巖石工程類比設(shè)計(jì)原理的探究

李孝平 汪微波 涂凱齊（長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司（武漢），湖北武漢 430000）

巖石工程類比設(shè)計(jì)原理的探究

李孝平 汪微波 涂凱齊
（長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司（武漢），湖北武漢 430000）

伴隨近幾年來(lái)巖石工程的增多，設(shè)計(jì)作為巖石工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，成為影響工程建設(shè)的關(guān)鍵，本文作者以現(xiàn)代巖石工程類比設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，解釋了現(xiàn)代巖石工程類比設(shè)計(jì)的基本原理和思想，強(qiáng)調(diào)了巖石工程類比設(shè)計(jì)的重要性和關(guān)鍵性，綜合分析了巖石工程類比設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。闡述了巖石工程類比設(shè)計(jì)的基本步驟，并概括歸納出以下幾點(diǎn)內(nèi)容。

巖石工程 類比設(shè)計(jì) 原理

1　巖石工程設(shè)計(jì)

1.1巖石結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性

作為一項(xiàng)具有重要意義的工程建筑的巖石工程，其建筑主體同建筑的結(jié)構(gòu)物相比較有著鮮明的特點(diǎn)。巖石工程建筑結(jié)構(gòu)所用材料的性質(zhì)、巖石工程結(jié)構(gòu)物構(gòu)件的類型、巖石工程建筑物的尺寸以及結(jié)構(gòu)的形式都是被明確規(guī)定好的，目前為止對(duì)于巖石工程建筑結(jié)構(gòu)的分析已經(jīng)十分細(xì)致了，所以在進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算的時(shí)候可以直接引用［1］。其實(shí)，巖石是一種有著很復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。

（1）實(shí)時(shí)考察巖石可以把它的歷史分為“建造中”和“改造中”兩大部分，然而進(jìn)一步更為詳盡的地質(zhì)歷史目前是無(wú)法確定的。（2）巖石的組成成分和結(jié)構(gòu)形式要想弄清楚還有一定的難度。（3）不能使用測(cè)定其他工程材料的精確度來(lái)測(cè)量巖石材料的性質(zhì)。（4）巖石在復(fù)雜的地理環(huán)境當(dāng)中沒(méi)有確切的邊界。（5）一般來(lái)說(shuō)，巖石是多相體系。

因?yàn)閹r石和工程施工的復(fù)雜性，到目前為止，巖石工程當(dāng)中的計(jì)算數(shù)據(jù)和真實(shí)情況下的數(shù)據(jù)有著很大的差別，不可以直接引用。由此看來(lái)，工程師一般會(huì)使用類比的方法來(lái)進(jìn)行巖石工程的設(shè)計(jì)［2］，其中的計(jì)算數(shù)值則只能作為參考數(shù)據(jù)［3］。

1.2巖石工程的設(shè)計(jì)概念和類比

通常地將，巖石的工程設(shè)計(jì)可以大致分成概念設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、具體方案環(huán)節(jié)和審核計(jì)算環(huán)節(jié)三個(gè)環(huán)節(jié)。概念設(shè)計(jì)這個(gè)環(huán)節(jié)最開(kāi)始的時(shí)候是針對(duì)抗震性質(zhì)而設(shè)計(jì)出來(lái)的。因?yàn)榈卣鹩兄@著的不確定特點(diǎn)，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的時(shí)候，概念設(shè)計(jì)是最為重要的?？拐鹱饔玫母拍钤O(shè)計(jì)聚焦于工程結(jié)構(gòu)的總體上的地震反應(yīng)，通過(guò)巖石工程的結(jié)構(gòu)破壞成度以及損壞的機(jī)制，綜合運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)的各項(xiàng)原則，系統(tǒng)、全面地解決巖石工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面所出現(xiàn)的基本問(wèn)題。然而，因?yàn)閹r石工程也有著明顯的不確定性，所以近幾年來(lái)，概念設(shè)計(jì)也被逐漸引入到巖石工程當(dāng)中。從本質(zhì)上來(lái)講，很多工程的設(shè)計(jì)都是以概念設(shè)計(jì)為開(kāi)頭的， 最后慢慢演變成各種各樣的實(shí)施方案，在工程概念設(shè)計(jì)的最后檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是否合理可行。巖石工程之所以與眾不同，是因?yàn)樵诠こ淘O(shè)計(jì)當(dāng)中概念設(shè)計(jì)所占地位的重要程度要明顯高于其他工程，其中理論的計(jì)算值只作為參考數(shù)值。需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是，巖石工程的設(shè)計(jì)不是那些線性的推進(jìn)，不能避免重復(fù)和反饋。

