摘 要 通過對地下工程圍巖穩(wěn)定性分析的歷史回顧及在工程實(shí)踐中存在問題的分析,闡述在地下工程圍巖穩(wěn)定性分析中應(yīng)避免追求精確的計(jì)算,提倡探索新的研究思想與研究方法。
地下工程的穩(wěn)定問題亦即圍巖的變形與破壞問題。頂板塌落、邊墻擠入、底板隆起、圍巖開裂、突發(fā)巖爆、支護(hù)折斷等都是圍巖不穩(wěn)定的顯現(xiàn)。但從永久性地下建筑物及地下空間利用的類型看,由于使用要求或標(biāo)準(zhǔn)不同,穩(wěn)定性的定義就會(huì)有差異。圍巖穩(wěn)定性分析方法主要有:塊體理論支持的分析方法,主要用于裂隙巖體的穩(wěn)定分析中;模型試驗(yàn)方法,多用于重要的難以用現(xiàn)場試驗(yàn)方法解決的復(fù)雜工程;數(shù)值分析法,基于某種力學(xué)模型和分析理論對圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性分析的方法,是目前應(yīng)用較廣泛的一種分析方法,它根據(jù)力學(xué)模型和分析思想的不同又分為有限元分析、邊界元分析、位移反分析等。
目前,在地下工程施工領(lǐng)域中,存在著一種傾向,即追求高精度的數(shù)值計(jì)算及數(shù)學(xué)方法的深?yuàn)W,花了大量的精力、財(cái)力和時(shí)間去從事復(fù)雜而繁瑣的數(shù)值計(jì)算,而放松了對地下工程特殊性的思考,忽略了對問題整體性的理解。
1 地下工程的特點(diǎn)
地下工程涉及到地理與地質(zhì)環(huán)境因素、工程因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平、材料科學(xué)發(fā)展水平、施工過程控制水平以及地下工程在國民經(jīng)濟(jì)中的地位等因素。地理與地質(zhì)環(huán)境本身就是復(fù)雜的,它是天然的介質(zhì)(涉及地應(yīng)力、地下水、巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造),很少有地質(zhì)條件完全相同的兩個(gè)工程;工程因素則是指工程規(guī)模、斷面形狀與尺寸、施工技術(shù)、過程控制、環(huán)境控制、工程材料、人、機(jī)、料的協(xié)調(diào)水平等。工作面在時(shí)間和空間上的動(dòng)態(tài)性,技術(shù)發(fā)展的歷史性均增加了地下工程的復(fù)雜程度。巖石這種特殊的材料組成和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被人們認(rèn)識(shí)透,它遠(yuǎn)不像金屬等均質(zhì)材料那樣簡單。這種狀況導(dǎo)致了開挖技術(shù)的理論研究至今只能停留在簡單的結(jié)構(gòu)分析和孤立的固體力學(xué)和數(shù)值分析的領(lǐng)域。
地下工程的地理與地質(zhì)環(huán)境、投資水平、設(shè)計(jì)水平、承建者的技術(shù)與管理水平等諸多因素都與工程的成敗有聯(lián)系,它們相互作用、相互滲透、相互影響、相互制約。因此,必須用系統(tǒng)的方法去解決地下工程問題。限于傳統(tǒng)確定性思維方式的單純、精確的力學(xué)與數(shù)學(xué)分析方法已無法解決穩(wěn)定分析在隧道工程設(shè)計(jì)施工中的普及應(yīng)用問題。理論研究和工程實(shí)踐表明,要想解決巖石力學(xué)在隧道工程設(shè)計(jì)與施工中的普及問題,單純應(yīng)用力學(xué)、數(shù)學(xué)的理論分析是行不通的,必須從隧道工程實(shí)際出發(fā),以系統(tǒng)概念為指導(dǎo),依靠原型觀測資料的驗(yàn)證與反饋,走理論分析與經(jīng)驗(yàn)分析相結(jié)合的道路。
2 地下工程圍巖穩(wěn)定分析及支護(hù)設(shè)計(jì)方法回顧
20 世紀(jì)70 年代末,“ 新奧法”引入我國后,使人們對隧道設(shè)計(jì)理論有了認(rèn)識(shí)上的飛躍,人們認(rèn)識(shí)到: 支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖是一個(gè)受力的整體,隧道支護(hù)設(shè)計(jì)需要考慮的問題已經(jīng)不僅僅局限于支護(hù)結(jié)構(gòu)體本身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,而是要將眼光更多地投向圍巖,要充分發(fā)揮圍巖的自撐能力,并將圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)有機(jī)地統(tǒng)一在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性的合理水平上。
概率極限狀態(tài)和可靠度設(shè)計(jì)方法在地面結(jié)構(gòu)中的成功應(yīng)用,引起了隧道界的重視,自80 年代中期就開始將可靠度方法引入了隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究中。各高校聯(lián)合攻關(guān),經(jīng)過可行性研究階段和基礎(chǔ)性研究階段,到20 世紀(jì)90 年代中期,以“ 荷載-結(jié)構(gòu)”模式為主的一般地區(qū)單線隧道整體式襯砌,單線隧道偏壓襯砌和單線拱形明洞等結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)計(jì)方法已達(dá)實(shí)用程度。1999 年發(fā)布的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》( TB10003 -99) 中已采用這一成果。在現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10003 -2001 中仍在應(yīng)用。
支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要有:概率極限狀態(tài)法;荷載-結(jié)構(gòu)模式計(jì)算法; 經(jīng)驗(yàn)類比法; 巖石力學(xué)計(jì)算法。
