中国岩土工程勘察的成功与问题

中国岩土工程勘察的成就与问题摘要：作为一个行业和一门学科，在中国岩土勘察的出现和发展的进程不同于美国和欧洲国家。半个世纪以来，中国岩土勘察人员见证了持续的技术进步并且几乎独立进行了所有的中国大型建设项目。自2000年以来荣获“全国优秀工程勘察”金牌奖，本文在综合技术能力的背景下探讨岩土工程勘察成果，项目评估和分析，高新技术的应用，工程监测和分析几个阻碍了该行业进一步发展的因素以及一些符合国际惯例的实践。最后，给出了一些未来改进的建议。关键词：岩土工程 工程勘察 先进技术1.介绍在第一次斯宾塞布坎南讲座，“土力学时代的到来:1920 - 1970”，教授拉尔夫派克指出，太沙基在1925年3月出版的土力学(基于土壤物理学的土方工程力学)，被认为是现代土力学的诞生。自那时以来，土力学作为一门学科，已经出版了另外两个重要书籍土力学理论和土力学在工程实践，在哈佛大学太沙基教授和他的同事们作为土木工程的实践提出。因此合理的说土力学与岩土工程在西方已经出现，并且以学术和咨询活动在教学和研究机构发展。然而，在中国工，程勘察继承了不同的基因。在1950年，为了实现许多大型项目的需求指定的“五年计划”，一个团队建立了工程人很快就扩大。拓荒者从苏联专家那里学习，团队的组织框架和方向基本上跟着苏联模型，这个模式在战后重建中得到发展。这个行业的作用仅仅是把建筑设计和实验室的地质条件和数据场相匹配，几乎没有工程分析或判断报道，在这个方向下，一二十年左右，岩土调查仅限于提供钻孔测试的信息，这个方法类似于医生检查病人不给处方。因此，只有少数大学和科研机构在这一领域开展研究，在中国几乎不存在专业岩土工程顾问。在1970年代中后期，专家们意识到这种方法的问题及其负面影响基础设施建设。他们开始修改他们的工作与国际惯例一致。在1980年代，三个事件突显了这一举动。首先，国家计委接受专家建议和发布文档要求地质工程机制引入现场调查组织。第二，土木工程中首次关于岩土工程的“中国百科全书”于1985年出版。最后但并非最不重要的是，在1986年，原国家计委取代了“代码进行地质调查的工业和民用建筑工程”与“岩土工程师荷兰国际集团代码进行调查”。根据更大的岩土工程的概念，扩大我们的专业范围的代码从工业与民用建筑包括地下工程、近海工程、管道工程、尾矿坝工程、边坡工程等。此外，代码包括更多的内容在工程计算、分析和评价。发布和执行的代码代表了主要行业的重新定位和技术进步的要求。在中国，岩土工程定义为一个新的学科，旨在解决或处理在施工过程中相关的所有工程问在岩石和土壤的基础上理解工程地质、土力学、岩石力学、基础工程。重点强调的结合地质和工程理论与实践，岩土工程是土木工程的一个分支。15年后，有趣的是，一篇论文定义地面工程的岩土工程发表，在中国相似定义为岩土工程是科学的应用土力学和岩石力学、工程地质和其他相关学科土木工程建筑业、采掘业、预防和增强的环境工程。目前，许多大学和研究机构从事岩土工程研究和咨询公司。然而，勘察部门，这是在西方国家技术上不发挥主导作用的，在中国仍是岩土工程的一个重要分支。论述了中国岩土勘察取得的成就和存在的问题。2在中国重大建设项目的自主勘察中国在1950年代建立的一个勘察小组。在新世纪从第一个156项目的第一个“五年计划”项目，通过一个独立的过程中国的调查人员完成了大量的项目，“钻孔，取样、测试、测试、监控和分析”。以桥梁施工为例，中国有6个世界十最长的斜拉桥，两个世界的十个最长的悬索桥(与另一个正在进行的项目)，和五个最长的世界十大跨度拱桥。另一个例子是大坝建设。1950年，根据国际大坝委员会(ICOLD)，中国只有22个水坝，测量高度超过15米的世界共有5268个，占0.4%。