岩石工程近10a关注的科学问题--以“973项目”与国家设备研制专项为例。
基础设施建设是中国经济持续快速发展的动力之一，其中大部分涉及岩石工程。主要体现在：（1）公路、铁路、隧道等交通工程，资源、能源开发工程，水利（水资源开发）工程，城市建设工程和其他基础设施建设中岩石基础设施建设是国民经济发展的基础；（2）现代化大规模岩石工程建设也带动钢铁、建材、信息产业和高端制造业的发展。随着地下工程的持续开展，岩石工程在基础设施建设中的比重将持续增大。
近10a来，伴随重大岩石工程的建设，开展了“863”、“973”、国家科技支撑计划项目和国家自然科学基金委员会重大项目与设备研制专项等一系列的基础研究。尤其是“国家重点基础研究发展（973）计划项目”与设备研制专项，代表了国家层面对若干重大基础研究问题的布局。其战略目标是：加强原始性创新，在更深的层面和更广泛的领域解决国家经济与社会发展中的重大科学问题，以提高中国自主创新能力和解决重大问题的能力，为国家未来发展提供科学支撑。2002年以谢和平和冯夏庭为首席主持了“灾害环境下重大工程安全性基础研究”
第一个涉及岩石工程的“973计划”项目以来，近10a又有分布在能源、材料和综合交叉领域的24项课题，其研究内容涵盖中国岩石工程的重大关键科学问题。
1深部开采与地下开挖。
采矿工程的科学问题主要涉及：煤矿瓦斯灾害的地质构造作用机制、采动裂隙场时空演化与瓦斯流动场耦合效应、煤矿瓦斯动力灾害演化机制及地球物理响应、瓦斯煤尘爆炸动力学演化机制；深部开采下破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸与物质流动规律、多场多尺度裂隙结构演化和瓦斯运移规律、破断煤岩体中瓦斯导向流动的形成机制及控制理论、深部煤与瓦斯共采的时空协同作用机制及优化理论；地质赋存条件对深部煤矿动力灾害的作用机制及量化分析方法、深部断续煤岩体的变形破坏规律和工程动力响应特征、采动应力分布、能量场的时空演化规律与多因素耦合致灾机制、深部煤矿动力灾害的多参量监测预警与防治的理论与方法；矿井突水的含导水构造地质特征及条件、采动岩体结构破坏与裂隙演化及渗流突变规律、矿井突水预测与控制的基础理论与方法；深井复杂地层岩体力学特征识别与表征方法、钻井载荷与井眼围岩作用机制、钻井设计平台与风险控制机制；深部岩体结构与地应力特征及其对灾害的控制作用、深部强卸荷作用下裂隙岩体与围岩力学行为的演化规律、深部重大工程灾害时空孕育演化动力学过程与成灾机制和时空预测等。
深长隧道突水突泥重大灾害致灾机制、深部复合地层围岩与TBM的相互作用机制及预测预警与安全控制理论方面主要科学问题包括：深长隧道突水突泥致灾构造及孕灾模式、灾害源孕灾响应与定量识别理论、动力学演化与致灾机制以及灾害预测预警与防控理论；深部复合地层地质条件与力学行为特征、TBM–深部复合地层围岩相互作用与致灾机制、深部复合地层TBM适应性与安全控制设计。
深部岩石力学与工程问题逐渐成为研究热点，包括：深部岩石力学性质及其在大陆构造变形过程中水力劈裂、岩爆、岩石高温破裂与可钻性、深部开采等关键问题。表2显示“973项目”涉及采煤与瓦斯、突水等动力灾害机制研究4项，以及深井、深部重大工程、地下库群、深长隧道研究7项。
2大坝与高陡边坡高陡边坡的稳定问题。
涉及水利水电、采矿、交通、山区城市建设等岩石工程。表2列出近10a来涉及的大坝及高陡边坡关键研究课题6项。
坝基长期承受巨大水力荷载以及渗流作用，物理、化学、力学损伤不断累积而使结构老化，甚至引起坝基失稳而导致大坝溃决。约60%的大坝事故起因于坝基破坏，其余则与坝体自身的安全度不足或超标洪水、运行事故、战争、滑坡等有关。
