理論研究和工程實踐表明: 工程地質系統是開放的復雜巨系統，工程地質學隸屬于以歸納和演繹方法組成的“將今論古”方法論為主導的地質科學范疇，是綜合性很強的基礎應用型學科。這要求工程地質學家從系統學出發評價工程地質條件( 崔政權， 1992; 楊志法， 1993; 黃潤秋等，1997) ，所用主要思路和方法是綜合。新近提出的大成綜合理論( Meta-synthesis) ( 王思敬，2011) ，標志著工程地質綜合已達到科學思維的高度抽象階段。

 

  現在很多情況下地質工程規劃已不僅僅局限于原來的“地質選線”。施工速度、方法和高新技術快速發展，已難以做到完全避讓大規模不良地質體( 斷層破碎帶、風化槽囊、天然洞穴、接觸蝕變帶、膨脹巖土、軟弱夾層等) ，其任務已由工程地質條件評價，逐步發展到對施工地質災害的預測預報和綜合防治，目的是為動態設計和信息化施工提供地質依據。因此工程地質學進一步發展很大程度上取決于綜合性的動態變化理論和方法創新。

 

  在對工程地質學的三大學派( 結構論、成因論和系統論) 學習和跟蹤基礎上，結合作者近些年來施工地質災害咨詢研究，發現不同于工程前期地質勘察和設計階段對巖體結構的靜態把握和認識，諸多施工地質災害背后隱藏著一個科學命題應是巖體結構的動態變化和調整。巖體調整好了( 加以適當工程干預) 則工程安全穩定，否則會出現塌方、巖爆、大變形和突涌水等一系列施工地質災害。換句話說巖體有自我恢復調整能力( 這也是現代地下工程中采用以監控量測、適時支護為主導的新奧法的主要原因) ，工程的加固和干預更多的是對地質體變化的適應和補強。因此，有必要考慮自然和工程疊加情況下地質體的“演化”。作為關鍵內因的地質結構，尤其是與工程尺度相關的巖體結構，在施工爆破開挖等工程擾動作用下，發生了強烈的動態變化，所以其控制變形破壞的作用，在現代大規模快速施工條件下，更多地表現在巖體結構的動態控制上。

 

  本文在工程地質學理論研究和施工地質災害預報以及防治經驗總結基礎上，提出了工程地質多因素相互作用關系分析法EGI ( Engineering GeologicalInteraction ) 和巖體結構動態控制觀DDC( Discontinuity Dynamic Controlling) ，以期拋磚引玉，引發討論，共同促進工程地質學的進一步發展。

 

  1 工程地質分析的多因素綜合性

 

  綜合有關詞典和書籍中的定義: 分析( analyze)是將事物、現象、概念分門別類，離析出本質及其內在聯系。綜合( synthesize) 是把分析過的對象或現象的各個部分、各屬性聯合成一個統一整體。學術界討論研究方法分類時常提及分析法和綜合法。人們常把分析法理解為把研究對象“拆分”成幾個部分，再研究這幾個部分。綜合是“合并”。一般情況下分析和綜合法同時使用，但為思維過程方便，探討時常將其分開討論( 張巨青，1987) 。表現在思維方式上，東西方區別很大。西方分析是把事物越分越細; 東方綜合的核心是強調普遍聯系，注重整體概念。表現在人與自然關系上，就是人與自然為一整體、人天相愛的“天人合一”( 季羨林，2006) 。

 

  “綜合”并不僅僅只是把拆分的東西簡單地合并在一起。分析過程中發現了用現有理論解釋不了的現象。為解釋這一現象大腦通過類比聯想獲得某種靈感，或做出某種假設，或引入相關學科中某些定律，或發現了現有理論某些不足。這樣，通過引進假設或定律豐富原有理論，或發現現有理論不足而加以改進。康德有名的問題就是先天綜合命題如何能夠產生新知識，如果把想象、靈感和直覺加進來，新知識的產生就不難解釋了。新知識產生于高度綜合過程之中，它的認識成果遠超出原有通過分析而取得的許多局部性認識的總和。如一個工程地質學家要對一塊不良地質體中的巖土做分析，要有化學和巖土礦物理論知識，再據理論準備實驗試劑和儀器。