二十年后，改革开放，中国的大坝建设项目和他们的技术水平飙升。根据ICOLD，1951年至1977年，当世界上所有其他国家平均每年建造335座水坝，中国每年建造420座水坝，占世界总量的55.6%。1982年，世界上有34798座水坝测量高度超过15米，其中18595(53.4%)在中国。1986年底，全球有36226座水坝，其中18 820年在中国(52%)。到2005年底，中国有超过22000座水坝测量超过15米，世界总数约50000个，占44%。除了大坝，中国有三个世界前二十的超过300m的超高层建筑，和两个世界十大最高的塔。一切不谈，我们还没有考虑超高层建筑，正在进行的项目，如以大型公共设施为代表的奥林匹克体育场，三峡大坝，青藏铁路，由西向东天然气管道，南水北调工程，和其他高速公路，铁路，隧道项目。因此，合理的说，第一个“五年计划”以来，不管它们的规模和难度，所有这些勘察项目都是由中国工程师独立进行的，而且这样做可以使技术能力水平有大幅度提升。3中国工程勘察的技术进步在表1中列出了2000年之后赢得了第八，第九和第十的“国家优秀工程金牌奖”的几个项目，中国工程勘察的成就和技术进步在四个方面提出。注意，这些项目必须完成奖项提名或检查和验收超过一年多，所以不包括最近完成的一些关键项目。3.1为各类大型项目进行综合勘察能力的获得三个项目被作为证据。西安-安康铁路的秦岭隧道是目前中国最长最深的铁路隧道。它是两个平行的单行的隧道，长18.456公里，最大嵌入深度1600米，长度居世界第七。长江隧道通过连结长江和华北的平台，一个地区的地质构造复杂，频繁的形成和高度发达的缺点。隧道穿过极难复合片麻岩和花岗岩等岩石。它跨越有非常复杂的工程性质，形状和分布。其他地质困难包括水从断层、高地应力岩爆、高地热、高辐射，围岩不稳定普遍性的岩石。这些自然的挑战，设计要求，如长隧道的通风和排水反向坡，使隧道过程困难和成为整个项目的关键。在勘察阶段，路线选择工作覆盖面积460平方公里，引发了17个同类隧道方案穿过秦岭山脉。由于上面提到的困难，调查有以下特点:(1) 在路线选择，遥感技术应用在一个广泛的地区。(2)综合地球物理调查，辅以钻孔的方法，用来大大提高地质路线选择和勘察。(3)数值分析和绝对值测定技术进行了研究，并用于确定地层应力场和土压力。(4)多参数水文地质调查和新的计算方法是采用网状形象化和脉型分布和地下水的运动。(5)与早期平行导坑施工、综合地质施工路由和地质灾害进行了预测，这提高了隧道地质调查和预测的准确性。(6)结合工程实践进行五个研究项目。(7)隧道施工工程的质量调查验证。使用隧道钻孔机(TBM)，秦岭隧道在29个月竣工。在第二条线中，钻孔和爆破方法被用于平行导坑的建设。第二条线开始前两年平均每月220m的建设速度。第一条线完成后扩大开挖和衬套安装进行。秦岭铁路隧道的勘察表明，中国的隧道已经拥有世界级标准的勘察技术。二滩水电站是中国最大的水电站建设，以先进的结构设计和多个国际先进技术的应用程序。它有一个总容量58亿立方米，装机总容量为3300兆瓦。双弯拱坝是240米高，这使得它的类型中最高的亚洲和世界上第三高。拱坝基础的最大宽度是55.74米，顶部的长度是774.65米，最大泄洪能力23900立方米/秒，坝体的贡献16300立方米/秒，是世界上排名最高的。地下电站在中国是最大的。大型电站的尺寸280.2 m 25.55 m280.2m。导流能力的引水隧道是13500立方米/秒。这两个隧道的截面尺寸17.5m 23m，长度为1087m和1167m，分别使它们成为世界上最长的两个。在勘察阶段，多种先进技术方法被用来解决一系列关键的岩土工程问题，如测量和选择站点的位置在一个复杂的区域构造环境中，地应力分布测试和评估，以及评估联合利用岩石弱区。