城市建设发展加速,“城市病”日益突出,地下空间开发利用愈显重要。通过转变城市发展方式,科学规划地下空间开发利用,汲取国际成功经验,注重品质发展,可以实现地下空间开发的多功能利用,实现统筹缓解城市灾害、交通拥堵、空气污染、城市内涝等“城市病”。同时,以地下综合管廊建设和海绵城市建设为契机,及时解决当前存在的法规体系建设和管理体制改革问题,实现人与自然和谐共生,推进城市生态文明建设迈向新高度,推动美丽城市建设。

近年来在一些超特长引水隧洞中,多台TBM多头掘进的施工方式不断出现,形成了TBM集群施工的特色,北疆供水二期工程是其中的典型代表。该工程地质条件复杂,施工面临着塌方、突涌水、高地下水位软岩大变形、TBM卡机等诸多灾害风险,存在多处高风险洞段,开展超前地质预报工作十分必要。针对工程集群施工特点和超前地质预报工作面临的挑战,分析依托工程的地质条件与主要灾害风险,对比目前常用超前地质预报技术的特点,重点讨论TBM集群施工环境下超前预报方法的适用性以及面临的技术挑战,并提出相应的对策。进一步展望TBM超前地质预报技术的发展方向,建议在TBM集群超前预报专家决策与融合诊断、稳健高效的实时超前地质预报技术、超前地质预报结果的正确利用与施工许可、基于地质岩体信息透明化的TBM智能化掘进、TBM超前地质预报的标准化等五个方面进行重点研发和超前部署,为今后TBM集群施工中的超前预报工作提供参考。

我国西部高山峻岭地区修建调水工程时大多采用隧洞输水方式,通常要穿越包括活动断层在内的赋存环境和地质条件复杂的地层。目前,国内外的隧洞相关规范均未就隧洞穿越活动断层带的工程设计和应对措施给出明确规定和建议,不利于输水隧洞的长期运行安全。基于活动断层的定义、分类,以及活动断层对隧洞工程的影响,采用工程实例搜集与综合对比分析方法,系统整理了国内外10个隧洞穿越活动断层的工程案例,重点探讨已建工程针对该问题所采取的各种应对措施及基本理念,认为设置柔性连接段、扩大断面尺寸、洞内明管、复合衬砌或新型材料是当前隧洞抗断的主要措施。结合每种措施的实际应用效果,归纳并建议各种应对措施的适用条件,并指出应关注的问题。针对隧洞穿越活动断层工程措施的适应性评价课题,梳理并讨论相关研究内容和国内外研究进展,指出了当前研究中值得完善和补充的环节。结合近期启动的“水资源高效利用”国家重点研发计划课题“隧洞穿越活断层围岩-衬砌灾变机制及抗断技术”研究项目,聚焦主要研究内容,并展望隧洞穿越活动断层研究应予重点关注并解决的问题。

深埋隧道具有地应力高、渗透压大和灾害源广等特点,突涌水工程灾害风险较大,部分工段多采用钻爆法开挖。深埋隧道钻爆法开挖段突涌水成灾机制较为复杂,具有隐蔽性、复杂性、突发性和破坏性的特点,现有相关理论和技术研究存在着灾害源探测及辨识不明、突涌水灾害形成机制认识不清、恶性灾害预防控制不力等问题,已不能完全适用,工程灾害防控成为亟待解决的关键科技难题。从深埋隧道钻爆法开挖段突涌水的灾害源探测、成灾机制和灾害防控三方面对现有研究进行剖析,对深埋隧道钻爆法开挖段突涌水灾害研究的重点和方向提出三点建议:第一,要探明不良地质体和围岩结构,需要基于相对成熟的技术成果,结合实际工况融合多种超前地质探测方法,动态补探,充分吸收大数据强大的分析能力进行关联分析、模式识别,逐渐逼近“真解”,做到定量化、精确化探测,形成多方法多设备的综合超前地质预报技术体系;第二,从能量储存与释放的角度建立灾害源的灾变模式,揭示突涌水灾害的发生条件和突发机制,发展隔水隔泥层安全性计算方法,将现有研究成果应用到实际工程方面;第三,要做到突涌水灾害的准确预警和有效控制,需要研究建立针对深埋隧道钻爆法开挖段的风险评估理论,根据隧道洞内围岩及其上覆岩层地质条件,将不同的治水技术有机结合起来,以求实现技术、经济、资源和环境利益的最大化。

