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。

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。

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。

通过收集和整理山岭隧道口塌方以及滑坡灾害资料,提炼出十大致灾因素,并将其归纳为隧道口洞内塌方和仰坡失稳两大方面。提出山岭隧道口致灾因素等级划分表,建立基于定性到定量的灾害因素隶属度计算数学模型,阐述灾害因素层次模糊综合分析评价的数学原理,全面构建出可以应用于山岭隧道洞口的工程地质灾害模糊综合评价数学模型。以紫石隧道以及港沟隧道洞口段工程实践为案例,详述模型使用方法,对该项目的工程地质风险进行评价,为隧道工作者加强山岭隧道洞口段施工的安全控制提供了理论工具和方法。

粉质黏土地层土压平衡盾构施工过程中易出现刀盘“结泥饼”,渣土塑流性状态较差等问题,须进行渣土改良来保证盾构安全高效掘进。依托杭州地铁10号线某盾构区间施工实例,通过液塑限试验进行改良剂选型,进而对粉质黏土进行改良,并通过坍落度试验和压缩试验研究改良渣土塑流性与压缩性,基于室内试验结果开展现场渣土改良试验,对改良参数合理性进行验证。研究发现,泡沫剂能够显著降低粉质黏土液塑限;粉质黏土地层对含水量(w)及泡沫注入比(foam injection ratio, FIR)的增加均较敏感,渣土坍落度随含水量和泡沫注入比的增加而增大,其压缩性也随泡沫注入而得到改善;渣土改良参数优化后,盾构刀盘扭矩明显降低,盾构掘进参数维持稳定,说明该地层优化改良参数设置合理,同时说明粉质黏土地层采用泡沫剂改良效果较佳。

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。

基于隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)施工过程和施工工艺,融合三维地质建模技术和工程仿真技术,建立长隧道三维地质模型和施工循环网络仿真模型,实现长隧道TBM施工过程的可视化与施工进度的仿真预测。以西藏DXL隧道工程为研究对象,耦合DXL隧道三维地质模型,通过仿真计算对DXL隧道TBM施工段进度计划进行优化分析,统计拟合完工概率随施工工期变化的函数曲线,计算出预期完工概率,实现了施工过程的可视化,并提出保障施工进度的措施和建议。

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。

基于破碎比能原理,理论分析得到影响刀盘和地层相互作用的主要因素为刀具大小和间距、地层材料性质、贯入度。提出了刀盘缩尺,但刀具大小和间距、地层材料性质、贯入度与原型保持一致的模型试验设计方法。针对首次采用小盾构先行大盾构扩挖的深圳14号线肿瘤医院站工程,设计并实施盾构在人工复合地层中的模拟掘进试验,根据试验结果预测的原型盾构机推力和扭矩与工程现场监测结果一致,验证了这种试验设计方法的可靠性。研究成果建立了盾构掘进模拟试验和原型掘进过程中物理量间的量化关系,为盾构掘进模型试验设计提供了一种可靠方法。