文章来源：中国科学报 发布时间：2014-06-20 

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　　近些年来随国家基础建设和城镇化步伐加快，工程施工过程中发生塌方、突涌水、崩塌和滑坡等地质灾害不断增加，这里不加列举。网络或媒体上不乏质疑乃至声讨之声，常以专家或院士出面解释或发布鉴定结果意见而收场。这些背后隐藏着怎样的问题？如何科学认识施工地质灾害？

　　常言道“上天容易入地难”，那难在何处？不同于气象和航空的基于单一介质——流体的力学作用机制，入地要面临固液气三种介质的力学作用机制，其过程的复杂性和不确定性随之增加。结果是对地下三种介质耦合作用难以精细认识，而工程活动与地质体的相互作用动态复杂性便成了问题的症结所在。

　　这些问题的解决需要工程地质、岩土力学、结构设计、施工管理等学科专业技术人员共同思考和讨论。这里将人类工程建设实施中引发的地质灾害称为施工地质灾害，其以工程地质问题的基本属性和工程事故的表现形式而区别于常见地质灾害的物理地质现象基本属性和自然灾害的表现形式。在对一些施工地质灾害的现场考察、理论分析和工程防治实施结果反馈等基础上，试着回答上述问题背后的一些需要澄清的科学问题。

　　三个层次的问题 

　　毋庸置疑，施工地质灾害产生的背后，不同程度地存在着三个层次的问题：科学问题、技术问题和管理问题。

　　科学问题是隐含的或超出现有常规经验和规范手册的，技术问题是所采用的施工方法和机械设备是否与地质体匹配、安全而高效，而管理问题多表现为表面和直接。很多情况下这三个层次的问题不是孤立出现，而往往交叉在一起。

　　在地质复杂而难以全部认清、工程类型新或规模大而对地质条件有较高要求情况下，工程与地质体相互作用及变形破坏的滞后性，已成为目前研究的热门科学问题，尤其是地质工程的长期强度和深部力学行为更是研究中所面临的两大难题。

　　在探测技术、动态监控技术方面还存在一些辨识精度、动态变化实时监控不足等问题。这也是促成我国近年来地质工程领域大量专利纷纷研制出笼的动力所在。至于管理问题，在地质条件简单而工程很常规的情况下，出现的施工灾害不应是地质灾害。一味地以地质条件复杂性为由为自己申辩，就不再是技术问题而是推托责任了，需要严格监督和改正管理的疏忽或漏洞。

　　一旦出事故或方案变更，就往往轮到地质勘察者挨打板子；在不加深入调查的情况下就认为地质条件复杂，甚至在没有给予查明的情况下，就让地质勘察者承担了全部责任，这点需要给予客观公正的认识和评判。

　　工程岩体力学三要素独特性 

　　与工民建相比，工程岩体力学三要素，即材料、结构和应力都有着复杂而多变的特点。

　　岩土体材料是经历了万亿年沧海桑田的地质历史而形成，表现出很大的材料非均质性；经过不同火成、水成和变质等环境的塑造和内外动力地质作用的改造，不同规模尺度、地质学特征和力学性质的断层、节理等结构面使地质结构表现出非均质性和各向异性等特色。

　　多期次构造运动使地质体具有了应力记忆，表现出不同深度、不同时间段地应力方向和大小的变化，而工程施工爆破、地震的发生、卸荷开挖等，又产生了二次应力场。地下渗流、温度场以及因各种原因形成的裂隙和空洞也参与了作用。

　　在此还要指出的是，工程轴线、最大地应力方向与控制性结构面之间存在多种复杂组合关系，在规划设计时往往难以全部满足它们的最佳匹配。在不同组合和埋深条件下有可能出现各种问题，一定条件下还将导致地质灾害的发生。

　　地质演化长期性与施工扰动 

　　短时性和时间差 

　　地质体本身是漫长地质历史时期的产物，其物质成分的非均质性、结构的各向异性、地应力的时空变化性都是长期地质演化的结果。自然界削高填平等夷平过程是大自然的发展趋势，而地震、火山、海啸等动力地质作用所造就的山崩地裂、陆地变迁和形貌改观，则是自然界力量的展现形式。

　　这些主要矛盾或力量靠现有人类活动或工程去抵御或防治是不现实的，代价会极其高昂，最好的解决方法是空间上合理避让和时间上预测预警。在现有土地资源日益紧张而最好的地段大多已被原有工程所占据的情况下，现在大规模工程不断向原来条件不尽理想的地区拓展，施工开挖和堵排水等对地质体的改造和扰动作用在很短时间内就可以完成并出现有利或不利结果。

　　地质演化的长期性、降雨或地震的短时爆发性、工程施工扰动的瞬时性，使得这些不同周期变化的作用叠加，并出现局部叠加放大或相互抑制的情况。这些是按照常规静态规划设计所难以认识和解决的问题。因此，需要用发展的眼光、时间差的观点（采取工程措施使地质体不在工程寿命期限内发生灾变）来分析，运用动态调控技术来解决。

