绪论

一、地质工程的概念与研究内容

地质工程的概念随着工程建设的需要、工程实践经验、工程技术与工程地质学的发展以及系统理论应用而逐步形成，其基本特征是把地质体作为工程结构的一部分，将地质工程作为一个系统来考虑，充分认识地质体、环境因素、工程措施三者间的相互作用，把科学、技术、管理三者结合起来。地质工程是由地质学科和工程学科大跨度交叉与综合所形成的新的独立学科，强调地质条件对工程安全的控制性作用，注重以工程措施对地质环境的改造和加固技术的应用，谋求工程建设投资与地质环境协调的最佳效益。

地质工程这一术语，20世纪70年代在国外首先形成。80年代以来，在我国工程地质界展开过一场讨论，并明确定义为用工程措施控制工程地质体，使之具有服务功能的工程称为地质工程。地质工程的内容就是以地质体的改造和合理利用问题为研究对象，强调工程地质条件对工程安全的控制性作用，注重以工程措施对地质环境的改造和加固技术的应用。在研究方法上以地质学理论为基础、以力学分析理论为手段和以工程设计理论为方法的一门系统且前沿的学科。地质工程也可以作为工程地质学发展的一门前沿应用性学科，是国民经济建设发展的必然产物。

梁炯鋆先生首次将“地质工程”专门作为一个研究项目进行探讨。要求把地质研究、力学分析、环境影响评价以及工程技术紧密地结合起来，以期能优质高效地实现工程目的。

胡海涛院士将地质工程分为三类：采掘地质资源工程、防治地质灾害工程和保护地质环境工程。它的基本技术方法可概括为“挖、填、排、堵、喷、锚、墩、桩、墙、幕、键” 11个字。例如，岩体改造包括岩石改造、岩体结构改造和岩体环境改造，没有地质体改造技术就没有地质工程学。地质工程学从加强工程结构的观点出发，将勘察、设计、施工和地质体改造融为一体，并且把工程地质与工程建筑进一步联系起来，填补了两者之间的一个空白工程技术领域，是工程地质学的一个新发展。

孙广忠教授认为，狭义的地质工程的定义是:以地质体做建筑材料，以地质体作为建筑结构的一部分，以地质环境做建筑环境建筑起来的一种特殊工程谓地质工程；广义的地质工程定义是大地改造工程或者地质环境改造工程。

殷跃平教授认为，地质工程是工程地质的新拓展，它是与岩土工程密不可分的一种技术。但是，岩土工程主要解决建立于工程岩体之上的地基稳定，以及一般边坡和洞室稳定的评价、改造和控制问题，岩（土）体结构是岩土工程的核心。地质工程面对的是复杂地质体，并且这种地质体正在不断的变形破坏过程中，它解决的是建立于复杂地质体之上的山体稳定性和区域地壳稳定性评价、改造与控制问题。

人类各种工程活动是在地质环境中进行的，人类工程活动对地表的改造是不可忽视的，现代工程活动是改变地质环境的积极因素，工程活动影响了地质环境的初始状态，从而影响或危害工程及其外围的人类生活环境或工程建筑物。据有关资料统计，人类活动已涉及地表80%的地区。而这种工程活动是触发地质灾害的一大原因。如在岩土体稳定性差的地区修建水库，不仅工程投资额巨大，而且由于水库的修建，轻则使近坝、库岸的岸坡的稳定性降低，水位骤然升降经常引起岸坡失稳，蓄水引起水库诱发地震等，重则将有可能导致灾难性的工程危害。

近年来，随着我国经济建设的快速发展，大型超大型水利水电工程、高等级公路、城市地下空间开发及大型矿产资源的开采等相继进入建设高潮，出现了诸如采煤过程中的瓦斯爆炸、涌水，隧道掘进过程中出现的塌方、岩爆、涌水，大型水电工程中的滑坡等地质灾害。西部重大工程的建设中，受复杂地质条件如复杂的地壳结构、高山峡谷的特殊环境、强烈的内外动力相互作用、极为活跃的构造运动、地质灾害频繁、地质环境十分脆弱等影响，或多或少存在着诸如滑坡、深开挖边坡、洞室围岩稳定及坝基抗滑稳定等工程地质问题。新世纪的工程地质技术人员面临新的挑战，要求他们具备运用科学的方法去解决复杂地质问题的能力。

