中國巖石工程的不足與挑戰(zhàn),地質(zhì)工程論文總結中國巖石工程的特點與復雜性，主要有下面8個方面：〔1〕工程規(guī)模大，建設周期長。如三峽工程、南水北調(diào)都是當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、設計到施工運行差不多半個世紀。〔2〕環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復雜。當前中國很多巖石工程不但具有特殊的構造地質(zhì)條件〔如膨脹巖、地下暗河和巖溶〕、松懈破碎復雜巖基，而且往往位于高海拔、高地應力、高地震烈度的西南地區(qū)，或者深水海洋，建設環(huán)境惡劣，對施工人員安全保衛(wèi)至關重要。〔3〕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，因而巖土工程的應力邊界復雜。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。〔4〕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。中國巖體分級標準尚未統(tǒng)一，給加固設計帶來新問題。〔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變，對相應的理論分析及其數(shù)值模擬提出了更高層次的要求。〔7〕巖體工程與多學科的穿插性，傳統(tǒng)巖土工程主要是以固體力學等基礎學科為支撐的。但隨著巖石力學的發(fā)展，其與工程地質(zhì)學、信息學、人文學、環(huán)境學的穿插越來越重要。〔8〕深部巖石力學工程越來越多，相應的設計原理、支護理論以及災禍控制方式方法的研究亟待深切進入發(fā)展。現(xiàn)有的巖石工程設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計方式方法、監(jiān)測與預警方式方法、典型重大巖石工程建設能夠看出，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〕工程技術成就上升為原創(chuàng)性的理論研究成果較少，基本的本構關系、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上修正發(fā)展。〔2〕現(xiàn)場和實驗室試驗技術原創(chuàng)的試驗設備和試驗方式方法不多，當前在現(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，如微震技術等。〔3〕缺乏原創(chuàng)的大型數(shù)值軟件平臺，當前國內(nèi)巖土研究應用較多的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。〔4〕某些領域原創(chuàng)性的巖石工程機械化施工、監(jiān)測、開挖等成套技術、工法、設計方式方法還有很大的發(fā)展空間，如當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理論、開采工藝和設備。〔5〕從973計劃看，國家對牽涉巖石工程的相關領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，這雖然跟中國當前科研評估體系不夠完善有關，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科發(fā)展的原創(chuàng)理論、大規(guī)模計算方式方法、動態(tài)設計、施工工法、成套施工原創(chuàng)技術和巖體工程穩(wěn)定控制技術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，但是采用當代巖石力學科學只不過60余年的歷史。盡管科技人員在巖石力學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；但由于巖石工程的復雜性、個案性，還存在很多沒有解決的問題，筆者從巖石工程學科發(fā)展的角度提出了中國當下巖石工程面臨10個挑戰(zhàn)問題。〔1〕工程材料、構造、系統(tǒng)相結合。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、膠結物及孔隙組成的復雜的混合物材料；巖體也是一種存在斷裂面、節(jié)理和斷層等缺陷的巖石構造；而當巖石、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合的系統(tǒng)。天然裂紋、孔洞缺陷使真實巖石材料、巖體構造呈現(xiàn)非連續(xù)、非均勻、各向異性和非彈性等特征；巖石材料、巖體構造，巖石工程系統(tǒng)的力學行為在構造和時間上都呈現(xiàn)不連續(xù)性、不確定性、不規(guī)則性等復雜性特征。因而在考慮巖土工程勘測、設計、施工運行時，必須將巖石工程的材料、構造和系統(tǒng)相結合整體考慮。〔2〕巖石工程與巖土工程研究相融合。王思敬強調(diào)了巖石力學與工程地質(zhì)結合的重要性，而在巖石工程中另一個重要的結合是巖石與土的融合，十分是近年來被科學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、設計與施工加固都具有重要意義。〔3〕巖石力學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屬性和行為。盡管中國在原創(chuàng)巖石力學理論上成果不很突出，但結合重大巖石工程仍獲得了一系列成就，尤其具體表現(xiàn)出了巖石力學理論與工程的互相驗證，如陳宗基、孫鈞等結合三峽工程在巖石流變理論上獲得的成就；錢七虎結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理論，解決了國防地下工程中的系列問題。巖石力學理論與工程結合，如應加強非常規(guī)天然氣工程巖體力學理論探尋求索促進工程經(jīng)歷體驗的提煉升華，便于推廣應用。〔4〕工程勘測、設計、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)勘察設計，終點為相應工程的退役，期間經(jīng)過巖體開挖錨固及滲流控制等施工改造階段，以及人工與自然構造系統(tǒng)在各種復雜環(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計，還與施工質(zhì)量、運行控制等密切相關。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、設計、施工和運行不同階段的安全控制的學術思想。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。〔5〕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)是貫穿巖石工程設計、施工以及運行反應的基礎。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)反應分析大壩構造真實狀態(tài)參數(shù)的方式方法得到了廣泛應用。但是對于大型巖石工程中真實巖石材料、巖體構造性能，當前的研究仍沒有克制現(xiàn)場試驗值以及設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。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。〔6〕工程短期與長期效應〔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，知足抗震設計要求的性能，保證巖石與人工構造的安全穩(wěn)定。因而，考慮工程短期與長期時間效應結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)定的有機結合。〔7〕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)易導致地面塌陷進而引發(fā)各種災禍事故頻發(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)劃和建設時，應當就區(qū)域內(nèi)巖石工程以及相關工程建設對環(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，并提出相應的建議，真正做到巖石工程建設功在現(xiàn)代、利在千秋。〔8〕多學科的穿插協(xié)作。巖石力學與工程學科是一個歷史不長的學科，既要承接其他基礎學科，如固體力學、斷裂力學、構造力學、爆炸力學、計算力學中有利于本身發(fā)展的理論、技術和方式方法，也要與近年新興的信息技術、工程仿真、智能控制等多學科相結合，重視新材料、新工藝、新技術和新裝備的應用，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)材料構造系統(tǒng)研究一體化，理論監(jiān)測數(shù)值分析一體化，設計施工運行分析一體化。又如頁巖氣開采關鍵就是巖體壓裂〔體破裂〕，即三維斷裂力學問題。在引用、借鑒其他學科成果時，更應關注巖石材料、構造和巖石工程系統(tǒng)的特殊屬性。〔9〕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。近十幾年學習國外先進管理經(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)之間的合作關系，因而重大巖石工程中技術革新與智能管理相會聚結合的創(chuàng)新是巖石工程設計、建設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力分布動態(tài)構造模型基礎上決策；智能化,即在正確的理論和相關事故控制決策模型的指導下計算機自動決策；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的應力場分布特征為核心實用巖層運動控制的理論及相關決策模型的建設，并以此為基礎，成功開發(fā)計算機決策軟件與相應信息采集系統(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上實現(xiàn)工程化裝備的新突破。③巖石工程搶險救災應急體系的智能化。〔10〕巖石工程的產(chǎn)學研共同發(fā)展。近30a中國巖石工程的科研形式主要是結合國家科技攻關項目，設計院直接介入開展聯(lián)合科研攻關。這些攻關項目的主要特點包括：①組織形式多是由設計院根據(jù)設計需求首先提出，然后組織相關專家論證，高校和科研單位介入，最后業(yè)主配合，由科技部等相關部委立項和進行跟