从工程角度归纳和总结压缩空气储能地下硐库的基本概念,解析硐库的基本结构,分析硐库在运营期间受到的主要荷载特征;在此基础上改进柔性密封结构的基本设计理念,建议在地下储气硐库的设计中采用可靠度设计方法,为压缩空气储能地下硐库的设计、运营和维护提供指导和依据。

以安徽某深部硬石膏矿体建造大规模内衬岩洞式储气库为研究背景,采用ABAQUS有限元软件的热-力耦合分析方法,研究深埋洞室不同洞距下多循环充采气过程中关键结构层温度、变形、应力的分布及变化过程,探究不同洞距时围岩塑性区分布规律以及地表变形变化过程。结果表明:增大洞距对主要结构层的温度基本没有影响;洞距小于2倍洞径时,改变洞距对关键结构层的应力和变形、地表位移、混凝土衬砌的拉应力分布和大小以及围岩塑性区的分布有较为明显的影响,储气库间的相互作用较为显著;当洞距增大到2倍洞径后,储气库间的相互作用已经不再明显,此时增大洞距对储气库的稳定性没有明显的增强效果。

以均质地层长隧道结构为对象,将长隧道简化为作用在均匀地层中的弹性地基梁,采用法向和切向地基弹簧模拟地层与结构相互作用,建立相应的微分控制方程,推导出均质地层长隧道纵向地震响应的解析表达式。通过对隧道结构内力响应解析解的分析,提出面向长隧道纵向抗震设计所需最大内力响应解(弯矩、剪力、轴力)的计算方法,可用于快速计算均质地层长隧道纵向最不利地震响应。将解析解与有限元模拟结果进行对比分析,结果表明解析解与数值解基本一致,验证了本研究解析解的正确性。该解析解可以直观地给出各关键参数之间的解析关系,通过参数敏感性分析,得出了地震波不同入射角度、入射波长和地层-结构相对刚度比等关键因素对隧道纵向地震响应的影响规律。分析表明:随着地震波入射波长变长,隧道弯矩响应先增大后减小,而剪力和轴力响应均减小;随着地震波入射角从0°增加到90°,隧道剪力响应变小,弯矩和轴力响应先增大后减小;随着地层-结构相对刚度比变大,隧道内力响应均出现一定程度降低,且弯矩、轴力响应呈现明显降低趋势,但隧道位移响应随相对刚度比变大,隧道沿纵向出现较大的变形,结构设计应该综合考虑内力和变形两方面因素。在此基础上提出了长隧道纵向地震响应解析的合理设计计算方法,可为今后隧道纵向抗震设计提供指导。

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。

系统介绍地下压气储能技术的发展历史、地下结构组成及其作用,重点讨论压气储能地下内衬式洞室技术的研究进展。针对压气储能地下内衬式洞室存在的极限存储压力、注采气过程中的热力学效应和洞室衬砌密封性能等3个关键问题,系统总结研究进展与当前认识,分析现有研究存在的问题与不足,并对压气储能地下内衬式洞室的未来研究方向提出建议。

隧道排水管结晶堵塞病害的防治对隧道结构安全和隧道正常运营至关重要。在系统梳理国内外研究资料的基础上,对隧道排水管结晶过程及机理进行分析总结,将隧道排水管中结晶过程概括为三个主要阶段:地下水对喷射混凝土的渗透过程,混凝土中钙的溶出过程,排水管中结晶体的沉积过程。基于结晶体物质来源与其结晶过程,将影响隧道排水管结晶堵塞的因素分为内因和外因两大类,内因包括地下水水质类型、围岩类型、喷射混凝土特性三类,外因包括排水管中溶液特性(包括溶液中CO₂含量、pH值、含盐量、水流流速)、环境因素(温度、压力)和工程因素三类,并详细进行阐述;并从排水系统设计、排水管材质以及混凝土配合比方面对排水管结晶堵塞的预防技术进行探讨;对隧道排水管结晶堵塞的机械、物理、化学、生物处置方法进行详细论述和评析。本研究可为隧道排水管结晶堵塞病害的防治提供理论参考。

针对不同地层中盾构隧道应力释放率差异较大,数值计算时难以准确界定应力释放率的问题,对盾构机掘进过程地层损失和应力释放率的相关性进行研究。以刀盘超挖量作为控制指标的应力释放率界定方法,将盾壳、注浆、管片支护等工序的施加时机对应为具体的应力释放率。结合工程背景中盾壳-土体间隙及上覆地层的几何、物理力学参数,建立盾构机掘进全过程的高仿真度计算方法,实现地层扰动变形的精细化模拟。计算结果与监测数据对比分析,证明了研究方法的正确性。以应力释放率为综合控制参数的简化计算方法准确模拟土质地层中盾构施工全过程的地层变形特征,提高了计算精度,可快速完成盾构施工过程的准确预测。

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。

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。

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。