总而言之，人类工程活动破坏或改变了原有的地质环境，而地质环境又制约工程建设，影响工程建筑物的稳定和正常使用，如意大利瓦伊昂水库蓄水后的溃坝、人类工程活动诱发的滑坡、泥石流等。运用科学的技术方法，用最少量的投资保证工程的安全运行是地学工作者责无旁贷的责任。

地质工程设计的研究内容如下。

1.开挖边坡的稳定性及工程加固设计

随着我国经济的快速发展，能源需求量增长很快，电力开发特别是水电工程的建设，已成为我国经济建设的重点。目前水电建设的投资处于新中国成立以来投资比例最大的时期，水电工程数量和规模前所未有，但随之带来的各种技术问题也日益突出。重点水电工程如小湾、黄登、苗尾、瀑布沟、拉西瓦、紫坪铺等均存在严峻的高边坡稳定问题。如紫坪铺工程，不稳定边坡的数量达30多个，料场边坡高度约210m，预期加固投资3000余万元。小湾水电站左岸堆积体南北方向最长200m，东西方向830m，最大高差460m，体积达400万m³，高边坡稳定问题十分突出。随着工程建设规模的增大和地质条件的复杂性，我国边坡加固工程的投资所占工程总投资的比例也逐步增大。三峡工程永久船闸开挖边坡采用了2000余束锚索用于加固不稳定体，因此高边坡工程的失稳判别、稳定性评价与加固优化设计已成为影响工程建设的关键技术课题。

对边坡失稳机理、稳定分析方法的研究，一直是边坡学科中十分活跃的领域，目前已形成了一个覆盖面十分广泛的专门学科。各种边坡稳定分析的理论方法，如极限平衡法、极限分析法、有限元法、离散元法、非连续变形分析等均已在边坡工程中获得了实际应用。但应当看到，虽然我国在这一领域已做了大量工作，获得了具有一定理论水平的成果，但与国外相比仍有很大差距。在基础理论研究、建模、求解方法、分析参数的确定原则、计算程序的开发特别是软件前后处理技术等方面均明显落后于发达国家的研究水平。

采用控制爆破开挖、减载、排水、抗滑桩、抗剪洞、预应力锚索等措施加固高边坡，在国内外水电工程中得到了广泛应用。在“八五”期间，结合我国李家峡水电工程的建设，开展了高边坡开挖和加固措施的研究，取得了一些研究成果。但由于岩体结构的复杂性，对岩质高边坡开挖和加固技术的机理研究还很不完善，一些关键技术问题尚未得到很好的解决。如目前预应力锚索的应用日益普遍，但锚索结构、张拉工艺、施工机具还不尽完善，特别是锚索的长期分布监测技术手段及自动化水平尚比较落后。

长期以来，具有明确物理概念的安全系数一直是工程设计的依据，安全系数的计算方法主要依据极限平衡分析方法的计算成果。虽然普遍认为该方法在理论上不够严密，但因在工程设计中积累了丰富的资料和经验，因此仍为目前设计规范所采用的主要标准。新型先进的计算方法如极限分析、非连续变形分析，理论严格，可以综合考虑各种工况及加固措施，模拟边坡施工过程，但对其分析成果在设计中的应用，如安全系数取值准则和确定方法要以实际工程实例为分析依据，以便建立相应的应用技术规范。

2.滑坡地质灾害的治理设计

自然灾害对人类的威胁已经引起了全世界的极大关注。随着人口的急剧增长和土地资源的过度开发，滑坡及泥石流已变成同地震和火山相并列的全球性三大自然灾害之一。

我国也是滑坡、泥石流多发国家，滑坡、泥石流损失十分惊人。中国科学院编目的具有一定规模的滑坡30万个，其中灾害性滑坡1.5万个，近10年来全国由于泥石流、滑坡造成的人员伤亡近万人，平均每年高达九百二十八人。仅香港在过去的50年间，死亡人数超过470人。我国长江流域的金沙江中下游干流区、雅砻江中下游干流区、岷江上游及大渡河中下游干流区、嘉陵江上游区、三峡库区、乌江上游区和汉江上游区分布有大量滑坡。滑坡地质灾害不仅危及人民生命财产安全，而且破坏房屋、道路、供水供电管网、桥涵、码头等各类建筑物，毁坏耕地和植被，影响各项工程建设。有的滑坡快速入江造成涌浪，危及附近的船只和村镇，堵塞航道。三峡库区两岸崩滑体2490多处、大小泥石流沟90余条，1982年以来地质灾害已造成400余人死亡。特别是2008年5月12日，四川汶川8.0级地震造成大量滑坡，给抗震救灾带来了巨大困难。