工程設(shè)計(jì)過(guò)程里概念設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)工程里出現(xiàn)的問(wèn)題提出解決辦法，其可行程度主要取決于設(shè)計(jì)人員對(duì)那個(gè)工程項(xiàng)目目標(biāo)的認(rèn)識(shí)程度，以及對(duì)技術(shù)運(yùn)用、約束條件的把握程度。現(xiàn)如今，巖石工程的設(shè)計(jì)一般是運(yùn)用類比設(shè)計(jì)的方式來(lái)完成的。類比推理的思維方式是一種十分重要的思維方式，在人們的生產(chǎn)活動(dòng)中起著重要的作用。雖然類比推理有著諸多的優(yōu)勢(shì)但是到目前為止，人們還沒(méi)有對(duì)類比推理進(jìn)行深層面的研究和探索。從本質(zhì)上來(lái)講，類比推理是邏輯方面的問(wèn)題，然而研究工作卻很難進(jìn)行下去。

1.3以往的類比方法

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，類比設(shè)計(jì)其實(shí)就是參考比較以往的相似的工程來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的一項(xiàng)技術(shù)。但目前為止，巖石工程設(shè)計(jì)基本是把“類比設(shè)計(jì)”作為核心，不能夠達(dá)到工程建筑結(jié)構(gòu)物體的設(shè)計(jì)要求。

1.4改進(jìn)已有的類比方法

很明顯，以往的類比設(shè)計(jì)方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)代物質(zhì)的發(fā)展水平，為了能夠更好地發(fā)展巖石工程，必須對(duì)以往的類比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改造，這種改造基本上可以分為直接改進(jìn)、間接改進(jìn)以及從定性分析到綜合集成三個(gè)途徑。

1.4.1直接改進(jìn)

這種改進(jìn)方法能夠盡最大限度使之達(dá)到半定量的水平，但是由于缺少對(duì)分層的研究，所以去比較直接計(jì)算的可比度是比較難的。

1.4.2間接改進(jìn)

間接改進(jìn)就是指組建專家團(tuán)隊(duì)，通過(guò)這種方式來(lái)解決問(wèn)題。然而，雖然現(xiàn)如今的專家體系的研制和開(kāi)發(fā)有很多，但是可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的卻很少。此外，還存在輸入數(shù)據(jù)信息量較大以及運(yùn)行的效率低下等諸多問(wèn)題。

1.4.3從定性分析到綜合集成

這種改進(jìn)方式可以使設(shè)計(jì)達(dá)到一半以上的半定量水平。分類的類比和典型方法是人們處理問(wèn)題的根本方法，針對(duì)多數(shù)的隧道工程沒(méi)有條件進(jìn)行巖體力學(xué)測(cè)試的實(shí)際情況，合理運(yùn)用我國(guó)現(xiàn)有的測(cè)試成果，引用圍巖分類的概念設(shè)計(jì)理念，總結(jié)出具有代表性的工程資料，為多數(shù)的巖石工程提供設(shè)計(jì)資源。與此同時(shí)，重視一般的隧道工程的測(cè)量資料，以此作為工程修正和驗(yàn)證的材料。

