采用一种新型的无网格化方法——近场动力学理论,在微观弹脆性本构模型(prototype microelastic brittle, PMB)基础上,引入可反映长程力作用强度随物质点间距变化的核函数,通过Fortran语言编写高地应力状态下岩石双孔爆破的数值求解程序,研究不同炮孔间距、不同地应力状态和不同侧压力系数下岩石双孔爆破动态破坏过程,获得岩石双孔爆破时裂纹萌发、扩展、贯通的全过程。结果表明:随着炮孔间距从100 mm增加至200 mm,开裂区面积由306.59 cm²增大至449.07 cm²,但当炮孔间距增加至200 mm时,双孔之间产生的裂纹不能连接贯通;在静水地应力水平下,随着地应力的增加,裂纹扩展时间减少,损伤起始时间滞后,损伤面积由123.24 cm²减小至32.96 cm²,主裂纹扩展长度由87.73 mm减小至14.42 mm;非静水地应力水平下,爆生裂纹扩展倾向于最大主应力方向,随着侧压力系数增加、损伤面积减小,裂纹扩展的方向性越明显。地应力对岩石爆破开裂起抑制作用,非静水地应力水平对裂纹的扩展具有导向作用。在实际爆破开挖中,选择合适的炮孔间距,沿最大主应力方向布置炮孔有利于形成良好的爆破开挖面,提高破岩效率。

针对某大型地下水封洞库施工期间通风方式选择问题,依托某大型地下水封洞库通风设计,在分别比较抽出式、压入式、混合式通风方式优缺点的基础上,按照各通风方式进行风量计算,分别确定大型地下水封洞库各阶段施工的通风方式;构建某大型地下水封洞库的通风Ventsim数值仿真模型,数值模拟研究不同施工阶段下不同通风方式、风流在大型地下水封洞库的动态演化规律,并对各不同施工阶段下不同通风方式的通风效果进行对比分析,优选不同施工阶段通风方式。数值模拟结果表明,第一施工阶段最优的通风方式为压入式通风,第二施工阶段最优的通风方式为混合式通风,第三和第四施工阶段最优的通风方式为抽出式通风。验证不同施工阶段各通风方式的风阻、风量和最佳风网效率,为大型地下水封洞库施工期的通风设计提供科学依据。

基于宏观(力学行为特征、破坏特征、能量演化)和微观(裂纹演化)视角综述预制钻孔和高应力实时钻孔在解析钻孔卸压防治岩爆灾害机理方面的试验研究进展,阐述钻孔卸压防治岩爆灾害的合理性和有效性。理论研究、试验分析证实钻孔卸压是解除深部围岩高应力、高能量的关键技术,为应用钻孔卸压防治岩爆方案制定优化提供参考。高应力实时钻孔试验方法是一种更为科学的揭示钻孔卸压防治岩爆内在机理的新研究方法。根据岩爆诱发机理和当前多功能试验系统的技术条件,对解析钻孔卸压防治岩爆机理的试验研究提出6个发展方向:研发适配真三轴试验系统的高应力钻机试验设备;考虑扰动因素下的高应力实时钻孔卸压模拟试验;模拟深部隧洞(巷道)开挖后的实时钻孔卸压试验(“三维六面加载-单面卸载-实时钻孔卸压”试验);构建三维高应力实时钻孔卸压下围岩能量演化的解析模型;探究卸压钻孔的空间尺寸效应与围岩应力场及围岩内部能量耗散机制的关系;基于数值模拟软件建立大尺度高应力围岩的钻孔卸压防治岩爆的计算模型。

针对隧洞施工过程中易发生的突涌水灾害,通过统计引水隧洞突涌水案例,分析隧洞突涌水的内在规律;分别采用长短期记忆神经网络LSTM(long short-term memory)、Elman神经网络和基于偏最小二乘法的多元线性回归等方法进行隧洞施工涌水量预测,并与隧洞施工实际的涌水量进行对比验证,得到预测隧洞涌水量最优方法。结果表明:突涌水事故更易在浅埋隧洞(道)、长隧道、特长隧道中发生,且易发生在断层、岩溶和可溶岩等地层。对比3种不同模型的预测结果与隧洞施工期的涌水量,LSTM模型预测涌水量精度更高。

