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,由于使用要求或標準不同,穩(wěn)定性的定義就會有差異。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;模型試驗方法,多用于重要的難以用現(xiàn)場試驗方法解決的復雜工程;數(shù)值分析法,基于某種力學模型和分析理論對圍巖進行穩(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)值計算及數(shù)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(shù)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(zhì)環(huán)境因素、工程因素、社會經(jīng)濟水平、材料科學發(fā)展水平、施工過程控制水平以及地下工程在國民經(jīng)濟中的地位等因素。地理與地質(zhì)環(huán)境本身就是復雜的,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、料的協(xié)調(diào)水平等。工作面在時間和空間上的動態(tài)性,技術(shù)發(fā)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(jié)構(gòu)的復雜性,還遠遠沒有被人們認識透,它遠不像金屬等均質(zhì)材料那樣簡單。這種狀況導致了開挖技術(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、精確的力學與數(shù)學分析方法已無法解決穩(wěn)定分析在隧道工程設(shè)計施工中的普及應(yīng)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(shè)計與施工中的普及問題,單純應(yīng)用力學、數(shù)學的理論分析是行不通的,必須從隧道工程實際出發(fā),以系統(tǒng)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(jīng)驗分析相結(jié)合的道路。
2 地下工程圍巖穩(wěn)定分析及支護設(shè)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(shè)計理論有了認識上的飛躍,人們認識到: 支護結(jié)構(gòu)和圍巖是一個受力的整體,隧道支護設(shè)計需要考慮的問題已經(jīng)不僅僅局限于支護結(jié)構(gòu)體本身的強度和穩(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,并將圍巖與支護結(jié)構(gòu)有機地統(tǒng)一在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與經(jīng)濟性的合理水平上。
概率極限狀態(tài)和可靠度設(shè)計方法在地面結(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)計方法已達實用程度。1999 年發(fā)布的《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》( TB10003 -99) 中已采用這一成果。在現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》TB10003 -2001 中仍在應(yīng)用。
支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法主要有:概率極限狀態(tài)法;荷載-結(jié)構(gòu)模式計算法; 經(jīng)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(nèi)的主流設(shè)計方法,它是以前人工程實踐的經(jīng)驗為基礎(chǔ),通過統(tǒng)計分析的方法得出的荷載計算模式或經(jīng)驗式,在材料強度理論的基礎(chǔ)上,經(jīng)過賦予可靠性指標或安全系數(shù)得以實際應(yīng)用。這些經(jīng)驗式是在成千的工程實例基礎(chǔ)上得出的,從統(tǒng)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(nèi)的主流設(shè)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(shè)計與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的主流方法。但是,應(yīng)該看到這些經(jīng)驗式的產(chǎn)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(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) 形成的嚴密的數(shù)值推論結(jié)果顯然不能期望獲得與實際工程的高符合度的結(jié)論,據(jù)此進行的穩(wěn)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(zhì)、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(chǔ)理論的形成,在基礎(chǔ)研究取得突破性進展時,圍巖穩(wěn)定性分析才能有一個堅實的理論基礎(chǔ), 地下工程的設(shè)計及穩(wěn)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(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) 。這種方法的一個重要特點是強調(diào)了圍巖與支護共同作用的思想,并在設(shè)計與穩(wěn)定分析中加以體現(xiàn)。這一點也正是這種方法較前述方法的進步之處。其設(shè)計(穩(wěn)定分析) 過程是:以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的初步設(shè)計,在施工中獲取圍巖及支護穩(wěn)定信息,反饋設(shè)計這樣一種螺旋上升的設(shè)計(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,還遠未達到廣泛應(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
隨著計算機技術(shù)與巖土本構(gòu)關(guān)系研究的進展, 支護系統(tǒng)的數(shù)值計算法有了新的發(fā)展。用彈塑性力學理論分析圍巖和支護結(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。計算技術(shù)與數(shù)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(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,計算技術(shù)與數(shù)學方法為我們提供了廣闊的應(yīng)用空間,其成熟程度遠遠大于地下工程基礎(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,這是我們不可回避的事實。因此,我認為作為以應(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測未來。目前在施工階段圍巖穩(wěn)定性預測中廣泛采用的是二元(時間與位移,或時間與應(yīng)力) 原型預測的方法,監(jiān)測數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計分析建立回歸模型,根據(jù)回歸模型進行穩(wěn)定性預測。即采樣、回歸模型參數(shù)的統(tǒng)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(tǒng)計基礎(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)計的方法。這種根據(jù)變形發(fā)展趨勢預測圍巖(支護結(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(zhì)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(shù)據(jù)是統(tǒng)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(huán)境、施工方法等) 是不相同的,將這種不同采用不恰當?shù)姆椒?等同視之) 處理,用確定性的回歸參數(shù)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(shù)推斷上的誤差甚至錯誤。
