摘 要 通過對地下工程圍巖穩定性分析的歷史回顧及在工程實踐中存在問題的分析,闡述在地下工程圍巖穩定性分析中應避免追求精確的計算,提倡探索新的研究思想與研究方法。
地下工程的穩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、突發巖爆、支護折斷等都是圍巖不穩定的顯現。但從永久性地下建筑物及地下空間利用的類型看,由于使用要求或標準不同,穩定性的定義就會有差異。圍巖穩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定分析中;模型試驗方法,多用于重要的難以用現場試驗方法解決的復雜工程;數值分析法,基于某種力學模型和分析理論對圍巖進行穩定性分析的方法,是目前應用較廣泛的一種分析方法,它根據力學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,在地下工程施工領域中,存在著一種傾向,即追求高精度的數值計算及數學方法的深奧,花了大量的精力、財力和時間去從事復雜而繁瑣的數值計算,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
地下工程涉及到地理與地質環境因素、工程因素、社會經濟水平、材料科學發展水平、施工過程控制水平以及地下工程在國民經濟中的地位等因素。地理與地質環境本身就是復雜的,它是天然的介質(涉及地應力、地下水、巖性、地質結構、地質構造),很少有地質條件完全相同的兩個工程;工程因素則是指工程規模、斷面形狀與尺寸、施工技術、過程控制、環境控制、工程材料、人、機、料的協調水平等。工作面在時間和空間上的動態性,技術發展的歷史性均增加了地下工程的復雜程度。巖石這種特殊的材料組成和結構的復雜性,還遠遠沒有被人們認識透,它遠不像金屬等均質材料那樣簡單。這種狀況導致了開挖技術的理論研究至今只能停留在簡單的結構分析和孤立的固體力學和數值分析的領域。
地下工程的地理與地質環境、投資水平、設計水平、承建者的技術與管理水平等諸多因素都與工程的成敗有聯系,它們相互作用、相互滲透、相互影響、相互制約。因此,必須用系統的方法去解決地下工程問題。限于傳統確定性思維方式的單純、精確的力學與數學分析方法已無法解決穩定分析在隧道工程設計施工中的普及應用問題。理論研究和工程實踐表明,要想解決巖石力學在隧道工程設計與施工中的普及問題,單純應用力學、數學的理論分析是行不通的,必須從隧道工程實際出發,以系統概念為指導,依靠原型觀測資料的驗證與反饋,走理論分析與經驗分析相結合的道路。
2 地下工程圍巖穩定分析及支護設計方法回顧
20 世紀70 年代末,“ 新奧法”引入我國后,使人們對隧道設計理論有了認識上的飛躍,人們認識到: 支護結構和圍巖是一個受力的整體,隧道支護設計需要考慮的問題已經不僅僅局限于支護結構體本身的強度和穩定性,而是要將眼光更多地投向圍巖,要充分發揮圍巖的自撐能力,并將圍巖與支護結構有機地統一在結構穩定性與經濟性的合理水平上。
概率極限狀態和可靠度設計方法在地面結構中的成功應用,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構設計的研究中。各高校聯合攻關,經過可行性研究階段和基礎性研究階段,到20 世紀90 年代中期,以“ 荷載-結構”模式為主的一般地區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構的可靠度設計方法已達實用程度。1999 年發布的《鐵路隧道設計規范》( TB10003 -99) 中已采用這一成果。在現行《鐵路隧道設計規范》TB10003 -2001 中仍在應用。
支護結構設計方法主要有:概率極限狀態法;荷載-結構模式計算法; 經驗類比法; 巖石力學計算法。