典型的類比分析方法是隧道工程當(dāng)中最喜歡運(yùn)用的一種分析方法，是以往有的分析方法的延拓和發(fā)展：典型的類比分析方法把那些圓形的斷面凈水壓力場(chǎng)不斷簡(jiǎn)化進(jìn)行熱工解析分析計(jì)算，變成現(xiàn)在的可以考慮實(shí)際情況的分析方法；從以往的個(gè)別的專家按照各自經(jīng)驗(yàn)自主判斷以及選定綜合修正的系數(shù)到現(xiàn)在的可以綜合考慮圍巖分類、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集以及反分析位移數(shù)據(jù)等項(xiàng)實(shí)用技術(shù)，并在整個(gè)專家團(tuán)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用在特定情況下的反饋和修正，選定出綜合修正的系數(shù)。

典型的類比分析作為綜合集成里的一種應(yīng)用，優(yōu)勢(shì)之一就是構(gòu)造了一個(gè)框架，可以集合各個(gè)方面專家團(tuán)隊(duì)的意見(jiàn)和建議，整理運(yùn)用到巖石工程的類比設(shè)計(jì)當(dāng)中。但是這種系統(tǒng)性質(zhì)的綜合處理方式削減了巖石工程概念設(shè)計(jì)的功能，所以在其他的工程設(shè)計(jì)里很難運(yùn)用。總的來(lái)說(shuō)，巖石工程類比設(shè)計(jì)還不夠明確，不夠規(guī)范，運(yùn)行的效率也比較低。

2　巖石工程的類比

2.1類比設(shè)計(jì)的對(duì)象

說(shuō)白了，類比就是兩個(gè)對(duì)象之間的比較，類比推理大致上可以看作是一項(xiàng)比較特別的歸納推理。要是，兩個(gè)要類比的對(duì)象之間有著某些相似的地方，那就可以根據(jù)其中一個(gè)對(duì)象的一個(gè)已知的特性來(lái)推理出另一個(gè)對(duì)象的某種特性，這就是類比推理的過(guò)程，也可以叫做類比遷移。

2.2類比設(shè)計(jì)的原理

類比和推理一樣，要求要達(dá)到一定的條件，包括：類似性質(zhì)、系統(tǒng)性質(zhì)、選擇性質(zhì)等，能夠把這些性質(zhì)當(dāng)作類比的基本原理。

第一、類似性類比設(shè)計(jì)原理：通常認(rèn)為，類比推理是把類似性作為類比的基礎(chǔ)。如果兩個(gè)類比對(duì)象有著某些相同的特性，但是在描繪特征值的時(shí)候有區(qū)別，就叫這種相同的特性為類似特性。如果兩個(gè)對(duì)象存在著類似特性，就說(shuō)這兩個(gè)對(duì)象有類似性。就是說(shuō)這兩個(gè)對(duì)象相似，而且要說(shuō)明他們相似的特性。

第二、選擇性類比設(shè)計(jì)原理：眾所周知類比的中心環(huán)節(jié)就是選擇類比的對(duì)象。選擇的原理指的就是用在過(guò)濾互相匹配的特性。

第三、目標(biāo)性類比設(shè)計(jì)原理：巖石工程設(shè)計(jì)把解決主要問(wèn)題作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)。目標(biāo)性類比設(shè)計(jì)的原理就是目標(biāo)驅(qū)動(dòng)化。

第四、類似程度：類似是指把主要的給予適當(dāng)程度的概括。這兩個(gè)事物的類似程度隨著他們的共同特點(diǎn)的增多而相應(yīng)地增多，隨著這兩個(gè)事物之間差異的增多而相應(yīng)地減少。兩個(gè)事物的類似程度越低，類比推理的效果相對(duì)就較差。總而言之，巖石工程設(shè)計(jì)困難比較大，很難一步確定。要想用一個(gè)定量的指標(biāo)來(lái)表示這些復(fù)雜的對(duì)象，還要進(jìn)一步的研究。