为探究复杂应力路径下波纹钢加固盾构隧道受力变形规律的异同和加固效果,基于MIDAS GTS NX有限元软件构建三环错缝精细化模型,从管片加固前后收敛变形量、波纹钢应力、管片塑性变形等角度衡量波纹钢加固效果,对比分析堆载、卸载工况下波纹钢加固盾构隧道受力变形演化规律。研究结果表明:复杂受荷环境下管片最大收敛变形部位分布不同,堆载以腰部收敛为主,卸载以顶底部竖向收敛为主;卸载下施作波纹钢加固效果优于堆载工况,最大加固效率可达70%;堆载与卸载工况下,不同板厚波纹钢加固管片的收敛变形、波纹钢应力发展规律类似且均呈现线性增长趋势;波纹钢能有效延缓混凝土塑性发展态势,但对于卸载工况下的环间错台抑制能力较弱。

以丽香铁路中义隧道3#横洞工区为工程背景,通过现场变形监测分析不同断面形式下的平导与正洞大变形特征,研究发现存在片理的变质玄武岩隧道在极高地应力环境下挤压大变形特征明显,水平收敛为洞周收敛的主要变形。通过数值模拟验证隧道断面优化与支护补强措施的有效性,结果显示:减小隧道断面曲率突变和使隧道断面对称能够减小隧道围岩变形量,增设锁脚锚杆与增大钢筋网强度均能有效控制隧道形变,共同作用下可控制超过65﹪的隧道围岩变形量,缩减大变形段围岩塑性区分布,对中义隧道的大变形有很好的控制作用,可为复杂应力环境下铁路隧道施工提供指导。

基于流变力学和黏弹性力学,建立预应力锚索锚固力损失与岩体蠕变耦合的理论模型。考虑预应力锚索加固岩体时的预应力损失效应的影响,推导稳定蠕变岩体和不稳定蠕变岩体的蠕变变形方程,得出锚索预应力随时间变化的计算公式。结果表明:锚索张拉完成的一段时间内,预应力损失较快;随后预应力损失速率逐渐减小,最终趋于稳定,岩体蠕变变形也最终趋于稳定。计算结果与已有文献的试验结果对比分析,二者的曲线变化规律一致,验证了本研究模型的正确性与实用性。结合锦屏水电站锚索预应力变化与理论模型的计算结果对比,证明了本研究模型应用于工程实例的准确性,本研究模型比以往的耦合模型具有更广泛的适用范围,不仅适用于稳定蠕变岩体,也适用于非稳定蠕变岩体,对锚索锚固力的变化异常预警和边坡工程的长期安全运营有广泛的工程应用价值。

针对兰州市水源地建设工程深埋长输水隧洞双护盾TBM在不良地质条件下的施工问题,采用数据统计、工程类比等方法,提出了综合处理技术及措施。在TBM施工前,对F₃及F₈断层带采用钻爆法开挖,初期支护保证围岩稳定后,TBM滑行通过并安装管片;采用了以隧洞沿线地质分析为基础,结合掌子面围岩观察、岩渣分析、掘进参数分析、三维地震法和三维电阻率法等方法的综合超前地质预报方法,对掌子面前围岩地质条件进行综合预报;采用“以排为主,排堵结合”的原则,建立TBM变坡段排水系统,根据涌水量确定排水系统的运行方式,减轻了涌水对施工的影响;根据TBM前盾被卡的特征,采用从伸缩护盾处人工开挖导洞释放围岩压力的方法使TBM脱困;采用化学灌浆和水泥灌浆固结破碎围岩,控制TBM掘进参数,慢速掘进通过破碎带。TBM施工实践表明:所采用的技术行之有效,不良地质条件未对TBM造成严重后果。

采用泡沫剂和活性氧化镁双掺对盾构渣土进行协同改良。通过流动性、泌水率及抗压强度系列试验得到不同泡沫剂和活性氧化镁掺量下的改良土流动度、泌水率以及抗压强度变化规律。结果表明:改良后的流动化回填土具备良好的流动性与固化强度;通过调节泡沫剂和活性氧化镁掺量,可得到流动度为180~320 mm、泌水率小于5%、28 d强度为0.6~1.2 MPa的流动化回填土,适用于更广泛的工程需求。