對這些方法的進一步了解可知: 前3 種方法是以往及今后一段時間內的主流設計方法,它是以前人工程實踐的經驗為基礎,通過統計分析的方法得出的荷載計算模式或經驗式,在材料強度理論的基礎上,經過賦予可靠性指標或安全系數得以實際應用。這些經驗式是在成千的工程實例基礎上得出的,從統計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長一段時間內的主流設計方法。這種方法具有簡單、快速、易掌握的特點,已成為事實上地下工程支護設計與結構穩定分析的主流方法。但是,應該看到這些經驗式的產生過程不可避免地存在著許多不嚴密之處,如樣本采集的技術很大程度上不能完全滿足概率抽樣的要求,樣本的統計數量也難以保證。因此,前提條件的不滿足(采樣過程) 形成的嚴密的數值推論結果顯然不能期望獲得與實際工程的高符合度的結論,據此進行的穩定性預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質、探索其科學道理的角度看, 必須進行巖土工程理論的研究,一個沒有堅實理論支持的學科注定是沒有前程的。目前的工作無疑將有利于基礎理論的形成,在基礎研究取得突破性進展時,圍巖穩定性分析才能有一個堅實的理論基礎, 地下工程的設計及穩定性預測也才能期望像地表工程那樣得以很好地把握。
第4 類方法即巖石力學計算法。這種方法已不再依靠任何一種荷載假定,而是依靠結構與巖體之間的相互作用,是圍巖穩定分析的主要方法。在這類方法中目前得到應用的有:特征曲線法(收斂—約束法);剪切滑移破壞法; 數值分析法( 有限元法) 。這種方法的一個重要特點是強調了圍巖與支護共同作用的思想,并在設計與穩定分析中加以體現。這一點也正是這種方法較前述方法的進步之處。其設計(穩定分析) 過程是:以經驗為基礎的初步設計,在施工中獲取圍巖及支護穩定信息,反饋設計這樣一種螺旋上升的設計(穩定分析) 優化過程,它與前述3 種方法是不同的。但稍加分析后可知,其方法的基礎均離不開建立工程問題模型,它是一切工作的關鍵所在。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,陸續有一些這方面的成果出現,其中仍有許多基礎性問題,甚至在方法論層次上的問題還沒有解決,還遠未達到廣泛應用的程度。
3 對圍巖穩定分析存在的問題及方法的思考
隨著計算機技術與巖土本構關系研究的進展, 支護系統的數值計算法有了新的發展。用彈塑性力學理論分析圍巖和支護結構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的程序。計算技術與數學方法的介入,使我們有可能對地下工程的一些問題進行分析與研究。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? 它與人工支護體的相互作用特征怎樣? 這些基礎問題至今仍然困擾著我們,未得到解決。誠然,計算技術與數學方法為我們提供了廣闊的應用空間,其成熟程度遠遠大于地下工程基礎理論的成熟程度,這種極大的反差本身就啟示著我們研究工作的重點,這是我們不可回避的事實。因此,我認為作為以應用技術為主的工程技術人員,在處理工程技術問題中,應調整好研究問題的重心,不必在繁瑣的計算問題上糾纏不休,而忽視了簡單而有效的方法。在地下工程穩定問題的分析中,如果不把巖體的地質特征搞清楚, 那么任何精確的計算等于無用。
圍巖穩定性分析中存在基礎理論不成熟、失穩判據難以確定、思維方式禁錮等問題。現分析如下:
3 . 1 數值分析模型缺少基礎理論支持穩定分析的意義在于預測未來。目前在施工階段圍巖穩定性預測中廣泛采用的是二元(時間與位移,或時間與應力) 原型預測的方法,監測數據通過統計分析建立回歸模型,根據回歸模型進行穩定性預測。即采樣、回歸模型參數的統計推斷、未來趨勢預測的方法。對這種模式的進一步分析可以看出: 這種方法的基本思路是建立在隨機事件的概率統計基礎上,而普遍采用的模型是一維(二維),呈正態分布的概率模型,這樣的簡化也許是預測問題所不能接受的。主要表現在以下幾方面:
(1) 回歸統計的概率模型過于簡單: 施工信息反饋中監控量測數據的處理方式通常是采用回歸統計的方法。這種根據變形發展趨勢預測圍巖(支護結構) 穩定性的方法中隱含了簡單整數維,呈正態分布(其參數隨時間而變) 的概率模型。這是以時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,這與地質體的不可逆時間序列是不吻合的,近似過程過于簡單。每組量測數據是統計分析的一個樣本,而這些樣本的取樣條件(如時間、空間、工程環境、施工方法等) 是不相同的,將這種不同采用不恰當的方法(等同視之) 處理,用確定性的回歸參數進行處理,這種取樣策略及處理方法本身就隱藏著概率模型參數推斷上的誤差甚至錯誤。
(2) 位移反分析力學模型的假設缺少理論支持: 位移反分析是用某種固定的變形模式去推斷巖體力學參數的方法。它按照一定的規則,逐次改變側壓力系數及等效彈模E 的值,從而使斷面特征點— 收斂(位移) 點的分析值相應改變,使其接近實測值, 在一定的計算精度下確定出反分析結果,即圍巖的視在力學參數。這是一種通過實測位移值進行試湊修正的過程。其力學模型是基于固體力學理論建立的(如彈性模型、彈-塑性模型、粘-彈-塑性模型等),它首先假設了圍巖的變形規律。而這一規律的研究還處于尚未成功的時期,巖體的本構關系、噴錨支護的機理、開挖系統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、施工條件的復雜多變及其難以準確描述的現實,糾纏于繁雜的計算及精確性的追求中,無異于取小棄大,事倍而功半。
(3) 模型試驗尚難以實現時空模擬:地下工程圍巖穩定性問題的研究始終與模型試驗相伴隨,模型與實際工程問題的相似性是模型試驗解決問題的關鍵。從模型材料及其結構構造到模擬尺度、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研究成果〔1〕雖然在模型材料、模擬尺度、加載與控制系統、高精度開挖及位移(變形) 監測系統等方面集中體現了國際上領先技術,為工程實施提供了參考,但仍然存在在時間模擬尺度上的缺憾,而時間的模擬遠較其他幾項模擬內容難度更大。然而,地下工程圍巖穩定性分析的一個很重要的內容即是與時間有關的巖體特性的分布與變化。
另外,模擬參數越多,模擬理論越精細,模擬試驗的復雜程度就越高,實現難度也越大。加之大尺度模擬試驗耗資巨大,難以大量進行。這導致模型試驗只能作為重大工程決策參考的依據之一。
(4) 圍巖承載特征曲線的測量難以實現: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結構特征曲線交會的辦法來決定支護體系的最佳平衡條件。這種方法的關鍵是合理確定這兩條曲線的基本性質及其相互作用時的變化,如圍巖變形的特征曲線難以實測。這種方法在概念上是明確的,但實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定分析的諸多影響因素及其復雜性。
綜上所述,巖體力學基礎理論的不成熟成為地下工程圍巖穩定分析方法目前還難以擺脫經驗與工程類比方法的主要原因。
3. 2 失穩判據難以確定多年來,對地下工程圍巖穩定性問題,失穩判據的確定始終沒有得到很好地解決。現行的規范TB10003 -2001 中,圍巖穩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〕,當實測的位移值超出此值時即視為不穩定。這些作為判定標準的“極限位移是在“新奧法施工中監控量測的實踐基礎上經分析得出的經驗值,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,在實際使用中有悖上述標準的現象也時常出現:有的軟弱圍巖當變形值超出規范允許值數倍仍未發生失穩;(尤其是) 在淺埋隧道中,有的變形尚未達到允許值卻發生了坍塌。此外,由于統計分析的原因,用于穩定性分析的有效量測數據滯后,使不穩定地層的穩定性分析難以真正服務于實施量測的工程。查閱國內外有關圍巖穩定性判據的規范,大多數標準均是以定性的方式給出的,部分定量指標通常根據經驗和統計資料得出。這一狀況表明,在實際應用中,設定標準管理基準值時難以用數值方式表示。