對這些方法的進(jìn)一步了解可知: 前3 種方法是以往及今后一段時(shí)間內(nèi)的主流設(shè)計(jì)方法,它是以前人工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),通過統(tǒng)計(jì)分析的方法得出的荷載計(jì)算模式或經(jīng)驗(yàn)式,在材料強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上,經(jīng)過賦予可靠性指標(biāo)或安全系數(shù)得以實(shí)際應(yīng)用。這些經(jīng)驗(yàn)式是在成千的工程實(shí)例基礎(chǔ)上得出的,從統(tǒng)計(jì)意義上來說具有一定的高概率特征,這種方法將成為今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)的主流設(shè)計(jì)方法。這種方法具有簡單、快速、易掌握的特點(diǎn),已成為事實(shí)上地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的主流方法。但是,應(yīng)該看到這些經(jīng)驗(yàn)式的產(chǎn)生過程不可避免地存在著許多不嚴(yán)密之處,如樣本采集的技術(shù)很大程度上不能完全滿足概率抽樣的要求,樣本的統(tǒng)計(jì)數(shù)量也難以保證。因此,前提條件的不滿足(采樣過程) 形成的嚴(yán)密的數(shù)值推論結(jié)果顯然不能期望獲得與實(shí)際工程的高符合度的結(jié)論,據(jù)此進(jìn)行的穩(wěn)定性預(yù)測其可靠性也就可見一斑。另外,從揭示地下工程圍巖變形的實(shí)質(zhì)、探索其科學(xué)道理的角度看, 必須進(jìn)行巖土工程理論的研究,一個(gè)沒有堅(jiān)實(shí)理論支持的學(xué)科注定是沒有前程的。目前的工作無疑將有利于基礎(chǔ)理論的形成,在基礎(chǔ)研究取得突破性進(jìn)展時(shí),圍巖穩(wěn)定性分析才能有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ), 地下工程的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性預(yù)測也才能期望像地表工程那樣得以很好地把握。
第4 類方法即巖石力學(xué)計(jì)算法。這種方法已不再依靠任何一種荷載假定,而是依靠結(jié)構(gòu)與巖體之間的相互作用,是圍巖穩(wěn)定分析的主要方法。在這類方法中目前得到應(yīng)用的有:特征曲線法(收斂—約束法);剪切滑移破壞法; 數(shù)值分析法( 有限元法) 。這種方法的一個(gè)重要特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)了圍巖與支護(hù)共同作用的思想,并在設(shè)計(jì)與穩(wěn)定分析中加以體現(xiàn)。這一點(diǎn)也正是這種方法較前述方法的進(jìn)步之處。其設(shè)計(jì)(穩(wěn)定分析) 過程是:以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的初步設(shè)計(jì),在施工中獲取圍巖及支護(hù)穩(wěn)定信息,反饋設(shè)計(jì)這樣一種螺旋上升的設(shè)計(jì)(穩(wěn)定分析) 優(yōu)化過程,它與前述3 種方法是不同的。但稍加分析后可知,其方法的基礎(chǔ)均離不開建立工程問題模型,它是一切工作的關(guān)鍵所在。那么,如何建立模型? 什么樣的模型才是真正能代表工程問題特性的模型呢? 這些問題正是目前正在研究與探索的,陸續(xù)有一些這方面的成果出現(xiàn),其中仍有許多基礎(chǔ)性問題,甚至在方法論層次上的問題還沒有解決,還遠(yuǎn)未達(dá)到廣泛應(yīng)用的程度。
3 對圍巖穩(wěn)定分析存在的問題及方法的思考
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與巖土本構(gòu)關(guān)系研究的進(jìn)展, 支護(hù)系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算法有了新的發(fā)展。用彈塑性力學(xué)理論分析圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元程序迅速普及;邊界元及邊界元與有限元耦合法在隧道工程中的應(yīng)用也有不少成果; 用于裂隙巖體的塊體理論和離散元理論也編出了相應(yīng)的程序。計(jì)算技術(shù)與數(shù)學(xué)方法的介入,使我們有可能對地下工程的一些問題進(jìn)行分析與研究。但是研究的方向、途徑、策略手段、工具及其操作程序的選擇系統(tǒng)是否正確則需要我們不斷探討。
圍巖的工程特性是什么? 如何描述? 它與人工支護(hù)體的相互作用特征怎樣? 這些基礎(chǔ)問題至今仍然困擾著我們,未得到解決。誠然,計(jì)算技術(shù)與數(shù)學(xué)方法為我們提供了廣闊的應(yīng)用空間,其成熟程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地下工程基礎(chǔ)理論的成熟程度,這種極大的反差本身就啟示著我們研究工作的重點(diǎn),這是我們不可回避的事實(shí)。因此,我認(rèn)為作為以應(yīng)用技術(shù)為主的工程技術(shù)人員,在處理工程技術(shù)問題中,應(yīng)調(diào)整好研究問題的重心,不必在繁瑣的計(jì)算問題上糾纏不休,而忽視了簡單而有效的方法。在地下工程穩(wěn)定問題的分析中,如果不把巖體的地質(zhì)特征搞清楚, 那么任何精確的計(jì)算等于無用。
圍巖穩(wěn)定性分析中存在基礎(chǔ)理論不成熟、失穩(wěn)判據(jù)難以確定、思維方式禁錮等問題。現(xiàn)分析如下:
3 . 1 數(shù)值分析模型缺少基礎(chǔ)理論支持穩(wěn)定分析的意義在于預(yù)測未來。目前在施工階段圍巖穩(wěn)定性預(yù)測中廣泛采用的是二元(時(shí)間與位移,或時(shí)間與應(yīng)力) 原型預(yù)測的方法,監(jiān)測數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計(jì)分析建立回歸模型,根據(jù)回歸模型進(jìn)行穩(wěn)定性預(yù)測。即采樣、回歸模型參數(shù)的統(tǒng)計(jì)推斷、未來趨勢預(yù)測的方法。對這種模式的進(jìn)一步分析可以看出: 這種方法的基本思路是建立在隨機(jī)事件的概率統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上,而普遍采用的模型是一維(二維),呈正態(tài)分布的概率模型,這樣的簡化也許是預(yù)測問題所不能接受的。主要表現(xiàn)在以下幾方面:
