地下工程建设围岩安全控制的技术核心：围岩失稳判据研究综述

温嘉琦， 汤雷

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

地下工程围岩稳定控制是典型的多领域交叉科学，广泛涉及水利水电工程、矿业工程、交通工程和国防工程等[1-2]。如在长距离调水工程中，文献[3]中提出的断面下移自流方案指出：南水北调西线工程输水线路全长825 km，隧洞段长达823 km，意味着西线工程99.76%的输水线路将(规划)采用水工隧洞进行长距离输水；隧洞平均埋深570 m，最大埋深达到2 020 m，南水北调西线工程的设计和建设将面临诸多挑战。

地下工程与地上建筑相比具有特殊性，其施工期的安全与地质灾害问题非常突出[4]。尤其是深埋隧洞高应力围岩体极易发生坍塌、岩爆、突水、突泥等情况，不仅严重危及施工人员生命和施工设备安全，而且会严重干扰施工计划进度；事故处理后如何复工也需要进行谨慎评估，以防二次灾害的发生[5]。因此，围岩稳定控制成为地下工程设计和施工的关键难题。地下工程施工安全与稳定的核心在于围岩稳定，人工支护措施及衬砌结构仅仅起辅助作用。围岩失稳判据是判别围岩稳定状态的临界条件，用来预防围岩失稳，为工程设计论证、施工建设提供重要技术参考。

针对围岩失稳判据，已有综述或专门的判据研究文献报道。以中国知网期刊检索主题“围岩判据”为例(这里检索出的内容并未覆盖所有相关文献)：

20世纪90年代，杨更社[6]指出在围岩应变硬化状态和应变软化状态之间必然存在着一种临界状态；李世辉[7]基于围岩洞周量测值，阐释了采用变形速率比值判别的5种情况；剑万禧[8]提出采用实测抗拉强度与围岩应力的比值作为围岩失稳判据。

21世纪00年代，靳晓光等[9]针对3种高地应力隧道围岩的位移稳定判据的确定进行了分别讨论；刘景儒等[10]、卢爱红等[11]从能量角度提出隧道围岩相互作用和岩爆的刚度判据、能量密度判据；付成华等[12]应用突变理论探索了5种能量突变判据；刘宁等[13]提出了围岩劈裂破坏的应力判据；范广勤等[14]提出了基于剪切破坏理论以围岩破坏区最小作为围岩稳定性判据；徐银燕[15]总结了强度、极限应变、洞周收敛位移收敛比3种基本围岩失稳判据；邵冠慧等[16]总结了围岩极限强度判据(破坏判据、塑性区、安全系数与强度折减法)和极限应变判据。

21世纪10年代，郑颖人等[17]将围岩失稳判据总结为围岩洞周位移判据、塑性区大小判据、基于强度折减法的安全系数判据；宋波等[18]、曹野等[19]针对爆破作用下围岩稳定性，建立了时间-能量-密度曲线面积与围岩损伤程度的定量关系；穆成林等[20]基于尖点突变理论，推导得出了围岩破坏的失稳条件；刘建国等[21]利用M-C滑移准则推导出了围岩结构面滑移的判据；李志龙等[22]总结了岩爆脆性破坏的代表性判据(强度应力比、能量、岩性和复合判据等)。

21世纪20年代，肖明清等[23]总结了隧道开挖的4种失稳判据：有限元计算迭代求解不收敛、有限元计算位移突变、超过极限剪应变区域阈值、受拉破坏区阈值；孙振宇等[24]提出不良地质大断面隧道应以变形加速度作为主要指标，并给出了深埋和浅埋条件下围岩变形加速度阈值确定方法。

初步调查上述文献可以发现，围岩失稳判据研究与实践有以下特点：①一方面主要是基于洞周监测量或实测应力的围岩失稳判据，为工程现场的工程师提供工程管理参考依据；另一方面是基于理论和数值计算的判据，通过强度理论、突变理论、强度折减法等围岩失稳分析方法，发展了强度类、能量类等判据形式。②在总结性文献中，不同作者对围岩失稳判据的归纳相对不统一[13-15,19,21,23]，而且存在更多的判据类型没有被完整归纳。

