快速發(fā)展，已難以做到完全避讓大規(guī)模不良地質(zhì)體( 斷層破碎帶、風(fēng)化槽囊、天然洞穴、接觸蝕變帶、膨脹巖土、軟弱夾層等) ，其任務(wù)已由工程地質(zhì)條件評價，逐步發(fā)展到對施工地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報和綜合防治，目的是為動態(tài)設(shè)計和信息化施工提供地質(zhì)依據(jù)。因此工程地質(zhì)學(xué)進(jìn)一步發(fā)展很大程度上取決于綜合性的動態(tài)變化理論和方法創(chuàng)新。

 

  在對工程地質(zhì)學(xué)的三大學(xué)派( 結(jié)構(gòu)論、成因論和系統(tǒng)論) 學(xué)習(xí)和跟蹤基礎(chǔ)上，結(jié)合作者近些年來施工地質(zhì)災(zāi)害咨詢研究，發(fā)現(xiàn)不同于工程前期地質(zhì)勘察和設(shè)計階段對巖體結(jié)構(gòu)的靜態(tài)把握和認(rèn)識，諸多施工地質(zhì)災(zāi)害背后隱藏著一個科學(xué)命題應(yīng)是巖體結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化和調(diào)整。巖體調(diào)整好了( 加以適當(dāng)工程干預(yù)) 則工程安全穩(wěn)定，否則會出現(xiàn)塌方、巖爆、大變形和突涌水等一系列施工地質(zhì)災(zāi)害。換句話說巖體有自我恢復(fù)調(diào)整能力( 這也是現(xiàn)代地下工程中采用以監(jiān)控量測、適時支護(hù)為主導(dǎo)的新奧法的主要原因) ，工程的加固和干預(yù)更多的是對地質(zhì)體變化的適應(yīng)和補(bǔ)強(qiáng)。因此，有必要考慮自然和工程疊加情況下地質(zhì)體的“演化”。作為關(guān)鍵內(nèi)因的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，尤其是與工程尺度相關(guān)的巖體結(jié)構(gòu)，在施工爆破開挖等工程擾動作用下，發(fā)生了強(qiáng)烈的動態(tài)變化，所以其控制變形破壞的作用，在現(xiàn)代大規(guī)模快速施工條件下，更多地表現(xiàn)在巖體結(jié)構(gòu)的動態(tài)控制上。

 

  本文在工程地質(zhì)學(xué)理論研究和施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報以及防治經(jīng)驗(yàn)總結(jié)基礎(chǔ)上，提出了工程地質(zhì)多因素相互作用關(guān)系分析法EGI ( Engineering GeologicalInteraction ) 和巖體結(jié)構(gòu)動態(tài)控制觀DDC( Discontinuity Dynamic Controlling) ，以期拋磚引玉，引發(fā)討論，共同促進(jìn)工程地質(zhì)學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。

 

  1 工程地質(zhì)分析的多因素綜合性

 

  綜合有關(guān)詞典和書籍中的定義: 分析( analyze)是將事物、現(xiàn)象、概念分門別類，離析出本質(zhì)及其內(nèi)在聯(lián)系。綜合( synthesize) 是把分析過的對象或現(xiàn)象的各個部分、各屬性聯(lián)合成一個統(tǒng)一整體。學(xué)術(shù)界討論研究方法分類時常提及分析法和綜合法。人們常把分析法理解為把研究對象“拆分”成幾個部分，再研究這幾個部分。綜合是“合并”。一般情況下分析和綜合法同時使用，但為思維過程方便，探討時常將其分開討論( 張巨青，1987) 。表現(xiàn)在思維方式上，東西方區(qū)別很大。西方分析是把事物越分越細(xì); 東方綜合的核心是強(qiáng)調(diào)普遍聯(lián)系，注重整體概念。表現(xiàn)在人與自然關(guān)系上，就是人與自然為一整體、人天相愛的“天人合一”( 季羨林，2006) 。

 

