穿越斷層區(qū)隧道災(zāi)變防控

文/圖

瞄準世界性技術(shù)和理論難題

斷裂構(gòu)造發(fā)育區(qū)內(nèi)，原巖應(yīng)力場十分復(fù)雜、巖體物理力學(xué)性質(zhì)呈各向異性與強非線性、水文地質(zhì)復(fù)雜、地震響應(yīng)復(fù)雜。穿越斷層區(qū)隧道建設(shè)及其長期穩(wěn)定性評價迄今仍然是世界性的技術(shù)與理論難題，如圖1所示。項目圍繞穿越斷層帶隧道建設(shè)復(fù)雜理論和關(guān)鍵技術(shù)，開展系統(tǒng)、深入的研究。揭示了斷層構(gòu)造區(qū)圍巖地壓特性、開挖擾動位移的局部化及隧道結(jié)構(gòu)災(zāi)變演化特征。建立了三維復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力場DDM數(shù)值方法、各向異性裂隙巖體三維非線性統(tǒng)一本構(gòu)模型及其方向性定量評價方法、基于支護結(jié)構(gòu)強度和變形綜合優(yōu)化的支護理論和技術(shù)體系。

圍繞穿越斷層帶隧道建設(shè)復(fù)雜理論和關(guān)鍵技術(shù)，項目系統(tǒng)開展了下圖所示的研究。

穿越斷層區(qū)隧道建設(shè)難題

主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線

理論、方法及工程技術(shù)的創(chuàng)新突破

適用于斷層帶巖體非線性特性的DDM數(shù)值方法及軟件系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

研究成果有效解決了二維及三維位移不連續(xù)法（Displacement Discontinuity Method，簡稱DDM）的高精度化問題、層狀異性介質(zhì)（層狀巖體）問題、半無限體及復(fù)合平面問題、斷層帶非線性變形特性問題、任意復(fù)雜構(gòu)造地應(yīng)力場模擬問題。開發(fā)了相應(yīng)DDM數(shù)值計算軟件系統(tǒng)并取得軟件注冊權(quán)2項。獲授權(quán)專利3項。在SCI/EI刊源上發(fā)表論文17篇。

隨機節(jié)理發(fā)育巖體剪脹機理及評價方法研究

該項目部分研究成果初步解明了裂隙巖體在壓載條件下體積擴容的力學(xué)成因，有效解決了考慮裂隙面非線性變形特性、巖塊彈塑性變形、節(jié)理斷裂擴展等復(fù)雜條件下裂隙巖體體積應(yīng)變的三維DDM數(shù)值模擬方法。獲專利4項、軟件權(quán)6項。發(fā)表SCI/EI論文13篇。

隧道施工過程圍巖變形、穩(wěn)定性研究

兩江隧道

旗桿山隧道

渝中連接隧道

研究了裂隙發(fā)育及空間分布狀態(tài)對巖體變形的方向性的影響，建立了裂隙巖體統(tǒng)一本構(gòu)模型、一維柱狀結(jié)構(gòu)，從而建立了裂隙巖體任意方向非線性變形的多元件組合模型及其解析方法、各向異性裂隙巖體三維非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的模擬方法。通過構(gòu)建變形模量球坐標，將一維柱狀結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果與概率分布評價方法結(jié)合，建立了斷層帶裂隙巖體各向異性特征的定量評價方法；系統(tǒng)研究了隧道穿越斷層破碎帶開挖卸載圍巖位移局部化問題及其對巖體變形參數(shù)、荷載條件等的敏感性。獲專利1項、軟件權(quán)4項。發(fā)表SCI/EI論文13篇。

圍巖地壓特性及合理支護方式，新型支護技術(shù)和支護結(jié)構(gòu)研發(fā)與應(yīng)用示范

系統(tǒng)研究了隧道穿越斷層帶圍巖地壓特征，揭示了斷層帶巖體開挖擾動位移的局部化特性及其對工程結(jié)構(gòu)的影響。提出了基于支護結(jié)構(gòu)強度和變形綜合優(yōu)化的支護理論并系統(tǒng)建立了相應(yīng)施工工藝和施工方法。建立了基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及線性規(guī)劃法的優(yōu)化反演方法并編寫了專用程序模塊，可根據(jù)現(xiàn)場實測位移數(shù)據(jù)快速反演工程巖體的等效力學(xué)參數(shù)、初始地應(yīng)力參數(shù)、預(yù)測后續(xù)工序的隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。獲專利7項、軟件權(quán)2項。發(fā)表SCI/EI論文9篇。相關(guān)研究成果填補和充實了國內(nèi)外相關(guān)研究的不足。

曾家?guī)r隧道

成果應(yīng)用與推廣

項目成果在渝長高速公路兩江隧道、京沈客專梨花頂隧道、蒙華鐵路萬華山隧道、武昆高速公路象鼻嶺隧道、穿山港鐵路官莊隧道、龍洲灣隧道、渝中連接隧道、重慶城口陜渝界至開州高速公路一期項目旗桿山隧道、重慶市曾家?guī)r嘉陵江大橋隧道等9項重大公路及鐵路隧道工程中部分或全部應(yīng)用，研發(fā)出工程區(qū)域巖體初始應(yīng)力場計算方法、開挖卸載條件下斷層破碎帶巖體變形及其預(yù)測控制技術(shù)和軟件系統(tǒng)。通過工業(yè)化應(yīng)用成功開發(fā)了適用于相關(guān)隧道工程的綜合優(yōu)化支護施工工藝、施工方法。建立適用于相關(guān)隧道工程特點的綜合優(yōu)化支護方式和施工擾動風險控制技術(shù)，有效控制開挖卸載條件下斷層破碎帶巖體變形、提高支護效果、確保施工的安全高效。

通過成果應(yīng)用，提高了相關(guān)工程的工作效率，累計新增利潤20732萬元，稅收4354萬元，節(jié)資22279萬元，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效益和社會效益。

項目形成的各項研究成果部分達到了商業(yè)化應(yīng)用的程度，部分具備在巖石隧道工程中的推廣應(yīng)用。成果的應(yīng)用范圍涵蓋了巖石隧道特別是穿越斷層帶隧道工程設(shè)計、施工、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、施工過程位移監(jiān)測、隧道運營期位移監(jiān)測全過程。

研究成果既可以在巖石隧道工程中按實際需要單項應(yīng)用，也可以在整個隧道建設(shè)（含初始地質(zhì)參數(shù)獲取）過程系統(tǒng)采用。

我國今后山體隧道（巖石隧道）眾多，該研究成果具有非常廣闊的應(yīng)用前景。