本文针对围岩失稳判据研究进行综述，逻辑框架如图1所示，全文工作如下：

1) 归纳围岩失稳判据并将其划分为两类，梳理各种概念的关系和结构，分别论述其基本原理、支撑理论和研究进展。

2) 讨论研究局限，展望科学问题。

3) 围绕围岩失稳判据，构建地下工程围岩安全控制系统图谱。

1 监测量判据

1.1 位移监测与应用

围岩宏观变形是围岩力学形态最直接、最外在的体现，监测量判据直接服务于隧洞施工建设与运行管理。在隧道开挖和支护过程中要及时对围岩及支护结构变形进行监测，因此，通过监测围岩变形可以对围岩稳定性做出判断[25]。

在开挖扰动下，围岩发生应力调整和转移，随着围岩变形增大，岩体损伤逐渐发展。围岩变形一般会经历4个阶段，从掌子面前方开始，分别是Ⅰ缓慢变形阶段、Ⅱ急剧变形阶段、Ⅲ变形减缓阶段与Ⅳ基本稳定阶段，如图2所示[26]。

图2 围岩变形的4个阶段

图2中：Ⅰ阶段的围岩仅发生微小变形；Ⅱ阶段围岩极易失稳，是施工中发生坍塌事故的主因，这部分围岩变形所占比例最大，是围岩变形和安全性控制的重点；Ⅲ阶段随着初期支护作用力的增大，围岩破坏范围和围岩变形趋于稳定；Ⅳ阶段围岩变形增加较为缓慢，无显著变形，一般可施作二次衬砌支护。基于此，围岩稳定可考虑为：洞周变形速率呈递减趋势并逐渐趋近于零，其累计位移未超过极限位移；初期支护表面没有再发展的明显裂隙等。具体变形控制指标一般包括洞周关键点的位移、变形速率、加速度(速率变化趋势)以及围岩稳定时间等指标。

在国家规范和行业标准中，具有代表性的如《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)[27]中规定围岩变形基本稳定的判别标准参见GB 50086—2015[28]和《岩土工程监测手册》(中国水利水电出版社，1998年版)：一般在变形小于0.2 mm/d时可认为基本稳定；在有长期观测(大于3个月)成果时，观测后期全月变形平均小于0.1 mm/d时认为是稳定的。《公路隧道施工技术规范》(JTG/TF 60—2009)[29]中规定，以洞身周边收敛速率0.1～0.2 mm/d及拱顶沉降速率0.07～0.15 mm/d作为围岩稳定判据。

王丽华等[30]开发了隧道监测信息管理与预警系统，将围岩累计位移、速率及变化趋势作为预警评判指标，把变形速率为3、10 mm/d作为判定界限，累计位移为允许位移的1/3、2/3作为判定界限；宋志鹏等[31]在龙鼎隧洞施工中采用了相同的判定标准。刘大刚等[32]通过支护开裂观察、位移速率两个指标进行综合分析，提出4个位移监测管理水平，根据实测位移-时间时态曲线确定了各管理水平的位移控制基准值。徐剑坤[33]提出用变形加速度(第一步)+变形量(第二步)+变形速率(第三步)综合评价围岩稳定性的预警准则，现场监测结果表明变形指标能够反映围岩状态及变化趋势；类似地，杨超等[34]提出了基于监测量值变化速度特征的隧道围岩稳定动态综合评判模型的构建方法和评判准则。徐昌茂[35]建立了围岩等级与拱顶下沉稳定位移、周边收敛稳定位移、围岩稳定时间以及围岩稳定距离的关系，并根据开挖工法和地质情况给出了各判据指标的建议值。孙振宇等[24]提出不良地质大断面隧道应以变形加速度作为主要指标，并给出了深埋和浅埋条件下围岩变形加速度阈值的确定方法。

1.2 应力监测与应用

围岩结构的应力监测主要是对锚杆轴力的监测。锚杆轴力的大小能够有效地反映锚杆的受力特性和支护能力，并且监测锚杆应力变化可以获取岩体变形特征，分析锚杆轴力的现场监测数据成为了学术界和工程界常用的技术手段。