 

  把這塊樣品制備成樣后，就用儀器和試劑來測定。

 

  如只是簡單測定，把巖土化學和礦物成分及結構確定下來就行了。此即巖土成分分析，通常可為工程地質專家的經驗性、綜合性的判斷，提供一些必要的依據。但是這種經驗性判斷并不能產生新的科學知識。

 

  如果工程地質學家在測試過程中發現了較大異常或幾種測試結果難以比對的現象，他首先需對這些作出某種解釋。而這時的解釋主要是猜測性的。

 

  做完猜測，他就會依據猜測中的內容重選一些試劑或采取一些新方法等。這樣或許能對自己的猜測做出驗證。這一過程中通常的“分析”不能完全解決問題了，新的綜合過程就開始了。工程地質學家驗證自己的猜測后，首先會檢查測試方法、儀器正常與否。如確定這些都正常，那么這個得到驗證的猜測就是新知識，或是一種新物質結構被發現，或是一種試劑擴大了使用范圍，或是某些儀器得到了新的操作使用方法。新知識就在這一過程中產生了。

 

  工程地質學需將地質體與工程的相互作用加以綜合全面的認識和評價，要解巖土介質、能量、信息、時間和空間五大變量的方程式。如何建立并驗證其正確性? 這是困擾多年的復雜性問題。綜合研究思路和方法是工程地質學研究的特點和主流，只有用綜合法而不是簡單分析法，才可逐漸接近解決這個問題。從巖體工程地質力學角度看，內因是巖體物質和結構，而其中關鍵是結構，因相對工程而言物質( 化學、礦物、巖石) 成分相對變化慢，或者說較穩定，可忽略成分變化( 化學改造和加固除外) ，從而有了影響深遠的巖體結構控制論( 谷德振，1979) 。

 

  這是從綜合對比角度，抓住了主要矛盾而得出的。

 

  從典型信息法( PTA) ( 李世煇，1991) 、工程地質類比法( 楊志法等，1997) 、系統工程地質學( 崔政權，1992) 和廣義系統分析觀( 黃潤秋等， 1997) 、工程地質力學綜合集成方法論( EGMS) ( 楊志法，1993) ，到工程地質學大成綜合理論( 王思敬，2011) ，反映出工程地質學綜合理論和方法在不斷向更高階段發展，它們為作出合理可靠決策，乃至超出常規突破性決策提供了理論依據。

 

  在解決工程地質問題過程中，結合對復雜地質體監測和測試，形成了工程地質學一些經驗準則和判據，如變形速率比值判據( 閾值0. 05) ( 李世煇，2002) ，優先確定、監測和加固突破口觀點，便于工程應用的智能化位移反分析、位移時空綜合分析法，綜合加固度和綜合損害度、加固需求度( DRD)( Yang Zhifa et al． ，2006) 等，形成了一種能從空間、時間上評價地質損害程度或工程加固效果的實用方法，即從綜合性動態變化角度( 如變形體系) 對巖體強度準則( 破壞判據) 補充和外延。

 

  2 從認識地質體自然屬性到積極調控

 

  工程地質勘察階段性、研究范圍相對性和分析對象復雜性，決定了工作方法從定性到定量、精度從低向高的螺旋式上升過程。從規劃、可研階段，針對大范圍、較高層次的因素分析，更側重于結合工程目標和需求的綜合分析和把握( 圖1) 。越是工作早期階段，綜合的作用尤甚，在很大程度上決定著地質工程選址和規劃的成敗，影響著后續工程詳細設計和施工的科學合理性，具備了相當的戰略意義。

 

  勘察階段的“三分勘察、七分經驗”決定了分析的局限性和經驗的有效性，成功的經驗很大程度上是依靠綜合，這也成為系統論多依靠經驗而作出工程地質條件綜合評價的緣由。成功的經驗并不能表示其決策已達到問題的上限而無需優化，失敗的教訓也并不意味著決策達到問題的下限而未必安全( 王思敬，2011) 。局部的、個別實例研究結果和認識可上升為本領域專家群體的經驗，同樣也使專家的知識領域不斷豐富和拓展。分析問題和方法相對比較單一和具體化，發展得相對比較成熟，但是綜合較難。