水利工程对地基的要求反映在坝体应力、变形、稳定性和安全度上，地基稳定和加固问题成为当代高坝建设工程中的关键和核心问题之一。周维垣结合二滩、龙羊峡、三峡等高坝建设对此进行了具体说明，并对工程建设中有争议的问题进行了论述。
坝基面或坝肩区域的岩体存在众多随机分布的微裂隙及规律分布的节理，本身规模可能并不大，但在集中应力作用下，却可能引起建基面、坝肩局部区域宏观断裂。坝体混凝土材料同样存在随机分布的微裂纹，与混凝土宏观断裂密切有关。300m级特高拱坝承受巨大水推力，要求建在与之相适应的基础上。基础处理加固好坏，特别是蓄水初期大坝与基础出现非协调变形，事关拱坝坝踵、坝趾或者坝肩与大坝交接处开裂风险，从而影响大坝的整体安全性、经济合理性以及使用寿命。
当前坝工设计关注的关键岩石工程问题有：
基础破坏引起的坝踵、坝趾开裂机制；坝肩非典型软弱蚀变带的处理；贴角区灌浆时机选择；坝趾锚固力损失评价、建基面优化设计与评价体系，以结构能量为基本参数的结构稳定安全评价体系，大坝–基础非协调变形机制与控制、坝肩岩体开裂与整体稳定的加固新控制方法与技术等。
3城市地下工程与CO2、油气储存、固废物封存填埋城市地下工程安全性、地下空间开发利用、轨道交通地下结构性能演化，以及城市环境岩土工程与固体废弃物填埋孕育环境灾害与可持续防控研究已引起广泛关注。其科学问题主要包括：施工扰动下地层损伤演化规律及变形特点、地层与结构的动态相互作用关系及灾变机制、城市地下工程安全性预测与过程控制原理。动态时空环境效应下的地下结构性能演化机制、超长线状地下结构状态智慧感知与评估理论、地下水环境下的结构自修复机制与自适应控制理论。城市固废物–化–生相变及固–液–气相互作用、填埋场液–气诱发静动力灾变及时空演化、填埋场液、气和污染物击穿屏障机制。
围绕这些关键科学问题，有3项973课题。
近10a油气的开采和存储也面临一系列岩石工程难点问题，如套管损伤、岩体热–力耦合、新型钻井工艺中关键岩石力学，以及水封石油或天然气洞库建设过程中大型洞库群的稳定性及围岩损伤评价等。
CO2地质封存、页岩气开采、CO2-EOR及地热开发等环境和非常规能源问题也越来越受到国内外学者的关注。关键科学问题包括：层状盐岩地质成因与演化规律及精细探测理论，多场耦合作用下储库围岩体变形破坏机制、多场力下大型密集储库群相互作用及灾变时空过程，大型地下储库群致灾因素与风险评估及防护理论，CO2封存中CO2–岩石相互作用的新型本构关系及破坏准则、干热岩的破坏特性等。
4近海与深海工程。
21世纪是海洋的世纪，开发海洋、保护海洋已经成为沿海国家普遍关注的问题。海洋工程是指以开发、利用和保护海洋资源为目的，并且工程主体是位于海岸线向海一侧的新建、改建、扩建工程。
近海和浅海主要是海洋土问题，而深海可能面临海洋岩石力学问题，并且和地质密切相关。综合而言，海洋工程面临的主要岩土问题有：勘察和陆地工程岩土工程勘察相比较，在施工过程、影响因素及遇到的突发状况等方面更为复杂；海洋岩土工程的基础处理从近海与深海面临的工程地质、礁盘海岛的加固问题，从硬基础到软基础处理方法和技术创新；强动荷作用下海洋沉积物动力特性及静动强度关系，以及多场耦合对结构稳定性的影响；海底滑坡、地震引起的海啸力学行为特征等；海底石油、干冰开采过程中的地层岩体和构造稳定性问题。
涉及近海与深海岩土工程研究课题各一项，其关键科学问题包括：海域复杂地震地质环境下近海工程场地地震动特性、地震、波浪和海流等共同作用下多介质体动力相互作用、近海重大交通工程结构地震损伤破坏演化过程模拟。南海极端海洋环境的工程相关特性及其模拟方法、深海平台结构系统在复杂海洋环境联合作用下的响应及破坏机制、深海平台结构的结构服役性能监测、原型验证与安全评定。从国家安全和国民经济持续发展的需求看，今后应围绕海洋资源开发、海底地下空间利用（如海底CO2地质封存等）加大海洋岩土工程问题的研究力度。