为研究注浆加固对隧道岩体贯通节理面抗剪力学特性的影响,对非贯通节理岩体试样进行剪断破坏获得贯通节理面试样,开展注浆加固岩体直剪试验,研究注浆加固贯通节理面在直剪条件下的破坏特征及强度特性。研究结果表明:注浆加固后岩体的破坏模式分为胶结面滑移、完整岩石破裂和浆液固结体破裂三种,破坏模式主要受胶结面强度、浆液固结体强度和岩体强度的影响;水灰比主要影响水泥固结体的强度和胶结面的黏结强度,充填厚度主要影响胶结面的黏结强度;通过注浆加固显著提升了贯通节理面的黏聚力,而对内摩擦角几乎不产生影响;非贯通节理岩体的初始破坏会对贯通破裂面注浆加固效果产生影响,张拉断裂面的注浆加固后强度提升效果优于剪切断裂面。

基于宏观(力学行为特征、破坏特征、能量演化)和微观(裂纹演化)视角综述预制钻孔和高应力实时钻孔在解析钻孔卸压防治岩爆灾害机理方面的试验研究进展,阐述钻孔卸压防治岩爆灾害的合理性和有效性。理论研究、试验分析证实钻孔卸压是解除深部围岩高应力、高能量的关键技术,为应用钻孔卸压防治岩爆方案制定优化提供参考。高应力实时钻孔试验方法是一种更为科学的揭示钻孔卸压防治岩爆内在机理的新研究方法。根据岩爆诱发机理和当前多功能试验系统的技术条件,对解析钻孔卸压防治岩爆机理的试验研究提出6个发展方向:研发适配真三轴试验系统的高应力钻机试验设备;考虑扰动因素下的高应力实时钻孔卸压模拟试验;模拟深部隧洞(巷道)开挖后的实时钻孔卸压试验(“三维六面加载-单面卸载-实时钻孔卸压”试验);构建三维高应力实时钻孔卸压下围岩能量演化的解析模型;探究卸压钻孔的空间尺寸效应与围岩应力场及围岩内部能量耗散机制的关系;基于数值模拟软件建立大尺度高应力围岩的钻孔卸压防治岩爆的计算模型。

采用泡沫剂和活性氧化镁双掺对盾构渣土进行协同改良。通过流动性、泌水率及抗压强度系列试验得到不同泡沫剂和活性氧化镁掺量下的改良土流动度、泌水率以及抗压强度变化规律。结果表明:改良后的流动化回填土具备良好的流动性与固化强度;通过调节泡沫剂和活性氧化镁掺量,可得到流动度为180~320 mm、泌水率小于5%、28 d强度为0.6~1.2 MPa的流动化回填土,适用于更广泛的工程需求。

基于流变力学和黏弹性力学,建立预应力锚索锚固力损失与岩体蠕变耦合的理论模型。考虑预应力锚索加固岩体时的预应力损失效应的影响,推导稳定蠕变岩体和不稳定蠕变岩体的蠕变变形方程,得出锚索预应力随时间变化的计算公式。结果表明:锚索张拉完成的一段时间内,预应力损失较快;随后预应力损失速率逐渐减小,最终趋于稳定,岩体蠕变变形也最终趋于稳定。计算结果与已有文献的试验结果对比分析,二者的曲线变化规律一致,验证了本研究模型的正确性与实用性。结合锦屏水电站锚索预应力变化与理论模型的计算结果对比,证明了本研究模型应用于工程实例的准确性,本研究模型比以往的耦合模型具有更广泛的适用范围,不仅适用于稳定蠕变岩体,也适用于非稳定蠕变岩体,对锚索锚固力的变化异常预警和边坡工程的长期安全运营有广泛的工程应用价值。

以丽香铁路中义隧道3#横洞工区为工程背景,通过现场变形监测分析不同断面形式下的平导与正洞大变形特征,研究发现存在片理的变质玄武岩隧道在极高地应力环境下挤压大变形特征明显,水平收敛为洞周收敛的主要变形。通过数值模拟验证隧道断面优化与支护补强措施的有效性,结果显示:减小隧道断面曲率突变和使隧道断面对称能够减小隧道围岩变形量,增设锁脚锚杆与增大钢筋网强度均能有效控制隧道形变,共同作用下可控制超过65﹪的隧道围岩变形量,缩减大变形段围岩塑性区分布,对中义隧道的大变形有很好的控制作用,可为复杂应力环境下铁路隧道施工提供指导。

