国内外多起盾构隧道倒塌事故中,衬砌结构的倒塌发展过程均表现出连续性破坏的特征,造成严重的经济损失与人员伤亡。但我国的相关研究尚处于起步阶段,对事故的触发条件、发展过程、有效防控措施的认识不足,制约了我国城市轨道交通的高质量发展。在2003年至2020年国内外近百起盾构隧道事故案例以及23起典型案例统计分析与调研的基础上,对盾构隧道连续性破坏事故的主要特征进行分析。以统计的方法,分析隧道破坏事故的初始破坏位置、穿越地层、破坏程度等因素及其相互关系,明确破坏的主要特征。基于多案例综合分析,概化提炼出事故中衬砌结构的破坏发展过程,并与隧道结构最终的破坏程度形成对应。最后综合考虑隧道结构-周边地层的共同作用体系,对破坏过程中周边水土的响应发展进行分析,指出盾构隧道连续性破坏属于流固耦合动力学问题。本研究成果有助于提高对盾构隧道连续性破坏的相关认识,为相关事故的防控提供指导。

天然气作为一种清洁能源,是我国实施低碳绿色发展的主要能源。开展地下储气库建设,提高天然气储备和调峰能力,将成为我国能源行业的主要任务。系统总结了枯竭油气藏、含水层和盐岩三种不同类型地下储气库发展历史以及美国和欧洲地下储气库建设情况,并与我国地下储气库建设情况进行对比分析。选取枯竭油气藏、含水层和盐岩储气库典型安全事故,详细分析其发生根源,介绍世界地下储气库安全事故根源统计结果,比对不同类型地下储气库事故根源的区别。最后,根据国外地下储气库建设经验和教训,为我国规划和建设地下储气库提出建议。

随着我国水下盾构隧道建设的快速发展,管片接缝防水问题愈发凸显,盾构隧道承受的水压也日趋增高,对隧道的防水安全提出了严峻挑战,高水压盾构隧道防水已逐渐成为国内外研究的热点。针对高水压盾构隧道管片接缝防水在设计阶段、施工阶段及长期运营阶段可能存在的问题,综述了国内外相关的重要研究,主要包括:密封垫材料选择、截面设计、角部加工、多道密封垫的布置方式、螺栓孔防水、密封垫的数模及试验分析、地震作用下的密封垫防水性能及密封垫材料老化的长期耐久性评价。讨论了尚存的问题以及相关防水问题的研究趋势。

随着国内轨道交通建设的不断推进,盾构施工技术的应用越来越广泛。滚刀作为盾构施工的关键零部件,其工作效率和失效形式与施工地质条件有直接关系,并对施工进度和安全性具有重要的影响。以某地铁工程盾构掘进施工为例,分析该区间段复杂的地质条件,根据实际情况分析盾构机在掘进过程中滚刀的失效形式和失效原因,并对刀圈的硬度和材质选择进行简要讨论。结果表明,在该地段施工过程中滚刀的失效形式主要为刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈断裂、刀圈崩刃、刀圈脱落、刀轴断裂等。

滚刀与岩体间的相互作用是TBM技术的核心,数值模拟是研究这一过程的重要手段。基于岩土体离散元软件MatDEM进行二次开发,构建包含50.2万单元的软硬互层岩层模型和盾构滚刀模型,对滚刀破岩过程进行模拟计算,记录并分析模拟中边界及滚刀受力、颗粒连接、能量转化、热量分布等信息。结果表明:硬质岩层内边界及滚刀受力变化明显,刀盘垂向及层面垂向单元受力较大;软质岩层内边界及滚刀受力较小,滚刀受力均匀;硬质岩层内颗粒连接断裂数较软质岩层少,岩体切削量也较小;硬质岩层内系统能量变幅较大,系统能量主要以摩擦热形式存在。MatDEM有效地模拟了滚刀破岩过程,通过修改滚刀形态和岩石性质等,本算例可用于各类工况滚刀破岩研究中,为大规模滚刀破岩数值模拟提供一个新的途径。