5岩石工程精细仿真平台。
数值计算已发展成可与理论分析、试验研究鼎足而立的研究手段。针对岩石力学与工程特殊的问题和需求开发高效的数值计算工具，并形成自主的仿真平台是将理论技术化的重要途径，也是迫切需要的高新技术。应围绕建立重大工程地质、岩体工程灾害预测理论和数值方法、软件以及预警方法开展研究工作；围绕复杂地质体破坏状态识别方法，地质体渐进破坏演化规律与预测理论，工程地质灾害成灾过程的跨尺度计算方法，岩石连续–非连续变形、破坏及运动全过程的分析理论与关键算法，岩体工程灾害孕育过程、前兆规律与预警机制等科学问题攻关；开发实用、高效的工程地质灾害数值在线分析与预测集成软件系统，为中国开展工程地质、岩体工程灾害预测提供科学工具，一直是近10a研究的关键问题。表2中有2项973项目课题与岩石工程精细仿真研究有关。
6国家重大科研仪器设备研制专项。
为贯彻落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006~2020年）》，科技部和国家自然科学基金委2011年启动仪器专项支持。研究项目主要围绕重大科学仪器设备的开发，以提高中国科学仪器设备的自主创新能力和自我装备水平，支撑科技创新，服务经济建设和社会发展。与岩石工程紧密相关的重要专项主要有：极端特殊环境下材料及构件试验评价科学装置研制与应用，灾害水源（矿井/隧道）直接探测仪器装备研制与应用，材料微观力学性能原位测试仪器研制与应用，大深度三维电磁探测技术工业化开发，高能加速器CT多场耦合岩石力学试验系统等。
尤其是2011年林学钰为首席主持的“灾害水源（矿井/隧道）直接探测仪器装备研制与应用”在自主研发成功的核磁共振找水仪基础上，开展针对矿井/隧道灾害水源的核磁共振探测新方法与探测技术研究，研发用于矿井突水、隧道涌水等灾害水源超前探测仪器装备及配套应用软件，并在典型地区进行灾害水源超前探测评价的有效性检验与应用示范，将为解决影响煤矿安全生产的突水，老空水和隧道涌水水害探查等关系到社会稳定和国民经济可持续发展的重大问题提供有效的技术支持。
2012年，以李晓为首席主持的“高能加速器CT多场耦合岩石力学试验系统”针对“岩石在地层温度压力作用下的破裂演化、气液运移和物性变化”
关键科学问题，研发强穿透能力、高分辨率、快速响应的电子加速器CT,突破变高压状态下试验机的高精度旋转、高压旋转供液、旋转信号通讯等核心技术，研制世界第一台采用电子加速器射线源、模拟地层温压环境、采用大尺度试样、可观测裂缝动态发展与气液运移过程的高能加速器CT岩石力学试验系统。该系统对于地球深部绿色能源开发具有重要应用价值。
附录：近10a有关重大岩石（土）工程研究的973项目。
1、预防煤矿瓦斯动力灾害的基础研究。首席胡千庭（2007~2011）：（1） 煤矿瓦斯灾害的地质构造作用机制；（2） 含瓦斯煤体物理力学特性及本构关系；（3） 采动裂隙场时空演化与瓦斯流动场耦合效应煤岩瓦斯动力灾害的动力学演化机制；（4） 煤岩动力灾害演化过程的地球物理响应规律；（5） 瓦斯（煤尘）爆炸动力学演化及多相耦合效应；（6） 深部开采下破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸与物质流动规律。
2、煤矿突水机制与防治基础理论研究。首席缪协兴（2007~2011）：（1） 矿井突水的水文地质结构特征及形成条件；（2） 采动岩体结构破坏与裂隙演化及渗流突变理论；（3） 矿井突水的预测预报方法与控制理论；（4） 控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法。