为研究高地应力软岩隧道变形规律,基于41座隧道68个监测断面的实测数据统计,定量分析高地应力软岩隧道的变形量与岩体抗压强度、围岩完整性、隧道地应力、隧道埋深、侧压力系数、地下水、岩体基本质量指标和支护刚度等因素的关系。研究结果表明:高地应力软岩隧道围岩大变形是围岩地质条件、设计、施工参数及其它多种因素综合作用的结果,其中地应力、围岩特性和支护措施影响最大,案例统计结果可基本揭示我国交通隧道在高地应力软岩大变形控制技术发展水平。高地应力软岩隧道变形具有显著的时空效应,随时间呈现快速增长—持续增长—趋于稳定的变化规律。变形协调系数前期受开挖影响,变化浮动较大,但当仰拱施作后,变形协调系数很快达到稳定,验证和强调了封闭成环对变形控制的关键作用;随着大变形等级的提高,仰拱施工后变形占比减小。

为探究地下工程突水突泥次生灾害主要影响因素以及控制方法,通过总结2010年以来有关案例,总结孕灾环境与致灾因子,提出突水突泥次生灾害预防与控制技术。以滇中引水狮子山隧洞穿越F_Ⅲ-71断层二次突水突泥为例,探明该地质段灾害成因,将次生灾害演变过程分为3个阶段:孕育阶段、潜存阶段和诱发阶段;提出改善外部环境的状态、阻断灾变演化路径、提高防突层承受能力的方法防止突水突泥再次发生,为隧洞突水突泥次生灾害处置提供经验指导。

为研究不同形式缺陷对衬砌结构受力的影响,通过模型试验模拟不同形式的缺陷,分析衬砌结构不同部位弯矩、轴力与安全系数的变化。结果表明:边墙与仰拱连接处缺陷使衬砌拱腰与仰拱中部处的弯矩与轴力增大,拱顶处的弯矩与轴力减小,缺陷形式不同对衬砌不同部位的影响效果不同;当仅存在混凝土疏松缺陷或钢筋未连接缺陷时,衬砌结构受力的主要影响部位为拱腰与边墙,当两种缺陷共存时,拱顶与仰拱中部也受到较大影响;混凝土疏松缺陷对衬砌结构安全系数的影响总体上大于钢筋未连接缺陷,主要影响区域为拱腰与边墙两处,当两种缺陷共存时,拱腰与仰拱中部处安全系数的下降较明显,分别为52.03%与32.40%。缺陷对拱腰与仰拱中部处安全系数的影响效果大于拱顶与边墙处,施工时需严格控制此处混凝土浇筑质量,保证成型后的强度,并适当提高此处浇筑厚度,使其有较高的安全储备。

为探究复杂应力路径下波纹钢加固盾构隧道受力变形规律的异同和加固效果,基于MIDAS GTS NX有限元软件构建三环错缝精细化模型,从管片加固前后收敛变形量、波纹钢应力、管片塑性变形等角度衡量波纹钢加固效果,对比分析堆载、卸载工况下波纹钢加固盾构隧道受力变形演化规律。研究结果表明:复杂受荷环境下管片最大收敛变形部位分布不同,堆载以腰部收敛为主,卸载以顶底部竖向收敛为主;卸载下施作波纹钢加固效果优于堆载工况,最大加固效率可达70%;堆载与卸载工况下,不同板厚波纹钢加固管片的收敛变形、波纹钢应力发展规律类似且均呈现线性增长趋势;波纹钢能有效延缓混凝土塑性发展态势,但对于卸载工况下的环间错台抑制能力较弱。

针对隧洞施工过程中易发生的突涌水灾害,通过统计引水隧洞突涌水案例,分析隧洞突涌水的内在规律;分别采用长短期记忆神经网络LSTM(long short-term memory)、Elman神经网络和基于偏最小二乘法的多元线性回归等方法进行隧洞施工涌水量预测,并与隧洞施工实际的涌水量进行对比验证,得到预测隧洞涌水量最优方法。结果表明:突涌水事故更易在浅埋隧洞(道)、长隧道、特长隧道中发生,且易发生在断层、岩溶和可溶岩等地层。对比3种不同模型的预测结果与隧洞施工期的涌水量,LSTM模型预测涌水量精度更高。