评价的研究框架建立了工程岩体分类评估，不同类型的结构稳定性在液压复杂并提供可靠信息来源水电站的建设。所有的这些活动不仅促进三峡大坝的建设，勘察还提供了宝贵的经验，可以应用到未来的中国大型水电项目。天生桥水电站是第一个级联的一系列梯级水电站。总容量102.57亿立方米，高178米，最大的长度1104米，面积平方米，充盈量180亿立方米，这个钢筋混凝土面板堆石坝是世界上最大的类型(建成或在建的)。水电站溢洪道目前是中国最大的洪道，直径为12.0米，总长度2400米的隧道。装机总容量120万千瓦。在勘察阶段，2 D和3 D数值分析和物理建模和地下围岩的稳定性分析。在构建阶段，地质预报进行了使用先进技术和解释方法。它们一起解决这个复杂问题的高混凝土面板堆石坝和高稳定的斜坡上保持结构的稳定和设计地下洞室、岩溶渗漏等。3.2关键项目的深入的岩土工程分析与评价中国勘察组织从提供信息发展到现在执行深入分析，根据项目的需求和岩土条件解决基础工程的问题。为了说明这一点，在北京的三个项目:北京国际中心，中关村科技大厦，中国国家表演艺术中心(国家大剧院，也被称为国家大剧院)引用。前两个是高层建筑和地下结构。国家大剧院是一个巨大的多功能公共设施，由三个部分。中央部分被称为区202，形成的主要结构是一个椭圆圆顶的东西长轴212.2米，143.6米的南北短轴和一个圆顶高46米。圆顶容纳三个独立的建筑，一个歌剧院，一个戏剧的房子和一个音乐厅。在南北区202区203年和区201，主要是地下结构。整个国家大剧院项目占地面积超过80000平方米，总建筑面积平方米。虽然有不同类型的结构，在北京三个项目在工程分析中面临类似的问题，其中一些是基础工程新的主题:1.载荷分布不均引起的复杂的结构类型与接触压力下基础从附近的一个效应容许承载力。估计和控制不均匀定点在同一基础底板成为了决定计划基础的关键问题。2.由于存在不透水层，多层地下水形成水位下降。多层地下水和非饱和区之间形成了复杂的渗流系统。因此，稳定性的评价成为一个突出的问题，尤其是对国家大剧院项目。3.高层建筑地下室或低层附件侧向约束代替土壤提供的中空结构。所以，承载力的评估成为一个新问题。预测和控制不均匀沉降，岩土工程咨询公司开发了一种压缩，剪切与清晰的力学模型和简单的参数。基于数值模型，天然地基和基础交互分析(SFIA)项目开发计算地基沉降和地基应力分布的假设兼容的地面变形。该模型的原理是将土壤元素的应力状态划分为压缩和剪切，参数可以容易地通过压缩试验和三轴试验获得的。使用的参数模型通过比较计算和监控数据，从几百个在北京的项目重新分析，预测结果将显示良好的与实际工程结构符合。在ICBR项目，优化的基础方案和施工的便利SFIA分析后，建议应该添加一层下地下室部分和一些附件部分，后浇缝和面板应该取消。通过这样做，可以避免昂贵的桩基础。中关村科技大厦项目，岩土工程师建议，如果直接大量堆积，而是根据业主的要求维护计划，这将有必要降低基本负荷，调整仰角，提高良好的基础梁的大小，控制加载在铸造过程的施工缝。所有这些建议都是业主和设计师所能接受的。最后，四层的办公室和酒店建筑被取消，而地下室的高度降低了1.2米。浮力在国家大剧院项目成了一个大问题，尤其是在202区。26米埋藏深度和较低的平均负载，大部分的22500平方米椭圆板效应状态，就像一艘船坐在承压含水层。因此，稳定成为了需要解决的关键问题。多层地下水也存在其它北京地区和在其他城市，岩土工程师进行系统的研究。他们得出的结论是，在城市有多层地下水，由于不饱和区域饱和层之间的存在，相对较大的垂直渗流向量存在于地面的渗流场，和压力沿深度低于传统的线性分布。因此，传统方法有高估了地下室浮力。他们建议在决定提升力量，总体发生和渗流机制和整体应该考虑渗流特征。