  “綜合”并不僅僅只是把拆分的東西簡單地合并在一起。分析過程中發(fā)現(xiàn)了用現(xiàn)有理論解釋不了的現(xiàn)象。為解釋這一現(xiàn)象大腦通過類比聯(lián)想獲得某種靈感，或做出某種假設(shè)，或引入相關(guān)學(xué)科中某些定律，或發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有理論某些不足。這樣，通過引進(jìn)假設(shè)或定律豐富原有理論，或發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有理論不足而加以改進(jìn)。康德有名的問題就是先天綜合命題如何能夠產(chǎn)生新知識，如果把想象、靈感和直覺加進(jìn)來，新知識的產(chǎn)生就不難解釋了。新知識產(chǎn)生于高度綜合過程之中，它的認(rèn)識成果遠(yuǎn)超出原有通過分析而取得的許多局部性認(rèn)識的總和。如一個工程地質(zhì)學(xué)家要對一塊不良地質(zhì)體中的巖土做分析，要有化學(xué)和巖土礦物理論知識，再據(jù)理論準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)試劑和儀器。

 

  把這塊樣品制備成樣后，就用儀器和試劑來測定。

 

  如只是簡單測定，把巖土化學(xué)和礦物成分及結(jié)構(gòu)確定下來就行了。此即巖土成分分析，通常可為工程地質(zhì)專家的經(jīng)驗(yàn)性、綜合性的判斷，提供一些必要的依據(jù)。但是這種經(jīng)驗(yàn)性判斷并不能產(chǎn)生新的科學(xué)知識。

 

  如果工程地質(zhì)學(xué)家在測試過程中發(fā)現(xiàn)了較大異常或幾種測試結(jié)果難以比對的現(xiàn)象，他首先需對這些作出某種解釋。而這時的解釋主要是猜測性的。

 

  做完猜測，他就會依據(jù)猜測中的內(nèi)容重選一些試劑或采取一些新方法等。這樣或許能對自己的猜測做出驗(yàn)證。這一過程中通常的“分析”不能完全解決問題了，新的綜合過程就開始了。工程地質(zhì)學(xué)家驗(yàn)證自己的猜測后，首先會檢查測試方法、儀器正常與否。如確定這些都正常，那么這個得到驗(yàn)證的猜測就是新知識，或是一種新物質(zhì)結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)，或是一種試劑擴(kuò)大了使用范圍，或是某些儀器得到了新的操作使用方法。新知識就在這一過程中產(chǎn)生了。

 

  工程地質(zhì)學(xué)需將地質(zhì)體與工程的相互作用加以綜合全面的認(rèn)識和評價，要解巖土介質(zhì)、能量、信息、時間和空間五大變量的方程式。如何建立并驗(yàn)證其正確性? 這是困擾多年的復(fù)雜性問題。綜合研究思路和方法是工程地質(zhì)學(xué)研究的特點(diǎn)和主流，只有用綜合法而不是簡單分析法，才可逐漸接近解決這個問題。從巖體工程地質(zhì)力學(xué)角度看，內(nèi)因是巖體物質(zhì)和結(jié)構(gòu)，而其中關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)，因相對工程而言物質(zhì)( 化學(xué)、礦物、巖石) 成分相對變化慢，或者說較穩(wěn)定，可忽略成分變化( 化學(xué)改造和加固除外) ，從而有了影響深遠(yuǎn)的巖體結(jié)構(gòu)控制論( 谷德振，1979) 。

 

  這是從綜合對比角度，抓住了主要矛盾而得出的。

 

  從典型信息法( PTA) ( 李世煇，1991) 、工程地質(zhì)類比法( 楊志法等，1997) 、系統(tǒng)工程地質(zhì)學(xué)( 崔政權(quán)，1992) 和廣義系統(tǒng)分析觀( 黃潤秋等， 1997) 、工程地質(zhì)力學(xué)綜合集成方法論( EGMS) ( 楊志法，1993) ，到工程地質(zhì)學(xué)大成綜合理論( 王思敬，2011) ，反映出工程地質(zhì)學(xué)綜合理論和方法在不斷向更高階段發(fā)展，它們?yōu)樽鞒龊侠砜煽繘Q策，乃至超出常規(guī)突破性決策提供了理論依據(jù)。

 

