工程地质综合性与岩体结构动态控制观的提出

  理论研究和工程实践表明: 工程地质系统是开放的复杂巨系统，工程地质学隶属于以归纳和演绎方法组成的“将今论古”方法论为主导的地质科学范畴，是综合性很强的基础应用型学科。这要求工程地质学家从系统学出发评价工程地质条件( 崔政权， 1992; 杨志法， 1993; 黄润秋等，1997) ，所用主要思路和方法是综合。新近提出的大成综合理论( Meta-synthesis) ( 王思敬，2011) ，标志着工程地质综合已达到科学思维的高度抽象阶段。

 

  现在很多情况下地质工程规划已不仅仅局限于原来的“地质选线”。施工速度、方法和高新技术快速发展，已难以做到完全避让大规模不良地质体( 断层破碎带、风化槽囊、天然洞穴、接触蚀变带、膨胀岩土、软弱夹层等) ，其任务已由工程地质条件评价，逐步发展到对施工地质灾害的预测预报和综合防治，目的是为动态设计和信息化施工提供地质依据。因此工程地质学进一步发展很大程度上取决于综合性的动态变化理论和方法创新。

 

  在对工程地质学的三大学派( 结构论、成因论和系统论) 学习和跟踪基础上，结合作者近些年来施工地质灾害咨询研究，发现不同于工程前期地质勘察和设计阶段对岩体结构的静态把握和认识，诸多施工地质灾害背后隐藏着一个科学命题应是岩体结构的动态变化和调整。岩体调整好了( 加以适当工程干预) 则工程安全稳定，否则会出现塌方、岩爆、大变形和突涌水等一系列施工地质灾害。换句话说岩体有自我恢复调整能力( 这也是现代地下工程中采用以监控量测、适时支护为主导的新奥法的主要原因) ，工程的加固和干预更多的是对地质体变化的适应和补强。因此，有必要考虑自然和工程叠加情况下地质体的“演化”。作为关键内因的地质结构，尤其是与工程尺度相关的岩体结构，在施工爆破开挖等工程扰动作用下，发生了强烈的动态变化，所以其控制变形破坏的作用，在现代大规模快速施工条件下，更多地表现在岩体结构的动态控制上。

 

  本文在工程地质学理论研究和施工地质灾害预报以及防治经验总结基础上，提出了工程地质多因素相互作用关系分析法EGI ( Engineering GeologicalInteraction ) 和岩体结构动态控制观DDC( Discontinuity Dynamic Controlling) ，以期抛砖引玉，引发讨论，共同促进工程地质学的进一步发展。

 

  1 工程地质分析的多因素综合性

 

  综合有关词典和书籍中的定义: 分析( analyze)是将事物、现象、概念分门别类，离析出本质及其内在联系。综合( synthesize) 是把分析过的对象或现象的各个部分、各属性联合成一个统一整体。学术界讨论研究方法分类时常提及分析法和综合法。人们常把分析法理解为把研究对象“拆分”成几个部分，再研究这几个部分。综合是“合并”。一般情况下分析和综合法同时使用，但为思维过程方便，探讨时常将其分开讨论( 张巨青，1987) 。表现在思维方式上，东西方区别很大。西方分析是把事物越分越细; 东方综合的核心是强调普遍联系，注重整体概念。表现在人与自然关系上，就是人与自然为一整体、人天相爱的“天人合一”( 季羡林，2006) 。

 

  “综合”并不仅仅只是把拆分的东西简单地合并在一起。分析过程中发现了用现有理论解释不了的现象。为解释这一现象大脑通过类比联想获得某种灵感，或做出某种假设，或引入相关学科中某些定律，或发现了现有理论某些不足。这样，通过引进假设或定律丰富原有理论，或发现现有理论不足而加以改进。康德有名的问题就是先天综合命题如何能够产生新知识，如果把想象、灵感和直觉加进来，新知识的产生就不难解释了。新知识产生于高度综合过程之中，它的认识成果远超出原有通过分析而取得的许多局部性认识的总和。如一个工程地质学家要对一块不良地质体中的岩土做分析，要有化学和岩土矿物理论知识，再据理论准备实验试剂和仪器。