这种理解的基础上，提出了一种高效的设计水位的概念。通过一个集成的研究历史水位数据和未来水资源供需平衡。岩土工程师建议槽壁周围区202深化和穿透粘土层，改变渗流路径。现场调查和渗流分析表示，这样的措施有效设计水位会降低，从43.3到38.0米的高度，也没有其它措施是必需的。研究的影响削弱了侧向约束条件对地基承载力和沉降，除了检查修改整体稳定性的方法，岩土工程师也表示数值分析使用的商业代码为连续介质实现拉格朗日分析(FLAC)。在有限差分分析，分析模型的验证是通过比较地基变形的计算和测量数据。基于验证模型，影响机制和计算方法进行了研究。不同类型的分析指导其他获奖项目，比如深圳广场建设项目在，在山西省的水电-地质调查水源区域杨臣的电厂，河道淤积，水电站项目，水天生桥电站项目。在这些项目中，工程勘察超越其传统的范围，显示新的深度和影响力，发展的行业转换到“岩土工程机制”。3.3应用先进的钻孔与测试技术和其它高科技方法许多获奖的项目，先进的钻孔和测试技术。原位测试和剪切波速测试中执行许多项目已经达到了一个深度超过100米。其中，120米深的井间波速测试和钻孔弹性模量测试的核电站项目是全国首创电厂项目。秦岭隧道的铁路项目，控制网建立基于全球定位系统(GPS)系统。直接投影法是用于建立一套独立的GPS施工坐标。勘察的精度在国家和国际两个层面显著。隧道的纵向贯通误差是1毫米，和横向贯通误差是12毫米。工程建模和统计分析流行是由于它们的成就。除了上述协议交互分析和渗流分析，其它的例子包括:水化学模糊聚类分析和二维非恒定流模型应用于盆地岩溶地下水的水文地质，2 D和3 D数值和物理建模的高边坡稳定性分析水电站项目。近年来，遥感成像和地理信息系统的3 D可视化已经使用更频繁和圆满。在此，提到两个获奖项目。胶州铁路工程的重要组成从北中国东部长江三角洲。避免蜿蜒在山海关的长城将缩短旅行距离。然而，这样做铁路必须通过中国东部最大的地震断裂带。活动断裂与地区稳定因此成为主要地质路线选择的担忧。在地质路线选择，岩土工程师研究了先前的研究和应用全面调查技术，特别是遥感影像判读技术包括航磁映射，1:10万主题映射器(TM)影像判读。他们还进行了室内标识和室外广泛地质验证研究。这些先进技术的应用保证了结果的最佳路线方案。现场调查的研究发挥了关键作用。广州白云国际机场新航站楼的建筑面积平方米，在中国的机场中排名第三。发达的地区岩溶，水电-地质的复杂性，和人类采矿活动加剧地面沉降和地基失效的风险。还没有解决的问题是在早期的勘察使3735水井钻探和5257桩安装。在后期的勘察，除了一系列措施获得岩溶分布的特点。简而言之，三维图像技术是一个更清晰和更生动的稳定性分析基础。注意，不同类型的三维图像可视化系统已经在中国独立开发，其中一些已被广泛应用在工程。3.4工程监测的进步工程监测确保项目的安全、验证设计假设和积累工程经验是很重要的。下面的例子，演示了在这一领域，中国已经取得了进展。一个全面的计划进行了变形监测的高和陡峭的山坡上的永久和临时船闸升船机，一个关键项目在长江三峡大坝。有陡峭的斜坡岩体的开挖形成的两岸的山，一般测量70到120米高(最大高度为170米)，2公里长。如此大的人造斜坡在中国和国外都是罕见的。开挖开始于1994年，完成于1999年。1994年成立了一个不间断的网络监控。变形监测的结果在确保项目的质量发挥了关键作用。监控的主要特点包括:(1)理论对初始数据错误和监测网络不同的水平，提出了指导变形监测网络的优化。(2)进行了研究和开发新设备。一个自动大坝垂直位移监测系统和一个自动高精度测量和监控系统，获得了国家科技进步奖项。(3)监测精度是1毫米，高于指定的项目。大坝变形监测也进行运营阶段的黄河小浪底水力复杂的构造。