3. 3 思維方式的禁錮在巖石力學界對“新奧法的理論意義和實用價值一直存在著兩種不同的認識。一種傾向于肯定, 即強調隧道工程的實際可能和需要;一種傾向于否定,堅持力學概念的清晰性與數學求解的嚴密性,認為“新奧法缺乏明確的理論支持〔3〕。從十余年的實踐中,據圍巖變形量測的可靠資料進行位移反分析的隧道工程所占的比例仍然很小,這一技術的應用受到了極大的挑戰。數值分析專家主張在巖石力學數值分析方面需要發展,但絕不能離開力學原理與方法;而隧道工程師們則認為數值計算的理論假設與實際巖體相差很大,對圍巖穩定性影響很大的施工條件在計算中難以反映,進行大量原位測試以取得計算所需參數條件難以滿足,計算誤差的范圍、可信度無把握。希望能研制出適合隧道工程具體條件的、能夠普及應用的、誤差有明確范圍的圍巖穩定分析的方法和程序。多年來, 單純強調實驗和定量表述的巖石力學常規分析方法在隧道工程中未能得到普及應用,這似乎應從科學方法論的高度來審視這個問題。
現在的巖石力學正在從確定性研究轉向非確定性方法研究的過程中。
〔4〕。興起于20 世紀90 年代的開挖系統控制論主張“ 巖土工程不是人為現象工程(雖然它也人工開挖的),而屬于自然現象工程,它主要受到地質環境的控制,工程與地質是一個不可分割的系統”。地下工程是復雜的系統工程、巖體的“ 記憶”性、施工過程是對這一復雜系統的控制過程, 這三點成為這一新興理論的主要觀點。它是一種建立在系統論、信息論、控制論基礎上的新的思維方式。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非確定性的問題,它從認識論的角度注解了以往諸多預測圍巖穩定性的方法難以獲得普及與理論上的突破性進展的原因,即存在一個對問題的認識與方法局限性甚至錯誤的問題。關于這一點,很值得我們認真思考,以盡可能使我們的工作有一個明確的方向和正確的方法。
既然圍巖是一個自然體,在其間的開挖與支護等工程問題是一個復雜系統問題,它不可能用簡單的數學方法和物理學方法加以解決,那么,是否其穩定性問題的預測就是不可知的呢? 回答是否定的。問題的關鍵是找出導致工程穩定問題的“ 吸引子”。它是一切影響地下工程穩定性因素運動趨向的中心,關于這方面的工作,已經有了一些探索〔5〕。
目前,信息化施工與動態設計已廣泛采用,但多采用常規確定性概率統計的方法處理,對大量信息資料的分析成果只可用于短期的預測,這種時間尺度是難以達到預測應用的需求尺度的。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域去吸納有益于地下工程穩定性預測的理論與方法, 為我所用,相信在地下工程圍巖穩定性預測方面將會有所發現。
4 結 論
對圍巖穩定分析方法的選擇應考慮以下幾點:
(1) 地下工程的復雜性:在地下工程的研究中非常重要而又常被忘卻的是地質特征的研究是否充分,力學分析的表述是否適當。這需要研究者始終保持一個清晰的認識和正確的方法。隨著巖石力學研究的深入以及工程實踐的積累,隧道力學的發展似乎進入了思維方式轉變的時代。在隧道力學與工程界引入系統科學的原理和方法,提高我們對隧道力學與隧道工程這一復雜系統從總體上的認識和控制能力,解決隧道圍巖穩定分析的普及應用問題,這無疑是一個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、復雜的數學計算,地下工程圍巖穩定分析的關鍵在于對工程問題的深刻理解和全面的考慮。對于工程技術人員來說,找準影響特定工程穩定性的關鍵問題, 確定穩定分析的目標,在現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,穩定分析的工程意義會更為有價值。
對于監控量測工作,需要的不僅是對數據的量取及處理,更重要的是掌握量測值與施工狀況間存在的關系分析。這需要對量測目的、量測技術的可靠性、量測值對工程各階段的作用、工程施工特性與環境特點、甚至組織管理水平等有全面的掌握才能使監控量測工作產生應有的作用。
(3) 探索新的方法需要解放思想:地下工程的基礎理論研究與應用研究幾乎同步進行,且至今仍遠未達到成熟的程度,這就需要我們年輕的研究人員用系統的、復雜的、未知的眼光和方法去探索;用一種沒有約束的思維去思考、去實踐才能有所建樹。