目前我国已成为世界公认的隧道与地下工程建设规模和难度最大的国家,断层破碎带、富水砂层等富水软弱地层已经成为地下工程修建过程中最为常见的不良地质体,注浆是治理富水软弱地层的主要方法。结合本课题组研究特色,介绍本课题组在富水软弱地层注浆加固理论、模拟试验及注浆控制方法等方面的最新研究进展。注浆加固理论方面,考虑劈裂注浆加固体的分层特征与空间衰减特征,综合注浆加固后浆脉、被压密地层及原状地层的性能参数及空间展布形态,建立劈裂注浆加固效果定量计算方法;考虑砂层渗透注浆过程中渗滤效应所造成的水泥颗粒滞留空间不均匀性,针对平面径向流渗透注浆形式建立注浆加固体强度的定量计算公式,揭示注浆加固强度的空间衰减特征。注浆加固模拟试验方面,研发隧道突水突泥灾后注浆模拟试验系统,总结突泥塌腔及软弱破碎区域优先充填扩散规律和封闭空间加固区域内多序次劈裂注浆扩散规律;研发可视化劈裂注浆模拟试验系统,揭示注浆过程中劈裂通道形态随时间变化规律,获得试验条件下的劈裂-压密注浆影响范围。注浆控制方法方面,针对泥质断层破碎带及富水砂层分别提出针对性的注浆控制方法,可为富水软弱地层注浆工程实践提供有效指导。

由于深部岩石处于高地应力、高地温、高渗透压的复杂地质环境下,现有的岩石力学理论已不能很好地解释深部岩石在开采、爆破或地震等动态荷载下的力学特性及破坏机理。近几十年来,国内外诸多学者对岩石动态力学开展了大量的室内试验研究,在岩石的动态压缩、拉伸、断裂和剪切等基本力学特性方面取得了丰硕的成果。由于深部岩石所处地质环境的复杂性,这些岩石动力学的成果有待扩充以考虑深部岩石的特殊赋存环境的影响。结合已有的动力学研究方法,考虑高温、含水、以及原位应力对岩石动态力学特性的影响,是深部岩石工程的关键问题。对考虑深部赋存条件的高应力、高温和含水条件下岩石动态力学特性研究现状进行系统的总结,从试验系统原理、分析方法和试验结果3个方面归纳针对深部赋存条件下岩石动态测试方法及其力学响应特性,并对深部岩石动态力学这一新兴的岩石力学研究方向进行展望。

针对引汉济渭秦岭隧洞岭南TBM工程面临的高强度高磨蚀地层TBM掘进困难、刀具消耗严重的问题,通过分析TBM前2 000 m试掘进段掘进参数与刀具消耗,提出掘进参数存在推力偏大、贯入度过大,转速较低、扭矩偏小的问题,不利于滚刀使用寿命、限制了TBM掘进速度;另外发现刀盘43#刀位附近刀具数量不足、区域耐磨性不够,刀盘刮碴不及时、刀具二次磨损严重等也是导致刀具消耗过快的原因。通过开展高强度硬岩滚刀破岩试验,发现刀刃间距在80~130 mm范围内均可实现有效破岩,但刀刃间距与贯入度比值S/p为25~30时,TBM破岩比能较低、破岩效率较高;通过开展高磨蚀地层缩尺滚刀磨损实验,发现滚刀破岩存在质量磨损速率急剧增加的临界贯入度,采用圆角刃滚刀可以有效降低滚刀磨损。研究结果可为如引汉济渭等高强度高磨蚀地层TBM刀盘刀具的设计和掘进参数的控制提供参考与借鉴。

热处理高强钢筋具有高强度、延展性能优越、强屈比高、焊接与冷弯性能优越等诸多优点,能够有效降低工程中钢筋的用量、提高工程质量,在国内外许多工程中得到了成功的应用,但是在隧道工程中的应用刚刚起步。结合铁路、公路隧道工程建设,开展热处理高强钢筋格栅应用的现场试验研究,对比分析高强钢筋格栅与原设计的I20b型钢拱架的支护性能。试验结果表明,格栅拱架试验段相比I20b型钢拱架试验段的沉降收敛减少约7%~30%,围岩压力相差不多,但格栅拱架应力略高。由于格栅与混凝土的粘结性更好,格栅+喷混凝土的最终承载能力大于型钢+喷混凝土,且格栅拱架的钢材用量比I20b型钢拱架的用钢量节约36%,具有显著的经济和社会效益。