3、能源储备地下库群灾变机制与防护理论研究。首席杨春和（2009~2013）：（1） 层状盐岩沉积构造演化规律及精细探测理论；（2） 多场多相条件下层状盐岩体的渗透和变形破损机制；（3） 大型密集储库群（区）破坏、地表沉降的时空演化；（4） 大型油气储库群建腔期灾变诱发因素与机制及控制方法；（5） 大型油气储库群运营中的灾变风险评估与防护理论；（6） 多场力下大型密集储库群相互作用及灾变时空过程，以及大型地下储库群致灾因子与风险评估及防护理论。
4、煤炭深部开采中的动力灾害机制与防治基础研究。首席姜耀东（2010~2014）：（1） 深部煤矿动力灾害的地质构造条件、原岩应力特征及相互作用机制；（2） 深部断续煤岩体的变形破坏规律及其动力响应特征；（3） 深部采动应力场时空分布规律及对动力灾害孕灾过程的控制机制；（4） 深部采动过程中应力重分布、能量场的时空演化规律与多因素耦合致灾机制；（5） 深部煤矿动力灾害的多参量监测预警理论与综合防治方法；（6） 地质赋存条件对深部煤矿动力灾害的作用机制及量化分析方法。
5、深井复杂地层安全高效钻井基础研究。首席李根生（2010~2014）：（1） 深井复杂地层岩体力学特征与参数表征；（2） 深井复杂地层破岩机制与高效破岩方法；（3） 深井复杂地层钻井压力系统与井眼稳定及围岩作用机制；（4） 深井复杂地层钻井设计平台与风险控制机制。
6、深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论。首席冯夏庭（2010~2014）：（1） 深部岩体结构与地应力特征及其对灾害控制作用研究；（2） 高应力强卸荷作用下多组裂隙岩体与围岩力学行为的演化规律；（3） 深部围岩分区破裂机制及其时间效应研究；（4） 深部硬岩爆破开挖诱发岩爆与碎裂诱变机制研究；（5） 深部岩体强卸荷大变形演化与致灾机制研究；（6） 深部重大工程灾害的时空孕育演化过程预测与调控及成灾机制研究。
7、深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论。首席谢和平（2011~2015）：（1） 深部开采下含瓦斯破断煤岩体宏、细观表征及裂隙演化和运移规律；（2）深部破断煤岩体中瓦斯解吸、运移、富集过程的多尺度建模；（3） 深部采动应力场–裂隙场–瓦斯场耦合的时空演化规律；（4） 单一高瓦斯煤层人工–采动耦合增透机制及合理抽采布置方法；（5） 深部煤与瓦斯共采的时空协同机制与优化理论及其评价方法；（6） 破断煤岩体中瓦斯导向流动的形成机制及控制理论。
8、深长隧道突水突泥重大灾害致灾机制及预测预警与控制理论。首席李术才（2013~2017）：（1） 深长隧道突水突泥致灾构造、孕灾模式及其地质判别表征方法；（2） 深长隧道突水突泥灾害源孕灾响应及超前预报方法与定量识别理论；（3） 深长隧道突水突泥灾变演化与致灾机制；（4） 深长隧道突水突泥多元信息特征与综合预测理论；（5） 深长隧道突水突泥灾害动态风险评估及预警理论；（6） 深长隧道突水突泥灾害控制理论与协同治理技术；（7） 深长隧道突水突泥灾害预测预警与防控理论。
9、西部煤炭高强度开采下地质灾害防治与环境保护基础研究。首席缪协兴（2013~2017）：（1） 西部富煤区域地层结构特征与水沙运移机制；（2）高强度开采下岩体破坏过程及其灾变发生机制；（3） 煤矿重大地质灾害和环境损伤的预测与控制理论；（4） 侏罗~白垩系富煤区域地层结构与水沙动力学特征；（5） 典型矿区高强度开采下围岩的采动岩体力学行为；（6） 煤矿重大地质灾害和环境损伤的形成机制与预测；（7） 防治重大地质灾害和环境损伤的采煤理论与方法。