(1) 回歸統(tǒng)計(jì)的概率模型過于簡單: 施工信息反饋中監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的處理方式通常是采用回歸統(tǒng)計(jì)的方法。這種根據(jù)變形發(fā)展趨勢預(yù)測圍巖(支護(hù)結(jié)構(gòu)) 穩(wěn)定性的方法中隱含了簡單整數(shù)維,呈正態(tài)分布(其參數(shù)隨時(shí)間而變) 的概率模型。這是以時(shí)間可逆性為前提的簡單維的建模過程,它沒有反映序的概念,這與地質(zhì)體的不可逆時(shí)間序列是不吻合的,近似過程過于簡單。每組量測數(shù)據(jù)是統(tǒng)計(jì)分析的一個(gè)樣本,而這些樣本的取樣條件(如時(shí)間、空間、工程環(huán)境、施工方法等) 是不相同的,將這種不同采用不恰當(dāng)?shù)姆椒?等同視之) 處理,用確定性的回歸參數(shù)進(jìn)行處理,這種取樣策略及處理方法本身就隱藏著概率模型參數(shù)推斷上的誤差甚至錯(cuò)誤。
(2) 位移反分析力學(xué)模型的假設(shè)缺少理論支持: 位移反分析是用某種固定的變形模式去推斷巖體力學(xué)參數(shù)的方法。它按照一定的規(guī)則,逐次改變側(cè)壓力系數(shù)及等效彈模E 的值,從而使斷面特征點(diǎn)— 收斂(位移) 點(diǎn)的分析值相應(yīng)改變,使其接近實(shí)測值, 在一定的計(jì)算精度下確定出反分析結(jié)果,即圍巖的視在力學(xué)參數(shù)。這是一種通過實(shí)測位移值進(jìn)行試湊修正的過程。其力學(xué)模型是基于固體力學(xué)理論建立的(如彈性模型、彈-塑性模型、粘-彈-塑性模型等),它首先假設(shè)了圍巖的變形規(guī)律。而這一規(guī)律的研究還處于尚未成功的時(shí)期,巖體的本構(gòu)關(guān)系、噴錨支護(hù)的機(jī)理、開挖系統(tǒng)的控制理論等問題均未得到解決。在這樣的條件下而無視工程地質(zhì)、施工條件的復(fù)雜多變及其難以準(zhǔn)確描述的現(xiàn)實(shí),糾纏于繁雜的計(jì)算及精確性的追求中,無異于取小棄大,事倍而功半。
(3) 模型試驗(yàn)尚難以實(shí)現(xiàn)時(shí)空模擬:地下工程圍巖穩(wěn)定性問題的研究始終與模型試驗(yàn)相伴隨,模型與實(shí)際工程問題的相似性是模型試驗(yàn)解決問題的關(guān)鍵。從模型材料及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造到模擬尺度、開挖步序、施工工藝等無不包含著諸多難以解決的問題。如:今年4 月通過國家鑒定的“溪洛渡水電站廠房洞室群的高仿真度三維模型試驗(yàn)研究成果〔1〕雖然在模型材料、模擬尺度、加載與控制系統(tǒng)、高精度開挖及位移(變形) 監(jiān)測系統(tǒng)等方面集中體現(xiàn)了國際上領(lǐng)先技術(shù),為工程實(shí)施提供了參考,但仍然存在在時(shí)間模擬尺度上的缺憾,而時(shí)間的模擬遠(yuǎn)較其他幾項(xiàng)模擬內(nèi)容難度更大。然而,地下工程圍巖穩(wěn)定性分析的一個(gè)很重要的內(nèi)容即是與時(shí)間有關(guān)的巖體特性的分布與變化。
另外,模擬參數(shù)越多,模擬理論越精細(xì),模擬試驗(yàn)的復(fù)雜程度就越高,實(shí)現(xiàn)難度也越大。加之大尺度模擬試驗(yàn)耗資巨大,難以大量進(jìn)行。這導(dǎo)致模型試驗(yàn)只能作為重大工程決策參考的依據(jù)之一。
(4) 圍巖承載特征曲線的測量難以實(shí)現(xiàn):特征曲線法也稱收斂-約束法,其基本原理是利用巖體特征曲線和支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線交會(huì)的辦法來決定支護(hù)體系的最佳平衡條件。這種方法的關(guān)鍵是合理確定這兩條曲線的基本性質(zhì)及其相互作用時(shí)的變化,如圍巖變形的特征曲線難以實(shí)測。這種方法在概念上是明確的,但實(shí)踐起來則涉及了諸多的問題,有的甚至是目前還難以解決的問題。這些問題仍然來自于地下工程圍巖穩(wěn)定分析的諸多影響因素及其復(fù)雜性。
綜上所述,巖體力學(xué)基礎(chǔ)理論的不成熟成為地下工程圍巖穩(wěn)定分析方法目前還難以擺脫經(jīng)驗(yàn)與工程類比方法的主要原因。
3. 2 失穩(wěn)判據(jù)難以確定多年來,對地下工程圍巖穩(wěn)定性問題,失穩(wěn)判據(jù)的確定始終沒有得到很好地解決。現(xiàn)行的規(guī)范TB10003 -2001 中,圍巖穩(wěn)定性是以極限凈空相對位移值或允許收斂速率的形式給出的〔2〕,當(dāng)實(shí)測的位移值超出此值時(shí)即視為不穩(wěn)定。這些作為判定標(biāo)準(zhǔn)的“極限位移是在“新奧法施工中監(jiān)控量測的實(shí)踐基礎(chǔ)上經(jīng)分析得出的經(jīng)驗(yàn)值,工況條件的差異、量測誤差等必然使其帶有顯著的定性使用的特點(diǎn),在實(shí)際使用中有悖上述標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象也時(shí)常出現(xiàn):有的軟弱圍巖當(dāng)變形值超出規(guī)范允許值數(shù)倍仍未發(fā)生失穩(wěn);(尤其是) 在淺埋隧道中,有的變形尚未達(dá)到允許值卻發(fā)生了坍塌。此外,由于統(tǒng)計(jì)分析的原因,用于穩(wěn)定性分析的有效量測數(shù)據(jù)滯后,使不穩(wěn)定地層的穩(wěn)定性分析難以真正服務(wù)于實(shí)施量測的工程。查閱國內(nèi)外有關(guān)圍巖穩(wěn)定性判據(jù)的規(guī)范,大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)均是以定性的方式給出的,部分定量指標(biāo)通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)資料得出。這一狀況表明,在實(shí)際應(yīng)用中,設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)管理基準(zhǔn)值時(shí)難以用數(shù)值方式表示。