 

  把这块样品制备成样后，就用仪器和试剂来测定。

 

  如只是简单测定，把岩土化学和矿物成分及结构确定下来就行了。此即岩土成分分析，通常可为工程地质专家的经验性、综合性的判断，提供一些必要的依据。但是这种经验性判断并不能产生新的科学知识。

 

  如果工程地质学家在测试过程中发现了较大异常或几种测试结果难以比对的现象，他首先需对这些作出某种解释。而这时的解释主要是猜测性的。

 

  做完猜测，他就会依据猜测中的内容重选一些试剂或采取一些新方法等。这样或许能对自己的猜测做出验证。这一过程中通常的“分析”不能完全解决问题了，新的综合过程就开始了。工程地质学家验证自己的猜测后，首先会检查测试方法、仪器正常与否。如确定这些都正常，那么这个得到验证的猜测就是新知识，或是一种新物质结构被发现，或是一种试剂扩大了使用范围，或是某些仪器得到了新的操作使用方法。新知识就在这一过程中产生了。

 

  工程地质学需将地质体与工程的相互作用加以综合全面的认识和评价，要解岩土介质、能量、信息、时间和空间五大变量的方程式。如何建立并验证其正确性? 这是困扰多年的复杂性问题。综合研究思路和方法是工程地质学研究的特点和主流，只有用综合法而不是简单分析法，才可逐渐接近解决这个问题。从岩体工程地质力学角度看，内因是岩体物质和结构，而其中关键是结构，因相对工程而言物质( 化学、矿物、岩石) 成分相对变化慢，或者说较稳定，可忽略成分变化( 化学改造和加固除外) ，从而有了影响深远的岩体结构控制论( 谷德振，1979) 。

 

  这是从综合对比角度，抓住了主要矛盾而得出的。

 

  从典型信息法( PTA) ( 李世煇，1991) 、工程地质类比法( 杨志法等，1997) 、系统工程地质学( 崔政权，1992) 和广义系统分析观( 黄润秋等， 1997) 、工程地质力学综合集成方法论( EGMS) ( 杨志法，1993) ，到工程地质学大成综合理论( 王思敬，2011) ，反映出工程地质学综合理论和方法在不断向更高阶段发展，它们为作出合理可靠决策，乃至超出常规突破性决策提供了理论依据。

 

  在解决工程地质问题过程中，结合对复杂地质体监测和测试，形成了工程地质学一些经验准则和判据，如变形速率比值判据( 阈值0. 05) ( 李世煇，2002) ，优先确定、监测和加固突破口观点，便于工程应用的智能化位移反分析、位移时空综合分析法，综合加固度和综合损害度、加固需求度( DRD)( Yang Zhifa et al． ，2006) 等，形成了一种能从空间、时间上评价地质损害程度或工程加固效果的实用方法，即从综合性动态变化角度( 如变形体系) 对岩体强度准则( 破坏判据) 补充和外延。

 

  2 从认识地质体自然属性到积极调控

 

  工程地质勘察阶段性、研究范围相对性和分析对象复杂性，决定了工作方法从定性到定量、精度从低向高的螺旋式上升过程。从规划、可研阶段，针对大范围、较高层次的因素分析，更侧重于结合工程目标和需求的综合分析和把握( 图1) 。越是工作早期阶段，综合的作用尤甚，在很大程度上决定着地质工程选址和规划的成败，影响着后续工程详细设计和施工的科学合理性，具备了相当的战略意义。

 

  勘察阶段的“三分勘察、七分经验”决定了分析的局限性和经验的有效性，成功的经验很大程度上是依靠综合，这也成为系统论多依靠经验而作出工程地质条件综合评价的缘由。成功的经验并不能表示其决策已达到问题的上限而无需优化，失败的教训也并不意味着决策达到问题的下限而未必安全( 王思敬，2011) 。局部的、个别实例研究结果和认识可上升为本领域专家群体的经验，同样也使专家的知识领域不断丰富和拓展。分析问题和方法相对比较单一和具体化，发展得相对比较成熟，但是综合较难。

