专题报道：

创新发展学科理论，服务国家经济建设

重大地质工程面临各种复杂的问题，理论的创新往往成为工程顺利进行的必要条件。中科院工程地质力学重点实验室有关科研人员，面对地质工程这一复杂巨系统，长年深入重大工程建设现场，在岩体结构控制论这一中国特色理论指导下，在工地质条件评价和地质问题预测研究基础上，将理论分析、专家经验和监测反馈三位一体的信息综合集成，首次提出了岩体结构动态控制观（DCO）和工程地质多因素相互作用分析法（EGI），为有关地质工程规划、设计和施工提供了理论指导，正在工程实践中得到不断检验和发展。

一、新理论新思想的提出

重大工程面临的、新的复杂性地质工程问题之一，就是如何认识岩体结构动态变化问题。岩体结构时间轴上的变化往往成为工程成败关键。变化复杂的多种影响因素是工程地质理论研究和实际工程中所关心的。结合大量第一手地质调查和科学实验资料，初步构建起了工程地质多因素动态关系矩阵。在解决地下工程最先进施工方法岩石掘进机（TBM）被卡问题过程中，发现地质结构对快速施工扰动，会出现快速不良反应，如卡肚子式的滞后性大变形，破岩刀头穿过去了，而护盾机身被卡住了，难以进退，严重影响工期和造价，成为制约TMB发展的瓶颈问题。

前人建立的岩体结构控制论更集中的表现在静态控制上，而岩体结构动态控制观的提出，可以更确切地解释诸如恒山雁门关隧道工程地质条件的复杂变化。此山脉浅表部现代地应力场为30°，使得原来60°的压性结构面变为张扭性，而深部压性结构面在TBM快速施工开挖卸荷过程中发生拉破坏，出现了大量塌方、突涌水等事故。同样，采用工程地质多因素相互作用分析法，在云南上公山隧洞、新疆八十一大坂隧洞等TBM施工中发现围岩发育层状-碎裂结构是关键控制性结构，在距离掌子面几十米的后方发生塌方、突水和衬砌开裂、钢拱架扭曲变形，甚至TBM护盾被压坏的事故（工程上俗称“被关门”）很多。重点实验室科研人员研究和解决此类问题过程中，将层状-碎裂岩体的滞后破坏机理作为重点进行研究，运用岩体结构动态控制观初步解决了滞后破坏“被关门”这一科学问题，丰富和发展了岩体结构控制论。

在工程施工阶段遇到地质问题甚至发生地质灾害过程中，实验室研究人员运用上述新理论新思想，发扬知难而上敢于承担风险的大无畏科学精神，积极参与到施工方案变更和工程抢险服务工作中。作为张集铁路线上最长的隧道和重点控制性工程之一，旧堡隧道施工中遇到了断层破碎带、塌方、钢拱架变形破坏等重大工程地质问题，还出现过洞内泥石流等地质灾害。我所科研人员采用地质结构分析、现场监测和松动圈测试、数值计算和地应力反演等技术方法，从中找到关键控制性地质因素，得到了该隧道属于高地应力区、围岩为中度挤压，开挖导致岩体结构动态变化，松动圈扩大和断层泥和泥化夹层的被挤出。正式结构的动态控制作用导致了围岩变形加剧，初期支护破坏。在研究基础上，提出了采取强支护、超前支护、排水和注浆堵水等加固建议，得到了设计和施工单位的认可。2009年提交的“张集铁路旧堡隧道研究段地应力与围岩变形专题研究报告”通过了专家评审。2010年以来铁路某设计院和中铁建另一施工单位等请重点实验室科研人员就雁门关隧道、集宁隧道等施工期间遇到的复杂地质条件下模型的建立和工程地质分区等开展研究，解决复杂地质条件下施工方案调整、围岩级别变更等问题。有关科研结果得到了有关各方的高度评价，产生了较好的经济和社会效益。

二、在重大工程场址选择中的应用

中国战略石油储备库建设进入新阶段，中俄原油管道顺利贯通，大亚湾中微子实验隧道2011年初竣工，中国散裂中子源（CSNS）场地建设已开始……，在这一个个重大地质工程建设的背后，无不体现工程地质新理论新思想的运用和发展。

