岩石工程近10年关注的科学问题

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岩石工程近 10 年关注的科学问题

基础设施建设是中国经济持续快速发展的动力之一，其中大部分涉及岩石工程。主要体现在：

（1）公路、铁路、隧道等交通工程，资源、能源开发工程，水利（水资源开发）工程，城市

建设工程和其他基础设施建设中岩石基础设施建设是国民经济发展的基础；（2）现代化大规

模岩石工程建设也带动钢铁、建材、信息产业和高端制造业的发展。随着地下工程的持续开

展，岩石工程在基础设施建设中的比重将持续增大。

近10a “来，伴随重大岩石工程的建设，开展了 863” “、973”、国家科技支撑计划项目和国家自

“然科学基金委员会重大项目与设备研制专项等一系列的基础研究。尤其是国家重点基础研究

发展（973 ”）计划项目与设备研制专项，代表了国家层面对若干重大基础研究问题的布局。其

战略目标是：加强原始性创新，在更深的层面和更广泛的领域解决国家经济与社会发展中的重

大科学问题，以提高中国自主创新能力和解决重大问题的能力，为国家未来发展提供科学支

撑。2002 “ ” 年以谢和平和冯夏庭为首席主持了灾害环境下重大工程安全性基础研究

“第一个涉及岩石工程的 973 ”计划项目以来，近 10a 又有分布在能源、材料和综合交叉领域的

24 项课题，其研究内容涵盖中国岩石工程的重大关键科学问题。

1 深部开采与地下开挖。

采矿工程的科学问题主要涉及：煤矿瓦斯灾害的地质构造作用机制、采动裂隙场时空演化与瓦

斯流动场耦合效应、煤矿瓦斯动力灾害演化机制及地球物理响应、瓦斯煤尘爆炸动力学演化机

制；深部开采下破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸与物质流动规律、多场多尺度裂隙结构演化和瓦