第五、系統(tǒng)性類比設(shè)計(jì)原理：在巖石工程類比設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中必須遵守這個(gè)原理。系統(tǒng)性原則指的是把類比的兩個(gè)對(duì)象當(dāng)作系統(tǒng)，而系統(tǒng)都有著一定程度的特點(diǎn)；類比就是把這些對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)匹配起來(lái)，所以要從系統(tǒng)的層面來(lái)考慮類似性。

3　研究成果

根據(jù)已有的認(rèn)知心理學(xué)的原理，可以把巖石工程的類比設(shè)計(jì)劃的程式分成目標(biāo)性的表征課題、類比檢索和映射系統(tǒng)以及遷移解答和概括圖式三大類。眾所周知，類比設(shè)計(jì)的前提條件是，對(duì)基礎(chǔ)性的課題以及目標(biāo)性的課題做出合理的表征。目標(biāo)性的課題的表征指的是對(duì)問(wèn)題進(jìn)行基本定義，而基礎(chǔ)性的課題的表征不但要求對(duì)問(wèn)題進(jìn)行基本定義，同時(shí)還要對(duì)這種問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的解答和表述解答結(jié)果，由此看來(lái)，基礎(chǔ)性的課題的表征是一種高水平的設(shè)計(jì)工程。

到目前為止，一部分研究人員已經(jīng)在巖石工程的概念設(shè)計(jì)以及圖示歸納方面做出了不小的成果。這些研究人員根據(jù)土質(zhì)的條件細(xì)致劃分出不同區(qū)的土層，并通過(guò)大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，歸納整理出了各種類型土層工程建筑的幾大注意事項(xiàng)；通過(guò)了類比的方法設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)的選型；通過(guò)專用的軟件對(duì)工程數(shù)據(jù)進(jìn)行精密的計(jì)算；通過(guò)比較選出最終的實(shí)施方案。例如郝曉平濟(jì)南地區(qū)的典型地層深基坑工程為研究對(duì)象，并成功提出了相應(yīng)的類比設(shè)計(jì)的初步計(jì)劃和初步思路。她把該施工地區(qū)的土層根據(jù)土質(zhì)等性質(zhì)分為了三個(gè)地層，并且總結(jié)了以往的大量類似工程的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了適合該工程的特定的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，運(yùn)用了多種科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，綜合多種經(jīng)驗(yàn)，最終篩選出了最為節(jié)約資源，最能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的設(shè)計(jì)方案［1-2］。雖然，到目前為止，我們已經(jīng)在巖石工程的類比設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中取得了一定的成就，但是這些都是在表面上的研究成果，要想得到進(jìn)一步的理論成果進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)巖石工程更好、更快發(fā)現(xiàn)，還需大家的共同努力［3］。

4　結(jié)語(yǔ)

在巖石工程的設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，類比設(shè)計(jì)的方法是很重要的。然而，在理論上對(duì)其進(jìn)行探討是很局限的，本文作者希望通過(guò)闡明巖石工程類比設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)和重點(diǎn)，來(lái)提升當(dāng)代巖石工程類比設(shè)計(jì)的水平。不可否認(rèn)的是，到目前為止，我們已經(jīng)在巖石工程的類比設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中取得了一定的成就，但是這些都只是在表面上的成果，要想進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)巖石工程的快速發(fā)展，想形成更加完善的類比設(shè)計(jì)，趕超其他世界大國(guó)，還需大家的共同努力。

［1］馬建，孫守增，趙文義，王磊，馬勇，劉輝，張偉偉，陳紅燕，陳磊，魏雅雯，葉飛.中國(guó)隧道工程學(xué)術(shù)研究綜述·2015［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2015，05：1-65.

［2］吳磊.深部硬巖巷道支護(hù)技術(shù)研究［D］.中南大學(xué)，2010.

［3］李世輝.典型類比分析法的原理與實(shí)踐［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1993，02：52-61.

［4］郝曉平.濟(jì)南市典型地層深基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)方法與結(jié)構(gòu)選型探討［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.