  在解決工程地質(zhì)問題過程中，結(jié)合對復(fù)雜地質(zhì)體監(jiān)測和測試，形成了工程地質(zhì)學(xué)一些經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則和判據(jù)，如變形速率比值判據(jù)( 閾值0. 05) ( 李世煇，2002) ，優(yōu)先確定、監(jiān)測和加固突破口觀點(diǎn)，便于工程應(yīng)用的智能化位移反分析、位移時空綜合分析法，綜合加固度和綜合損害度、加固需求度( DRD)( Yang Zhifa et al． ，2006) 等，形成了一種能從空間、時間上評價地質(zhì)損害程度或工程加固效果的實(shí)用方法，即從綜合性動態(tài)變化角度( 如變形體系) 對巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則( 破壞判據(jù)) 補(bǔ)充和外延。

 

  2 從認(rèn)識地質(zhì)體自然屬性到積極調(diào)控

 

  工程地質(zhì)勘察階段性、研究范圍相對性和分析對象復(fù)雜性，決定了工作方法從定性到定量、精度從低向高的螺旋式上升過程。從規(guī)劃、可研階段，針對大范圍、較高層次的因素分析，更側(cè)重于結(jié)合工程目標(biāo)和需求的綜合分析和把握( 圖1) 。越是工作早期階段，綜合的作用尤甚，在很大程度上決定著地質(zhì)工程選址和規(guī)劃的成敗，影響著后續(xù)工程詳細(xì)設(shè)計和施工的科學(xué)合理性，具備了相當(dāng)?shù)膽?zhàn)略意義。

 

  勘察階段的“三分勘察、七分經(jīng)驗(yàn)”決定了分析的局限性和經(jīng)驗(yàn)的有效性，成功的經(jīng)驗(yàn)很大程度上是依靠綜合，這也成為系統(tǒng)論多依靠經(jīng)驗(yàn)而作出工程地質(zhì)條件綜合評價的緣由。成功的經(jīng)驗(yàn)并不能表示其決策已達(dá)到問題的上限而無需優(yōu)化，失敗的教訓(xùn)也并不意味著決策達(dá)到問題的下限而未必安全( 王思敬，2011) 。局部的、個別實(shí)例研究結(jié)果和認(rèn)識可上升為本領(lǐng)域?qū)＜胰后w的經(jīng)驗(yàn)，同樣也使專家的知識領(lǐng)域不斷豐富和拓展。分析問題和方法相對比較單一和具體化，發(fā)展得相對比較成熟，但是綜合較難。

 

  邊坡工程穩(wěn)定性評價方面的綜合方法

 

  有一些( 尚彥軍，1997) ，但普適好的卻不多。綜合判斷和方法更多的是借助于理論、經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測三大支柱的集成，說明了綜合理論發(fā)展較難。這也是當(dāng)下工程地質(zhì)學(xué)面臨著創(chuàng)新發(fā)展的大好機(jī)遇和嚴(yán)重挑戰(zhàn)的緣由。例如，巖體結(jié)構(gòu)分類已由原來的整體塊狀、層狀、碎裂和散體4 類結(jié)構(gòu)，發(fā)展到了節(jié)理狀、層狀和碎裂3 類結(jié)構(gòu) ，建立了一套對應(yīng)的物理力學(xué)屬性和工程巖體穩(wěn)定性的判別原理，并綜合對比指出了碎裂巖體( cataclastic rockmass) 一般構(gòu)成工程場地最差的部位( 不良地質(zhì)體) ，成為工程成敗的關(guān)鍵問題( 王思敬， 2009) 。這樣早期的巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)思想得到了不斷概括凝煉，進(jìn)一步說明了創(chuàng)新來自于實(shí)質(zhì)性的綜合。

 

  如果說國內(nèi)工程地質(zhì)學(xué)界曾有結(jié)構(gòu)論、成因論和系統(tǒng)( 經(jīng)驗(yàn)) 論三個不同學(xué)派的話，那么現(xiàn)在它們更多的是走向融合，由早期工程地質(zhì)條件評價和分區(qū)( 空間差) ，到監(jiān)測為必要手段的實(shí)時預(yù)報和適時治理( 時間差) ( 許兵等，2004) ，現(xiàn)在到和諧調(diào)控的認(rèn)識理念，這一過程也說明了由主要因素的分析到整體認(rèn)識的綜合研究發(fā)展歷程。實(shí)際上三種觀點(diǎn)的圖2 工程地質(zhì)學(xué)一些基本理論觀點(diǎn)發(fā)展概略圖Fig． 2 Flow chart showing development of some theoretical points in engineering geology融合交叉一直沒中斷過，存在互補(bǔ)互長的長期積累發(fā)展過程( 圖2) 。工程地質(zhì)學(xué)若干理論和工作方法正在被淘汰和改革，但地質(zhì)演化思維仍應(yīng)得到繼承和發(fā)揚(yáng)( 王思敬，2007) 。2010 年在第11 屆國際工程地質(zhì)大會( 11th IAEG ) 上，geological model、geological assessment 和risk management 成為了出現(xiàn)頻數(shù)最高的詞，也反映了對地質(zhì)綜合的重視和回歸。