10、硬岩掘进装备的关键基础问题。首席杨华勇（2013~2017）：（1） 硬岩环境下高效破岩机制与掘进载荷传递规律；（2） 硬岩刀盘系统动力学行为与设计理论；（3） 推进系统的高刚度设计及振动能量耗吸机制；（4） 掘进电液系统动力高效传递；（5） 硬岩掘进过程状态感知原理；（6） TBM自动纠偏与智能化控制；（7） 揭示不同破岩方式下刀盘-岩体系统能量积聚耗散规律，提出高效破岩新原理，建立复杂地质条件下硬岩刀盘系统设计理论，揭示强振动环境对掘进状态信息测量精度的影响规律，建立随机跳变强载荷作用下掘进系统满意优化控制理论。
11、深部复合地层围岩与 TBM 的相互作用机制及安全控制。首席刘泉声（2014~2018）：（1） 深部复合地层地质条件特征及岩体跨尺度力学效应；（2） TBM 掘进扰动下深部复合地层围岩力学行为响应规律；（3） 深部复合地层 TBM 破岩机制及可掘性评价方法；（4） 深部复合地层挤压大变形与 TBM 卡机致灾机制；（5） 深部复合地层 TBM 施工安全与围岩稳定控制理论；（6） 深部复合地层 TBM 系统适应性设计理论与评价决策系统；（7） TBM–深部复合地层围岩相互作用与致灾机制。
12、复杂条件下坝堤溃决机制与风险调控理论。首席王光谦（2007~2011）：（1） 复杂条件下坝堤破坏与灾变系统特征及灾害场时空分布规律 ;（2） 堤防溃决水–土耦合动力学机制；（3） 土石坝–水库耦合系统动力学机制；（4） 混凝土坝–地基耦合系统破坏–失效机制；（5） 梯级库群溃决规模的激增机制；（6） 坝堤溃决及致灾过程预报理论与方法；（7） 坝堤灾变系统风险分析理论与评估方法；（8） 坝堤灾变系统的演变与成灾机制、综合诊断与风险调控理论。
13、重大工程灾变滑坡演化与控制的基础研究。首席唐辉明（2011~2015）：（1） 重大工程灾变滑坡区地质过程及孕灾模式；（2） 大型水库运行条件下滑坡演化与致灾机制；（3） 高地应力区工程卸荷滑坡演化与致灾机制；（4） 滑坡-防治结构体系相互作用与长期安全性；（5） 重大工程灾变滑坡演化多场信息表征与状态判识；（6）重大工程灾变滑坡演化过程控制理论。
14、大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制。首席周创兵（2011~2016）：（1） 高地应力区河谷边坡岩体开挖扰动机制；（2） 高陡边坡岩体变形及锚固机制与性能演化特征；（3） 高陡边坡岩体渗透特性与渗流控制机制；（4） 复杂环境下工程边坡岩体时效力学特性；（5） 边坡与坝体–库水相互作用及稳定性演化机制；（6） 高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制理论：① 高陡边坡变形与稳定性综合评价指标体系；② 高陡边坡性能多源信息融合与评估方法；③ 基于性能演化的高陡边坡动态设计方法；④ 高陡边坡全生命周期性能监测预警与安全控制。
15、高碾压混凝土坝全寿命周期性能演变机制与安全控制。首席钟登华（2013~2017）：（1） 碾压混凝土材料与结构性能演变的宏细观机制；（2） 碾压混凝土坝成层结构力学特性及演变规律；（3） 高碾压混凝土坝结构优化理论与新型结构；（4） 高碾压混凝土坝设计准则与建设性能控制理论；（5） 极端条件下高碾压混凝土坝动力响应机制；（6） 高碾压混凝土坝长期性能评估与安全控制理论。
16、西部山区大型滑坡致灾因子识别、前兆信息获取与预警方法研究。首席黄润秋（2013~2017）：（1） 大型滑坡长期演变的地质力学行为及成灾模式研究；（2）大型隐蔽性滑坡致灾因子识别方法研究；（3） 滑坡体结构动态探测及前兆获取方法研究；（4） 滑坡多源传感器网络立体观测研究；（5）多源观测数据与滑坡机制模型同化理论与方法研究；（6） 大型滑坡灾害协同预警模型和方法研究。