在滑坡治理工程中，应用抗滑桩、抗剪洞、锚固洞等混凝土结构加固技术，取得了较好的效果。1989年漫湾水电站左岸发生滑坡，采用了组合洞桩的结构，由于锚固洞具有一定的倾斜度，防止了混凝土与洞壁间充填不密的可能性，同时这种组合结构受力条件远较传统悬臂结构提供的抗力大。十三陵抽水蓄能电站蓄水池西坡采用了预应力锚索和抗滑桩组合结构，即在抗滑桩的顶部设置锚索，使抗滑桩成为两端都具有固定端的结构，以提高其承载能力。滑坡治理、设计要科研先行，滑坡类型的研究、滑坡机理的揭示对当前滑坡治理是至关重要的。

3.地下工程围岩稳定分析与加固设计

地下工程是指地面以下所建造的地下土木工程。在我国，隧道建设主要涉及水利电力、国防、交通、铁路等行业，以水力发电地下厂房、水工隧道、交通隧道（铁路隧道与公路隧道）、市政隧道，矿山隧道为典型。据中国铁路总公司工程设计鉴定中心统计，截至2016年年底，中国铁路运营的铁路隧道共14100座，长度14120km、在建4240座，长度9300km、正在设计和规划的铁路隧道4400座、长度10400km。预计到2020年年底，中国投入运营的铁路隧道总量将达到17000座，总长度将突破20000km。水电工程建设中的地下工程除引水隧洞外的，还包括导流或引水隧洞、闸门井、调压井、地下厂房及变压器房、尾水隧洞等，特别是地下厂房在施工与运行阶段的围岩稳定性是关系工程投资的重要因素。随着我国水利水电建设事业的飞速发展，地下建筑物的数量越来越多，规模也越来越大。如有些引水隧洞的长度已超过10km，直径超过20m。大跨度、高边墙的地下厂房及长隧洞的兴建，必然会遇到复杂的地质条件和大量的工程地质问题。其中最受关注的是围岩稳定问题，它涉及地下工程能否成洞，用何种办法进行支护和衬砌，影响到造价和工期。表0-1是我国近年来已建设的重大地下隧洞。

我国已建及在建的水工隧洞长超过4010km，地下厂房近50座。每一厂区的设计内容包括枢纽布置和主厂房选择，地下厂房轮廓尺寸和体积形状设计，地下厂房围岩稳定和支护型式、喷锚支护设计、地下洞室衬砌计算等。为了合理选择地下洞室的间距、分步开挖顺序及提出支护参数，对围岩的稳定性分析需要开展弹塑性理论计算、线性与非线性有限元数值分析、地质力学模型试验，并应用块体理论矢量运算法进行不稳定块体分析，最终利用喷锚支护进行开挖面的系统加固，而对局部软弱构造带，则采用锚杆加衬砌，对于塑性区较大的部位和特大楔形体，加预应力锚索等方法。

地下厂房支护设计主要采用喷锚支护网作为永久支护形式并按照新奥法原理进行喷锚支护设计。设计的方法主要为以工程类比为主，拟定初步支护参数，用块体平衡法校核局部稳定，采用有限元和地质力学模型试验验证整体加固效果。

4.水利水电坝基加固设计

我国是世界上水力资源最丰富的国家，水力资源量达到3.78亿kW，其中中西部占90%。而西南部又占中西部的68%。特别是西电东送工程，已成立了三峡、乌江、黄河上游、二滩、红水河龙滩、澜沧江及大渡河等水电开发公司从事水电开发的投资。在我国已建的水电工程中，坝高100m以上的已有69座。举世瞩目的三峡工程是世界上最大的水电站，装机1820万kW；已建成的二滩水电站，双曲拱坝坝高240m；小浪底水利枢纽为坝高154m的斜心墙堆石坝；广州抽水蓄能电站装机240万kW。另外还有云南小湾双曲拱坝（坝高292m）、湖北水布垭面板堆石坝（坝高233m）、广西龙滩碾压混凝土重力坝（坝高216.5m），及糯扎渡、向家坝等超高坝工程（表0-2），这些大型水利工程对坝基地质条件都有较高的要求，但又不同程度地存在河床坝基深厚覆盖层、坝基软弱层（带）等工程地质问题，都需要进行一定的地质工程处理。