 

  在工程地質(zhì)學(xué)迅猛發(fā)展的今天，大成綜合理論的提出起到了先導(dǎo)性的作用，值得全面深入研究。

 

  這里的綜合不同于單純的簡單可分解的數(shù)理化式的理論綜合，而是由理論、經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測三大支柱結(jié)合，借助現(xiàn)代計算機(jī)工具和信息技術(shù)而構(gòu)成的現(xiàn)代意義上的綜合，是從定性到定量的綜合。對工程地質(zhì)問題，不求某點(diǎn)、某時刻的精確，但求概略定量( “概”意指可能性大，“略”即粗略) 。這個特點(diǎn)曾被概括為“胸中有全局，手中有典型”( 李世煇，1999) 。精細(xì)的某時某點(diǎn)的定量，從全局和綜合理論看，既無可能，也不必要。某種程度上說，一個好的工程地質(zhì)學(xué)家應(yīng)類似于一個專家組，也是由上述特點(diǎn)決定的。

 

  3 工程地質(zhì)多因素相互作用

 

  關(guān)系分析法( EGI)

 

  分析和綜合不是截然對立和分開的，其間便捷

 

  橋梁似應(yīng)是( 多因素) 相互作用關(guān)系分析。地質(zhì)、工程、施工和環(huán)境這四類因素組成了地質(zhì)工程復(fù)雜巨系統(tǒng)。依據(jù)EGMS，選出主要影響因素、構(gòu)建相互作用關(guān)系矩陣、線性運(yùn)算得到因素權(quán)重，現(xiàn)場賦值計算得到指標(biāo)結(jié)果，此即工程地質(zhì)多因素相互作用分析法( EGI) 。其中因素的篩選和權(quán)重是重要的基礎(chǔ)，相關(guān)關(guān)系的賦值來自現(xiàn)場觀察、經(jīng)驗(yàn)和室內(nèi)分析測試等三個方面，需要綜合給出。EGI 是一個具體體現(xiàn)了綜合的可操作方法，可視為分析與綜合間的可以實(shí)達(dá)的聯(lián)結(jié)紐帶。

 

  對施工地質(zhì)災(zāi)害中多層次復(fù)雜影響因素，在綜合集方法論EGMS 基礎(chǔ)上提出的EGI，依據(jù)工程目標(biāo)和服務(wù)對象的不同，可量化為工程地質(zhì)分區(qū)指標(biāo)( EZI) 、綜合適宜性指標(biāo)( CSI) 等，用于表達(dá)復(fù)雜工程地質(zhì)條件評價結(jié)果，利于空間上的安全避讓，對可能的方案進(jìn)行綜合量化對比，或圈定地質(zhì)體突破口以便于對監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化。指標(biāo)CSI 被用于定量比選十三陵抽水蓄能電站3 條線路和2 個地下廠房方案，其計算結(jié)果與實(shí)際工程依靠專家綜合分析實(shí)施結(jié)果的一致性很好( Shang et al． ，2000) 。

 

  同一層次影響因素( X、Y、Z) 篩選和權(quán)重計算構(gòu)成了第( 1) ～ 第( 4) 步，而結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件給予相應(yīng)活躍強(qiáng)度賦值構(gòu)成了第( 5) 步。最后兩者結(jié)合起來，計算得出EZI 指標(biāo)結(jié)果，此即第( 6) 步。關(guān)于該EZI 方法和指標(biāo)的具體工程應(yīng)用，可參考有關(guān)文獻(xiàn)( Shang et al． ，2000; 尚彥軍等，2004) 。這些綜合分析和量化指標(biāo)的提出，是針對一定區(qū)域范圍和時間段內(nèi)地質(zhì)條件分析評價。如涉及多種工程地質(zhì)因素作用動態(tài)變化，就要考慮其時效性問題。

