《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）—第三部分隧道《特長(zhǎng)隧道不良地質(zhì)致災(zāi)機(jī)理及控制技術(shù)》

本期項(xiàng)目簡(jiǎn)介

完成單位: 中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司、 大連理工大學(xué)、 中國(guó)科學(xué)院、 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所

主要完成人: 王崢崢、 呂理軍、 賈佳欣、姜元俊、 張克陽、 張玉堂、 趙敏、 覃暉、 耿鐵鎖、唐玉、 董黨、 寧凱樂、 宋東旭、 牛海深、 熊軍

項(xiàng)目簡(jiǎn)介

　　(一)項(xiàng)目背景

　　中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司承擔(dān)多座特長(zhǎng)隧道存在洞口崩塌、碎屑流、富水?dāng)鄬印⑼咚沟戎卮蟛涣嫉刭|(zhì),屬于極高風(fēng)險(xiǎn)隧道工程。如此高風(fēng)險(xiǎn)、高難度的特長(zhǎng)隧道工程在國(guó)內(nèi)外尚屬首例,沒有成功的經(jīng)驗(yàn)可借鑒。為了保證隧道施工安全和運(yùn)營(yíng)期間的穩(wěn)定性,中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司于2014年開始立項(xiàng)研究。

　　(二)技術(shù)概況

　　長(zhǎng)期以來,特長(zhǎng)隧道穿越重大不良地質(zhì)所面臨的問題:一是缺乏對(duì)不良地質(zhì)巖體失效機(jī)制的深刻認(rèn)識(shí);二是缺乏系統(tǒng)性的重大不良地質(zhì)條件下隧道建設(shè)控制技術(shù);三是缺乏與新時(shí)代發(fā)展需求同步的智慧管控平臺(tái)。在國(guó)家自然科學(xué)基金、住建部科技基金、企業(yè)自主科技基金等支撐下,本項(xiàng)目針對(duì)特長(zhǎng)隧道穿越重大不良地質(zhì)問題,通過跨學(xué)科、跨部門科研團(tuán)隊(duì)的聯(lián)合攻關(guān),在特長(zhǎng)隧道穿越富水?dāng)鄬印⑺樾剂鞯貙臃矫嫒〉昧讼盗谐晒?有力支撐了我國(guó)特長(zhǎng)隧道工程的建設(shè)安全。項(xiàng)目主要技術(shù)概況如下:

　　(1)采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、理論分析、物理模型實(shí)驗(yàn)和離散元數(shù)值模擬等方法,揭示了碎屑流沖擊過程中的摩擦碰撞耗能機(jī)制;突破了傳統(tǒng)瞬時(shí)計(jì)算的局限性,建立了隧道洞口擋墻抗碎屑流沖切作用的連續(xù)力學(xué)模型,系統(tǒng)的碎屑流沖切隧道洞口防治技術(shù)。

　　(2)通過現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值計(jì)算及室內(nèi)模型試驗(yàn)等研究方法,研究了高壓富水?dāng)鄬铀淼劳凰膭?dòng)力演化規(guī)律,揭示了防突層對(duì)斷層隧道涌突水的影響機(jī)制及控制作用,建立了隧道斷層破碎帶涌突水災(zāi)害的綜合防治技術(shù)體系。

　　(3)開發(fā)出集數(shù)據(jù)采集、傳輸、評(píng)估、預(yù)警和決策為一體的信息化、智能化和可視化的特長(zhǎng)隧道不良地質(zhì)施工預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)和救援平臺(tái)。

　　(三)適用范圍

　　項(xiàng)目適用范圍為隧道及地下工程。

　　(四)獲獎(jiǎng)情況

　　項(xiàng)目授權(quán)美國(guó)專利1項(xiàng),發(fā)明專利6項(xiàng),實(shí)用新型專利6項(xiàng),工法7項(xiàng),軟件著作權(quán)8項(xiàng),發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇。中科院院士劉寶珺領(lǐng)銜專家組一致評(píng)價(jià):“項(xiàng)目成果總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,其中碎屑流沖切作用的連續(xù)力學(xué)模型和荷載計(jì)算方法達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。”

項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

　　(1)揭示了高位碎屑流沖擊隧道洞口段結(jié)構(gòu)的力學(xué)機(jī)理,提出了碎屑流沖切作用的連續(xù)力學(xué)模型和荷載計(jì)算方法,建立了高位碎屑流沖切隧道洞口段的防治技術(shù)。以緩沖耗能機(jī)制為基礎(chǔ),研發(fā)出多層級(jí)組合式明洞防護(hù)體系,具有耗能強(qiáng)、易修復(fù)、輕型、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