5.城市地下空间开发与深基坑开挖边坡加固设计

从1863年伦敦建成世界上第一条地铁开始，地下空间的开发利用从大型建筑物向地下的自然延伸发展到复杂的地下综合体（地下街）再到地下城（与地下快速轨道交通系统相结合的地下街系统）。美国纽约市地铁在世界上运营线路最长（443km），车站数量最多（504个），每年接待20亿人次。加拿大的多伦多地下步行道系统在20世纪70年代已在地下连接了20座停车库和1000家左右各类商店，此外，还连接着5个地铁车站和30座高层建筑的地下室。芬兰赫尔辛基的大型供水系统，隧道长120km。瑞典排水系统的污水处理厂全在地下，仅斯德哥尔摩市就有大型排水隧道200km，拥有大型污水处理厂6座。巴黎的地下建设了83座地下车库，可容纳43000多辆车。目前，我国许多大中城市正在进行新一轮的城市更新与改造，城市基础设施的建设（如城市地下管廊）、城市交通设施的建设、城市开发建设都呈现快速的增长，然而，由于城市空间的局限性，城市需求与有限空间的矛盾日益突出。因此，向地下要空间已成为现代化城市建设的主要内容。

20世纪80年代以来，伴随城市化进程，我国城市人口的高速增长，对城市空间的需求越来越迫切。进入21世纪，伴随高层建筑由大城市向中小城市扩展的同时，地下交通发展迅速，继北京、上海、广州、南京的地铁运行，杭州、武汉、哈尔滨、青岛等城市的地铁建设相继建设或建成。作为地下空间开发的重要组成部分，深基坑工程随着城市地下空间的开发不断向深、大的方向发展。由于深基坑的地质条件限制，发生基坑破坏的事故不断出现，如杭州凯旋门大厦、长沙华联大厦、珠海拱北祖国广场、北京银都中心、广州海珠城广场等基坑先后发生围护事故，因而，深基坑围护结构的设计及开挖边坡的加固设计越来越被工程界所重视。

二、地质工程设计课程内容体系

1999年6月，党中央提出西部开发战略。西部开发是21世纪中国经济发展的重大战略，是实现第三战略目标的重大举措。由于西部地区特殊的地质环境条件，工程建设极大地推动了地质工程学科的发展。针对西部开发的标志性工程，每一项工程均有与之相应的地质工程问题，都将涉及地质工程设计的课题。如南水北调西线工程，拟建244km的深埋长隧洞，将涉及深埋长隧洞的稳定问题、活动断裂对工程的影响及冻土冻害的有效防治问题；西电东送工程建10~20个世界级大型水电工程，均涉及高坝、高陡边坡、深埋洞室、强地震等相应的地质工程问题，更需要采用地质工程设计方法解决岩土体的稳定问题；交通基础设施建设中，到2020年，重点建设约3.5万km高等级公路，还准备兴建川藏铁路、滇藏铁路。已建成的青藏铁路工程涉及冻融灾害、崩滑流灾害、地震灾害等；而西气东输工程涉及崩滑流灾害、黄土湿陷性、地面塌陷等地质灾害，如何对发生地质灾害的机理进行分析、采用有效的地质工程方法去治理成为地质工程设计的主要内容体系。

地质工程设计课程的目的是为地质工程及相关专业的大学生、研究生提供一个系统介绍针对地质工程问题而采用的加固或改良方法的平台。同时，为地质工程师或岩土工程师进行地质工程设计提供借鉴依据与应用指南。基于以上思想，地质工程设计涵盖的内容主要包括常用的地质工程设计方法与不同地质工程类型的处理设计技术等。本教材从内容体系的安排上，主要考虑了方法与实践的统一。

地质工程设计的主要内容依托地质体改良的技术与方法，在充分了解当今地质工程中用于地质体加固的方法与特性的基础上，对常见的地质工程问题进行改良性设计。地质工程设计课程的内容包含两大模块：模块一（上篇）主要是现代地质体加固的主要理论与方法，如锚固技术、灌浆技术等；模块二（下篇）则侧重于工程设计，主要包括边坡与滑坡、地下工程围岩、坝基处理等应用性工程领域。