(2) 位移反分析力學模型的假設(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— 收斂(位移) 點的分析值相應(yīng)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(jié)果,即圍巖的視在力學參數(shù)。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(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期,巖體的本構(gòu)關(guān)系、噴錨支護的機理、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)、施工條件的復雜多變及其難以準確描述的現(xiàn)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(xiàn)時空模擬: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(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(nèi)容難度更大。然而,地下工程圍巖穩(wěn)定性分析的一個很重要的內(nèi)容即是與時間有關(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,模擬試驗的復雜程度就越高,實現(xiàn)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(jù)之一。
(4) 圍巖承載特征曲線的測量難以實現(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結(jié)構(gòu)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(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(wěn)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(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〕,當實測的位移值超出此值時即視為不穩(wěn)定。這些作為判定標準的“極限位移是在“新奧法施工中監(jiān)控量測的實踐基礎(chǔ)上經(jīng)分析得出的經(jīng)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(xiàn)象也時常出現(xiàn):有的軟弱圍巖當變形值超出規(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,有的變形尚未達到允許值卻發(fā)生了坍塌。此外,由于統(tǒng)計分析的原因,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)標準均是以定性的方式給出的,部分定量指標通常根據(jù)經(jīng)驗和統(tǒng)計資料得出。這一狀況表明,在實際應(yīng)用中,設(shè)定標準管理基準值時難以用數(shù)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(diào)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(shù)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(jù)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(shù)的應(yīng)用受到了極大的挑戰(zhàn)。數(shù)值分析專家主張在巖石力學數(shù)值分析方面需要發(fā)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(shù)值計算的理論假設(shè)與實際巖體相差很大,對圍巖穩(wěn)定性影響很大的施工條件在計算中難以反映,進行大量原位測試以取得計算所需參數(shù)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(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, 單純強調(diào)實驗和定量表述的巖石力學常規(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)從科學方法論的高度來審視這個問題。
現(xiàn)在的巖石力學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)是一個不可分割的系統(tǒng)”。地下工程是復雜的系統(tǒng)工程、巖體的“ 記憶”性、施工過程是對這一復雜系統(tǒng)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(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(wěn)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(guān)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(tǒng)問題,它不可能用簡單的數(shù)學方法和物理學方法加以解決,那么,是否其穩(wěn)定性問題的預測就是不可知的呢? 回答是否定的。問題的關(guān)鍵是找出導致工程穩(wěn)定問題的“ 吸引子”。它是一切影響地下工程穩(wěn)定性因素運動趨向的中心,關(guān)于這方面的工作,已經(jīng)有了一些探索〔5〕。
目前,信息化施工與動態(tài)設(shè)計已廣泛采用,但多采用常規(guī)確定性概率統(tǒng)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(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)定性預測方面將會有所發(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:
(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(zhì)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(fā)展似乎進入了思維方式轉(zhuǎn)變的時代。在隧道力學與工程界引入系統(tǒng)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(tǒng)從總體上的認識和控制能力,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(shù)學計算,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,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更為有價值。