 

  邊坡工程穩定性評價方面的綜合方法

 

  有一些( 尚彥軍，1997) ，但普適好的卻不多。綜合判斷和方法更多的是借助于理論、經驗和實測三大支柱的集成，說明了綜合理論發展較難。這也是當下工程地質學面臨著創新發展的大好機遇和嚴重挑戰的緣由。例如，巖體結構分類已由原來的整體塊狀、層狀、碎裂和散體4 類結構，發展到了節理狀、層狀和碎裂3 類結構 ，建立了一套對應的物理力學屬性和工程巖體穩定性的判別原理，并綜合對比指出了碎裂巖體( cataclastic rockmass) 一般構成工程場地最差的部位( 不良地質體) ，成為工程成敗的關鍵問題( 王思敬， 2009) 。這樣早期的巖體結構力學思想得到了不斷概括凝煉，進一步說明了創新來自于實質性的綜合。

 

  如果說國內工程地質學界曾有結構論、成因論和系統( 經驗) 論三個不同學派的話，那么現在它們更多的是走向融合，由早期工程地質條件評價和分區( 空間差) ，到監測為必要手段的實時預報和適時治理( 時間差) ( 許兵等，2004) ，現在到和諧調控的認識理念，這一過程也說明了由主要因素的分析到整體認識的綜合研究發展歷程。實際上三種觀點的圖2 工程地質學一些基本理論觀點發展概略圖Fig． 2 Flow chart showing development of some theoretical points in engineering geology融合交叉一直沒中斷過，存在互補互長的長期積累發展過程( 圖2) 。工程地質學若干理論和工作方法正在被淘汰和改革，但地質演化思維仍應得到繼承和發揚( 王思敬，2007) 。2010 年在第11 屆國際工程地質大會( 11th IAEG ) 上，geological model、geological assessment 和risk management 成為了出現頻數最高的詞，也反映了對地質綜合的重視和回歸。

 

  在工程地質學迅猛發展的今天，大成綜合理論的提出起到了先導性的作用，值得全面深入研究。

 

  這里的綜合不同于單純的簡單可分解的數理化式的理論綜合，而是由理論、經驗和監測三大支柱結合，借助現代計算機工具和信息技術而構成的現代意義上的綜合，是從定性到定量的綜合。對工程地質問題，不求某點、某時刻的精確，但求概略定量( “概”意指可能性大，“略”即粗略) 。這個特點曾被概括為“胸中有全局，手中有典型”( 李世煇，1999) 。精細的某時某點的定量，從全局和綜合理論看，既無可能，也不必要。某種程度上說，一個好的工程地質學家應類似于一個專家組，也是由上述特點決定的。

 

  3 工程地質多因素相互作用

 

  關系分析法( EGI)

 

  分析和綜合不是截然對立和分開的，其間便捷

 

  橋梁似應是( 多因素) 相互作用關系分析。地質、工程、施工和環境這四類因素組成了地質工程復雜巨系統。依據EGMS，選出主要影響因素、構建相互作用關系矩陣、線性運算得到因素權重，現場賦值計算得到指標結果，此即工程地質多因素相互作用分析法( EGI) 。其中因素的篩選和權重是重要的基礎，相關關系的賦值來自現場觀察、經驗和室內分析測試等三個方面，需要綜合給出。EGI 是一個具體體現了綜合的可操作方法，可視為分析與綜合間的可以實達的聯結紐帶。

 

  對施工地質災害中多層次復雜影響因素，在綜合集方法論EGMS 基礎上提出的EGI，依據工程目標和服務對象的不同，可量化為工程地質分區指標( EZI) 、綜合適宜性指標( CSI) 等，用于表達復雜工程地質條件評價結果，利于空間上的安全避讓，對可能的方案進行綜合量化對比，或圈定地質體突破口以便于對監測系統優化。指標CSI 被用于定量比選十三陵抽水蓄能電站3 條線路和2 個地下廠房方案，其計算結果與實際工程依靠專家綜合分析實施結果的一致性很好( Shang et al． ，2000) 。