地下工程的穩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、突發巖爆、支護折斷等都是圍巖不穩定的顯現。但從永久性地下建筑物及地下空間利用的類型看,由于使用要求或標準不同,穩定性的定義就會有差異。圍巖穩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定分析中;模型試驗方法,多用于重要的難以用現場試驗方法解決的復雜工程;數值分析法,基于某種力學模型和分析理論對圍巖進行穩定性分析的方法,是目前應用較廣泛的一種分析方法,它根據力學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,在地下工程施工領域中,存在著一種傾向,即追求高精度的數值計算及數學方法的深奧,花了大量的精力、財力和時間去從事復雜而繁瑣的數值計算,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
地下工程涉及到地理與地質環境因素、工程因素、社會經濟水平、材料科學發展水平、施工過程控制水平以及地下工程在國民經濟中的地位等因素。地理與地質環境本身就是復雜的,它是天然的介質(涉及地應力、地下水、巖性、地質結構、地質構造),很少有地質條件完全相同的兩個工程;工程因素則是指工程規模、斷面形狀與尺寸、施工技術、過程控制、環境控制、工程材料、人、機、料的協調水平等。工作面在時間和空間上的動態性,技術發展的歷史性均增加了地下工程的復雜程度。巖石這種特殊的材料組成和結構的復雜性,還遠遠沒有被人們認識透,它遠不像金屬等均質材料那樣簡單。這種狀況導致了開挖技術的理論研究至今只能停留在簡單的結構分析和孤立的固體力學和數值分析的領域。
地下工程的地理與地質環境、投資水平、設計水平、承建者的技術與管理水平等諸多因素都與工程的成敗有聯系,它們相互作用、相互滲透、相互影響、相互制約。因此,必須用系統的方法去解決地下工程問題。限于傳統確定性思維方式的單純、精確的力學與數學分析方法已無法解決穩定分析在隧道工程設計施工中的普及應用問題。理論研究和工程實踐表明,要想解決巖石力學在隧道工程設計與施工中的普及問題,單純應用力學、數學的理論分析是行不通的,必須從隧道工程實際出發,以系統概念為指導,依靠原型觀測資料的驗證與反饋,走理論分析與經驗分析相結合的道路。
2 地下工程圍巖穩定分析及支護設計方法回顧
20 世紀70 年代末,“ 新奧法”引入我國后,使人們對隧道設計理論有了認識上的飛躍,人們認識到: 支護結構和圍巖是一個受力的整體,隧道支護設計需要考慮的問題已經不僅僅局限于支護結構體本身的強度和穩定性,而是要將眼光更多地投向圍巖,要充分發揮圍巖的自撐能力,并將圍巖與支護結構有機地統一在結構穩定性與經濟性的合理水平上。
概率極限狀態和可靠度設計方法在地面結構中的成功應用,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構設計的研究中。各高校聯合攻關,經過可行性研究階段和基礎性研究階段,到20 世紀90 年代中期,以“ 荷載-結構”模式為主的一般地區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構的可靠度設計方法已達實用程度。1999 年發布的《鐵路隧道設計規范》( TB10003 -99) 中已采用這一成果。在現行《鐵路隧道設計規范》TB10003 -2001 中仍在應用。
支護結構設計方法主要有:概率極限狀態法;荷載-結構模式計算法; 經驗類比法; 巖石力學計算法。