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、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(tǒng)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(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,由于使用要求或標準不同,穩(wěn)定性的定義就會有差異。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;模型試驗方法,多用于重要的難以用現(xiàn)場試驗方法解決的復雜工程;數(shù)值分析法,基于某種力學模型和分析理論對圍巖進行穩(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)值計算及數(shù)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(shù)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(zhì)環(huán)境因素、工程因素、社會經(jīng)濟水平、材料科學發(fā)展水平、施工過程控制水平以及地下工程在國民經(jīng)濟中的地位等因素。地理與地質(zhì)環(huán)境本身就是復雜的,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、料的協(xié)調(diào)水平等。工作面在時間和空間上的動態(tài)性,技術(shù)發(fā)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(jié)構(gòu)的復雜性,還遠遠沒有被人們認識透,它遠不像金屬等均質(zhì)材料那樣簡單。這種狀況導致了開挖技術(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、精確的力學與數(shù)學分析方法已無法解決穩(wěn)定分析在隧道工程設(shè)計施工中的普及應(yīng)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(shè)計與施工中的普及問題,單純應(yīng)用力學、數(shù)學的理論分析是行不通的,必須從隧道工程實際出發(fā),以系統(tǒng)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(jīng)驗分析相結(jié)合的道路。
2 地下工程圍巖穩(wěn)定分析及支護設(shè)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(shè)計理論有了認識上的飛躍,人們認識到: 支護結(jié)構(gòu)和圍巖是一個受力的整體,隧道支護設(shè)計需要考慮的問題已經(jīng)不僅僅局限于支護結(jié)構(gòu)體本身的強度和穩(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,并將圍巖與支護結(jié)構(gòu)有機地統(tǒng)一在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與經(jīng)濟性的合理水平上。
概率極限狀態(tài)和可靠度設(shè)計方法在地面結(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)計方法已達實用程度。1999 年發(fā)布的《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》( TB10003 -99) 中已采用這一成果。在現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》TB10003 -2001 中仍在應(yīng)用。
支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法主要有:概率極限狀態(tài)法;荷載-結(jié)構(gòu)模式計算法; 經(jīng)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(nèi)的主流設(shè)計方法,它是以前人工程實踐的經(jīng)驗為基礎(chǔ),通過統(tǒng)計分析的方法得出的荷載計算模式或經(jīng)驗式,在材料強度理論的基礎(chǔ)上,經(jīng)過賦予可靠性指標或安全系數(shù)得以實際應(yīng)用。這些經(jīng)驗式是在成千的工程實例基礎(chǔ)上得出的,從統(tǒng)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(nèi)的主流設(shè)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(shè)計與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的主流方法。但是,應(yīng)該看到這些經(jīng)驗式的產(chǎn)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(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) 形成的嚴密的數(shù)值推論結(jié)果顯然不能期望獲得與實際工程的高符合度的結(jié)論,據(jù)此進行的穩(wěn)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(zhì)、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(chǔ)理論的形成,在基礎(chǔ)研究取得突破性進展時,圍巖穩(wěn)定性分析才能有一個堅實的理論基礎(chǔ), 地下工程的設(shè)計及穩(wěn)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(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) 。這種方法的一個重要特點是強調(diào)了圍巖與支護共同作用的思想,并在設(shè)計與穩(wěn)定分析中加以體現(xiàn)。這一點也正是這種方法較前述方法的進步之處。其設(shè)計(穩(wěn)定分析) 過程是:以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的初步設(shè)計,在施工中獲取圍巖及支護穩(wěn)定信息,反饋設(shè)計這樣一種螺旋上升的設(shè)計(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,還遠未達到廣泛應(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
隨著計算機技術(shù)與巖土本構(gòu)關(guān)系研究的進展, 支護系統(tǒng)的數(shù)值計算法有了新的發(fā)展。用彈塑性力學理論分析圍巖和支護結(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。計算技術(shù)與數(shù)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(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,計算技術(shù)與數(shù)學方法為我們提供了廣闊的應(yīng)用空間,其成熟程度遠遠大于地下工程基礎(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,這是我們不可回避的事實。因此,我認為作為以應(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測未來。目前在施工階段圍巖穩(wěn)定性預測中廣泛采用的是二元(時間與位移,或時間與應(yīng)力) 原型預測的方法,監(jiān)測數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計分析建立回歸模型,根據(jù)回歸模型進行穩(wěn)定性預測。即采樣、回歸模型參數(shù)的統(tǒng)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(tǒng)計基礎(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)計的方法。這種根據(jù)變形發(fā)展趨勢預測圍巖(支護結(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(zhì)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(shù)據(jù)是統(tǒng)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(huán)境、施工方法等) 是不相同的,將這種不同采用不恰當?shù)姆椒?等同視之) 處理,用確定性的回歸參數(shù)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(shù)推斷上的誤差甚至錯誤。