大跨度黄土隧道施工时易产生地表开裂、沉降变形、支护侵限、塌方等现象,建设难度极大。以目前世界上开挖跨度最大的高速公路黄土隧道——墩梁隧道为工程依托,采用现场实测、理论分析和数值模拟相结合的方法,通过对大跨度黄土公路隧道变形规律进行分析,结合单洞两车道黄土隧道支护设计相关研究成果和工程实践经验,提出大跨度黄土隧道初期支护结构型式,并对其结构受力和稳定性开展研究。研究表明:采用三台阶法施工时,上台阶处收敛经历4个阶段,最大开挖线处收敛经历3个阶段。上台阶处收敛速率比最大开挖线处的收敛速率快,最大开挖线处的最终收敛值约为上台阶处的3倍左右。沉降曲线随着与掌子面距离增大,沉降值持续增大,增速放缓。距掌子面1D、1D~2D、2D~3D和3D~4D范围内,各测点产生的沉降值分别为最大沉降值的49%、23%、12% 和 6%。大跨度黄土隧道采用“钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆(管)+纵向连接筋”组合结构能够满足隧道结构稳定。提出洞口段施工采用双侧壁导坑法,洞身段施工采用三台阶留核心土法,浅埋段地基承载力较低的隧底采用钢管注浆加固的大跨度黄土隧道稳定控制技术。

针对深部隧(巷)道突水灾害中导水通道内渗透压力的强隐蔽性难题,基于防突岩体受力状态的理想概化,研制大尺度高压大流量突水灾变物理模拟试验系统。该系统试件尺寸为1 800 mm×300 mm×300 mm,地应力(6 MPa)加载由活塞式均布压力伺服加载器实现,可有效解决荷载不均匀、刚度不匹配带来的试验结果畸变问题;高压(2 MPa)突水源由高压氮气罐组和大容量恒压水灌组成,利用气液复合加载的高灵敏特征,可实现灾变后的高水压保持和大流量补给。开发了从相似材料、模型浇筑安装到数据采集等全套试验技术,提出“防水水泥+水性聚氨酯+环氧树脂+辅助止水带”的四位一体边界止水方法,解决相似材料试件边界高压水密封的难题。针对典型致灾构造开展了考虑地质缺陷产状及规模、原岩应力水平及方向性、突水源压力和充填介质特征等多种主控因素的一系列试验,结合多场耦合数值仿真,提出导水通道内渗透压力和水力梯度的时空演化理论模型,初步揭示突涌水通道渐进导通的内在机理。

利用监控量测资料开展隧道坍方预警是防止工程灾害的重要途径。在典型坍方变形监测曲线特征分析的基础上,总结归纳出坍方变形的四个阶段,建立以累积变形量、变形速率、变形加速度为指标的定量预警模型,确定基于坍方前兆的安全管理等级。将定量监测与定性现象相结合,建立隧道坍方综合预警模型,并将其应用于雅康高速公路隧道工程中。应用结果证明,本研究建立的塌方预警模型具有较好的准确性和工程实用价值。

依托南昌市某深基坑开挖时采用隔离桩保护临近既有地铁隧道工程,采用ABAQUS有限元数值建模并结合实测数据,研究隔离桩在基坑开挖时对坑外既有地铁隧道的保护效果。通过建立多组有限元模型,研究基坑开挖时隔离桩在不同水平位置和不同桩顶埋深条件下既有隧道衬砌内力、直径变形情况。研究结果表明:隔离桩水平位置对隧道衬砌的内力影响较为明显,隔离桩离隧道越近,隔离桩对既有隧道的保护效果越好;设置隔离桩能明显减小既有隧道衬砌的变形,且隔离桩对其竖向变形影响小于对其水平变形的影响;埋入式隔离桩隔离效果在一定程度上优于非埋入式隔离桩,在实际工程中可以采用埋入式隔离桩,适当减小桩身长度,降低工程造价。