 

  同一層次影響因素( X、Y、Z) 篩選和權重計算構成了第( 1) ～ 第( 4) 步，而結合現場工程地質條件給予相應活躍強度賦值構成了第( 5) 步。最后兩者結合起來，計算得出EZI 指標結果，此即第( 6) 步。關于該EZI 方法和指標的具體工程應用，可參考有關文獻( Shang et al． ，2000; 尚彥軍等，2004) 。這些綜合分析和量化指標的提出，是針對一定區域范圍和時間段內地質條件分析評價。如涉及多種工程地質因素作用動態變化，就要考慮其時效性問題。

 

  4 巖體結構動態控制觀( DDC)

 

  4． 1 DDC 提出的必然性

 

  借助3S( RS、GPS 和GIS) 技術和地球物理勘探技術等，地質結構空間范圍相對容易圈定，而地質災害的時間預測方面則困難較大。對地質災害地點，我們可以圈定斷層、不良地質體分布范圍和特征來開展分區和大空間尺度預測，而其發生時間則因受眾多因素影響而難以實施精細預報。雖然有關施工地質災害暴露出的有科學、工程和管理及施工質量等方面問題，而實際中采用諸如以天預報地、專群結合、群測群防等方法策略，很大程度上反映出相對于高度發達的分析方法和理論而言，綜合理論研究相對滯后。這說明對復雜地質體的變形破壞預報這一綜合性問題，單靠理論和經驗已不足以有效解決問題，還需要加強動態監測和信息反饋。同時對有關監測變量的正負性和波動性，進行歸一化和無量綱化處理等。隨勘察研究階段深入，新信息不斷補充，揭露地質情況更多，借助施工中的位移反分析等方法，得到更符合施工條件下的巖土宏觀特征，再帶入進行正算，其預測結果會更接近地質工程實際，其結果正確性的基礎和前提是對巖體結構的控制作用的正確認識。

 

  實際上，巖體結構從來不是靜止而是動態變化著的。一方面它有自身的演化規律( 從長期緩慢的隆升、風化和剝蝕，到較快速的地震破壞和常見的暴雨型崩滑流災害) ，還有施工中小范圍局部變化( 即施工擾動結果) ，而后者是一個巖體本身被動適應性調整，乃至出現大變形和破壞的強烈變化過程。那么巖體結構控制作用就應該是動態的，靜態控制作用是暫時的、相對的。所以，對前輩創立的巖體結構控制論，隨著大規模快速施工發展中遇到的問題復雜化和數量增多，有必要明確強調其動態特性，在此提出巖體結構動態控制觀DDC  。

 

  DDC 依據是影響地質體穩定的關鍵內因依然是巖體結構，它隨著自然時間演化和工程作用不斷產生“次生”調整變化。其意義在于更深入認識巖體結構隨時間變化其控制作用的方式、強度，以及不同級別、不同時期結構的作用比重處在動態調整變化中。其目的是充分認識掌握巖體結構，最充分利用其自然特性，減少和控制人為活動對結構的破壞和轉化作用。以其調整( 地質體自身適應和工程適當調整) 為主，合理控制( 工程加固、堵排水) 為輔。

 

  新奧法以及地質工程所提倡的地下工程中充分利用巖體自穩的能力，估量因結構變化所帶來的一定范圍巖體強度和變形參數，即是對巖體自身結構變化調整后，再施加一定工程輔助措施助其達到合理平衡的深入認識。

 

  4． 2 DDC 機理分析

 

  DDC 來源于室內試驗和現場觀測。對軟弱巖石變形破壞過程中結構變化實時觀測，結合CT 技術開展了強風化和全風化花崗巖三軸力學CT 掃描實驗，得到了在加載初期巖樣中出現較均勻的損傷和屈服，而加載到接近峰值時沿結構面破壞突現，峰值及峰后破壞顯示為塊體碎裂化特征，說明了滯后破壞的細觀特征( 王思敬，2009) 。大量工程實踐中可觀測到，在大規模工程施工擾動作用下，巖體結構格架和類型發生了變化，促成了巖體結構的劣化和復雜化。在大量工程施工中已經觀測到大變形速率和滲流急增異常，掌子面后方發生突水突氣( 如瓦斯) 或塌方( 工程上俗稱“被關門”) 的滯后破壞現象。也就不難理解設計中常用應力強度準則計算地質工程載荷穩定性，而施工過程中普遍采用變形監控而實現對過程的掌握和干預。合理的解釋應是巖體結構動態變化調整所帶來影響的結果。這從因果關系邏輯推理上比較容易理解巖體結構動態控制觀的形成過程和其被提出的科學合理性。