對這些方法的進一步了解可知: 前3 種方法是以往及今后一段時間內的主流設計方法,它是以前人工程實踐的經驗為基礎,通過統計分析的方法得出的荷載計算模式或經驗式,在材料強度理論的基礎上,經過賦予可靠性指標或安全系數得以實際應用。這些經驗式是在成千的工程實例基礎上得出的,從統計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長一段時間內的主流設計方法。這種方法具有簡單、快速、易掌握的特點,已成為事實上地下工程支護設計與結構穩定分析的主流方法。但是,應該看到這些經驗式的產生過程不可避免地存在著許多不嚴密之處,如樣本采集的技術很大程度上不能完全滿足概率抽樣的要求,樣本的統計數量也難以保證。因此,前提條件的不滿足(采樣過程) 形成的嚴密的數值推論結果顯然不能期望獲得與實際工程的高符合度的結論,據此進行的穩定性預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質、探索其科學道理的角度看, 必須進行巖土工程理論的研究,一個沒有堅實理論支持的學科注定是沒有前程的。目前的工作無疑將有利于基礎理論的形成,在基礎研究取得突破性進展時,圍巖穩定性分析才能有一個堅實的理論基礎, 地下工程的設計及穩定性預測也才能期望像地表工程那樣得以很好地把握。
第4 類方法即巖石力學計算法。這種方法已不再依靠任何一種荷載假定,而是依靠結構與巖體之間的相互作用,是圍巖穩定分析的主要方法。在這類方法中目前得到應用的有:特征曲線法(收斂—約束法);剪切滑移破壞法; 數值分析法( 有限元法) 。這種方法的一個重要特點是強調了圍巖與支護共同作用的思想,并在設計與穩定分析中加以體現。這一點也正是這種方法較前述方法的進步之處。其設計(穩定分析) 過程是:以經驗為基礎的初步設計,在施工中獲取圍巖及支護穩定信息,反饋設計這樣一種螺旋上升的設計(穩定分析) 優化過程,它與前述3 種方法是不同的。但稍加分析后可知,其方法的基礎均離不開建立工程問題模型,它是一切工作的關鍵所在。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,陸續有一些這方面的成果出現,其中仍有許多基礎性問題,甚至在方法論層次上的問題還沒有解決,還遠未達到廣泛應用的程度。
3 對圍巖穩定分析存在的問題及方法的思考
隨著計算機技術與巖土本構關系研究的進展, 支護系統的數值計算法有了新的發展。用彈塑性力學理論分析圍巖和支護結構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的程序。計算技術與數學方法的介入,使我們有可能對地下工程的一些問題進行分析與研究。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? 它與人工支護體的相互作用特征怎樣? 這些基礎問題至今仍然困擾著我們,未得到解決。誠然,計算技術與數學方法為我們提供了廣闊的應用空間,其成熟程度遠遠大于地下工程基礎理論的成熟程度,這種極大的反差本身就啟示著我們研究工作的重點,這是我們不可回避的事實。因此,我認為作為以應用技術為主的工程技術人員,在處理工程技術問題中,應調整好研究問題的重心,不必在繁瑣的計算問題上糾纏不休,而忽視了簡單而有效的方法。在地下工程穩定問題的分析中,如果不把巖體的地質特征搞清楚, 那么任何精確的計算等于無用。
圍巖穩定性分析中存在基礎理論不成熟、失穩判據難以確定、思維方式禁錮等問題。現分析如下:
3 . 1 數值分析模型缺少基礎理論支持穩定分析的意義在于預測未來。目前在施工階段圍巖穩定性預測中廣泛采用的是二元(時間與位移,或時間與應力) 原型預測的方法,監測數據通過統計分析建立回歸模型,根據回歸模型進行穩定性預測。即采樣、回歸模型參數的統計推斷、未來趨勢預測的方法。對這種模式的進一步分析可以看出: 這種方法的基本思路是建立在隨機事件的概率統計基礎上,而普遍采用的模型是一維(二維),呈正態分布的概率模型,這樣的簡化也許是預測問題所不能接受的。主要表現在以下幾方面:
(1) 回歸統計的概率模型過于簡單: 施工信息反饋中監控量測數據的處理方式通常是采用回歸統計的方法。這種根據變形發展趨勢預測圍巖(支護結構) 穩定性的方法中隱含了簡單整數維,呈正態分布(其參數隨時間而變) 的概率模型。這是以時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,這與地質體的不可逆時間序列是不吻合的,近似過程過于簡單。每組量測數據是統計分析的一個樣本,而這些樣本的取樣條件(如時間、空間、工程環境、施工方法等) 是不相同的,將這種不同采用不恰當的方法(等同視之) 處理,用確定性的回歸參數進行處理,這種取樣策略及處理方法本身就隱藏著概率模型參數推斷上的誤差甚至錯誤。