简要总结王梦恕院士在隧道与地下工程建设领域的主要学术思想和科研成就,主要包括:引进并创新了新奥法隧道施工技术,并在大瑶山铁路隧道工程中成功应用,进而形成了我国铁路隧道喷锚构筑法,突破了我国隧道建造技术瓶颈,在隧道发展史上具有里程碑的意义;创立了城市地铁浅埋暗挖施工方法,改变了地铁修建必须从地面“开膛破肚”的施工现状,有效的保护了建(构)筑物的安全,促进了城市地铁建设快速发展;在水下隧道建设方面,建立了隧道最小顶板厚度及水压力设计值确定方法,提出了水下隧道防排水体系以及施工关键技术,为我国首座海底隧道的修建提供了技术支撑;提出了TBM+钻爆法的隧道施工新模式,建立了配套施工技术,开发了我国第一台直径7.3 m的压缩混凝土盾构机,促进了盾构机的国产化;针对我国地质及环境的复杂性,提出了隧道与地下工程建设理念和基本原则。王梦恕院士的学术思想和科研贡献,对学科的发展产生了深远的影响,在推动我国隧道与地下工程科技发展方面作出了重大的历史性贡献。

随着盾构技术的快速发展,越来越多的盾构隧道穿越敏感环境,由于盾构隧道施工条件复杂,施工过程中难免会产生地层扰动,从而导致地表产生沉降,严重的还会造成周边建(构)筑物破坏。因此,地铁隧道在穿越高密集棚户区等沉降敏感区时,有效控制施工沉降尤其重要。以武汉地铁8号线一期工程,黄浦路站—徐家棚站区间盾构下穿高密度棚户区项目为工程依托,对施工过程中超大直径泥水盾构穿越无加固条件沉降敏感带扰动控制技术进行研究,在简要分析工程背景及重难点基础上,通过对掘进参数的优化,掘进前建筑物评估及试掘进等过程时时监控,做到施工过程中切口水压力、掘进速度、刀盘扭矩等的精细调控;泥膜控制、二次注浆等关键技术的实施,确保了掘进顺利进行,掘进过程参数控制可为分析大直径盾构下穿老旧棚户区施工控制提供参考和依据。

对隧道工程中的地质灾害进行总结,通过对真实破裂过程分析方法(realistic failure process analysis,RFPA)在隧道工程模拟中的相应应用进行综述,得到以下主要结论:在隧道工程施工中,隧道工程的主要地质灾害包括固体地质灾害、准流体地质灾害和流体地质灾害3大类;RFPA数值计算方法在与隧道工程施工相关的岩石力学及破坏特性获取、开挖条件下的隧道破坏模拟、层理岩体隧道开挖模拟、动力条件下隧道破坏模拟、深部围岩分区破裂模拟以及渗流作用下隧道稳定性分析等方面都得到了广泛的应用;目前,RFPA数值计算方法已经在计算精度、计算规模、计算速度、大规模求解过程的并行计算和数值计算云平台建设等方面取得了重大进展。随着技术进步和程序开发的不断深入,RFPA数值计算方法会在隧道工程模拟方面取得更为广泛的应用。

介绍了我国在综合机械化(放顶煤)开采、充填开采、海洋开采、无煤柱开采方面取得的突出成绩,阐释实用矿山压力控制理论的科学内涵及其在煤炭资源开采与灾害预控方面的应用发展。针对当前煤炭资源开采现状,认为建立煤矿重大事故灾害预测与控制决策的理论及模型是实现煤矿灾害事故控制的基础,促进煤矿灾害事故预控从定性到定量的发展,有助于将采矿工程决策和实时监控推进到信息化、智能化、可视化。

随着铁路、水利、矿山等工程的发展,越来越多的硐室需要在深部开挖。工程爆破开挖和断层滑移等动力荷载严重影响着地下硐室围岩的稳定性。利用有限差分软件FLAC3D,对地下硐室在爆破和断层滑移作用下的围岩稳定性进行模拟,引入地震动峰值速度(peak ground velocity,PGV),利用萨道夫斯基公式和McGarr公式拟合得到不同震源机制下围岩PGV的数学关系式。结果表明,在爆破荷载作用下,地下硐室与震源间的距离对硐室稳定性影响显著,萨道夫斯基变形公式可以很好的表征围岩体响应的PGV,但McGarr变形公式不适用;在断层滑移作用下,萨道夫斯基变形公式和McGarr变形公式拟合度低,滑移角度对硐室的稳定性影响更大。深部地下硐室支护应考虑震源的影响,如PGV等,对于断层滑移产生的震源需要考虑滑移角度对PGV的影响。以上结论为岩土工程地下硐室开挖及支护提供数据支撑与理论依据。