 

  勘察、設計和施工開挖后地質條件的認識和評價、圍巖類別都會出現一定的差異，其中有工作程度和分辨率的問題，更有施工不同工況和步序中巖體結構在不同應力邊界條件下動態變化和調整。

 

  4． 3 DDC 實現途徑

 

  DDC 的實現途徑可概略分為四步: 一分區、二抓( 不良地質)體、三監測、四調控，也即從不良地質體的空間辨識到破壞時間預測的工作重點的轉移。

 

  首先空間上依據EGI 對工程地質條件進行評價和分區。這是區域工程地質主要工作內容，也是工程前期地質條件綜合性研究結果。

 

  然后依據地質結構分布和分區情況，圈劃出不良地質體的類型和分布，如褶皺核部、斷層破碎帶、風化囊、接觸蝕變帶、構造轉折或急變帶部位所發育的似層狀碎裂結構體產狀和規模。這部分典型的不良地質體( 內因) ，是構成工程地質問題甚或災害的主體。這部分延伸，可到圈定突破口的位置和范圍，推測可能的破壞形式及影響程度。不良地質體與工程相互作用，有些是自然條件下地質作用速度的急劇加快或減緩，如近溝谷區工程開挖加劇了斜坡巖體的剝蝕卸荷作用，隧道工程開挖松動圈的出現，形成了新的地應力和地下水轉移調整的通道。有些是作用類型和方式的改變，如原來的壓性結構面，開挖后重分布應力場中轉化為了剪切面或張裂面。原來是隔水層，開挖后由于新生裂隙發育，成為了透水層，等不良地質體內因和不利環境外因，如深部高地應力、水頭、地溫等，組合在一起時，往往會在這樣的部位形成突破口。關鍵工作是超前地質預報，要有不同范圍尺度和工作階段的地質預測預報，從勘察階段的較大尺度區段的概略性預測，到掌子面前方一定范圍的施工預報，要充分考慮工程施工對地質體的擾動，以及巖體結構的中短期動態變化過程和階段性。

 

  接著就是結合現場監測資料分析，反演得到工程擾動作用下“次生”地質結構體的力學參數，如變形模量Es、側壓系數λ。帶入相關力學模型進行計算分析和穩定性評價。這個過程從上斷面開挖一開始，到初期支護、二次支護，可多次循環進行。對不良地質體，實際監測斷面布設有一定困難時，要注意同鄰近區段的地質編錄和定性觀測結合起來。空間上重點監測可能的突破口，時間上對變形拐點和閾值進行研究和預警。

 

  再就是結合工程重要性和地質環境敏感性，進行風險分析和決策支持系統構建，確定對不良地質體改造的方式和程度。這對設計很重要，是調整洞型和施工方案，還是加大支護或排水力度? 如對烏鞘嶺隧道遇到的地質條件極其復雜的F7斷層段，施工過程中方案有很大的變更，采用了開挖斷面適當調整，避免連接部位折角; 調整爆破參數，減小對圍巖擾動; 縮短臺階長度，采用超短臺階法施工等措施，就是“調”的一個很好例證( 張麗芳，2008) 。

 

  最后是將工程壽命和地質體演化階段相結合，對地質工程適當加固維護。即將自然條件下地質體必然變化或破壞的時間推遲到工程壽命達到后，最合理地利用“時間差”。

 

  遵循這一思路，采用多因素相互作用關系分析法( EGI) 、綜合超前地質預報法、反演正算穩定性評價法等動態分析方法，來實施不同設計和施工階段的定性和定量綜合。為實現地質工程與環境和諧的最終目標，需采用過程監控基礎上科學調控( 調為主、控為輔) 思想，實施對不良地質體的超前預處理、高地應力提前釋放、勤量測和短進尺方法技術等。

