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。

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。

随着高速铁路迅猛发展,西部山区长大及大规模隧道群数量增加,铁路隧道逐渐向城市和水下扩展,高速铁路列车速度快运量大,对列车的运营安全要求高,一旦发生灾害,应满足快速疏散和救援的要求,因此隧道内防灾疏散救援工程的合理设计对于高速铁路安全运行极为重要。结合理论分析、模型试验和数值模拟对高速铁路隧道内防灾疏散救援技术进行了分析,得到如下研究结果:明确了火灾和非火灾事故下单洞双线和双洞单线铁路隧道防灾疏散救援设计理念;明确了铁路隧道防灾疏散设施的结构形式,提出了隧道口紧急救援站、竖井式紧急出口、竖井式避难所、横通道和水底隧道纵向疏散廊道的结构形式及设计参数;明确了铁路隧道火灾事故下排烟量计算公式、各类防灾疏散设施的控烟方式、控烟标准和风机配置;提出了铁路隧道人员安全疏散时间控制标准,推导了基于行为模型和水力模型的人员疏散时间计算公式,给出了各类型列车在各类型防灾疏散设施内的最大超载人数。研究结果对于高速铁路隧道防灾疏散救援工程的设计具有参考和指导意义。

我国铁路工程建设方兴未艾,复杂地质条件下隧道工程建设将面临越来越多的挑战。介绍突水突泥、塌方、大变形、岩爆、有害气体、高地温、冻害等7种铁路隧道建设期典型的工程灾害,根据致灾类型对每种灾害案例进行初步归纳梳理。针对近年来一些典型灾害防控案例,详细介绍其灾害发生过程、致灾机理及具体的处置方法,可为今后类似的工程灾害防控提供参考。在总结铁路隧道灾害防控经验教训的基础上,提出今后灾害防控应重点关注的方向:重视隧址区域宏观地质分析,发展综合超前地质预报技术;完善隧道灾害监测、预警体系,提高施工期灾害风险信息化管控水平;发展大型机械化配套施工;加强隧道施工安全质量管理。

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。

搜集全球48个城市的243起地铁安全事故,统计结果表明地铁安全事故的数量并不会随着社会的发展而减少,且地铁安全事故受伤人数与事故数量之间呈正相关变化。列车中断运行事故是地铁安全事故的主要类型,其次是火灾事故、列车脱轨与碰撞事故和恐怖袭击。地铁安全管理作为城市智能化发展的重要组成部分,是大城市健康发展的重要环节,而大数据的扩张和物联网技术的发展对地铁安全智能管理技术的可行性起着重要的作用。介绍高新技术应用于地铁安全智能管理的前景,探讨地铁安全智能管理的新发展方向,提出智能化地铁安全管理系统结构模型。在大数据背景下,本研究可为今后研究和开发智能地铁安全管理技术提供参考。

复合地层在硬岩掘进机(tunnel boring machines, TBM)隧道施工过程中不可避免,其对施工的影响不容忽视。应用北京工业大学机械破岩试验平台对青砂岩与泥岩组成的复合地层进行不同贯入度下的线性切割试验,通过对破岩现象、滚刀力、比能及岩屑组成等分析,探讨复合地层的破岩机理及效率。研究发现两种岩石滚刀力存在巨大差异,并且差值随着贯入度增加迅速加大,青砂岩岩屑以粗角砾和小碎石为主,泥岩岩屑以角砾为主。此类岩石复合地层破岩可简化为滚刀对不同岩石破岩效果的组合,可为类似地层TBM设计及施工提供参考。

岩溶地区隧道施工过程中,对突涌水灾害源进行准确的超前预报并采取合理的治理措施,是防止隧道突涌水灾害的关键所在。以成兰铁路跃龙门隧道下穿河段为背景,对目前隧道建设过程中含水构造超前预报研究现状进行介绍,总结隧道突涌水灾害源超前预报中存在的主要问题。依托成兰铁路跃龙门隧道下穿河突涌水高风险段落开展隧道激发极化法超前预报,对隧道前方的含水构造进行了三维空间定位,结合靶向钻孔及隧道开挖,有效验证预报结论。综合探测结论及现场实际情况提出隧道下穿河段注浆治理方案并现场实施,保证隧道下穿河段的施工安全。研究结果可为同类工程提供借鉴。

地下工程环境复杂,不可预见因素多,普遍存在高风险,且传统的风险评估方法主要是基于概率理论的损失估计,应用在实际工程中有局限性。风险评估的本质是不确定性的定量分析和评价。以地下工程中岩溶隧道掘进施工时发生突水的风险评估为例,进行基于可能性理论的风险裕度模型研究,研究发现在知识和信息匮乏以及考虑人的认知差异的条件下,可能性理论下的裕度模型更加符合工程实际情况,可为工程的决策和管理提供定量依据。

锦屏二级水电站引水隧洞绿泥石片岩洞段埋深达到1 700 m,为典型的工程软岩,具有显著的遇水软化和长期流变特性,在施工过程中遭遇到了挤压大变形、塌方、流变等一系列技术难题。在大量试验和监测数据的基础上,揭示绿泥石片岩矿物成分及细观构造对其宏观力学特性的影响,明确干燥和饱和条件下峰值强度和围压的相互关系及变形随时间的演化规律。在深入分析软岩隧洞复合式承载结构的受力特点的基础上,提出遇水软化和流变效应对衬砌结构安全性影响的分析方法,揭示高地应力软岩环境下衬砌结构的安全性与衬砌时机之间的相互影响机制。

二步开采中,充填体作为自立型人工矿柱支撑采场的稳定性,保证二步开采矿柱能够安全进行。在矿柱的开采过程中避免充填体一次性暴露高度过大而导致失稳是关键所在。通过考虑充填体的应力成拱效应,充填体与围岩体界面之间的摩擦力,得到充填体在一定内聚力下,矿柱可开挖的最大临界高度,以及矿柱在开挖一定高度时,保证充填体不失稳破坏所需最小内聚力的理论模型。结果表明:忽视充填体内部应力成拱效应及其充填体与围岩体界面间的摩擦阻力会高估充填体的稳定性;充填体具有相同的暴露高度时,充填体的安全系数随着充填体内聚力增大呈指数型增大;随着矿柱一次性开挖高度的增大,充填体的安全系数呈现负指数型降低,充填体内聚力越大,降低的速率越大;当充填体暴露高度过大时,充填体的稳定性主要由滑移块体的重力作用引起。

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。

在土压平衡盾构穿越浅基础拉杆拱桥施工过程中,桥台基础的沉降需要严格控制。为研究静压注浆法对桥台基础沉降的控制作用,以某市地铁施工为例,建立土压平衡盾构穿越浅基础拉杆拱桥的模型,并在FLAC3D中模拟盾构分步掘进的施工过程。数值模拟结果显示,在施工过程中桥台基础的沉降大于规范要求。采取静压注浆法加固桥台基础,并结合加固后的地层参数,再次建立模型进行数值模拟计算。通过比较两次所得的模拟沉降数据可知,认为静压注浆法可以有效控制桥台基础沉降。在实际施工过程中对拉杆拱桥的桥台、桥面沉降进行监测,监测数据与加固后的模拟沉降数据吻合较好,验证静压注浆法对桥台加固、控制桥台桥面沉降的有效性。