(2) 位移反分析力學模型的假設缺少理論支持: 位移反分析是用某種固定的變形模式去推斷巖體力學參數的方法。它按照一定的規則,逐次改變側壓力系數及等效彈模E 的值,從而使斷面特征點— 收斂(位移) 點的分析值相應改變,使其接近實測值, 在一定的計算精度下確定出反分析結果,即圍巖的視在力學參數。這是一種通過實測位移值進行試湊修正的過程。其力學模型是基于固體力學理論建立的(如彈性模型、彈-塑性模型、粘-彈-塑性模型等),它首先假設了圍巖的變形規律。而這一規律的研究還處于尚未成功的時期,巖體的本構關系、噴錨支護的機理、開挖系統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、施工條件的復雜多變及其難以準確描述的現實,糾纏于繁雜的計算及精確性的追求中,無異于取小棄大,事倍而功半。
(3) 模型試驗尚難以實現時空模擬:地下工程圍巖穩定性問題的研究始終與模型試驗相伴隨,模型與實際工程問題的相似性是模型試驗解決問題的關鍵。從模型材料及其結構構造到模擬尺度、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研究成果〔1〕雖然在模型材料、模擬尺度、加載與控制系統、高精度開挖及位移(變形) 監測系統等方面集中體現了國際上領先技術,為工程實施提供了參考,但仍然存在在時間模擬尺度上的缺憾,而時間的模擬遠較其他幾項模擬內容難度更大。然而,地下工程圍巖穩定性分析的一個很重要的內容即是與時間有關的巖體特性的分布與變化。
另外,模擬參數越多,模擬理論越精細,模擬試驗的復雜程度就越高,實現難度也越大。加之大尺度模擬試驗耗資巨大,難以大量進行。這導致模型試驗只能作為重大工程決策參考的依據之一。
(4) 圍巖承載特征曲線的測量難以實現: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結構特征曲線交會的辦法來決定支護體系的最佳平衡條件。這種方法的關鍵是合理確定這兩條曲線的基本性質及其相互作用時的變化,如圍巖變形的特征曲線難以實測。這種方法在概念上是明確的,但實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定分析的諸多影響因素及其復雜性。
綜上所述,巖體力學基礎理論的不成熟成為地下工程圍巖穩定分析方法目前還難以擺脫經驗與工程類比方法的主要原因。
3. 2 失穩判據難以確定多年來,對地下工程圍巖穩定性問題,失穩判據的確定始終沒有得到很好地解決。現行的規范TB10003 -2001 中,圍巖穩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〕,當實測的位移值超出此值時即視為不穩定。這些作為判定標準的“極限位移是在“新奧法施工中監控量測的實踐基礎上經分析得出的經驗值,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,在實際使用中有悖上述標準的現象也時常出現:有的軟弱圍巖當變形值超出規范允許值數倍仍未發生失穩;(尤其是) 在淺埋隧道中,有的變形尚未達到允許值卻發生了坍塌。此外,由于統計分析的原因,用于穩定性分析的有效量測數據滯后,使不穩定地層的穩定性分析難以真正服務于實施量測的工程。查閱國內外有關圍巖穩定性判據的規范,大多數標準均是以定性的方式給出的,部分定量指標通常根據經驗和統計資料得出。這一狀況表明,在實際應用中,設定標準管理基準值時難以用數值方式表示。