 

  边坡工程稳定性评价方面的综合方法

 

  有一些( 尚彦军，1997) ，但普适好的却不多。综合判断和方法更多的是借助于理论、经验和实测三大支柱的集成，说明了综合理论发展较难。这也是当下工程地质学面临着创新发展的大好机遇和严重挑战的缘由。例如，岩体结构分类已由原来的整体块状、层状、碎裂和散体4 类结构，发展到了节理状、层状和碎裂3 类结构 ，建立了一套对应的物理力学属性和工程岩体稳定性的判别原理，并综合对比指出了碎裂岩体( cataclastic rockmass) 一般构成工程场地最差的部位( 不良地质体) ，成为工程成败的关键问题( 王思敬， 2009) 。这样早期的岩体结构力学思想得到了不断概括凝炼，进一步说明了创新来自于实质性的综合。

 

  如果说国内工程地质学界曾有结构论、成因论和系统( 经验) 论三个不同学派的话，那么现在它们更多的是走向融合，由早期工程地质条件评价和分区( 空间差) ，到监测为必要手段的实时预报和适时治理( 时间差) ( 许兵等，2004) ，现在到和谐调控的认识理念，这一过程也说明了由主要因素的分析到整体认识的综合研究发展历程。实际上三种观点的图2 工程地质学一些基本理论观点发展概略图Fig． 2 Flow chart showing development of some theoretical points in engineering geology融合交叉一直没中断过，存在互补互长的长期积累发展过程( 图2) 。工程地质学若干理论和工作方法正在被淘汰和改革，但地质演化思维仍应得到继承和发扬( 王思敬，2007) 。2010 年在第11 届国际工程地质大会( 11th IAEG ) 上，geological model、geological assessment 和risk management 成为了出现频数最高的词，也反映了对地质综合的重视和回归。

 

  在工程地质学迅猛发展的今天，大成综合理论的提出起到了先导性的作用，值得全面深入研究。

 

  这里的综合不同于单纯的简单可分解的数理化式的理论综合，而是由理论、经验和监测三大支柱结合，借助现代计算机工具和信息技术而构成的现代意义上的综合，是从定性到定量的综合。对工程地质问题，不求某点、某时刻的精确，但求概略定量( “概”意指可能性大，“略”即粗略) 。这个特点曾被概括为“胸中有全局，手中有典型”( 李世煇，1999) 。精细的某时某点的定量，从全局和综合理论看，既无可能，也不必要。某种程度上说，一个好的工程地质学家应类似于一个专家组，也是由上述特点决定的。

 

  3 工程地质多因素相互作用

 

  关系分析法( EGI)

 

  分析和综合不是截然对立和分开的，其间便捷

 

  桥梁似应是( 多因素) 相互作用关系分析。地质、工程、施工和环境这四类因素组成了地质工程复杂巨系统。依据EGMS，选出主要影响因素、构建相互作用关系矩阵、线性运算得到因素权重，现场赋值计算得到指标结果，此即工程地质多因素相互作用分析法( EGI) 。其中因素的筛选和权重是重要的基础，相关关系的赋值来自现场观察、经验和室内分析测试等三个方面，需要综合给出。EGI 是一个具体体现了综合的可操作方法，可视为分析与综合间的可以实达的联结纽带。

 

  对施工地质灾害中多层次复杂影响因素，在综合集方法论EGMS 基础上提出的EGI，依据工程目标和服务对象的不同，可量化为工程地质分区指标( EZI) 、综合适宜性指标( CSI) 等，用于表达复杂工程地质条件评价结果，利于空间上的安全避让，对可能的方案进行综合量化对比，或圈定地质体突破口以便于对监测系统优化。指标CSI 被用于定量比选十三陵抽水蓄能电站3 条线路和2 个地下厂房方案，其计算结果与实际工程依靠专家综合分析实施结果的一致性很好( Shang et al． ，2000) 。