3. 3 思維方式的禁錮在巖石力學(xué)界對“新奧法的理論意義和實(shí)用價(jià)值一直存在著兩種不同的認(rèn)識(shí)。一種傾向于肯定, 即強(qiáng)調(diào)隧道工程的實(shí)際可能和需要;一種傾向于否定,堅(jiān)持力學(xué)概念的清晰性與數(shù)學(xué)求解的嚴(yán)密性,認(rèn)為“新奧法缺乏明確的理論支持〔3〕。從十余年的實(shí)踐中,據(jù)圍巖變形量測的可靠資料進(jìn)行位移反分析的隧道工程所占的比例仍然很小,這一技術(shù)的應(yīng)用受到了極大的挑戰(zhàn)。數(shù)值分析專家主張?jiān)趲r石力學(xué)數(shù)值分析方面需要發(fā)展,但絕不能離開力學(xué)原理與方法;而隧道工程師們則認(rèn)為數(shù)值計(jì)算的理論假設(shè)與實(shí)際巖體相差很大,對圍巖穩(wěn)定性影響很大的施工條件在計(jì)算中難以反映,進(jìn)行大量原位測試以取得計(jì)算所需參數(shù)條件難以滿足,計(jì)算誤差的范圍、可信度無把握。希望能研制出適合隧道工程具體條件的、能夠普及應(yīng)用的、誤差有明確范圍的圍巖穩(wěn)定分析的方法和程序。多年來, 單純強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)和定量表述的巖石力學(xué)常規(guī)分析方法在隧道工程中未能得到普及應(yīng)用,這似乎應(yīng)從科學(xué)方法論的高度來審視這個(gè)問題。
現(xiàn)在的巖石力學(xué)正在從確定性研究轉(zhuǎn)向非確定性方法研究的過程中。
〔4〕。興起于20 世紀(jì)90 年代的開挖系統(tǒng)控制論主張“ 巖土工程不是人為現(xiàn)象工程(雖然它也人工開挖的),而屬于自然現(xiàn)象工程,它主要受到地質(zhì)環(huán)境的控制,工程與地質(zhì)是一個(gè)不可分割的系統(tǒng)”。地下工程是復(fù)雜的系統(tǒng)工程、巖體的“ 記憶”性、施工過程是對這一復(fù)雜系統(tǒng)的控制過程, 這三點(diǎn)成為這一新興理論的主要觀點(diǎn)。它是一種建立在系統(tǒng)論、信息論、控制論基礎(chǔ)上的新的思維方式。它使我們的研究有了更大、更廣闊的空間。
研究者們指出:地下工程問題是一個(gè)非確定性的問題,它從認(rèn)識(shí)論的角度注解了以往諸多預(yù)測圍巖穩(wěn)定性的方法難以獲得普及與理論上的突破性進(jìn)展的原因,即存在一個(gè)對問題的認(rèn)識(shí)與方法局限性甚至錯(cuò)誤的問題。關(guān)于這一點(diǎn),很值得我們認(rèn)真思考,以盡可能使我們的工作有一個(gè)明確的方向和正確的方法。
既然圍巖是一個(gè)自然體,在其間的開挖與支護(hù)等工程問題是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)問題,它不可能用簡單的數(shù)學(xué)方法和物理學(xué)方法加以解決,那么,是否其穩(wěn)定性問題的預(yù)測就是不可知的呢? 回答是否定的。問題的關(guān)鍵是找出導(dǎo)致工程穩(wěn)定問題的“ 吸引子”。它是一切影響地下工程穩(wěn)定性因素運(yùn)動(dòng)趨向的中心,關(guān)于這方面的工作,已經(jīng)有了一些探索〔5〕。
目前,信息化施工與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)已廣泛采用,但多采用常規(guī)確定性概率統(tǒng)計(jì)的方法處理,對大量信息資料的分析成果只可用于短期的預(yù)測,這種時(shí)間尺度是難以達(dá)到預(yù)測應(yīng)用的需求尺度的。出路在于對問題整體上的理解,從新的視角及更加廣泛的領(lǐng)域去吸納有益于地下工程穩(wěn)定性預(yù)測的理論與方法, 為我所用,相信在地下工程圍巖穩(wěn)定性預(yù)測方面將會(huì)有所發(fā)現(xiàn)。
4 結(jié) 論
對圍巖穩(wěn)定分析方法的選擇應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):
(1) 地下工程的復(fù)雜性:在地下工程的研究中非常重要而又常被忘卻的是地質(zhì)特征的研究是否充分,力學(xué)分析的表述是否適當(dāng)。這需要研究者始終保持一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)和正確的方法。隨著巖石力學(xué)研究的深入以及工程實(shí)踐的積累,隧道力學(xué)的發(fā)展似乎進(jìn)入了思維方式轉(zhuǎn)變的時(shí)代。在隧道力學(xué)與工程界引入系統(tǒng)科學(xué)的原理和方法,提高我們對隧道力學(xué)與隧道工程這一復(fù)雜系統(tǒng)從總體上的認(rèn)識(shí)和控制能力,解決隧道圍巖穩(wěn)定分析的普及應(yīng)用問題,這無疑是一個(gè)長期而又艱苦的過程,它需要幾代人的努力。
(2) 因地制宜選擇方法:克服一味追求精確、復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算,地下工程圍巖穩(wěn)定分析的關(guān)鍵在于對工程問題的深刻理解和全面的考慮。對于工程技術(shù)人員來說,找準(zhǔn)影響特定工程穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題, 確定穩(wěn)定分析的目標(biāo),在現(xiàn)有的分析方法中選取簡單、適宜的方法,從整體上加以分析并從措施與工藝上加以保障,穩(wěn)定分析的工程意義會(huì)更為有價(jià)值。
對于監(jiān)控量測工作,需要的不僅是對數(shù)據(jù)的量取及處理,更重要的是掌握量測值與施工狀況間存在的關(guān)系分析。這需要對量測目的、量測技術(shù)的可靠性、量測值對工程各階段的作用、工程施工特性與環(huán)境特點(diǎn)、甚至組織管理水平等有全面的掌握才能使監(jiān)控量測工作產(chǎn)生應(yīng)有的作用。
(3) 探索新的方法需要解放思想:地下工程的基礎(chǔ)理論研究與應(yīng)用研究幾乎同步進(jìn)行,且至今仍遠(yuǎn)未達(dá)到成熟的程度,這就需要我們年輕的研究人員用系統(tǒng)的、復(fù)雜的、未知的眼光和方法去探索;用一種沒有約束的思維去思考、去實(shí)踐才能有所建樹。
