中國巖石工程的不足與挑戰(zhàn),地質(zhì)工程論文總結(jié)中國巖石工程的特點與復(fù)雜性，主要有下面8個方面：〔1〕工程規(guī)模大，建設(shè)周期長。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、設(shè)計到施工運行差不多半個世紀?！?〕環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜。當(dāng)前中國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。中國巖石工程盡管做了很多勘測，但巖土體介質(zhì)充滿著不確定性〔含隨機性和模糊性〕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。中國巖體分級標(biāo)準尚未統(tǒng)一，給加固設(shè)計帶來新問題。〔5〕巖體存在長期的流變，且監(jiān)測難度大，人工建筑與自然巖體互相作用的不協(xié)調(diào)也給巖體長期變形監(jiān)測帶來很多困難。〔6〕巖石力學(xué)問題突出。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?！?〕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)的穿插越來越重要?！?〕深部巖石力學(xué)工程越來越多，相應(yīng)的設(shè)計原理、支護理論以及災(zāi)禍控制方式方法的研究亟待深切進入發(fā)展?，F(xiàn)有的巖石工程設(shè)計原理和支護理論基本知足淺部巖石工程實踐需要，但是在深部巖石工程面前，尚存在很大的不適用性。2中國巖石工程研究的缺乏。從近10a的獲獎成果、973計劃中巖石工程研究內(nèi)容，以及巖石工程勘測設(shè)計方式方法、監(jiān)測與預(yù)警方式方法、典型重大巖石工程建設(shè)能夠看出，盡管中國科技工作者對巖石工程的研究牽涉到各個方面，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、強度準則大多還是在國外的研究成果基礎(chǔ)上修正發(fā)展?！?〕現(xiàn)場和實驗室試驗技術(shù)原創(chuàng)的試驗設(shè)備和試驗方式方法不多，當(dāng)前在現(xiàn)場運用的主要檢測、監(jiān)測方式方法仍以引用國外成果為主，如微震技術(shù)等?！?〕缺乏原創(chuàng)的大型數(shù)值軟件平臺，當(dāng)前國內(nèi)巖土研究應(yīng)用較多的FLAC,ANSYS,Marco,Abaqus等數(shù)值軟件都是從國外引進，盡管中國也發(fā)展了實用的數(shù)值仿真軟件，但是其計算求解器等核心算法大多是國外研究成果?！?〕某些領(lǐng)域原創(chuàng)性的巖石工程機械化施工、監(jiān)測、開挖等成套技術(shù)、工法、設(shè)計方式方法還有很大的發(fā)展空間，如當(dāng)前中國頁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計劃看，國家對牽涉巖石工程的相關(guān)領(lǐng)域投入了大量的科研經(jīng)費，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際影響的重要發(fā)明成果還是較少，這雖然跟中國當(dāng)前科研評估體系不夠完善有關(guān)，但也講明中國真正要成為巖石工程強國還有很長的路要走，尤其在推動巖石工程學(xué)科發(fā)展的原創(chuàng)理論、大規(guī)模計算方式方法、動態(tài)設(shè)計、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中國巖石工程面臨的挑戰(zhàn)。中國巖石工程歷史悠久，最遠可追溯到70萬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，為中國巖石工程的實踐發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)；但由于巖石工程的復(fù)雜性、個案性，還存在很多沒有解決的問題，筆者從巖石工程學(xué)科發(fā)展的角度提出了中國當(dāng)下巖石工程面臨10個挑戰(zhàn)問題。〔1〕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，又是一個自然與人工結(jié)合的系統(tǒng)。天然裂紋、孔洞缺陷使真實巖石材料、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、設(shè)計、施工運行時，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重要的結(jié)合是巖石與土的融合，十分是近年來被科學(xué)家廣泛研究的土石混合體，更確認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。加強巖體和土體在理論和工程上的統(tǒng)一性考慮，對優(yōu)化巖石工程的理論、勘測、設(shè)計與施工加固都具有重要意義?！?〕巖石力學(xué)理論與工程實踐相促進。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)破裂的非線性靜動力學(xué)理論，解決了國防地下工程中的系列問題。巖石力學(xué)理論與工程結(jié)合，如應(yīng)加強非常規(guī)天然氣工程巖體力學(xué)理論探尋求索促進工程經(jīng)歷體驗的提煉升華，便于推廣應(yīng)用?！?〕工程勘測、設(shè)計、施工、運行相統(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、國防工程等，其安全問題貫穿于工程勘測設(shè)計、施工和運行全經(jīng)過。巖石工程的生命周期的起點為地質(zhì)勘察設(shè)計，終點為相應(yīng)工程的退役，期間經(jīng)過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，還與施工質(zhì)量、運行控制等密切相關(guān)。