 

  同一层次影响因素( X、Y、Z) 筛选和权重计算构成了第( 1) ～ 第( 4) 步，而结合现场工程地质条件给予相应活跃强度赋值构成了第( 5) 步。最后两者结合起来，计算得出EZI 指标结果，此即第( 6) 步。关于该EZI 方法和指标的具体工程应用，可参考有关文献( Shang et al． ，2000; 尚彦军等，2004) 。这些综合分析和量化指标的提出，是针对一定区域范围和时间段内地质条件分析评价。如涉及多种工程地质因素作用动态变化，就要考虑其时效性问题。

 

  4 岩体结构动态控制观( DDC)

 

  4． 1 DDC 提出的必然性

 

  借助3S( RS、GPS 和GIS) 技术和地球物理勘探技术等，地质结构空间范围相对容易圈定，而地质灾害的时间预测方面则困难较大。对地质灾害地点，我们可以圈定断层、不良地质体分布范围和特征来开展分区和大空间尺度预测，而其发生时间则因受众多因素影响而难以实施精细预报。虽然有关施工地质灾害暴露出的有科学、工程和管理及施工质量等方面问题，而实际中采用诸如以天预报地、专群结合、群测群防等方法策略，很大程度上反映出相对于高度发达的分析方法和理论而言，综合理论研究相对滞后。这说明对复杂地质体的变形破坏预报这一综合性问题，单靠理论和经验已不足以有效解决问题，还需要加强动态监测和信息反馈。同时对有关监测变量的正负性和波动性，进行归一化和无量纲化处理等。随勘察研究阶段深入，新信息不断补充，揭露地质情况更多，借助施工中的位移反分析等方法，得到更符合施工条件下的岩土宏观特征，再带入进行正算，其预测结果会更接近地质工程实际，其结果正确性的基础和前提是对岩体结构的控制作用的正确认识。

 

  实际上，岩体结构从来不是静止而是动态变化着的。一方面它有自身的演化规律( 从长期缓慢的隆升、风化和剥蚀，到较快速的地震破坏和常见的暴雨型崩滑流灾害) ，还有施工中小范围局部变化( 即施工扰动结果) ，而后者是一个岩体本身被动适应性调整，乃至出现大变形和破坏的强烈变化过程。那么岩体结构控制作用就应该是动态的，静态控制作用是暂时的、相对的。所以，对前辈创立的岩体结构控制论，随着大规模快速施工发展中遇到的问题复杂化和数量增多，有必要明确强调其动态特性，在此提出岩体结构动态控制观DDC  。

 

  DDC 依据是影响地质体稳定的关键内因依然是岩体结构，它随着自然时间演化和工程作用不断产生“次生”调整变化。其意义在于更深入认识岩体结构随时间变化其控制作用的方式、强度，以及不同级别、不同时期结构的作用比重处在动态调整变化中。其目的是充分认识掌握岩体结构，最充分利用其自然特性，减少和控制人为活动对结构的破坏和转化作用。以其调整( 地质体自身适应和工程适当调整) 为主，合理控制( 工程加固、堵排水) 为辅。

 

  新奥法以及地质工程所提倡的地下工程中充分利用岩体自稳的能力，估量因结构变化所带来的一定范围岩体强度和变形参数，即是对岩体自身结构变化调整后，再施加一定工程辅助措施助其达到合理平衡的深入认识。

 

  4． 2 DDC 机理分析

 

  DDC 来源于室内试验和现场观测。对软弱岩石变形破坏过程中结构变化实时观测，结合CT 技术开展了强风化和全风化花岗岩三轴力学CT 扫描实验，得到了在加载初期岩样中出现较均匀的损伤和屈服，而加载到接近峰值时沿结构面破坏突现，峰值及峰后破坏显示为块体碎裂化特征，说明了滞后破坏的细观特征( 王思敬，2009) 。大量工程实践中可观测到，在大规模工程施工扰动作用下，岩体结构格架和类型发生了变化，促成了岩体结构的劣化和复杂化。在大量工程施工中已经观测到大变形速率和渗流急增异常，掌子面后方发生突水突气( 如瓦斯) 或塌方( 工程上俗称“被关门”) 的滞后破坏现象。也就不难理解设计中常用应力强度准则计算地质工程载荷稳定性，而施工过程中普遍采用变形监控而实现对过程的掌握和干预。合理的解释应是岩体结构动态变化调整所带来影响的结果。这从因果关系逻辑推理上比较容易理解岩体结构动态控制观的形成过程和其被提出的科学合理性。

