巖石工程類比設計原理的探究

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

巖石工程類比設計原理的探究

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

伴隨近幾年來巖石工程的增多，設計作為巖石工程建設的重要環節，成為影響工程建設的關鍵，本文作者以現代巖石工程類比設計為基礎，解釋了現代巖石工程類比設計的基本原理和思想，強調了巖石工程類比設計的重要性和關鍵性，綜合分析了巖石工程類比設計的優缺點。闡述了巖石工程類比設計的基本步驟，并概括歸納出以下幾點內容。

巖石工程 類比設計 原理

1　巖石工程設計

1.1巖石結構的復雜性

作為一項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構物相比較有著鮮明的特點。巖石工程建筑結構所用材料的性質、巖石工程結構物構件的類型、巖石工程建筑物的尺寸以及結構的形式都是被明確規定好的，目前為止對于巖石工程建筑結構的分析已經十分細致了，所以在進行相應的計算的時候可以直接引用［1］。其實，巖石是一種有著很復雜結構的物質。

（1）實時考察巖石可以把它的歷史分為“建造中”和“改造中”兩大部分，然而進一步更為詳盡的地質歷史目前是無法確定的。（2）巖石的組成成分和結構形式要想弄清楚還有一定的難度。（3）不能使用測定其他工程材料的精確度來測量巖石材料的性質。（4）巖石在復雜的地理環境當中沒有確切的邊界。（5）一般來說，巖石是多相體系。

因為巖石和工程施工的復雜性，到目前為止，巖石工程當中的計算數據和真實情況下的數據有著很大的差別，不可以直接引用。由此看來，工程師一般會使用類比的方法來進行巖石工程的設計［2］，其中的計算數值則只能作為參考數據［3］。

1.2巖石工程的設計概念和類比

通常地將，巖石的工程設計可以大致分成概念設計環節、具體方案環節和審核計算環節三個環節。概念設計這個環節最開始的時候是針對抗震性質而設計出來的。因為地震有著顯著的不確定特點，所以在進行結構抗震設計的時候，概念設計是最為重要的。抗震作用的概念設計聚焦于工程結構的總體上的地震反應，通過巖石工程的結構破壞成度以及損壞的機制，綜合運用抗震設計的各項原則，系統、全面地解決巖石工程結構設計方面所出現的基本問題。然而，因為巖石工程也有著明顯的不確定性，所以近幾年來，概念設計也被逐漸引入到巖石工程當中。從本質上來講，很多工程的設計都是以概念設計為開頭的， 最后慢慢演變成各種各樣的實施方案，在工程概念設計的最后檢驗設計方案是否合理可行。巖石工程之所以與眾不同，是因為在工程設計當中概念設計所占地位的重要程度要明顯高于其他工程，其中理論的計算值只作為參考數值。需要重點強調的是，巖石工程的設計不是那些線性的推進，不能避免重復和反饋。

工程設計過程里概念設計的主要任務是對工程里出現的問題提出解決辦法，其可行程度主要取決于設計人員對那個工程項目目標的認識程度，以及對技術運用、約束條件的把握程度。現如今，巖石工程的設計一般是運用類比設計的方式來完成的。類比推理的思維方式是一種十分重要的思維方式，在人們的生產活動中起著重要的作用。雖然類比推理有著諸多的優勢但是到目前為止，人們還沒有對類比推理進行深層面的研究和探索。從本質上來講，類比推理是邏輯方面的問題，然而研究工作卻很難進行下去。

1.3以往的類比方法

簡單來說，類比設計其實就是參考比較以往的相似的工程來進行設計的一項技術。但目前為止，巖石工程設計基本是把“類比設計”作為核心，不能夠達到工程建筑結構物體的設計要求。

1.4改進已有的類比方法

很明顯，以往的類比設計方式已經不能滿足當代物質的發展水平，為了能夠更好地發展巖石工程，必須對以往的類比設計方法進行改造，這種改造基本上可以分為直接改進、間接改進以及從定性分析到綜合集成三個途徑。

1.4.1直接改進

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

1.4.2間接改進

間接改進就是指組建專家團隊，通過這種方式來解決問題。然而，雖然現如今的專家體系的研制和開發有很多，但是可以達到標準的卻很少。此外，還存在輸入數據信息量較大以及運行的效率低下等諸多問題。

1.4.3從定性分析到綜合集成

這種改進方式可以使設計達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題的根本方法，針對多數的隧道工程沒有條件進行巖體力學測試的實際情況，合理運用我國現有的測試成果，引用圍巖分類的概念設計理念，總結出具有代表性的工程資料，為多數的巖石工程提供設計資源。與此同時，重視一般的隧道工程的測量資料，以此作為工程修正和驗證的材料。

典型的類比分析方法是隧道工程當中最喜歡運用的一種分析方法，是以往有的分析方法的延拓和發展：典型的類比分析方法把那些圓形的斷面凈水壓力場不斷簡化進行熱工解析分析計算，變成現在的可以考慮實際情況的分析方法；從以往的個別的專家按照各自經驗自主判斷以及選定綜合修正的系數到現在的可以綜合考慮圍巖分類、現場數據采集以及反分析位移數據等項實用技術，并在整個專家團隊經驗的基礎上，用在特定情況下的反饋和修正，選定出綜合修正的系數。