李鹏飞等[36]基于33座隧道68个监测断面的282 根锚杆轴力的统计数据，分析指出锚杆轴力的大小与围岩质量等级密切相关。地下工程向着深部岩体发展，在工程实践中常常会出现超经验认识的现象，刘宁等[37]通过对锦屏二级深埋隧洞监测成果的分析发现，围岩破坏时位移监测量仍可能在控制标准范围之内，此时变形监测失去了预警的意义，而锚杆应力计对围岩状态变化的敏感程度比多点位移计更高，更具有预警价值。图3给出了锦屏二级水电站4#引水隧洞锚杆应力监测成果[37]，由图3可知：距洞壁2 m深度处的锚杆应力最大，说明浅部受力较大；锚杆应力增长经历了一个相对较长的过程。深埋隧洞中锚杆应力计读数变化既可能是围岩结构面变形的结果，还可能是围岩破裂的结果，当围岩破裂占据主要地位时，深埋隧洞围岩锚杆应力计读数更容易出现变化。

图3 工程示例：锦屏二级水电站4#引水隧洞锚杆应力监测结果

1.3 声学信息与应用

声发射监测——岩体损伤的主动信息获取手段。岩石在外界应力作用下，其内部将产生局部弹塑性能量集中现象，当能量积聚到某一临界值之后，就会引起岩体微裂隙的产生与扩展，伴随着弹性波或者应力波的释放并在周围岩体内快速传播，这种弹性波在地质上称为声发射(Acoustic Emission，AE)。国内外研究证明，每一个声发射事件都包含着岩石内部状态变化的丰富信息，对其进行分析可以判断岩石内部裂纹演化过程和应力场分布、转移规律。采用声发射技术能连续、实时地监测材料内部微裂纹的产生和扩展，揭示材料的变形和破坏过程，声发射监测已经被广泛应用于岩石力学基础研究和实际工程中[38-39]。图4为锦屏二级水电站3#TBM掘进过程中声发射监测成果[40](图中R为隧洞中心点到不同圈层的距离)，由图4可见，在距洞壁9 m范围内发生了大量声发射事件，意味着该范围内围岩发生了损伤破裂。

图4 工程示例：锦屏二级水电站3#引水隧洞声发射监测结果(单位：m)

声波检测——岩体损伤的被动信息获取手段。岩石声波检测技术是一种将声波发射到岩石中的人工方法。由于地质条件的不均匀性、隧洞开挖导致的围岩状态变化以及围岩二次应力分布不均匀性等，隧洞开挖以后在断面上进行声波测试可以获得不同的波速变化。赖祖毫[41]利用声波检测技术通过矿柱内部声波波速的变化和波形的变化预测采空区矿柱的破坏位置；刘宁等[37]在锦屏二级水电站引水隧洞不同断面上进行了声波测试，检测结果表明测孔低波速带在断面上的深度平均值与锚杆应力变化突出深度范围相吻合；张玉柱[42]针对岩石基础开挖爆破损伤区声波检测，建立了基于纵波上升时间变化率的岩体损伤判据。

以上所述围岩位移、应力、声学等监测量的失稳判据具有普适性、可操作性，但是具体评判标准很大程度上依靠工程类比和专家经验给出，且受到工程布置、隧洞规模等多因素的影响，监测和测试信息的丰富程度、代表性和客观性以及数据处理的合理性，决定了专家决策的有效性。需要在规范建议的基础上具体问题具体分析，保证地下工程施工过程中的围岩稳定与人员安全。

1.4 围岩质量现场分级

围岩质量分级是地下工程设计论证和动态设计阶段的必要工作[43]。郑颖人等[44]指出，必须做好理论、勘察和经验相结合的围岩分级工作，为解决隧道稳定分析中的不确定性提供较为科学合理的围岩力学参数。

现行《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)[45]采用综合指标BQ法，其以岩石坚硬程度及其完整程度这两个因素综合考虑围岩质量，每个因素分别通过定性和定量判定围岩级别。此外，还有水电围岩工程地质分类[46]、RMR系统[47]、Q系统[48]和GSI系统[49]等众多围岩分级方法。众多科研人员和工程师对围岩分级方法进行完善、改进和综合利用，如就某种方法做“本地化”调整，加大关键影响因素的权重，确保指导工程的有效性。

对于深埋隧洞，前期勘察工作不可能获得详尽准确的地质信息(但可以指导大的设计方向)，而在施工建设中，实时判定掌子面围岩质量情况非常重要，该工作可以及时指导工程动态设计(调整施工进度和支护措施)，其与围岩失稳判据一样起到保障施工安全、预防围岩失稳的作用。即通过实时判定掌子面围岩级别，保障施工中围岩的稳定和安全，形成“检测-调整-施工-检测”的动态循环[50]。