17、梯级水库群全生命周期风险孕育机制与安全防控理论。首席王 浩（2014~2017）：（1） 梯级水库群的风险孕育机制与灾害链效应、风险设计理论与安全防控机制和动态风险评价、风险预警与应急处置机制；（2） 梯级水库群大坝溃决机制与灾害链效应；（3） 梯级水库群风险等级确定与风险设计；（4） 梯级水库群挡水建筑物（土石坝）风险防控机制与方法；（5） 梯级水库群泄水与附属建筑物风险防控机制与方法；（6） 梯级水库群风险预警与应急处置机制。
18、城市地下工程安全性的基础理论研究。首席张顶立（2010~2014）：（1） 多尺度土体与结构的动态相互作用关系、破坏机制及演化过程；（2） 施工扰动下复杂地层的损伤演化规律及变形机制研究；（3） 多场条件下的多体相互作用机制；（4） 城市地下工程灾变演化规律及安全性预测；（5） 复杂环境作用下地下结构的长期安全性及其预测方法；（6） 灾害环境下地下工程安全性控制原理和方法。
19、城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论。首席朱合华（2012~2016）：（1） 动态服役环境中的地下结构材料全寿命期性能演化机制；（2） 地下结构性能与环境耦合作用机制；（3） 超长线状地下结构状态智慧感知理论与评估方法；（4） 动态时空环境效应下的地下结构性能演化机制、健康诊断与服役性能预知理论；（5） 地下水环境下的结构智能自修复与加固理论；（6） 地下结构健康服役的数字化保障与控制体系。
20、城市固体废弃物填埋孕育环境灾害与可持续防控的基础研究。首席陈云敏（2012~2016）：（1） 城市固废物–化–生相变及填埋体多场（固液气）相互作用；（2） 填埋场失稳流滑机制及灾害评估方法；（3） 液、气和污染物击穿屏障机制及液气污染控制；（4） 填埋场服役性能模拟、灾害评估及可持续防控；（5） 填埋场液气诱发静动力灾变及时空演化。
21、近海重大交通工程地震破坏机制及全寿命性能设计与控制。首席杜修力（2011~2015）：（1） 近海域强地震动场模拟及场地效应；（2） 近海重大交通工程结构地震破坏机制与失效模式；（3） 近海重大交通工程结构全寿命抗震性能评价与设计；（4） 近海重大交通工程结构地震损伤破坏演化过程模拟、减震控制理论与方法；（5） 海域复杂地震地质环境下近海工程场地地震动特性；（6） 地震、波浪和海流等共同作用下多介质体动力相互作用。
22、深海工程结构的极端环境作用与全寿命服役安全。首席滕 斌（2011~2015）：（1） 中国南海极端环境下工程相关特性及其模拟方法；（2） 深海柔性结构的非线性流固耦合振动及破坏机制；（3） 深海平台结构的极端环境作用下破坏机制与非线性耦合响应；（4） 深海环境长期作用下平台结构的累积损伤机制；（5） 深海平台结构全寿命性能监测、原型验证与安全评定。
23、重大工程地质灾害的预测理论及数值分析方法研究。首席李世海（2010~2014）：（1） 构建不同尺度的工程地质体结构模型；（2） 研究描述地质体由连续到非连续渐进破坏过程的数值模型；（3） 研究地质体由贯穿性破坏到碎裂性破坏的的流固耦合计算模型；（4） 发展散体流动的数值分析方法；（5） 发展基于多核 CPU 和 GPU 集群体系的并行优化算法；（6）发展工程地质灾害的预测理论、数值分析方法及集成软件系统，实现地质体灾害状态的数值在线分析和预测。
24、重大岩体工程灾害模拟、软件及预警方法基础研究。首席唐春安（2014~2018）：（1） 岩石连续–非连续变形、破坏及运动全过程的分析理论与模拟方法；（2） 岩体工程灾害数值模拟高效算法、软件实现与试验验证；（3） 基于模拟的岩体工程灾害分析、监测与预警方法及实施平台；（4） 岩体工程灾害孕育过程、前兆规律与预警机制。