 

  4 巖體結(jié)構(gòu)動態(tài)控制觀( DDC)

 

  4． 1 DDC 提出的必然性

 

  借助3S( RS、GPS 和GIS) 技術(shù)和地球物理勘探技術(shù)等，地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間范圍相對容易圈定，而地質(zhì)災(zāi)害的時間預(yù)測方面則困難較大。對地質(zhì)災(zāi)害地點(diǎn)，我們可以圈定斷層、不良地質(zhì)體分布范圍和特征來開展分區(qū)和大空間尺度預(yù)測，而其發(fā)生時間則因受眾多因素影響而難以實(shí)施精細(xì)預(yù)報。雖然有關(guān)施工地質(zhì)災(zāi)害暴露出的有科學(xué)、工程和管理及施工質(zhì)量等方面問題，而實(shí)際中采用諸如以天預(yù)報地、專群結(jié)合、群測群防等方法策略，很大程度上反映出相對于高度發(fā)達(dá)的分析方法和理論而言，綜合理論研究相對滯后。這說明對復(fù)雜地質(zhì)體的變形破壞預(yù)報這一綜合性問題，單靠理論和經(jīng)驗(yàn)已不足以有效解決問題，還需要加強(qiáng)動態(tài)監(jiān)測和信息反饋。同時對有關(guān)監(jiān)測變量的正負(fù)性和波動性，進(jìn)行歸一化和無量綱化處理等。隨勘察研究階段深入，新信息不斷補(bǔ)充，揭露地質(zhì)情況更多，借助施工中的位移反分析等方法，得到更符合施工條件下的巖土宏觀特征，再帶入進(jìn)行正算，其預(yù)測結(jié)果會更接近地質(zhì)工程實(shí)際，其結(jié)果正確性的基礎(chǔ)和前提是對巖體結(jié)構(gòu)的控制作用的正確認(rèn)識。

 

  實(shí)際上，巖體結(jié)構(gòu)從來不是靜止而是動態(tài)變化著的。一方面它有自身的演化規(guī)律( 從長期緩慢的隆升、風(fēng)化和剝蝕，到較快速的地震破壞和常見的暴雨型崩滑流災(zāi)害) ，還有施工中小范圍局部變化( 即施工擾動結(jié)果) ，而后者是一個巖體本身被動適應(yīng)性調(diào)整，乃至出現(xiàn)大變形和破壞的強(qiáng)烈變化過程。那么巖體結(jié)構(gòu)控制作用就應(yīng)該是動態(tài)的，靜態(tài)控制作用是暫時的、相對的。所以，對前輩創(chuàng)立的巖體結(jié)構(gòu)控制論，隨著大規(guī)模快速施工發(fā)展中遇到的問題復(fù)雜化和數(shù)量增多，有必要明確強(qiáng)調(diào)其動態(tài)特性，在此提出巖體結(jié)構(gòu)動態(tài)控制觀DDC  。

 

  DDC 依據(jù)是影響地質(zhì)體穩(wěn)定的關(guān)鍵內(nèi)因依然是巖體結(jié)構(gòu)，它隨著自然時間演化和工程作用不斷產(chǎn)生“次生”調(diào)整變化。其意義在于更深入認(rèn)識巖體結(jié)構(gòu)隨時間變化其控制作用的方式、強(qiáng)度，以及不同級別、不同時期結(jié)構(gòu)的作用比重處在動態(tài)調(diào)整變化中。其目的是充分認(rèn)識掌握巖體結(jié)構(gòu)，最充分利用其自然特性，減少和控制人為活動對結(jié)構(gòu)的破壞和轉(zhuǎn)化作用。以其調(diào)整( 地質(zhì)體自身適應(yīng)和工程適當(dāng)調(diào)整) 為主，合理控制( 工程加固、堵排水) 為輔。

 

  新奧法以及地質(zhì)工程所提倡的地下工程中充分利用巖體自穩(wěn)的能力，估量因結(jié)構(gòu)變化所帶來的一定范圍巖體強(qiáng)度和變形參數(shù)，即是對巖體自身結(jié)構(gòu)變化調(diào)整后，再施加一定工程輔助措施助其達(dá)到合理平衡的深入認(rèn)識。

 

  4． 2 DDC 機(jī)理分析

 