殷明伦[51]制定了施工过程中围岩分级动态判定程序，通过组织专门人员(按施工方法进度具体要求)判定掌子面围岩状态，动态调整支护设计，其思路整理后如图5所示。此外，牛文林[52]开发了基于信息网络的围岩分级平台，试图在信息系统上实现围岩级别的定量判别以及智能定性判别，实现施工过程的信息化管理。

图5 施工围岩分级动态判定示意图

2 理论/数值计算判据

随着计算机技术的发展，数值计算成为地下工程围岩稳定分析的重要手段。数值计算方法提供了丰富的本构模型，强大的计算能力不仅可以解决各种复杂洞形的围岩应力应变分析问题，而且可以模拟各种支护方案的有效性以及不同施工步骤对围岩稳定的影响等。数值计算方法按照计算原理可分为连续介质分析法(有限元法、边界单元法、快速拉格朗日差分法等)和非连续介质分析法(离散元法、非连续变形分析法等)。围岩稳定分析方法包括强度准则、突变理论、强度折减、可靠度分析等，与之相关的围岩失稳判据可划分为位移类判据、强度类判据、能量类判据以及可靠度指标等。

理论/数值计算围岩失稳的研究框架如图6所示，图6明确了理论/数值计算判据与支撑理论方法、数值计算方法的关系，各类判据可以与不同的理论方法相结合，不同理论方法之间也可以综合运用。

图6 理论/数值计算失稳判据的基本框架

2.1 理论与方法

2.1.1 强度准则简介

强度准则表征岩石破坏时的应力状态和岩石强度参数之间的关系，一般可以表示为极限应力状态下的主应力间的关系方程，不同的强度准则有各自的屈服条件。根据强度屈服准则计算结构失稳破坏，最典型的是Mohr-Coulomb[53]、Drucker-Prager[54]、Hoek-Brown[55]等准则的应用。

范磊等[56]基于数值计算方法对比分析了Mohr-Coulomb和Drucker-Prager两种强度准则下的直墙拱形巷道围岩变形破坏特征及其规律的相似性和差异性。朱永生等[57]系统地讨论了Hoek-Brown强度准则和取值结果的特点，指出基于其的岩体力学参数取值方法更全面地考虑了地质因素的多样性及其导致力学参数取值的差异性，通过深埋岩体的工程实践，指出Hoek-Brown强度准则比传统Mohr-Coulomb强度理论取值方法更合理。张春生等[58]依托白鹤滩水电站工程，论证了利用Hoek-Brown本构模型进行玄武岩峰后脆性、扩容力学行为描述的适用性。

2.1.2 强度折减法简介

1975年，英国科学家[59]提出了有限元强度折减法和超载法。有限元强度折减法首先在边坡、地基等工程中得到广泛应用[60]。郑颖人等[61]将有限元强度折减法引入隧道围岩稳定分析中，用来求解围岩稳定安全系数，同时还可以获得围岩的破坏面位置与形态。该方法是在数值计算中通过不断折减岩土强度参数(黏聚力c和内摩擦因数tanφ)，直至岩体达到破坏，此时岩体强度降低的倍数(即折减系数)就是安全系数。按摩尔-库仑准则，强度折减安全系数ω可以定义为：

τ=(c+σtanφ)/ω=c′+σtanφ′；

(1)

c′=c/ω, tanφ′=tanφ/ω。

(2)

进一步地，由于失稳过程中黏聚力和内摩擦角折减速率不同，相关学者进一步提出双参数强度折减法，对黏聚力和内摩擦角分别选取不同的折减系数进行折减。ISAKOV A等[62]提出了最短路径强度折减法，王薇等[63]、孙景来[64]在隧洞围岩稳定分析中考虑了两个参数不同的折减速率，提高了计算精度。陈国庆等[65]基于强度折减法提出大型地下厂房围岩劣化折减计算方法，建立了围岩位移变形的动态预警体系。强度折减法常常与位移突变失稳判据相结合，计算相应的安全系数，在地下工程数值计算中应用十分广泛[66-68]。