 

  5 地質工程實例

 

  以恒山變質巖區某隧道工程為例，說明上述DDC 觀點和綜合方法的實施情況和意義。

 

  該隧道全長14km，單洞雙線，走向近SN，洞形為橢圓形，跨度約13. 5m，高度約11. 4m，最大埋深為802m。前期地質勘察結果和施工中遇到的實際情況有較大出入，出現多處塌方、突涌水等施工地質災害，原設計方案也不得不作出相當大的調整和變更。通過對現場工程地質條件評價和事故調查，在對多種地質和工程因素的EGI 分析基礎上，認為地應力和似層狀碎裂結構巖體( 云母片巖、糜棱巖、風化巖) 、燕山構造運動是關鍵地質因素。開挖卸荷和地形、構造接觸蝕變是次要因素。參照圖3 所示的流程圖，對這6 個因素建立相互作用關系矩陣，運算得到其權重。結合工程現場因素活躍程度，計算出工程地質分區指標EZI。依該指標值，得到隧道工程地質分區結果。面對復雜地質條件和施工地質災害，得到如下認識:

 

  ( 1) 隧道軸線方向多按有利于其穩定的平行最大主應力方向布設，而現代構造應力場方向( 30°)與一定深度下構造殘余應力( 300°) 差別大。隧道軸線與現代最大地應力方向近于平行，但實際開挖時發現其與殘余最大構造應力近于垂直，開挖強卸荷誘發了構造應力的快速釋放，產生了塌方和突涌水等一系列施工地質災害。

 

  ( 2) 燕山運動影響巨大，原來壓性結構面向張扭性轉化，可見到新鮮斷層泥和構造透鏡體。工程開挖卸荷過程中，緊閉的片麻理面( 總體產狀168∠50) 趨于松動張開，導水性增強。

 

  ( 3) 片麻巖中存在軟弱夾層和泥質條帶，構造隆升條件下其地表風化剝蝕掉而出露堅硬巖體，地表風化和蝕變的差別易被忽視，而使得對地下工程開挖中影響到巖體完整性和穩定性的蝕變破碎情況認識不足。地下施工中出現碎裂巖突涌水和層間剪切大變形或塌方。

 

  ( 4) 相對于其西側埋深小300m、跨度小1 倍的另一近平行公路隧道，古生代碳酸巖類向斜與五臺群片麻巖中地應力方向同樣發生了近90°偏轉( 郜玉蘭等， 2005) ，其大規模開挖臨空面的出現和體積損失為變形破壞提供了更多空間，深卸荷擾動促使巖體結構向碎裂張開方向發展，即層狀結構和塊狀結構更多地變化為了似層狀碎裂結構巖體這一不良地質體，增加了滲流通道和增大了對支護壓力，產生了較多施工地質災害，且表現出一定滯后( 掌子面后方數十米) 破壞的特點。

 

  上述研究結果得到了設計和施工單位的高度認可，工作中進一步重視了綜合超前地質預報工作，對不良地質體中的斷層破碎帶采用了超前小導管注漿、管棚支護等工程處理措施( 尚彥軍?) 。整個工程地質調查過程和新認識的取得，應是工程地質綜合性的一個縮影，也是DDC 觀點指導下一次有益的地質工程實踐活動。

 

  6 結語

 

  結合工程地質條件評價和地質災害預測，采用多因素相互作用關系分析法EGI，對多種影響因素關系的篩選分析和權重賦值，量化工程地質條件評價結果，以及將監測結果與施工調控更緊密結合，應是工程地質研究有效方法之一。

 

  作為大成綜合理論的具體化，巖體結構動態控制觀( DDC) 可豐富發展巖體結構控制論的內涵和適用范圍，繼承與發揚地質演化思維的綜合方法原理模型研究。以施工地質災害的時間預測和治理為重點，不同層次和階段的多因素相互作用研究為基本內容，采用動態的綜合，以和諧調控為手段，實現環境友好為目標，工程地質將獲得長足發展。