  DDC 來源于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場觀測。對軟弱巖石變形破壞過程中結(jié)構(gòu)變化實(shí)時觀測，結(jié)合CT 技術(shù)開展了強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化花崗巖三軸力學(xué)CT 掃描實(shí)驗(yàn)，得到了在加載初期巖樣中出現(xiàn)較均勻的損傷和屈服，而加載到接近峰值時沿結(jié)構(gòu)面破壞突現(xiàn)，峰值及峰后破壞顯示為塊體碎裂化特征，說明了滯后破壞的細(xì)觀特征( 王思敬，2009) 。大量工程實(shí)踐中可觀測到，在大規(guī)模工程施工擾動作用下，巖體結(jié)構(gòu)格架和類型發(fā)生了變化，促成了巖體結(jié)構(gòu)的劣化和復(fù)雜化。在大量工程施工中已經(jīng)觀測到大變形速率和滲流急增異常，掌子面后方發(fā)生突水突氣( 如瓦斯) 或塌方( 工程上俗稱“被關(guān)門”) 的滯后破壞現(xiàn)象。也就不難理解設(shè)計中常用應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則計算地質(zhì)工程載荷穩(wěn)定性，而施工過程中普遍采用變形監(jiān)控而實(shí)現(xiàn)對過程的掌握和干預(yù)。合理的解釋應(yīng)是巖體結(jié)構(gòu)動態(tài)變化調(diào)整所帶來影響的結(jié)果。這從因果關(guān)系邏輯推理上比較容易理解巖體結(jié)構(gòu)動態(tài)控制觀的形成過程和其被提出的科學(xué)合理性。

 

  勘察、設(shè)計和施工開挖后地質(zhì)條件的認(rèn)識和評價、圍巖類別都會出現(xiàn)一定的差異，其中有工作程度和分辨率的問題，更有施工不同工況和步序中巖體結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)力邊界條件下動態(tài)變化和調(diào)整。

 

  4． 3 DDC 實(shí)現(xiàn)途徑

 

  DDC 的實(shí)現(xiàn)途徑可概略分為四步: 一分區(qū)、二抓( 不良地質(zhì))體、三監(jiān)測、四調(diào)控，也即從不良地質(zhì)體的空間辨識到破壞時間預(yù)測的工作重點(diǎn)的轉(zhuǎn)移。

 

  首先空間上依據(jù)EGI 對工程地質(zhì)條件進(jìn)行評價和分區(qū)。這是區(qū)域工程地質(zhì)主要工作內(nèi)容，也是工程前期地質(zhì)條件綜合性研究結(jié)果。

 

  然后依據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布和分區(qū)情況，圈劃出不良地質(zhì)體的類型和分布，如褶皺核部、斷層破碎帶、風(fēng)化囊、接觸蝕變帶、構(gòu)造轉(zhuǎn)折或急變帶部位所發(fā)育的似層狀碎裂結(jié)構(gòu)體產(chǎn)狀和規(guī)模。這部分典型的不良地質(zhì)體( 內(nèi)因) ，是構(gòu)成工程地質(zhì)問題甚或?yàn)?zāi)害的主體。這部分延伸，可到圈定突破口的位置和范圍，推測可能的破壞形式及影響程度。不良地質(zhì)體與工程相互作用，有些是自然條件下地質(zhì)作用速度的急劇加快或減緩，如近溝谷區(qū)工程開挖加劇了斜坡巖體的剝蝕卸荷作用，隧道工程開挖松動圈的出現(xiàn)，形成了新的地應(yīng)力和地下水轉(zhuǎn)移調(diào)整的通道。有些是作用類型和方式的改變，如原來的壓性結(jié)構(gòu)面，開挖后重分布應(yīng)力場中轉(zhuǎn)化為了剪切面或張裂面。原來是隔水層，開挖后由于新生裂隙發(fā)育，成為了透水層，等不良地質(zhì)體內(nèi)因和不利環(huán)境外因，如深部高地應(yīng)力、水頭、地溫等，組合在一起時，往往會在這樣的部位形成突破口。關(guān)鍵工作是超前地質(zhì)預(yù)報，要有不同范圍尺度和工作階段的地質(zhì)預(yù)測預(yù)報，從勘察階段的較大尺度區(qū)段的概略性預(yù)測，到掌子面前方一定范圍的施工預(yù)報，要充分考慮工程施工對地質(zhì)體的擾動，以及巖體結(jié)構(gòu)的中短期動態(tài)變化過程和階段性。