2.1.3 突变理论简介

突变理论于20世纪60年代由法国数学家Rene Thom提出，后由其他学者改进和发展，逐渐形成了突变理论的数学逻辑。突变理论用来描述系统中变量从连续的逐渐变化导致系统状态的突然变化，最常用的是尖点突变模型。在围岩稳定分析中，把围岩失稳看作一种突发破坏现象，主要表现为力学变形的不确定性、本构关系的非线性和破坏过程中的突变性。

黄润秋等[69]首次较为全面地总结了突变理论在地质工程分析中的步骤，并具体分析了地下洞室工程的失稳临界条件公式。概括地，突变理论在结构稳定分析中的步骤是：首先，通过力学模型建立系统势函数尖点突变的标准函数形式；然后，根据系统发生突变的条件和分叉集方程，求得系统失稳的充要条件。近年来，相关研究与推导一般都是基于这样的步骤和框架。

建立系统势函数可以运用多种判据形式，最后可以结合强度折减系数法确定安全系数。如：祝云华等[70]根据总势能原理建立了隧道失稳的尖点突变模型，最后根据监测断面位移突变阀值判别深埋隧道围岩的稳定性；姚仲涛[71]基于突变理论建立了洞周最大位移、应变能、塑性耗散能和熵围岩失稳判据；穆成林等[20]建立了层状围岩弯折失稳破坏的尖点突变模型，推导得出系统失稳的外力判据；苏永华等[72]将强度折减法和突变理论结合，给出Ⅱ级围岩隧道自稳能力系数。突变理论计算流程及其在围岩稳定分析中的应用如图7所示。

图7 突变理论计算流程及其在围岩稳定分析中的应用

2.1.4 可靠度理论简介

可靠度分析是采用概率指标衡量结构可靠性的方法。借鉴数理统计和概率方法研究地下工程中不确定性因素并估计其影响，当失效概率值在一定范围内时可认为围岩稳定。求解可靠度的主要方法有直接积分法、蒙特卡洛模拟法、随机有限元法、矩法等近似方法及响应面法等间接方法。

郭健[73]通过数值计算求得的圆形隧道围岩位移解析解，以洞顶沉降位移作为围岩失稳判据，建立围岩变形稳定功能函数，通过响应面和一次二阶矩法计算了围岩变形稳定可靠指标；此外，文献[74-77]均应用可靠度分析方法研究围岩稳定问题，根据相关研究，整理出可靠度计算流程，如图8所示。

图8 可靠度计算流程及其在围岩稳定分析中的应用

2.2 判据类型

2.2.1 位移类判据

数值计算中广泛把位移突变或极限位移作为围岩失稳判据。数值极限分析中，例如：在某荷载下，位移曲线后段保持水平，则表明模型未破坏，当荷载增大至一定程度后，位移曲线后段突然增大，此时计算不收敛，判定模型破坏，进而就可以确定极限荷载的大小[78]；类似地，姚仲涛[71]、孙景来[64]、苏永华等[67,72]在确定安全系数时，都以数值计算中位移发生突变作为围岩失稳判据。此外，张鹏等[79]还结合工程经验建立了隧洞顶拱位移与塑性区、松动区半径大小的关系式，提出了衬砌施作时机的收敛位移监测判据，等等。

2.2.2 强度类判据

当数值计算中弹塑性分析得出的塑性区贯通或大于极限塑性区时，即可认为围岩失稳。徐文焕[80]、关宝树[81]通过围岩塑性区的面积大小判别围岩稳定性，即塑性区超过开挖直径的20%则判为不稳定；朱维申等[82]针对大型地下硐室，以塑性区是否贯通判据为准则，延伸提出若干稳定判别指标，如弹塑性位移比值、塑性区与硐室截面比值等；HOEK E[83]给出支护后围岩稳定性的判断方法，当塑性区在锚杆支护范围内时判定围岩稳定。

此外，围岩塑性区的形状也可以用来评价围岩破坏形式与损伤程度，文献[84-85]研究了塑性区失稳形态，利用形态系数表征塑性区形态特征，以此判别围岩的稳定状态。

2.2.3 能量类判据

能量类判据包括塑性耗散能、应变能和熵等。围岩的崩塌失稳本身就是能量的一种释放。深部工程常见的岩爆问题，就是岩体承载能量积聚成应变能，岩体发生脆性断裂，短时释放出巨大能量。