2005-2006年重点实验室科研人员承担了我国基础科学研究领域重大项目—大亚湾反应堆中微子实验隧道地质勘察任务后，立即在酷暑、暴雨中开展了工程地质测绘、地球物理勘探、钻探及综合测孔等工作。在大亚湾核电站北部排牙山南翼近乎原始森林的2平方公里范围内，建立布设一级点26个、图根控制点45个，细部点达7000多个，采用4种物探方法进行精细探测，钻探岩芯总长700m多，先后发现圈定出8条断层、4个一定规模的风化囊，对总长3km的实验隧道提供了岩体质量评价、工程地质问题预测等分析结果。对于隧道底部高程位于海平面以下的实际情况，在研究基础上提出了开挖过程中加强施工监控，防止松动圈的扩大贯通浅表水，同时注意地质条件中对地质构造和风化囊的超前探测和预处理建议。地质勘察现场工作期间美国伯克利实验室和费米实验室的专家多次到达现场，了解地质调查最新进展和工程地质条件评价结果，高度评价了勘测结果的可靠性和先进性。提交的“大亚湾中微子实验隧道工程地质勘察报告”，在可行性研究、工程设计和施工的工程实践中得到了检验和验证。据悉，这项由中科院高能所主持的重大科研工程，有中国（包括香港和台湾）、美国、俄罗斯等六个国家和地区的34个研究单位的190多位研究人员参加。该工程于2007年10月13日动工，今年已开始采集实验数据。

在东莞将要建设的中国散裂中子源（CSNS）是作为发展中国家的第一台散裂中子源，正常运行寿命必须超过30年，它的建设将提高我国的科学地位。为选择合适的CSNS场址，重点实验室科研人员先后比选了5处岩性均一性、构造活动性、风化壳厚度和地下水活动性方面各具特色的场址。通过开展工程地质测绘、物理勘探和钻探跟踪等工作，采用EGI方法，选出了花岗岩为主的水平村南作为推荐场址。2007年专家会议对提交的“中国散裂中子源工程东莞大朗场址可行性研究工程地质勘察报告”审查通过。2009年高能所委托当地有关单位开展了详细的地质勘察工作，聘请我所科研人员为该项目地质顾问。该工程已于2010年5月正式进入场平建设阶段。

对国家战略石油储备库的锦州库址，2002-2005年重点实验室科研人员与中石油管道局密切合作，采用地表地质调查等方法，结合地球物理勘探和和钻探工作，确定了场地风化囊、断层和节理密集带等不良地质体分布，认识到了风化壳发育和基岩性岩脉分布等特征。综合分析基础上量化工程地质评价结果，选择了相对适宜的场址，同时对石油洞库的布设位置、展布方位给出了科学的建议。现在该处场址已确定为油库库址，水幕结构等设计工作已经开始。

三、在设计方案比选中的应用

在工程设计方案比选中，重点实验室科研人员在工程地质调查基础上，自觉运用DCO观点和EGI方法对方案优劣进行比选。中俄原油管道工程穿越黑龙江，是俄罗斯向中国供油支线管道进入中国的起点。工程穿越范围水平长度为1150m，采用定向钻双管同管径平行敷设。对穿越深度20m、38m和60m的方案比选，我所研究人员采用沿江地区地质条件调查、钻孔岩芯地质完整性分析、岩矿鉴定和物理力学实验等技术方法，对中方勘察阶段实施的5个钻孔总长250m岩芯进行了全面测量统计，得到了不同深度位置岩石质量指标RQD值、短柱的长度和个数，并与俄方有关地质钻探资料进行了比对。在研究基础上，提出了岩层产状、断层破碎带、河床冲积物和风化卸荷带发育厚度、不同深度上岩芯块度等对定向钻穿越工程的影响和可能发生的工程地质问题，2009年5月提交的“黑龙江过江定向钻工程地质条件评价研究报告”通过了中石油管道局组织的专家评审并通过了38m穿越深度的论证。同年9月份中俄原油管道穿越黑龙江工程开工。2010年12月20日中俄原油管道全线贯通。俄方从今年1月1日开始通过这条管道每年提供中国1500万吨原油。在随后中缅石油管道穿越伊洛瓦底江勘察工作中，建设单位就定向钻穿越中可能遇到的工程地质问题也向我所人员进行了咨询。在中国境内穿越澜沧江线路的调查中，请我所人员就穿越段地质条件变化情况做了地球物理方法为主的调查工作，相关结果为设计方案确定提供依据。这显示出建设和设计单位对重点实验室科研实力的认可。　 

在创新发展工程地质学科理论，积极服务于国家重大工程建设的同时，重点实验室科研人员还积极响应中科院人才发展战略精神要求，带动了有关生产建设单位年轻人才的快速成长，培养了理论联系实际、敢打硬仗的优秀科研骨干。

（供稿：工程地质力学重点实验室 尚彦军）