　　(2)揭示了松散白云巖地層隧道斷層破碎帶突水災(zāi)變的演化機(jī)理,基于隧道滲流理論推導(dǎo)了隧道斷層破碎帶涌水量預(yù)測(cè)公式,建立了隧道斷層破碎帶涌突水災(zāi)害的綜合防治技術(shù)體系。針對(duì)高涌水量、高水壓提出的“半堵半排冶的斷層隧道治水方法,經(jīng)過財(cái)務(wù)和經(jīng)營(yíng)部門實(shí)際測(cè)算,參考設(shè)計(jì)單位提出的全斷面帷幕注漿方案,按照每循環(huán)30米、共4循環(huán)進(jìn)行造價(jià)和工期兩方面對(duì)比,能夠節(jié)省成本近1000萬元。

　　(3)研發(fā)出集不良地質(zhì)信息采集、智能評(píng)估、動(dòng)態(tài)預(yù)警和科學(xué)決策為一體的施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理平臺(tái),對(duì)特長(zhǎng)隧道施工中不良地質(zhì)災(zāi)害的防治和救援具有重要的指導(dǎo)意義,有力提升了我國(guó)特長(zhǎng)隧道的智慧化建設(shè)管理水平。

同類項(xiàng)目比較

國(guó)內(nèi)外同類項(xiàng)目的比較如表 1 所示。

應(yīng)用案例

　　隨著西南地區(qū)高速公路的快速發(fā)展,工程地質(zhì)條件復(fù)雜的公路隧道越來越多。峨漢高速大巖隧道存在大埋深、高地應(yīng)力、巖爆、斷層破碎帶、涌突水等多種不良地質(zhì)條件。本項(xiàng)目以大巖隧道不良地質(zhì)條件為研究背景,重點(diǎn)解決進(jìn)口端崩坡積體碎屑流沖擊隧道洞口(見圖1),斷層破碎帶涌突水處治(見圖2),隧道初支開裂變形坍塌處治以及不良地質(zhì)條件下的隧道安全管理技術(shù)。

　　(1)大巖隧道地質(zhì)資料顯示隧道進(jìn)口端為巨厚崩坡積體,主要由松散碎石土組成。進(jìn)口端地形陡峭,無布置施工場(chǎng)地的條件。為避免隧道穿越巨厚覆蓋層時(shí)發(fā)生坍塌冒頂,保證隧道順利進(jìn)洞,同時(shí)為施工長(zhǎng)大隧道提供合理的施工場(chǎng)地,課題組結(jié)合實(shí)際地質(zhì)地形條件,從理論分析出發(fā),考慮隧道施工過程及后期運(yùn)營(yíng)通行安全,解決洞口碎屑流處治難題。

　　(2)大巖隧道洞身穿越背斜構(gòu)造核部區(qū)、F18-1及F18-2斷層破碎帶,巖體極為破碎,其中ZK104+454~ZK110+267及K104+525~K110+267段主要穿越震旦系上統(tǒng)燈影組、寒武系下統(tǒng)筇竹寺組、二疊系下統(tǒng)陽新組等可溶性地層,巖性以白云巖、灰?guī)r等可溶性圍巖為主,隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,節(jié)理裂隙發(fā)育,局部溶蝕發(fā)育,存在溶洞的可能性。此外,在巖層交界面附近的灰?guī)r中也易發(fā)生溶蝕通道,揭穿界面易發(fā)生涌水、突水現(xiàn)象。課題組針對(duì)隧道涌突水現(xiàn)象,通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào),探明地下水形態(tài)、發(fā)育程度及與巖溶形態(tài)、地表水源等地質(zhì)條件的組合關(guān)系,分析斷層隧道突水災(zāi)變的演化機(jī)理,建立了斷層隧道瞬態(tài)涌水量預(yù)測(cè)模型,進(jìn)而選擇合適的處理方案,避免了涌泥、突水現(xiàn)象的發(fā)生。

社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益

　　本項(xiàng)目技術(shù)應(yīng)用于峨眉至漢源高速公路大巖隧道,王店子隧道、四寶山隧道、中海村隧道、云南建(個(gè))元高速公路大山隧道,以及大連市南部濱海大道七賢嶺隧道等工程中,解決了碎屑流、斷層等復(fù)雜環(huán)境條件下特長(zhǎng)隧道施工控制的各項(xiàng)技術(shù)難題,大大減少了工程造價(jià),并明顯縮短了施工工期,創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。新增產(chǎn)值超過3億元,創(chuàng)利稅5212萬元,且成果在持續(xù)推廣應(yīng)用中。

　　同時(shí),在施工過程中,項(xiàng)目組積極開展科技攻關(guān)工作,得到了社會(huì)各界的一致好評(píng),培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的特殊地區(qū)及特殊環(huán)境下的隧道施工的專業(yè)技術(shù)人員,為進(jìn)一步探索復(fù)雜環(huán)境下復(fù)雜隧道施工技術(shù)新領(lǐng)域提供了一定的人才儲(chǔ)備,并且提高了單位的知名度,創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益。