塑性耗散能表征塑性区能量(塑性应力对应变做功)的变化；应变能表征围岩裂隙变形对外做功产生能量；熵是表征围岩系统中能量分布的混乱程度(围岩扰动过程中单元的应变能分布趋向差异化)。具体应用上，典型如姚仲涛[71]基于突变理论，把各能量判据作为状态变量的势函数求解突变特征值，确定了围岩失稳发生时所在的开挖步。

3 讨论

监测量围岩失稳判据主要运用在地下工程施工建设期，在工程运行与维护期也需要对洞周位移、沉降变形、锚杆应力等进行长期监测；数值计算判据主要应用在地下工程设计论证期以及动态设计期，为工程结构设计、施工设计、变更设计等提供技术支持。

围岩失稳监测量判据以及数值计算中衍生出的大部分指标，其人为经验性取值不可避免。在地下工程建设中，过多的人为经验判断可能会大大增加整个工程安全问题的不确定性。因此，监测量判据的运用，一方面需要更加先进的监测手段和检测设备，另一方面更需要来自岩石力学的新理论、新发现的支持。

数值计算判据存在局限性：首先是数值模拟计算的精度问题，数值计算存在一系列假设和理想化假定，不同的计算方法将导致计算结果不统一，常常需要结合物理模型或工程实测数据进行反演、修正和数据评估；其次是数值分析判据虽然可以验证某些理论和方法的有效性，能在设计论证期以及动态设计期为工程提供技术依据，但工程施工现场情况复杂，地下工程施工现场可能出现不可预见、不同缺陷尺度的地质灾害，这可能导致数值计算结果在指导工程动态设计和运行管理中发挥的作用很有限，也给地下工程数值仿真计算提出更高的要求。实际工程中需要综合利用围岩监测与物探检测等手段，综合分析判定围岩稳定状态。

4 展望

岩石材料在受力过程中一般经过弹性、塑性、应变软化、残余塑性等阶段，其应力-应变曲线可分为峰前与峰后两大部分。峰前区的岩石力学性质较为稳定，可采用经典弹塑性理论来描述其力学行为；而在峰后区，其后继屈服面随塑性变形的累加而不断变化，具有应变软化特性，一般处于非稳定状态，其力学行为较为复杂而难以用经典强度理论来描述。

HOEK E[83]总结了岩石峰后力学行为曲线的3种模式，如图9所示。其中，三线性软化本构模型OBC将岩石全应力-应变曲线简化为峰前弹性阶段、峰后应变软化阶段与残余阶段等3条直线来表示；卢允德等[86]基于岩石常规三轴压缩全过程试验，提出了峰前双线性弹性本构模型OABC(图9)；孟庆彬[87]将A点作为体积应变最大压缩点(图9)，建立了极弱胶结岩体的本构模型；若将A点视为扩容起始强度，根据王宇等[88]的研究，A点强度约为峰值强度的70%(图9)；胡云华[89]提出了峰前四线段非线性弹性本构模型，用来描述花岗岩峰前的非线性力学行为。

图9 岩石材料应力-应变的3种关系模式

岩石材料的3种应力-应变模式中，与真实情况最为贴合的是应变软化模式，但是应变软化模式将材料峰后损伤过程简化为一条线性曲线，一定程度上忽视了岩石材料在峰值阶段的承载性能。理论研究与实践证明，岩石材料的承载能力不是像应变软化曲线一样均匀下降，而是存在随着损伤的逐步发展，承载能力不发生显著下降的过程，即只有当损伤发展且累积到一定程度后，材料的承载能力才发生显著变化。因此，探究岩石材料/岩体结构/围岩的“受荷-持荷-破裂/失稳”力学特性，对深入理解岩石材料/岩体结构的阶段性损失过程、指导地下工程围岩安全控制具有重要意义。

5 围岩安全控制系统图谱

岩石力学经历了100多年的发展历史，它从经验理论发展到经典理论，从连续介质理论发展到非连续介质理论。如今，岩石力学发展到用更为复杂的计算力学模型分析问题，也更加重视用系统论方法研究岩石力学与工程，人们的认识在研究与实践中不断进步与更新。现代岩石力学理论认为：由于岩石和岩体结构及其赋存条件的复杂性和多变性，岩石力学既不能完全套用传统连续介质理论，也不能完全依靠传统地质力学理论，而必须把岩石工程看成是一个“人-地”系统，用系统论的方法进行岩石力学与工程的研究。系统论强调复杂事物的层次性、多因素性及相互关联和相互作用特征，并认为人类认识是多源的，是多源知识的综合集成。