　　工程岩体属性及作用两面性 

　　工程岩体是指承载工程荷载和变形破坏的围岩体，但也包括部分因工程开挖后需运出的弃碴。

　　为认识它的变形破坏模式，需要进行工程地质条件分析，而分析的结果也是开挖和支护设计的依据。

　　一方面，加强岩体有效爆破技术的研究，使开挖效果优化；另一方面，又需防止其过分破坏扰动，从而增加围岩变形破坏风险，提高支护费用和成本。因此在工程建设中要兼顾工程岩体开挖施工的难易程度和在施工过程中如何加强对工程围岩体的保护等两方面问题。显然，从规划设计到施工，都需要运用系统工程理论和方法进行多学科、跨部门的综合定性、定量分析，尤其是风险分析（Risk analysis）或性能评估（PA, Performance Assessment），以便对在不良地质体中修建的工程设施的风险进行充分认识和评估，并在此基础上综合确定施工方案、预防或降低施工地质灾害的风险，同时使工程方案最优、最大程度地实现工程目标。

　　地质勘察和预报的尺度及阶段性 

　　国内外都有工程地质勘察规范，在不同的设计阶段前分别要依据有关规范进行初勘、详勘和施工勘察，并为此制定相应的勘察范围、内容和精度等标准，开展相应的地质条件探查和研究。

　　从初勘、详勘到施工，对工程地质问题乃至施工地质灾害进行大尺度、中尺度和施工阶段中小尺度的预测和超前预报是很有必要的。这样才能更好地开展工程地质分区、圈划出不良地质体分布、评价岩体质量、修订施工方案等工作。地质勘察业界内常说的“三分勘察、七分经验”，不仅说明了实物勘察工作的重要性和作用的局限性，而且也表明从业人员所积累的经验和区域变化特征的把握的重要性。

　　专业分工细化与专家经验片面和有限性 

　　在相应行业中，专家经验来自于大量的地质工程实践，包括成功的和失败的。但大量工程建设并不能保证类似工程建设就一定会成功，失败工程教训也难免不会重演。

　　工程地质学家王思敬院士曾指出，成功的经验不一定是最优的结果，失败的教训也不一定是最坏的情况。在很多情况下我国专业分工过细，很大程度上限制了专家分析问题的综合性而带来认识上的片面性。

　　不同部门不同专业的专家因从事工作地区和接触工程类型不同，其所积累经验有一定的区域和类别上的局限性，尤其是在地质条件复杂地区而工程要求又高的情况下，多专业多学科专家的共同讨论和主动进行学术交流是必需的，而在某些情况下仍然出现的事故，也就成为了业界所需共同缴纳的学费。

　　科学选取和权重划分 

　　从系统科学观点看，地质、工程结构、设备、技术人员、管理者等组成了地质工程的开放的复杂巨系统。对之，唯一可采用的方法便是综合集成方法。

　　系统中的关键因素、主要问题、动态管理等，都使得有必要将相关理论分析、专家群体经验、现场监测反馈等三个支柱有机结合起来。从工程规划开始到施工和运行，影响工程安全稳定的因素是处于不同层次上的，其相互作用也在动态变化中。这里，可根据大成综合集成方法论和工程地质力学综合集成方法论（EGMS），进行多因素相互作用关系分析、动态设计和信息化施工。从手工采石法、钻爆法即矿山法、新奥法（NATM），到先进的集开挖支护和出碴一体化的岩石掘进机法（TBM），施工能力和效率在不断提高，对一般地质体的开挖和加固等施工过程不断集成一体化。但在复杂地质条件下，先进施工机械常因对地质体适应性更差而陷于被动甚至带来机器被卡、工期延误、造价上升等灾难，所以在施工工法和机械设备选型上，不是说越先进就越好，一定要结合地质特点，合理认识不同工法和设备的适用范围和条件，找出它们的最佳匹配，选用合理的方案。

　　对不同层次的影响和控制因素，它们在地质工程稳定安全中所起作用不同，其相对重要程度或权重需用系统工程方法（例如层次分析法、专家打分法和多因素关系矩阵法等）加以综合确定。对于一定的输入信息数据（Input data），即使采用不同的分析计算模型（Model），如果输出结果（Output result）在可接受的误差范围内都保持基本一致，那就说明分析结果是正确可信的。当然，这里要定性和定量相结合，对已有数据学习反馈和正算外推结果要结合起来。

　　风险分析和合理的阈值选取 

　　对于致灾因子出现与否及其时空分布要调查辨识和圈划，认清其作用条件和影响边界，以及灾害发生概率；另外，对受灾体要分析其重要程度和潜在灾害损失大小。上述两者的乘积即为地质工程风险。还应指出，每种因素或判别指标都存在临界点或阈值，都需借助监测数据变化曲线，运用变化速率比值或加速度、工程类比以及试验研究，以建立它们的判别公式和阈值，作为预测和预警的技术支撑。这样的风险分析，可让设计和管理人员做到心中有数，使他们所作出的科学决策和方案制定更加科学合理。

　　上述观点认识是作者等在“973”项目（编号2010CB732001）资助下对施工地质灾害咨询分析和方案论证比选等实践基础上得到的。鉴于地质工程类型的多样性、地质条件和环境因素的复杂多变性，在对施工地质灾害预测分析和预防上，要力争解决好综合评价地质条件适宜性、认识工程结构适应性、对比开挖扰动适度性、运用工程加固措施适时性等关键问题，使施工地质灾害得到有效的防治。

　　（作者：尚彦军 杨志法）