(2) 位移反分析力學模型的假設(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— 收斂(位移) 點的分析值相應(yīng)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(jié)果,即圍巖的視在力學參數(shù)。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(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期,巖體的本構(gòu)關(guān)系、噴錨支護的機理、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)、施工條件的復雜多變及其難以準確描述的現(xiàn)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(xiàn)時空模擬: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(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(nèi)容難度更大。然而,地下工程圍巖穩(wěn)定性分析的一個很重要的內(nèi)容即是與時間有關(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,模擬試驗的復雜程度就越高,實現(xiàn)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(jù)之一。
(4) 圍巖承載特征曲線的測量難以實現(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結(jié)構(gòu)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(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(wěn)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(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〕,當實測的位移值超出此值時即視為不穩(wěn)定。這些作為判定標準的“極限位移是在“新奧法施工中監(jiān)控量測的實踐基礎(chǔ)上經(jīng)分析得出的經(jīng)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(xiàn)象也時常出現(xiàn):有的軟弱圍巖當變形值超出規(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,有的變形尚未達到允許值卻發(fā)生了坍塌。此外,由于統(tǒng)計分析的原因,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)標準均是以定性的方式給出的,部分定量指標通常根據(jù)經(jīng)驗和統(tǒng)計資料得出。這一狀況表明,在實際應(yīng)用中,設(shè)定標準管理基準值時難以用數(shù)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(diào)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(shù)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(jù)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(shù)的應(yīng)用受到了極大的挑戰(zhàn)。數(shù)值分析專家主張在巖石力學數(shù)值分析方面需要發(fā)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(shù)值計算的理論假設(shè)與實際巖體相差很大,對圍巖穩(wěn)定性影響很大的施工條件在計算中難以反映,進行大量原位測試以取得計算所需參數(shù)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(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, 單純強調(diào)實驗和定量表述的巖石力學常規(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)從科學方法論的高度來審視這個問題。
現(xiàn)在的巖石力學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)是一個不可分割的系統(tǒng)”。地下工程是復雜的系統(tǒng)工程、巖體的“ 記憶”性、施工過程是對這一復雜系統(tǒng)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(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(wěn)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(guān)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(tǒng)問題,它不可能用簡單的數(shù)學方法和物理學方法加以解決,那么,是否其穩(wěn)定性問題的預測就是不可知的呢? 回答是否定的。問題的關(guān)鍵是找出導致工程穩(wěn)定問題的“ 吸引子”。它是一切影響地下工程穩(wěn)定性因素運動趨向的中心,關(guān)于這方面的工作,已經(jīng)有了一些探索〔5〕。
目前,信息化施工與動態(tài)設(shè)計已廣泛采用,但多采用常規(guī)確定性概率統(tǒng)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(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)定性預測方面將會有所發(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:
(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(zhì)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(fā)展似乎進入了思維方式轉(zhuǎn)變的時代。在隧道力學與工程界引入系統(tǒng)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(tǒng)從總體上的認識和控制能力,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(shù)學計算,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,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更為有價值。
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、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(tǒng)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。