 

  勘察、设计和施工开挖后地质条件的认识和评价、围岩类别都会出现一定的差异，其中有工作程度和分辨率的问题，更有施工不同工况和步序中岩体结构在不同应力边界条件下动态变化和调整。

 

  4． 3 DDC 实现途径

 

  DDC 的实现途径可概略分为四步: 一分区、二抓( 不良地质)体、三监测、四调控，也即从不良地质体的空间辨识到破坏时间预测的工作重点的转移。

 

  首先空间上依据EGI 对工程地质条件进行评价和分区。这是区域工程地质主要工作内容，也是工程前期地质条件综合性研究结果。

 

  然后依据地质结构分布和分区情况，圈划出不良地质体的类型和分布，如褶皱核部、断层破碎带、风化囊、接触蚀变带、构造转折或急变带部位所发育的似层状碎裂结构体产状和规模。这部分典型的不良地质体( 内因) ，是构成工程地质问题甚或灾害的主体。这部分延伸，可到圈定突破口的位置和范围，推测可能的破坏形式及影响程度。不良地质体与工程相互作用，有些是自然条件下地质作用速度的急剧加快或减缓，如近沟谷区工程开挖加剧了斜坡岩体的剥蚀卸荷作用，隧道工程开挖松动圈的出现，形成了新的地应力和地下水转移调整的通道。有些是作用类型和方式的改变，如原来的压性结构面，开挖后重分布应力场中转化为了剪切面或张裂面。原来是隔水层，开挖后由于新生裂隙发育，成为了透水层，等不良地质体内因和不利环境外因，如深部高地应力、水头、地温等，组合在一起时，往往会在这样的部位形成突破口。关键工作是超前地质预报，要有不同范围尺度和工作阶段的地质预测预报，从勘察阶段的较大尺度区段的概略性预测，到掌子面前方一定范围的施工预报，要充分考虑工程施工对地质体的扰动，以及岩体结构的中短期动态变化过程和阶段性。

 

  接着就是结合现场监测资料分析，反演得到工程扰动作用下“次生”地质结构体的力学参数，如变形模量Es、侧压系数λ。带入相关力学模型进行计算分析和稳定性评价。这个过程从上断面开挖一开始，到初期支护、二次支护，可多次循环进行。对不良地质体，实际监测断面布设有一定困难时，要注意同邻近区段的地质编录和定性观测结合起来。空间上重点监测可能的突破口，时间上对变形拐点和阈值进行研究和预警。

 

  再就是结合工程重要性和地质环境敏感性，进行风险分析和决策支持系统构建，确定对不良地质体改造的方式和程度。这对设计很重要，是调整洞型和施工方案，还是加大支护或排水力度? 如对乌鞘岭隧道遇到的地质条件极其复杂的F7断层段，施工过程中方案有很大的变更，采用了开挖断面适当调整，避免连接部位折角; 调整爆破参数，减小对围岩扰动; 缩短台阶长度，采用超短台阶法施工等措施，就是“调”的一个很好例证( 张丽芳，2008) 。

 

  最后是将工程寿命和地质体演化阶段相结合，对地质工程适当加固维护。即将自然条件下地质体必然变化或破坏的时间推迟到工程寿命达到后，最合理地利用“时间差”。

 

  遵循这一思路，采用多因素相互作用关系分析法( EGI) 、综合超前地质预报法、反演正算稳定性评价法等动态分析方法，来实施不同设计和施工阶段的定性和定量综合。为实现地质工程与环境和谐的最终目标，需采用过程监控基础上科学调控( 调为主、控为辅) 思想，实施对不良地质体的超前预处理、高地应力提前释放、勤量测和短进尺方法技术等。