（一）模块一（上篇）的主要内容

1.岩石锚杆设计

主要介绍锚杆的分类、锚杆材料的选择、锚杆体的设计等。

2.预应力锚索设计

预应力锚索是水利水电、采矿及铁路工程中常用的地质体加固方法，在本教材中主要介绍预应力锚索的分类、工作机理、锚索参数的设计方法。

3.抗滑桩设计

主要介绍抗滑桩的类型、功能、抗滑桩的结构内力计算方法、抗滑桩设计等。

4.注浆设计

介绍注浆的分类、注浆适用场地条件、注浆的作用、注浆压力的确定、注浆孔的布置及注浆试验等。

5.地质工程联合加固设计

在现代地质体加固处理中，往往采用多种加固技术，如锚索与抗滑桩的联合、削坡与生态支护的联合、排水与抗滑结构的联合等，以提高地质体的整体稳定性。

（二）模块二（下篇）的主要内容

1.坝基加固设计

坝基可分为岩石坝基与土体坝基，对于重力坝、拱坝等混凝土大坝，要求坝基稳定性好、岩体完整，一旦坝基存在断层、软弱结构面等不良地质结构，就需要进行坝基处理，根据坝体的结构与规模，选择合理的建基面。而对土石坝，则需要注意引起坝体破坏的渗透破坏，采用灌浆进行处理。

2.开挖边坡工程设计

边坡工程设计，首先把自然地质体概化为具有确定边界、结构、物理力学参数、静态和动态荷载作用的力学模型。然后，根据其破坏机制、破坏模式，选择合理的计算分析方法。根据边坡与工程的关系，确定其设计标准，选择经济而有效的增稳和加固处理措施。

3.崩塌、滑坡地质灾害治理设计

崩塌、滑坡是典型的斜坡地质灾害，针对近年来国内发生的崩塌、滑坡重大地质灾害规模大、数量多的特点，通过工程实践，介绍常用的治理措施与设计方法。

4.地下工程围岩加固设计

地下工程的开挖会导致原有地应力场的变化，使岩体向临空方向发生位移，促使原来闭合的结构面松弛张裂形成松动区，同时，由大尺度结构面相互切割形成的块体也可能向临空方向发生坠落、滑动等。采用一定的工程处理手段，改善围岩的稳定性，是地质工程设计的主要任务之一。

三、课程学习方法

地质工程设计课程与传统的地质类课程有一显著的区别，即十分重视工程概念、强调结构分析。在地质工程设计课程中，要求学习者具备地质学、数学、力学与计算机应用技术的综合知识，具备土木工程的基本知识，能运用计算机CAD技术绘制工程设计图与工程施工图。本门课程的学习方法如下。

1.重视理论学习与课程实践的有机结合

地质工程设计课程的内容体系决定了这门课程的学习方法，应该强调理论与实践的相互作用，领会实践是学习与掌握地质工程设计知识的真谛。地质工程设计方法随工程实践进一步完善，而理论对实践又有一定的指导作用，从实践中去探索新的方法。如在运用锚杆加固边坡与加固洞室围岩时，应该从不同的加固机理出发，综合考虑施工的可行性设计相关的锚杆参数，而不能任意确定出锚杆的设计参数。

2.注重地质学知识与工程学知识的相互交叉

地质工程设计属于地质工程学的范畴，但不能脱离工程学的知识，也不能简单地理解为地质与工程的简称。在学习地质工程设计课程时，应该把地质学的知识，尤其是地质工程学的知识与工程相结合，从工程的角度去解决有关问题。如在设计抗滑桩加固滑坡体时，需要从工程的角度确定抗滑桩的位置，而不能仅仅考虑提供的抗力的大小。

3.注重创新思维的培养与训练

现有地质工程设计的理论与方法来自于工程实践，也来自于人们的创新思维。任何一种地质体加固技术，都是在创新思维中提出、在实践中验证而得到应用与发展的。如近年来采用的锚索与抗滑桩的联合使用，就是在抗滑桩与锚索的创新中诞生的。没有创新的思维，就没有科学的发展，在课程学习中，一定要运用我们的智慧，去开拓新的地质体加固技术与工程设计方法，为祖国的经济建设贡献我们的力量。

习题与思考题

0-1 地质工程设计的主要内容有哪些?

0-2 地质工程与工程地质在研究内涵上有何不同?

0-3 阐述地质工程设计在国民经济建设中的重要性。