其安全性和穩(wěn)定性需要進行全生命周期的評估。強調(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、設(shè)計、施工和運行不同階段的安全控制的學(xué)術(shù)思想。中國巖石工程長期安全性能評價還缺少基于全生命周期觀點的研究?！?〕工程理論、試驗、監(jiān)測、數(shù)值分析一體化。巖石工程開裂、毀壞、失穩(wěn)機制與巖石、巖體性能的真實參數(shù)是貫穿巖石工程設(shè)計、施工以及運行反應(yīng)的基礎(chǔ)。早期試驗研究一直是探究巖石材料真實性能和參數(shù)的主要手段；隨著時代發(fā)展，除按傳統(tǒng)試驗方式方法測定巖石強度、彈性模量、浸透系數(shù)等基本參數(shù)，還采用原位觀測數(shù)據(jù)反應(yīng)分析大壩構(gòu)造真實狀態(tài)參數(shù)的方式方法得到了廣泛應(yīng)用。但是對于大型巖石工程中真實巖石材料、巖體構(gòu)造性能，當(dāng)前的研究仍沒有克制現(xiàn)場試驗值以及設(shè)計值還存在較大的差異性、離散性；缺乏從試驗、數(shù)值與原型觀測相統(tǒng)一的分析與評價角度考慮問題，更難于提出巖石工程的長期安全穩(wěn)定的評價方式方法與技術(shù)。因而，強化理論、試驗、數(shù)值與原型觀測相統(tǒng)一的分析與評價體系，是巖石工程發(fā)展的重要方向?！?〕工程短期與長期效應(yīng)〔工程時效性〕相協(xié)調(diào)。針對巖石的流變特性的研究已經(jīng)獲得了較豐富的成果，而針對巖石工程短期與長期相協(xié)調(diào)的時效變形試驗和分析研究尚待深切進入。運行工況靜力穩(wěn)定，是巖石工程作為其使用屬性在設(shè)計壽命內(nèi)最基本的要求，對不同的巖石工程其核心穩(wěn)定對象會有不同，如邊坡是保證潛在滑動面的穩(wěn)定，地下工程則是保證圍巖的穩(wěn)定；特殊工況動力穩(wěn)定則指在地震等工況下，知足抗震設(shè)計要求的性能，保證巖石與人工構(gòu)造的安全穩(wěn)定。因而，考慮工程短期與長期時間效應(yīng)結(jié)合就是要考慮巖石工程施工工況的臨時穩(wěn)定、運行工況靜力穩(wěn)定以及特殊工況動力穩(wěn)定的有機結(jié)合?！?〕工程與環(huán)境的互相依存。近年來，環(huán)境問題變得越來越緊迫，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行期，都會給環(huán)境和生態(tài)施加一些負面的影響。施工中大量的土石方開挖常毀壞現(xiàn)場植被和土壤，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的采空區(qū)易導(dǎo)致地面塌陷進而引發(fā)各種災(zāi)禍事故頻發(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)附近居民帶來極大的安全隱患。因而，在進行巖石工程的規(guī)劃和建設(shè)時，應(yīng)當(dāng)就區(qū)域內(nèi)巖石工程以及相關(guān)工程建設(shè)對環(huán)境和生態(tài)條件的綜合影響和長期影響進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)科是一個歷史不長的學(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)場測試等，真正實現(xiàn)材料構(gòu)造系統(tǒng)研究一體化，理論監(jiān)測數(shù)值分析一體化，設(shè)計施工運行分析一體化。又如頁巖氣開采關(guān)鍵就是巖體壓裂〔體破裂〕，即三維斷裂力學(xué)問題。在引用、借鑒其他學(xué)科成果時，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龐大的系統(tǒng)工程，有效的項目組織、管理是工程設(shè)計、施工和運行安全、經(jīng)濟、高效的保證，對國家經(jīng)濟發(fā)展和公共安全具有重要意義。近十幾年學(xué)習(xí)國外先進管理經(jīng)歷體驗，中國巖石工程管理方面已經(jīng)獲得不少進步，但仍然存在體制機制上的問題，十分是管理部門尚未協(xié)調(diào)好多個專業(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聚結(jié)合的創(chuàng)新是巖石工程設(shè)計、建設(shè)與安全運行的迫切需要，也是國家級巖土工程計劃和項目立項、跟蹤監(jiān)管與有效驗收的需求。應(yīng)加強人才培養(yǎng)，并完善發(fā)揮其作用的管理體制和運行機制，以及工程決策與施行監(jiān)控管理手段。實現(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)信息和不同采動條件下巖層運動和應(yīng)力分布動態(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)下計算機自動決策；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)展以不同采動條件下可能波及的圍巖范圍和相應(yīng)的應(yīng)力場分布特征為核心實用巖層運動控制的理論及相關(guān)決策模型的建設(shè)，并以此為基礎(chǔ)，成功開發(fā)計算機決策軟件與相應(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的全經(jīng)過，必須在發(fā)展巖石工程理論的基礎(chǔ)上實現(xiàn)工程化裝備的新突破。③巖石工程搶險救災(zāi)應(yīng)急體系的智能化?！?0〕巖石工程的產(chǎn)學(xué)研共同發(fā)展。近30a中國巖石工程的科研形式主要是結(jié)合國家科技攻關(guān)項目，設(shè)計院直接介入開展聯(lián)合科研攻關(guān)。這些攻關(guān)項目的主要特點包括：①組織形式多是由設(shè)計院根據(jù)設(shè)計需求首先提出，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)部委立項和進行跟