地下工程的穩(wěn)定問題亦即圍巖的變形與破壞問題。頂板塌落、邊墻擠入、底板隆起、圍巖開裂、突發(fā)巖爆、支護(hù)折斷等都是圍巖不穩(wěn)定的顯現(xiàn)。但從永久性地下建筑物及地下空間利用的類型看,由于使用要求或標(biāo)準(zhǔn)不同,穩(wěn)定性的定義就會(huì)有差異。圍巖穩(wěn)定性分析方法主要有:塊體理論支持的分析方法,主要用于裂隙巖體的穩(wěn)定分析中;模型試驗(yàn)方法,多用于重要的難以用現(xiàn)場試驗(yàn)方法解決的復(fù)雜工程;數(shù)值分析法,基于某種力學(xué)模型和分析理論對圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性分析的方法,是目前應(yīng)用較廣泛的一種分析方法,它根據(jù)力學(xué)模型和分析思想的不同又分為有限元分析、邊界元分析、位移反分析等。
目前,在地下工程施工領(lǐng)域中,存在著一種傾向,即追求高精度的數(shù)值計(jì)算及數(shù)學(xué)方法的深?yuàn)W,花了大量的精力、財(cái)力和時(shí)間去從事復(fù)雜而繁瑣的數(shù)值計(jì)算,而放松了對地下工程特殊性的思考,忽略了對問題整體性的理解。
1 地下工程的特點(diǎn)
地下工程涉及到地理與地質(zhì)環(huán)境因素、工程因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平、材料科學(xué)發(fā)展水平、施工過程控制水平以及地下工程在國民經(jīng)濟(jì)中的地位等因素。地理與地質(zhì)環(huán)境本身就是復(fù)雜的,它是天然的介質(zhì)(涉及地應(yīng)力、地下水、巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造),很少有地質(zhì)條件完全相同的兩個(gè)工程;工程因素則是指工程規(guī)模、斷面形狀與尺寸、施工技術(shù)、過程控制、環(huán)境控制、工程材料、人、機(jī)、料的協(xié)調(diào)水平等。工作面在時(shí)間和空間上的動(dòng)態(tài)性,技術(shù)發(fā)展的歷史性均增加了地下工程的復(fù)雜程度。巖石這種特殊的材料組成和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被人們認(rèn)識(shí)透,它遠(yuǎn)不像金屬等均質(zhì)材料那樣簡單。這種狀況導(dǎo)致了開挖技術(shù)的理論研究至今只能停留在簡單的結(jié)構(gòu)分析和孤立的固體力學(xué)和數(shù)值分析的領(lǐng)域。
地下工程的地理與地質(zhì)環(huán)境、投資水平、設(shè)計(jì)水平、承建者的技術(shù)與管理水平等諸多因素都與工程的成敗有聯(lián)系,它們相互作用、相互滲透、相互影響、相互制約。因此,必須用系統(tǒng)的方法去解決地下工程問題。限于傳統(tǒng)確定性思維方式的單純、精確的力學(xué)與數(shù)學(xué)分析方法已無法解決穩(wěn)定分析在隧道工程設(shè)計(jì)施工中的普及應(yīng)用問題。理論研究和工程實(shí)踐表明,要想解決巖石力學(xué)在隧道工程設(shè)計(jì)與施工中的普及問題,單純應(yīng)用力學(xué)、數(shù)學(xué)的理論分析是行不通的,必須從隧道工程實(shí)際出發(fā),以系統(tǒng)概念為指導(dǎo),依靠原型觀測資料的驗(yàn)證與反饋,走理論分析與經(jīng)驗(yàn)分析相結(jié)合的道路。
2 地下工程圍巖穩(wěn)定分析及支護(hù)設(shè)計(jì)方法回顧
20 世紀(jì)70 年代末,“ 新奧法”引入我國后,使人們對隧道設(shè)計(jì)理論有了認(rèn)識(shí)上的飛躍,人們認(rèn)識(shí)到: 支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖是一個(gè)受力的整體,隧道支護(hù)設(shè)計(jì)需要考慮的問題已經(jīng)不僅僅局限于支護(hù)結(jié)構(gòu)體本身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,而是要將眼光更多地投向圍巖,要充分發(fā)揮圍巖的自撐能力,并將圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)有機(jī)地統(tǒng)一在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性的合理水平上。
概率極限狀態(tài)和可靠度設(shè)計(jì)方法在地面結(jié)構(gòu)中的成功應(yīng)用,引起了隧道界的重視,自80 年代中期就開始將可靠度方法引入了隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究中。各高校聯(lián)合攻關(guān),經(jīng)過可行性研究階段和基礎(chǔ)性研究階段,到20 世紀(jì)90 年代中期,以“ 荷載-結(jié)構(gòu)”模式為主的一般地區(qū)單線隧道整體式襯砌,單線隧道偏壓襯砌和單線拱形明洞等結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)計(jì)方法已達(dá)實(shí)用程度。1999 年發(fā)布的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》( TB10003 -99) 中已采用這一成果。在現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10003 -2001 中仍在應(yīng)用。
支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要有:概率極限狀態(tài)法;荷載-結(jié)構(gòu)模式計(jì)算法; 經(jīng)驗(yàn)類比法; 巖石力學(xué)計(jì)算法。