斯运移规律、破断煤岩体中瓦斯导向流动的形成机制及控制理论、深部煤与瓦斯共采的时空协

同作用机制及优化理论；地质赋存条件对深部煤矿动力灾害的作用机制及量化分析方法、深部

断续煤岩体的变形破坏规律和工程动力响应特征、采动应力分布、能量场的时空演化规律与多

因素耦合致灾机制、深部煤矿动力灾害的多参量监测预警与防治的理论与方法；矿井突水的含

导水构造地质特征及条件、采动岩体结构破坏与裂隙演化及渗流突变规律、矿井突水预测与控

制的基础理论与方法；深井复杂地层岩体力学特征识别与表征方法、钻井载荷与井眼围岩作用

机制、钻井设计平台与风险控制机制；深部岩体结构与地应力特征及其对灾害的控制作用、深

部强卸荷作用下裂隙岩体与围岩力学行为的演化规律、深部重大工程灾害时空孕育演化动力学

过程与成灾机制和时空预测等。

深长隧道突水突泥重大灾害致灾机制、深部复合地层围岩与 TBM 的相互作用机制及预测预警

与安全控制理论方面主要科学问题包括：深长隧道突水突泥致灾构造及孕灾模式、灾害源孕灾

响应与定量识别理论、动力学演化与致灾机制以及灾害预测预警与防控理论；深部复合地层地

质条件与力学行为特征、TBM–深部复合地层围岩相互作用与致灾机制、深部复合地层 TBM 适

应性与安全控制设计。

深部岩石力学与工程问题逐渐成为研究热点，包括：深部岩石力学性质及其在大陆构造变形过

程中水力劈裂、岩爆、岩石高温破裂与可钻性、深部开采等关键问题。表 2 “显示 973 ”项目涉

及采煤与瓦斯、突水等动力灾害机制研究 4项，以及深井、深部重大工程、地下库群、深长隧

道研究 7 项。

2 大坝与高陡边坡高陡边坡的稳定问题。

涉及水利水电、采矿、交通、山区城市建设等岩石工程。表 2列出近10a 来涉及的大坝及高陡

边坡关键研究课题 6 项。

坝基长期承受巨大水力荷载以及渗流作用，物理、化学、力学损伤不断累积而使结构老化，甚

至引起坝基失稳而导致大坝溃决。约60%的大坝事故起因于坝基破坏，其余则与坝体自身的安

全度不足或超标洪水、运行事故、战争、滑坡等有关。

水利工程对地基的要求反映在坝体应力、变形、稳定性和安全度上，地基稳定和加固问题成为

当代高坝建设工程中的关键和核心问题之一。周维垣结合二滩、龙羊峡、三峡等高坝建设对此

进行了具体说明，并对工程建设中有争议的问题进行了论述。

坝基面或坝肩区域的岩体存在众多随机分布的微裂隙及规律分布的节理，本身规模可能并不

大，但在集中应力作用下，却可能引起建基面、坝肩局部区域宏观断裂。坝体混凝土材料同样

存在随机分布的微裂纹，与混凝土宏观断裂密切有关。300m 级特高拱坝承受巨大水推力，要

求建在与之相适应的基础上。基础处理加固好坏，特别是蓄水初期大坝与基础出现非协调变

形，事关拱坝坝踵、坝趾或者坝肩与大坝交接处开裂风险，从而影响大坝的整体安全性、经济

合理性以及使用寿命。

当前坝工设计关注的关键岩石工程问题有：

基础破坏引起的坝踵、坝趾开裂机制；坝肩非典型软弱蚀变带的处理；贴角区灌浆时机选择；

坝趾锚固力损失评价、建基面优化设计与评价体系，以结构能量为基本参数的结构稳定安全评

–价体系，大坝基础非协调变形机制与控制、坝肩岩体开裂与整体稳定的加固新控制方法与技

术等。

3城市地下工程与 CO2、油气储存、固废物封存填埋城市地下工程安全性、地下空间开发利

用、轨道交通地下结构性能演化，以及城市环境岩土工程与固体废弃物填埋孕育环境灾害与可

持续防控研究已引起广泛关注。其科学问题主要包括：施工扰动下地层损伤演化规律及变形特

点、地层与结构的动态相互作用关系及灾变机制、城市地下工程安全性预测与过程控制原理。

动态时空环境效应下的地下结构性能演化机制、超长线状地下结构状态智慧感知与评估理论、

– – – –地下水环境下的结构自修复机制与自适应控制理论。城市固废物化生相变及固液气相互作

– 用、填埋场液气诱发静动力灾变及时空演化、填埋场液、气和污染物击穿屏障机制。

围绕这些关键科学问题，有 3项973 课题。

近10a –油气的开采和存储也面临一系列岩石工程难点问题，如套管损伤、岩体热力耦合、新

型钻井工艺中关键岩石力学，以及水封石油或天然气洞库建设过程中大型洞库群的稳定性及围

岩损伤评价等。

CO2 地质封存、页岩气开采、CO2-EOR 及地热开发等环境和非常规能源问题也越来越受到国

内外学者的关注。关键科学问题包括：层状盐岩地质成因与演化规律及精细探测理论，多场耦

合作用下储库围岩体变形破坏机制、多场力下大型密集储库群相互作用及灾变时空过程，大型

地下储库群致灾因素与风险评估及防护理论，CO2 封存中 CO2–岩石相互作用的新型本构关系

及破坏准则、干热岩的破坏特性等。

4 近海与深海工程。

21 世纪是海洋的世纪，开发海洋、保护海洋已经成为沿海国家普遍关注的问题。海洋工程是指

以开发、利用和保护海洋资源为目的，并且工程主体是位于海岸线向海一侧的新建、改建、扩

建工程。

近海和浅海主要是海洋土问题，而深海可能面临海洋岩石力学问题，并且和地质密切相关。综

合而言，海洋工程面临的主要岩土问题有：勘察和陆地工程岩土工程勘察相比较，在施工过

程、影响因素及遇到的突发状况等方面更为复杂；海洋岩土工程的基础处理从近海与深海面临

的工程地质、礁盘海岛的加固问题，从硬基础到软基础处理方法和技术创新；强动荷作用下海

洋沉积物动力特性及静动强度关系，以及多场耦合对结构稳定性的影响；海底滑坡、地震引起

的海啸力学行为特征等；海底石油、干冰开采过程中的地层岩体和构造稳定性问题。

涉及近海与深海岩土工程研究课题各一项，其关键科学问题包括：海域复杂地震地质环境下近

海工程场地地震动特性、地震、波浪和海流等共同作用下多介质体动力相互作用、近海重大交

通工程结构地震损伤破坏演化过程模拟。南海极端海洋环境的工程相关特性及其模拟方法、深

海平台结构系统在复杂海洋环境联合作用下的响应及破坏机制、深海平台结构的结构服役性能

监测、原型验证与安全评定。从国家安全和国民经济持续发展的需求看，今后应围绕海洋资源

开发、海底地下空间利用（如海底 CO2 地质封存等）加大海洋岩土工程问题的研究力度。

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摘要：

岩石工程近10年关注的科学问题基础设施建设是中国经济持续快速发展的动力之一，其中大部分涉及岩石工程。主要体现在：（1）公路、铁路、隧道等交通工程，资源、能源开发工程，水利（水资源开发）工程，城市建设工程和其他基础设施建设中岩石基础设施建设是国民经济发展的基础；（2）现代化大规模岩石工程建设也带动钢铁、建材、信息产业和高端制造业的发展。随着地下工程的持续开展，岩石工程在基础设施建设中的比重将持续增大。近10a“来，伴随重大岩石工程的建设，开展了863”“、973”、国家科技支撑计划项目和国家自“然续基金委员会重大项目与设备研制专项等一系列的基础研究。尤其是国家重点基础研究发展（973”）计划项目...

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