3. 3 思維方式的禁錮在巖石力學界對“新奧法的理論意義和實用價值一直存在著兩種不同的認識。一種傾向于肯定, 即強調隧道工程的實際可能和需要;一種傾向于否定,堅持力學概念的清晰性與數學求解的嚴密性,認為“新奧法缺乏明確的理論支持〔3〕。從十余年的實踐中,據圍巖變形量測的可靠資料進行位移反分析的隧道工程所占的比例仍然很小,這一技術的應用受到了極大的挑戰。數值分析專家主張在巖石力學數值分析方面需要發展,但絕不能離開力學原理與方法;而隧道工程師們則認為數值計算的理論假設與實際巖體相差很大,對圍巖穩定性影響很大的施工條件在計算中難以反映,進行大量原位測試以取得計算所需參數條件難以滿足,計算誤差的范圍、可信度無把握。希望能研制出適合隧道工程具體條件的、能夠普及應用的、誤差有明確范圍的圍巖穩定分析的方法和程序。多年來, 單純強調實驗和定量表述的巖石力學常規分析方法在隧道工程中未能得到普及應用,這似乎應從科學方法論的高度來審視這個問題。
現在的巖石力學正在從確定性研究轉向非確定性方法研究的過程中。
〔4〕。興起于20 世紀90 年代的開挖系統控制論主張“ 巖土工程不是人為現象工程(雖然它也人工開挖的),而屬于自然現象工程,它主要受到地質環境的控制,工程與地質是一個不可分割的系統”。地下工程是復雜的系統工程、巖體的“ 記憶”性、施工過程是對這一復雜系統的控制過程, 這三點成為這一新興理論的主要觀點。它是一種建立在系統論、信息論、控制論基礎上的新的思維方式。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非確定性的問題,它從認識論的角度注解了以往諸多預測圍巖穩定性的方法難以獲得普及與理論上的突破性進展的原因,即存在一個對問題的認識與方法局限性甚至錯誤的問題。關于這一點,很值得我們認真思考,以盡可能使我們的工作有一個明確的方向和正確的方法。
既然圍巖是一個自然體,在其間的開挖與支護等工程問題是一個復雜系統問題,它不可能用簡單的數學方法和物理學方法加以解決,那么,是否其穩定性問題的預測就是不可知的呢? 回答是否定的。問題的關鍵是找出導致工程穩定問題的“ 吸引子”。它是一切影響地下工程穩定性因素運動趨向的中心,關于這方面的工作,已經有了一些探索〔5〕。
目前,信息化施工與動態設計已廣泛采用,但多采用常規確定性概率統計的方法處理,對大量信息資料的分析成果只可用于短期的預測,這種時間尺度是難以達到預測應用的需求尺度的。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域去吸納有益于地下工程穩定性預測的理論與方法, 為我所用,相信在地下工程圍巖穩定性預測方面將會有所發現。
4 結 論
對圍巖穩定分析方法的選擇應考慮以下幾點:
(1) 地下工程的復雜性:在地下工程的研究中非常重要而又常被忘卻的是地質特征的研究是否充分,力學分析的表述是否適當。這需要研究者始終保持一個清晰的認識和正確的方法。隨著巖石力學研究的深入以及工程實踐的積累,隧道力學的發展似乎進入了思維方式轉變的時代。在隧道力學與工程界引入系統科學的原理和方法,提高我們對隧道力學與隧道工程這一復雜系統從總體上的認識和控制能力,解決隧道圍巖穩定分析的普及應用問題,這無疑是一個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、復雜的數學計算,地下工程圍巖穩定分析的關鍵在于對工程問題的深刻理解和全面的考慮。對于工程技術人員來說,找準影響特定工程穩定性的關鍵問題, 確定穩定分析的目標,在現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,穩定分析的工程意義會更為有價值。
對于監控量測工作,需要的不僅是對數據的量取及處理,更重要的是掌握量測值與施工狀況間存在的關系分析。這需要對量測目的、量測技術的可靠性、量測值對工程各階段的作用、工程施工特性與環境特點、甚至組織管理水平等有全面的掌握才能使監控量測工作產生應有的作用。
(3) 探索新的方法需要解放思想:地下工程的基礎理論研究與應用研究幾乎同步進行,且至今仍遠未達到成熟的程度,這就需要我們年輕的研究人員用系統的、復雜的、未知的眼光和方法去探索;用一種沒有約束的思維去思考、去實踐才能有所建樹。