對這些方法的進(jìn)一步了解可知: 前3 種方法是以往及今后一段時(shí)間內(nèi)的主流設(shè)計(jì)方法,它是以前人工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),通過統(tǒng)計(jì)分析的方法得出的荷載計(jì)算模式或經(jīng)驗(yàn)式,在材料強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上,經(jīng)過賦予可靠性指標(biāo)或安全系數(shù)得以實(shí)際應(yīng)用。這些經(jīng)驗(yàn)式是在成千的工程實(shí)例基礎(chǔ)上得出的,從統(tǒng)計(jì)意義上來說具有一定的高概率特征,這種方法將成為今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)的主流設(shè)計(jì)方法。這種方法具有簡單、快速、易掌握的特點(diǎn),已成為事實(shí)上地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的主流方法。但是,應(yīng)該看到這些經(jīng)驗(yàn)式的產(chǎn)生過程不可避免地存在著許多不嚴(yán)密之處,如樣本采集的技術(shù)很大程度上不能完全滿足概率抽樣的要求,樣本的統(tǒng)計(jì)數(shù)量也難以保證。因此,前提條件的不滿足(采樣過程) 形成的嚴(yán)密的數(shù)值推論結(jié)果顯然不能期望獲得與實(shí)際工程的高符合度的結(jié)論,據(jù)此進(jìn)行的穩(wěn)定性預(yù)測其可靠性也就可見一斑。另外,從揭示地下工程圍巖變形的實(shí)質(zhì)、探索其科學(xué)道理的角度看, 必須進(jìn)行巖土工程理論的研究,一個(gè)沒有堅(jiān)實(shí)理論支持的學(xué)科注定是沒有前程的。目前的工作無疑將有利于基礎(chǔ)理論的形成,在基礎(chǔ)研究取得突破性進(jìn)展時(shí),圍巖穩(wěn)定性分析才能有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ), 地下工程的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性預(yù)測也才能期望像地表工程那樣得以很好地把握。
第4 類方法即巖石力學(xué)計(jì)算法。這種方法已不再依靠任何一種荷載假定,而是依靠結(jié)構(gòu)與巖體之間的相互作用,是圍巖穩(wěn)定分析的主要方法。在這類方法中目前得到應(yīng)用的有:特征曲線法(收斂—約束法);剪切滑移破壞法; 數(shù)值分析法( 有限元法) 。這種方法的一個(gè)重要特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)了圍巖與支護(hù)共同作用的思想,并在設(shè)計(jì)與穩(wěn)定分析中加以體現(xiàn)。這一點(diǎn)也正是這種方法較前述方法的進(jìn)步之處。其設(shè)計(jì)(穩(wěn)定分析) 過程是:以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的初步設(shè)計(jì),在施工中獲取圍巖及支護(hù)穩(wěn)定信息,反饋設(shè)計(jì)這樣一種螺旋上升的設(shè)計(jì)(穩(wěn)定分析) 優(yōu)化過程,它與前述3 種方法是不同的。但稍加分析后可知,其方法的基礎(chǔ)均離不開建立工程問題模型,它是一切工作的關(guān)鍵所在。那么,如何建立模型? 什么樣的模型才是真正能代表工程問題特性的模型呢? 這些問題正是目前正在研究與探索的,陸續(xù)有一些這方面的成果出現(xiàn),其中仍有許多基礎(chǔ)性問題,甚至在方法論層次上的問題還沒有解決,還遠(yuǎn)未達(dá)到廣泛應(yīng)用的程度。
3 對圍巖穩(wěn)定分析存在的問題及方法的思考
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與巖土本構(gòu)關(guān)系研究的進(jìn)展, 支護(hù)系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算法有了新的發(fā)展。用彈塑性力學(xué)理論分析圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元程序迅速普及;邊界元及邊界元與有限元耦合法在隧道工程中的應(yīng)用也有不少成果; 用于裂隙巖體的塊體理論和離散元理論也編出了相應(yīng)的程序。計(jì)算技術(shù)與數(shù)學(xué)方法的介入,使我們有可能對地下工程的一些問題進(jìn)行分析與研究。但是研究的方向、途徑、策略手段、工具及其操作程序的選擇系統(tǒng)是否正確則需要我們不斷探討。
圍巖的工程特性是什么? 如何描述? 它與人工支護(hù)體的相互作用特征怎樣? 這些基礎(chǔ)問題至今仍然困擾著我們,未得到解決。誠然,計(jì)算技術(shù)與數(shù)學(xué)方法為我們提供了廣闊的應(yīng)用空間,其成熟程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地下工程基礎(chǔ)理論的成熟程度,這種極大的反差本身就啟示著我們研究工作的重點(diǎn),這是我們不可回避的事實(shí)。因此,我認(rèn)為作為以應(yīng)用技術(shù)為主的工程技術(shù)人員,在處理工程技術(shù)問題中,應(yīng)調(diào)整好研究問題的重心,不必在繁瑣的計(jì)算問題上糾纏不休,而忽視了簡單而有效的方法。在地下工程穩(wěn)定問題的分析中,如果不把巖體的地質(zhì)特征搞清楚, 那么任何精確的計(jì)算等于無用。
圍巖穩(wěn)定性分析中存在基礎(chǔ)理論不成熟、失穩(wěn)判據(jù)難以確定、思維方式禁錮等問題。現(xiàn)分析如下:
3 . 1 數(shù)值分析模型缺少基礎(chǔ)理論支持穩(wěn)定分析的意義在于預(yù)測未來。目前在施工階段圍巖穩(wěn)定性預(yù)測中廣泛采用的是二元(時(shí)間與位移,或時(shí)間與應(yīng)力) 原型預(yù)測的方法,監(jiān)測數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計(jì)分析建立回歸模型,根據(jù)回歸模型進(jìn)行穩(wěn)定性預(yù)測。即采樣、回歸模型參數(shù)的統(tǒng)計(jì)推斷、未來趨勢預(yù)測的方法。對這種模式的進(jìn)一步分析可以看出: 這種方法的基本思路是建立在隨機(jī)事件的概率統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上,而普遍采用的模型是一維(二維),呈正態(tài)分布的概率模型,這樣的簡化也許是預(yù)測問題所不能接受的。主要表現(xiàn)在以下幾方面:
(1) 回歸統(tǒng)計(jì)的概率模型過于簡單: 施工信息反饋中監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的處理方式通常是采用回歸統(tǒng)計(jì)的方法。這種根據(jù)變形發(fā)展趨勢預(yù)測圍巖(支護(hù)結(jié)構(gòu)) 穩(wěn)定性的方法中隱含了簡單整數(shù)維,呈正態(tài)分布(其參數(shù)隨時(shí)間而變) 的概率模型。這是以時(shí)間可逆性為前提的簡單維的建模過程,它沒有反映序的概念,這與地質(zhì)體的不可逆時(shí)間序列是不吻合的,近似過程過于簡單。每組量測數(shù)據(jù)是統(tǒng)計(jì)分析的一個(gè)樣本,而這些樣本的取樣條件(如時(shí)間、空間、工程環(huán)境、施工方法等) 是不相同的,將這種不同采用不恰當(dāng)?shù)姆椒?等同視之) 處理,用確定性的回歸參數(shù)進(jìn)行處理,這種取樣策略及處理方法本身就隱藏著概率模型參數(shù)推斷上的誤差甚至錯(cuò)誤。
(2) 位移反分析力學(xué)模型的假設(shè)缺少理論支持: 位移反分析是用某種固定的變形模式去推斷巖體力學(xué)參數(shù)的方法。它按照一定的規(guī)則,逐次改變側(cè)壓力系數(shù)及等效彈模E 的值,從而使斷面特征點(diǎn)— 收斂(位移) 點(diǎn)的分析值相應(yīng)改變,使其接近實(shí)測值, 在一定的計(jì)算精度下確定出反分析結(jié)果,即圍巖的視在力學(xué)參數(shù)。這是一種通過實(shí)測位移值進(jìn)行試湊修正的過程。其力學(xué)模型是基于固體力學(xué)理論建立的(如彈性模型、彈-塑性模型、粘-彈-塑性模型等),它首先假設(shè)了圍巖的變形規(guī)律。而這一規(guī)律的研究還處于尚未成功的時(shí)期,巖體的本構(gòu)關(guān)系、噴錨支護(hù)的機(jī)理、開挖系統(tǒng)的控制理論等問題均未得到解決。在這樣的條件下而無視工程地質(zhì)、施工條件的復(fù)雜多變及其難以準(zhǔn)確描述的現(xiàn)實(shí),糾纏于繁雜的計(jì)算及精確性的追求中,無異于取小棄大,事倍而功半。
(3) 模型試驗(yàn)尚難以實(shí)現(xiàn)時(shí)空模擬:地下工程圍巖穩(wěn)定性問題的研究始終與模型試驗(yàn)相伴隨,模型與實(shí)際工程問題的相似性是模型試驗(yàn)解決問題的關(guān)鍵。從模型材料及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造到模擬尺度、開挖步序、施工工藝等無不包含著諸多難以解決的問題。如:今年4 月通過國家鑒定的“溪洛渡水電站廠房洞室群的高仿真度三維模型試驗(yàn)研究成果〔1〕雖然在模型材料、模擬尺度、加載與控制系統(tǒng)、高精度開挖及位移(變形) 監(jiān)測系統(tǒng)等方面集中體現(xiàn)了國際上領(lǐng)先技術(shù),為工程實(shí)施提供了參考,但仍然存在在時(shí)間模擬尺度上的缺憾,而時(shí)間的模擬遠(yuǎn)較其他幾項(xiàng)模擬內(nèi)容難度更大。然而,地下工程圍巖穩(wěn)定性分析的一個(gè)很重要的內(nèi)容即是與時(shí)間有關(guān)的巖體特性的分布與變化。
另外,模擬參數(shù)越多,模擬理論越精細(xì),模擬試驗(yàn)的復(fù)雜程度就越高,實(shí)現(xiàn)難度也越大。加之大尺度模擬試驗(yàn)耗資巨大,難以大量進(jìn)行。這導(dǎo)致模型試驗(yàn)只能作為重大工程決策參考的依據(jù)之一。
(4) 圍巖承載特征曲線的測量難以實(shí)現(xiàn):特征曲線法也稱收斂-約束法,其基本原理是利用巖體特征曲線和支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線交會(huì)的辦法來決定支護(hù)體系的最佳平衡條件。這種方法的關(guān)鍵是合理確定這兩條曲線的基本性質(zhì)及其相互作用時(shí)的變化,如圍巖變形的特征曲線難以實(shí)測。這種方法在概念上是明確的,但實(shí)踐起來則涉及了諸多的問題,有的甚至是目前還難以解決的問題。這些問題仍然來自于地下工程圍巖穩(wěn)定分析的諸多影響因素及其復(fù)雜性。
綜上所述,巖體力學(xué)基礎(chǔ)理論的不成熟成為地下工程圍巖穩(wěn)定分析方法目前還難以擺脫經(jīng)驗(yàn)與工程類比方法的主要原因。
3. 2 失穩(wěn)判據(jù)難以確定多年來,對地下工程圍巖穩(wěn)定性問題,失穩(wěn)判據(jù)的確定始終沒有得到很好地解決。現(xiàn)行的規(guī)范TB10003 -2001 中,圍巖穩(wěn)定性是以極限凈空相對位移值或允許收斂速率的形式給出的〔2〕,當(dāng)實(shí)測的位移值超出此值時(shí)即視為不穩(wěn)定。這些作為判定標(biāo)準(zhǔn)的“極限位移是在“新奧法施工中監(jiān)控量測的實(shí)踐基礎(chǔ)上經(jīng)分析得出的經(jīng)驗(yàn)值,工況條件的差異、量測誤差等必然使其帶有顯著的定性使用的特點(diǎn),在實(shí)際使用中有悖上述標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象也時(shí)常出現(xiàn):有的軟弱圍巖當(dāng)變形值超出規(guī)范允許值數(shù)倍仍未發(fā)生失穩(wěn);(尤其是) 在淺埋隧道中,有的變形尚未達(dá)到允許值卻發(fā)生了坍塌。此外,由于統(tǒng)計(jì)分析的原因,用于穩(wěn)定性分析的有效量測數(shù)據(jù)滯后,使不穩(wěn)定地層的穩(wěn)定性分析難以真正服務(wù)于實(shí)施量測的工程。查閱國內(nèi)外有關(guān)圍巖穩(wěn)定性判據(jù)的規(guī)范,大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)均是以定性的方式給出的,部分定量指標(biāo)通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)資料得出。這一狀況表明,在實(shí)際應(yīng)用中,設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)管理基準(zhǔn)值時(shí)難以用數(shù)值方式表示。