在地下工程建设中，围岩安全控制与管理是一个复杂的技术系统，其技术核心就是围岩失稳判据。技术核心(Core Technology)是一个管理学概念，围岩失稳判据作为地下工程建设围岩安全控制的技术核心，它需要被有效地确定、运用和管理，才能发挥最大的技术效益。对于一个复杂的系统性问题，如何用一个明确的方法框架去描述呢？钱学森等[90]曾给出开放的复杂巨系统及综合集成方法论，指出开放的复杂巨系统存在于自然界、人自身以及人类社会，它是一个描述和认识复杂问题的哲学方法。本文采用综合集成方法论描述地下工程建设中围岩的安全控制问题，结合地下工程围岩稳定控制的工程实际，给出地下工程建设安全控制系统图谱，如图10所示。

图10 基于综合集成方法论的地下工程建设围岩安全控制系统图谱

图10表明：在工程规划设计阶段，在综合分析工程地质和设计资料的基础上，通过理论知识、专家经验、物理试验以及数值模拟计算，给出围岩稳定控制的管理阈值水平等更多预判信息；在施工现场环节，布置和安装施工围岩监控网络和预警系统，在施工执行的同时，进行掌子面围岩的检测与判定等，综合以上信息实时进行决策与工程管理，对围岩支护策略进行动态调整。地下工程安全管理的预判信息可以分为两类：一类是很可能发生的情况，通过工程优化布置或者合理的工程措施进行处理和有效控制；另一类是发生概率较低但关系重大的情况，如出现恶性岩爆、大面积塌方、突泥突水等严重地质灾害时，要提前准备详细的应急预案，以便及时解决问题，并且慎重评估灾后围岩稳定能力，选取合理的时机进场复工，严格避免次生灾害的发生。

围岩失稳判据的获取、确定与运用是一个复杂的系统性问题，与工程整个建设周期各个环节息息相关。本文给出的地下工程建设围岩安全控制系统图谱，有利于明确对围岩安全控制的系统性科学认识，提高地下工程设计施工的技术管理和决策水平。

6 结论

1)将围岩失稳判据归纳为监测量判据和理论/数值计算判据两大类，梳理了各类相关概念的关系。监测量判据包含多种现场信息，如位移、应力、声学信息以及掌子面围岩质量动态检测等，阈值水平一般根据具体工程实际以及围岩稳定分析计算给出的预判信息进行确定，主要被运用在地下工程施工建设期；理论/数值计算判据以理论/数值计算方法为基础，包含位移类、强度类、能量类等判据类型，一般结合强度理论、突变理论、可靠度理论、强度折减法等进行运用，为地下工程设计论证或动态设计期提供技术支持。

2)围岩失稳的监测量判据以及数值计算中提出的某些临界指标，经验性取值的情况不可避免，过多的人为经验判断可能会大大增加整个工程安全风险的不确定性；理论和数值计算存在一定局限性，一是计算的精度问题，二是数值分析判据与地下工程施工中危险的难以预见性存在矛盾，实际工程中还需综合利用围岩安全监测和物探等手段，综合分析判定围岩稳定状态。

3)指出了岩石峰后应变软化模式的局限性：一定程度上忽视了岩石材料在峰值阶段的承载性能。岩石材料的承载能力不像应变软化曲线走势一样均匀下降，而是存在随着损伤的逐步发展，承载能力不发生显著下降的过程。只有当损伤发展且累积到一定程度后，材料的承载能力才发生显著变化。探究承载能力发生显著下降的临界时刻对认识岩石材料承载-损伤特性、指导地下工程围岩安全控制具有重要意义。

4)基于综合集成方法论，描述了地下工程建设围岩安全控制的技术系统。以围岩失稳判据为技术核心，构建了地下工程设计和建设过程中围岩安全控制的系统图谱，明确了地下工程建设围岩安全控制的系统性技术结构，有利于提高地下工程建设管理和决策水平。