典型的類比分析作為綜合集成里的一種應用，優勢之一就是構造了一個框架，可以集合各個方面專家團隊的意見和建議，整理運用到巖石工程的類比設計當中。但是這種系統性質的綜合處理方式削減了巖石工程概念設計的功能，所以在其他的工程設計里很難運用。總的來說，巖石工程類比設計還不夠明確，不夠規范，運行的效率也比較低。

2　巖石工程的類比

2.1類比設計的對象

說白了，類比就是兩個對象之間的比較，類比推理大致上可以看作是一項比較特別的歸納推理。要是，兩個要類比的對象之間有著某些相似的地方，那就可以根據其中一個對象的一個已知的特性來推理出另一個對象的某種特性，這就是類比推理的過程，也可以叫做類比遷移。

2.2類比設計的原理

類比和推理一樣，要求要達到一定的條件，包括：類似性質、系統性質、選擇性質等，能夠把這些性質當作類比的基本原理。

第一、類似性類比設計原理：通常認為，類比推理是把類似性作為類比的基礎。如果兩個類比對象有著某些相同的特性，但是在描繪特征值的時候有區別，就叫這種相同的特性為類似特性。如果兩個對象存在著類似特性，就說這兩個對象有類似性。就是說這兩個對象相似，而且要說明他們相似的特性。

第二、選擇性類比設計原理：眾所周知類比的中心環節就是選擇類比的對象。選擇的原理指的就是用在過濾互相匹配的特性。

第三、目標性類比設計原理：巖石工程設計把解決主要問題作為設計的目標。目標性類比設計的原理就是目標驅動化。

第四、類似程度：類似是指把主要的給予適當程度的概括。這兩個事物的類似程度隨著他們的共同特點的增多而相應地增多，隨著這兩個事物之間差異的增多而相應地減少。兩個事物的類似程度越低，類比推理的效果相對就較差。總而言之，巖石工程設計困難比較大，很難一步確定。要想用一個定量的指標來表示這些復雜的對象，還要進一步的研究。

第五、系統性類比設計原理：在巖石工程類比設計的過程當中必須遵守這個原理。系統性原則指的是把類比的兩個對象當作系統，而系統都有著一定程度的特點；類比就是把這些對應的特點匹配起來，所以要從系統的層面來考慮類似性。

3　研究成果

根據已有的認知心理學的原理，可以把巖石工程的類比設計劃的程式分成目標性的表征課題、類比檢索和映射系統以及遷移解答和概括圖式三大類。眾所周知，類比設計的前提條件是，對基礎性的課題以及目標性的課題做出合理的表征。目標性的課題的表征指的是對問題進行基本定義，而基礎性的課題的表征不但要求對問題進行基本定義，同時還要對這種問題進行相應的解答和表述解答結果，由此看來，基礎性的課題的表征是一種高水平的設計工程。

到目前為止，一部分研究人員已經在巖石工程的概念設計以及圖示歸納方面做出了不小的成果。這些研究人員根據土質的條件細致劃分出不同區的土層，并通過大量的工程實踐經驗，歸納整理出了各種類型土層工程建筑的幾大注意事項；通過了類比的方法設計了結構的選型；通過專用的軟件對工程數據進行精密的計算；通過比較選出最終的實施方案。例如郝曉平濟南地區的典型地層深基坑工程為研究對象，并成功提出了相應的類比設計的初步計劃和初步思路。她把該施工地區的土層根據土質等性質分為了三個地層，并且總結了以往的大量類似工程的經驗，設計出了適合該工程的特定的設計方案。在設計的過程當中，運用了多種科學的設計方法，綜合多種經驗，最終篩選出了最為節約資源，最能實現長遠發展的設計方案［1-2］。雖然，到目前為止，我們已經在巖石工程的類比設計領域當中取得了一定的成就，但是這些都是在表面上的研究成果，要想得到進一步的理論成果進一步促進我國巖石工程更好、更快發現，還需大家的共同努力［3］。

4　結語

在巖石工程的設計過程當中，類比設計的方法是很重要的。然而，在理論上對其進行探討是很局限的，本文作者希望通過闡明巖石工程類比設計的實質和重點，來提升當代巖石工程類比設計的水平。不可否認的是，到目前為止，我們已經在巖石工程的類比設計領域當中取得了一定的成就，但是這些都只是在表面上的成果，要想進一步促進我國巖石工程的快速發展，想形成更加完善的類比設計，趕超其他世界大國，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.中國隧道工程學術研究綜述·2015［J］.中國公路學報，2015，05：1-65.

［2］吳磊.深部硬巖巷道支護技術研究［D］.中南大學，2010.

［3］李世輝.典型類比分析法的原理與實踐［J］.工程地質學報，1993，02：52-61.

［4］郝曉平.濟南市典型地層深基坑工程支護設計方法與結構選型探討［D］.濟南：山東大學，2008.