3. 3 思維方式的禁錮在巖石力學(xué)界對“新奧法的理論意義和實(shí)用價(jià)值一直存在著兩種不同的認(rèn)識(shí)。一種傾向于肯定, 即強(qiáng)調(diào)隧道工程的實(shí)際可能和需要;一種傾向于否定,堅(jiān)持力學(xué)概念的清晰性與數(shù)學(xué)求解的嚴(yán)密性,認(rèn)為“新奧法缺乏明確的理論支持〔3〕。從十余年的實(shí)踐中,據(jù)圍巖變形量測的可靠資料進(jìn)行位移反分析的隧道工程所占的比例仍然很小,這一技術(shù)的應(yīng)用受到了極大的挑戰(zhàn)。數(shù)值分析專家主張?jiān)趲r石力學(xué)數(shù)值分析方面需要發(fā)展,但絕不能離開力學(xué)原理與方法;而隧道工程師們則認(rèn)為數(shù)值計(jì)算的理論假設(shè)與實(shí)際巖體相差很大,對圍巖穩(wěn)定性影響很大的施工條件在計(jì)算中難以反映,進(jìn)行大量原位測試以取得計(jì)算所需參數(shù)條件難以滿足,計(jì)算誤差的范圍、可信度無把握。希望能研制出適合隧道工程具體條件的、能夠普及應(yīng)用的、誤差有明確范圍的圍巖穩(wěn)定分析的方法和程序。多年來, 單純強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)和定量表述的巖石力學(xué)常規(guī)分析方法在隧道工程中未能得到普及應(yīng)用,這似乎應(yīng)從科學(xué)方法論的高度來審視這個(gè)問題。
現(xiàn)在的巖石力學(xué)正在從確定性研究轉(zhuǎn)向非確定性方法研究的過程中。
〔4〕。興起于20 世紀(jì)90 年代的開挖系統(tǒng)控制論主張“ 巖土工程不是人為現(xiàn)象工程(雖然它也人工開挖的),而屬于自然現(xiàn)象工程,它主要受到地質(zhì)環(huán)境的控制,工程與地質(zhì)是一個(gè)不可分割的系統(tǒng)”。地下工程是復(fù)雜的系統(tǒng)工程、巖體的“ 記憶”性、施工過程是對這一復(fù)雜系統(tǒng)的控制過程, 這三點(diǎn)成為這一新興理論的主要觀點(diǎn)。它是一種建立在系統(tǒng)論、信息論、控制論基礎(chǔ)上的新的思維方式。它使我們的研究有了更大、更廣闊的空間。
研究者們指出:地下工程問題是一個(gè)非確定性的問題,它從認(rèn)識(shí)論的角度注解了以往諸多預(yù)測圍巖穩(wěn)定性的方法難以獲得普及與理論上的突破性進(jìn)展的原因,即存在一個(gè)對問題的認(rèn)識(shí)與方法局限性甚至錯(cuò)誤的問題。關(guān)于這一點(diǎn),很值得我們認(rèn)真思考,以盡可能使我們的工作有一個(gè)明確的方向和正確的方法。
既然圍巖是一個(gè)自然體,在其間的開挖與支護(hù)等工程問題是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)問題,它不可能用簡單的數(shù)學(xué)方法和物理學(xué)方法加以解決,那么,是否其穩(wěn)定性問題的預(yù)測就是不可知的呢? 回答是否定的。問題的關(guān)鍵是找出導(dǎo)致工程穩(wěn)定問題的“ 吸引子”。它是一切影響地下工程穩(wěn)定性因素運(yùn)動(dòng)趨向的中心,關(guān)于這方面的工作,已經(jīng)有了一些探索〔5〕。
目前,信息化施工與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)已廣泛采用,但多采用常規(guī)確定性概率統(tǒng)計(jì)的方法處理,對大量信息資料的分析成果只可用于短期的預(yù)測,這種時(shí)間尺度是難以達(dá)到預(yù)測應(yīng)用的需求尺度的。出路在于對問題整體上的理解,從新的視角及更加廣泛的領(lǐng)域去吸納有益于地下工程穩(wěn)定性預(yù)測的理論與方法, 為我所用,相信在地下工程圍巖穩(wěn)定性預(yù)測方面將會(huì)有所發(fā)現(xiàn)。
4 結(jié) 論
對圍巖穩(wěn)定分析方法的選擇應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):
(1) 地下工程的復(fù)雜性:在地下工程的研究中非常重要而又常被忘卻的是地質(zhì)特征的研究是否充分,力學(xué)分析的表述是否適當(dāng)。這需要研究者始終保持一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)和正確的方法。隨著巖石力學(xué)研究的深入以及工程實(shí)踐的積累,隧道力學(xué)的發(fā)展似乎進(jìn)入了思維方式轉(zhuǎn)變的時(shí)代。在隧道力學(xué)與工程界引入系統(tǒng)科學(xué)的原理和方法,提高我們對隧道力學(xué)與隧道工程這一復(fù)雜系統(tǒng)從總體上的認(rèn)識(shí)和控制能力,解決隧道圍巖穩(wěn)定分析的普及應(yīng)用問題,這無疑是一個(gè)長期而又艱苦的過程,它需要幾代人的努力。
(2) 因地制宜選擇方法:克服一味追求精確、復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算,地下工程圍巖穩(wěn)定分析的關(guān)鍵在于對工程問題的深刻理解和全面的考慮。對于工程技術(shù)人員來說,找準(zhǔn)影響特定工程穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題, 確定穩(wěn)定分析的目標(biāo),在現(xiàn)有的分析方法中選取簡單、適宜的方法,從整體上加以分析并從措施與工藝上加以保障,穩(wěn)定分析的工程意義會(huì)更為有價(jià)值。
對于監(jiān)控量測工作,需要的不僅是對數(shù)據(jù)的量取及處理,更重要的是掌握量測值與施工狀況間存在的關(guān)系分析。這需要對量測目的、量測技術(shù)的可靠性、量測值對工程各階段的作用、工程施工特性與環(huán)境特點(diǎn)、甚至組織管理水平等有全面的掌握才能使監(jiān)控量測工作產(chǎn)生應(yīng)有的作用。
(3) 探索新的方法需要解放思想:地下工程的基礎(chǔ)理論研究與應(yīng)用研究幾乎同步進(jìn)行,且至今仍遠(yuǎn)未達(dá)到成熟的程度,這就需要我們年輕的研究人員用系統(tǒng)的、復(fù)雜的、未知的眼光和方法去探索;用一種沒有約束的思維去思考、去實(shí)踐才能有所建樹。