监控持续了10年，其中包括建立数据网络和岸坡的变形监测，高斜坡在三峡大坝地区。监控网络设计是科学先进的。高度自动化设备(如调查机器人数字水准测量仪器。监控提供了丰富的数据，完成源信息，综合分析精度高。自动监控软件开发的目的是方便全国。准确的监测数据的综合分析显示大坝的变形过程，确保其安全运行。润扬南锚基坑的高速公路长江大桥长69米，宽50米，29米深。围护结构系统包括冻结土壤薄墙作为水密屏幕和7套内部钢筋混凝土楼面。这种支护结构方案对中国工程师构成了新的挑战。除了解决困难，如冻结膨胀应力的影响在现有结构和提高了冻土的温度在施工期间的影响施工监测。监控系统有以下特点:(1)大规模自动监测网络保持系统与760种不同类型的传感器产生最多超过4142数据点。(2)建立了冻土的有效监控。软件开发，使不间断监测十部分与高品质的传感器，可以检测到温度场的变化，以避免灾难。(3)土壤的冻结膨胀曲线是第一次和初步的温度场和应力场的变化特征。(4)内部楼面支撑的轴力监测以保证安全。(5)生成大量的测量数据在相当长的一段时间取得了监测数据集。所有这些工作表明，工程监测在确保安全和优化设计的深基坑支护结构体系中发挥了重要作用。4建立一个大型的专业团队和一个广泛的技术标准体系这些技术的进步在实现一个标准体系，逐渐形成为中国工程勘察行业。中国主要国家规范和行业标准岩土工程学科。注意，煤炭行业标准(MT / T)、地质勘探行业(DT或DZ)，不包括和林业产业(LYJ)。与另一个二十区域标准，标准的系统是非常大的。一方面，它标志着中国特色建立技术标准体系和广泛的应用。另一方面，它使一些问题将会解决。与此同时，中国已经建立了一个巨大的勘察专业团队。5问题和缺点从上面的分析，可以看出由于技术的进步，我们已经减少了中国勘察行业和国际最先进的差距。我们甚至在某些领域取得优势。然而，因为它是一个很大的国家，在中国行业和机构有不同地区之间的发展不平衡，。总的来说，该行业的主要问题在于持续的过渡从“工程勘察机制”到“岩土工程机制”结果，许多组织仍局限于提供信息来源，受下列因素的限制：5.1国家标准制度的问题建筑工程岩土标准涵盖的方方面面，保证安全和质量。然而，尽管现有标准制度带来了极大的好处，限制不应被忽视。一般来说，一个代码在岩土工程由三部分组成：基本原则、程序规则和工程参数。代码在发达国家和经济工会通常强调基本原理的掌握，应用规则不超过指导应用原则。具体设计参数的详细列表是罕见的。然而，中国标准体系的发展受到两个因素的强烈影响。一个是改变管理系统。另一种是实际约束源于宪法，使标准系统异构，削弱了技术进步。通过给土壤和岩石的物理或机械性质，工程参数可以直接获得。当调查人员没有背景知识。然而，随着岩土工程性质不同从站点到站点，来自发达国家的学者和工程师们强烈反对方法论。加拿大专家贝克尔说，“岩土设计网站指定的数据。任何统计数据往往属于一个网站或一个工程材料。没有历史材料的各种统计数据可以很容易地开发“的看法，强调工程判断反映岩土工程的客观原则。5.2职业许可制度尚未建立和职业教育不足发达国家岩土工程学科的出现和增长在1960年代和1970年代。作为一个教育学科，岩土工程是明确定义和识别。在不断努力下，岩土工程的概念已经被灌输在工程师及相关技术规范的编写。看来国家许可考试和专业认证系统被是时候建立。随着架构的建立和结构工程学科，岩土工程师专业执业考试的准备和操作开始于1998年。1998年6月，一个岩土专家小组从相关行业和大学建立。国家专业执业考试管理。在过去的十年里，六个国家考试组织的6000多名专业人士授予“国家注册岩土工程师”的头衔。与这个问题有关的问题是工程师终身学习。在2000年国际岩土工程教育和培训会议上，发表了一个有关声明为工程