 

  5 地质工程实例

 

  以恒山变质岩区某隧道工程为例，说明上述DDC 观点和综合方法的实施情况和意义。

 

  该隧道全长14km，单洞双线，走向近SN，洞形为椭圆形，跨度约13. 5m，高度约11. 4m，最大埋深为802m。前期地质勘察结果和施工中遇到的实际情况有较大出入，出现多处塌方、突涌水等施工地质灾害，原设计方案也不得不作出相当大的调整和变更。通过对现场工程地质条件评价和事故调查，在对多种地质和工程因素的EGI 分析基础上，认为地应力和似层状碎裂结构岩体( 云母片岩、糜棱岩、风化岩) 、燕山构造运动是关键地质因素。开挖卸荷和地形、构造接触蚀变是次要因素。参照图3 所示的流程图，对这6 个因素建立相互作用关系矩阵，运算得到其权重。结合工程现场因素活跃程度，计算出工程地质分区指标EZI。依该指标值，得到隧道工程地质分区结果。面对复杂地质条件和施工地质灾害，得到如下认识:

 

  ( 1) 隧道轴线方向多按有利于其稳定的平行最大主应力方向布设，而现代构造应力场方向( 30°)与一定深度下构造残余应力( 300°) 差别大。隧道轴线与现代最大地应力方向近于平行，但实际开挖时发现其与残余最大构造应力近于垂直，开挖强卸荷诱发了构造应力的快速释放，产生了塌方和突涌水等一系列施工地质灾害。

 

  ( 2) 燕山运动影响巨大，原来压性结构面向张扭性转化，可见到新鲜断层泥和构造透镜体。工程开挖卸荷过程中，紧闭的片麻理面( 总体产状168∠50) 趋于松动张开，导水性增强。

 

  ( 3) 片麻岩中存在软弱夹层和泥质条带，构造隆升条件下其地表风化剥蚀掉而出露坚硬岩体，地表风化和蚀变的差别易被忽视，而使得对地下工程开挖中影响到岩体完整性和稳定性的蚀变破碎情况认识不足。地下施工中出现碎裂岩突涌水和层间剪切大变形或塌方。

 

  ( 4) 相对于其西侧埋深小300m、跨度小1 倍的另一近平行公路隧道，古生代碳酸岩类向斜与五台群片麻岩中地应力方向同样发生了近90°偏转( 郜玉兰等， 2005) ，其大规模开挖临空面的出现和体积损失为变形破坏提供了更多空间，深卸荷扰动促使岩体结构向碎裂张开方向发展，即层状结构和块状结构更多地变化为了似层状碎裂结构岩体这一不良地质体，增加了渗流通道和增大了对支护压力，产生了较多施工地质灾害，且表现出一定滞后( 掌子面后方数十米) 破坏的特点。

 

  上述研究结果得到了设计和施工单位的高度认可，工作中进一步重视了综合超前地质预报工作，对不良地质体中的断层破碎带采用了超前小导管注浆、管棚支护等工程处理措施( 尚彦军?) 。整个工程地质调查过程和新认识的取得，应是工程地质综合性的一个缩影，也是DDC 观点指导下一次有益的地质工程实践活动。

 

  6 结语

 

  结合工程地质条件评价和地质灾害预测，采用多因素相互作用关系分析法EGI，对多种影响因素关系的筛选分析和权重赋值，量化工程地质条件评价结果，以及将监测结果与施工调控更紧密结合，应是工程地质研究有效方法之一。

 

  作为大成综合理论的具体化，岩体结构动态控制观( DDC) 可丰富发展岩体结构控制论的内涵和适用范围，继承与发扬地质演化思维的综合方法原理模型研究。以施工地质灾害的时间预测和治理为重点，不同层次和阶段的多因素相互作用研究为基本内容，采用动态的综合，以和谐调控为手段，实现环境友好为目标，工程地质将获得长足发展。