 

  接著就是結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測資料分析，反演得到工程擾動作用下“次生”地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的力學(xué)參數(shù)，如變形模量Es、側(cè)壓系數(shù)λ。帶入相關(guān)力學(xué)模型進(jìn)行計算分析和穩(wěn)定性評價。這個過程從上斷面開挖一開始，到初期支護(hù)、二次支護(hù)，可多次循環(huán)進(jìn)行。對不良地質(zhì)體，實(shí)際監(jiān)測斷面布設(shè)有一定困難時，要注意同鄰近區(qū)段的地質(zhì)編錄和定性觀測結(jié)合起來。空間上重點(diǎn)監(jiān)測可能的突破口，時間上對變形拐點(diǎn)和閾值進(jìn)行研究和預(yù)警。

 

  再就是結(jié)合工程重要性和地質(zhì)環(huán)境敏感性，進(jìn)行風(fēng)險分析和決策支持系統(tǒng)構(gòu)建，確定對不良地質(zhì)體改造的方式和程度。這對設(shè)計很重要，是調(diào)整洞型和施工方案，還是加大支護(hù)或排水力度? 如對烏鞘嶺隧道遇到的地質(zhì)條件極其復(fù)雜的F7斷層段，施工過程中方案有很大的變更，采用了開挖斷面適當(dāng)調(diào)整，避免連接部位折角; 調(diào)整爆破參數(shù)，減小對圍巖擾動; 縮短臺階長度，采用超短臺階法施工等措施，就是“調(diào)”的一個很好例證( 張麗芳，2008) 。

 

  最后是將工程壽命和地質(zhì)體演化階段相結(jié)合，對地質(zhì)工程適當(dāng)加固維護(hù)。即將自然條件下地質(zhì)體必然變化或破壞的時間推遲到工程壽命達(dá)到后，最合理地利用“時間差”。

 

  遵循這一思路，采用多因素相互作用關(guān)系分析法( EGI) 、綜合超前地質(zhì)預(yù)報法、反演正算穩(wěn)定性評價法等動態(tài)分析方法，來實(shí)施不同設(shè)計和施工階段的定性和定量綜合。為實(shí)現(xiàn)地質(zhì)工程與環(huán)境和諧的最終目標(biāo)，需采用過程監(jiān)控基礎(chǔ)上科學(xué)調(diào)控( 調(diào)為主、控為輔) 思想，實(shí)施對不良地質(zhì)體的超前預(yù)處理、高地應(yīng)力提前釋放、勤量測和短進(jìn)尺方法技術(shù)等。

 

  5 地質(zhì)工程實(shí)例

 

  以恒山變質(zhì)巖區(qū)某隧道工程為例，說明上述DDC 觀點(diǎn)和綜合方法的實(shí)施情況和意義。

 

  該隧道全長14km，單洞雙線，走向近SN，洞形為橢圓形，跨度約13. 5m，高度約11. 4m，最大埋深為802m。前期地質(zhì)勘察結(jié)果和施工中遇到的實(shí)際情況有較大出入，出現(xiàn)多處塌方、突涌水等施工地質(zhì)災(zāi)害，原設(shè)計方案也不得不作出相當(dāng)大的調(diào)整和變更。通過對現(xiàn)場工程地質(zhì)條件評價和事故調(diào)查，在對多種地質(zhì)和工程因素的EGI 分析基礎(chǔ)上，認(rèn)為地應(yīng)力和似層狀碎裂結(jié)構(gòu)巖體( 云母片巖、糜棱巖、風(fēng)化巖) 、燕山構(gòu)造運(yùn)動是關(guān)鍵地質(zhì)因素。開挖卸荷和地形、構(gòu)造接觸蝕變是次要因素。參照圖3 所示的流程圖，對這6 個因素建立相互作用關(guān)系矩陣，運(yùn)算得到其權(quán)重。結(jié)合工程現(xiàn)場因素活躍程度，計算出工程地質(zhì)分區(qū)指標(biāo)EZI。依該指標(biāo)值，得到隧道工程地質(zhì)分區(qū)結(jié)果。面對復(fù)雜地質(zhì)條件和施工地質(zhì)災(zāi)害，得到如下認(rèn)識:

 

  ( 1) 隧道軸線方向多按有利于其穩(wěn)定的平行最大主應(yīng)力方向布設(shè)，而現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場方向( 30°)與一定深度下構(gòu)造殘余應(yīng)力( 300°) 差別大。隧道軸線與現(xiàn)代最大地應(yīng)力方向近于平行，但實(shí)際開挖時發(fā)現(xiàn)其與殘余最大構(gòu)造應(yīng)力近于垂直，開挖強(qiáng)卸荷誘發(fā)了構(gòu)造應(yīng)力的快速釋放，產(chǎn)生了塌方和突涌水等一系列施工地質(zhì)災(zāi)害。

 

  ( 2) 燕山運(yùn)動影響巨大，原來壓性結(jié)構(gòu)面向張扭性轉(zhuǎn)化，可見到新鮮斷層泥和構(gòu)造透鏡體。工程開挖卸荷過程中，緊閉的片麻理面( 總體產(chǎn)狀168∠50) 趨于松動張開，導(dǎo)水性增強(qiáng)。

 

  ( 3) 片麻巖中存在軟弱夾層和泥質(zhì)條帶，構(gòu)造隆升條件下其地表風(fēng)化剝蝕掉而出露堅硬巖體，地表風(fēng)化和蝕變的差別易被忽視，而使得對地下工程開挖中影響到巖體完整性和穩(wěn)定性的蝕變破碎情況認(rèn)識不足。地下施工中出現(xiàn)碎裂巖突涌水和層間剪切大變形或塌方。

 

  ( 4) 相對于其西側(cè)埋深小300m、跨度小1 倍的另一近平行公路隧道，古生代碳酸巖類向斜與五臺群片麻巖中地應(yīng)力方向同樣發(fā)生了近90°偏轉(zhuǎn)( 郜玉蘭等， 2005) ，其大規(guī)模開挖臨空面的出現(xiàn)和體積損失為變形破壞提供了更多空間，深卸荷擾動促使巖體結(jié)構(gòu)向碎裂張開方向發(fā)展，即層狀結(jié)構(gòu)和塊狀結(jié)構(gòu)更多地變化為了似層狀碎裂結(jié)構(gòu)巖體這一不良地質(zhì)體，增加了滲流通道和增大了對支護(hù)壓力，產(chǎn)生了較多施工地質(zhì)災(zāi)害，且表現(xiàn)出一定滯后( 掌子面后方數(shù)十米) 破壞的特點(diǎn)。

 

  上述研究結(jié)果得到了設(shè)計和施工單位的高度認(rèn)可，工作中進(jìn)一步重視了綜合超前地質(zhì)預(yù)報工作，對不良地質(zhì)體中的斷層破碎帶采用了超前小導(dǎo)管注漿、管棚支護(hù)等工程處理措施( 尚彥軍?) 。整個工程地質(zhì)調(diào)查過程和新認(rèn)識的取得，應(yīng)是工程地質(zhì)綜合性的一個縮影，也是DDC 觀點(diǎn)指導(dǎo)下一次有益的地質(zhì)工程實(shí)踐活動。

 

  6 結(jié)語

 

  結(jié)合工程地質(zhì)條件評價和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測，采用多因素相互作用關(guān)系分析法EGI，對多種影響因素關(guān)系的篩選分析和權(quán)重賦值，量化工程地質(zhì)條件評價結(jié)果，以及將監(jiān)測結(jié)果與施工調(diào)控更緊密結(jié)合，應(yīng)是工程地質(zhì)研究有效方法之一。

 

  作為大成綜合理論的具體化，巖體結(jié)構(gòu)動態(tài)控制觀( DDC) 可豐富發(fā)展巖體結(jié)構(gòu)控制論的內(nèi)涵和適用范圍，繼承與發(fā)揚(yáng)地質(zhì)演化思維的綜合方法原理模型研究。以施工地質(zhì)災(zāi)害的時間預(yù)測和治理為重點(diǎn)，不同層次和階段的多因素相互作用研究為基本內(nèi)容，采用動態(tài)的綜合，以和諧調(diào)控為手段，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好為目標(biāo)，工程地質(zhì)將獲得長足發(fā)展。