为深入研究煤与瓦斯突出发生机理,解决煤炭开采的安全问题,本课题组在相似体系及物理模拟试验等方面进行了研究并取得了新的进展。建立了基于煤与瓦斯突出能量模型、经典气固耦合模型的煤与瓦斯突出相似准则,研发了高吸附含瓦斯煤相似材料、特低渗岩层相似材料与本质安全型相似气体,保证了物理模拟试验的科学性和准确性;研发了可视化恒容固气耦合试验仪、环向位移测试系统、煤粒瓦斯放散测定仪、瓦斯膨胀能测定仪、岩石三轴力学渗透测试仪、相似材料渗透率测定仪等6套基础试验仪器,实现了高压气体特定条件下煤岩瓦斯特性的精准、全面测控;基于综合作用假说和基础理论,研发了以巷道掘进诱突为目标的多尺度煤与瓦斯突出定量模拟试验系统,实现了地应力、瓦斯压力、煤岩体特性3因素可调的巷道掘进揭煤诱导突出真实模拟;创新了功能技术与方法工艺,以淮南新庄孜矿“6.12”突出事故为原型,世界上首次成功实现了大尺度模型加载充气保压条件下巷道掘进揭煤诱发煤与瓦斯突出试验模拟。

纤维增强聚合物水泥砂浆基复合材料(fiber reinforced polymer-polymer cement mortar, FRP-PCM)是一种采用纤维增强复合材料网格作为加筋材料,采用聚合物水泥砂浆作为粘结剂的新型隧道衬砌补强加固方法。基于有限差分原理构建隧道衬砌背后存在空洞缺陷模型,选取FRP格子筋种类、松动压力、围岩等级及衬砌健全度4种设计因素开展数值试验研究,定量分析FRP-PCM方法对运营隧道衬砌的加固效果。衬砌塑性区及拱顶轴向应力变化规律表明:FRP-PCM方法有助于提升隧道衬砌的刚度和强度,能够在一定程度上抵抗衬砌形变从而降低衬砌破损可能性;加固效果随FRP格子筋断面尺寸增大(型号变大)变得更为显著。为量化评价加固效果,在此基础上提出一种量化评价指标——断面修复率。结果表明,在隧道衬砌劣化等级越高,FRP-PCM方法加固效果越显著。可根据松动压力、衬砌劣化等级及期望断面修复率选择合适型号的FRP格子筋。

针对某运营高铁隧道2019年6月因强降雨后在施工期揭示上部有大型溶洞的段落发生灾害的工程实际,介绍施工期揭示溶洞及变更对策、运营期灾害及应急措施的主要情况,通过对勘察、设计和施工各阶段的检视,分析溶洞演化致灾的机制,并在指出两次泄水洞整治方案存在不足的基础上提出“护拱+强堵+预留疏排+固结和轻质密实回填”相结合的咨询方案,再与泄水洞方案在可行性、工作条件、工期、投资、风险、环境影响及效果预测等方面进行比对,并采用FLAC3D建立三维模型对其安全性进行检算。研究成果表明:在季节性强降雨时,雨水经地表与溶洞间的溶隙、溶槽、管道形成径流,流入因修建隧道使充填型转型为充水和过水型的溶洞,溶洞与隧道间介质在季节性溶洞充水和过水甚至短期承压的作用下形成径流场水力通道,携带泥沙的溶洞充水和过水进入隧道内形成灾害;以“护拱+强堵+预留疏排+固结和轻质密实回填”为主的咨询方案在环境保护、投资控制、工期、施工风险等方面比泄水洞方案具有显著优势;以施工期地下水观测及其水量估算作为处置大型溶洞的依据,忽视工程活动对地下水力场的诱导性演化预判,必将导致在隧道建成后一定的时段内演化致灾,工程中未维持和(或)构建具有维护功能的地下水人工排泄通道,使灾害仅运营一年半就出现;并建议新建隧道时对富水段或潜在富水段实施单元区隔防排水的特殊措施。

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。

结合浩吉铁路隧道建设过程中的一系列探索和实践,建设管理方面,介绍施工图现场核对与优化、变更设计、班组长工程质量责任制、监控量测、隧道工装设备应用等主要管理举措,为安全快速做好隧道工程建设提供制度支撑;设计优化方面,介绍隧道结构内轮廓、仰拱结构型式、辅助坑道支护结构等参数优化,确保隧道支护结构安全、工程造价合理;技术创新方面,介绍初期支护钢架型式、初期支护组合形式、复合式衬砌结构、限阻器新型初支结构、大断面马蹄形盾构等,通过科研试验研究,有效保障隧道支护结构更加科学合理。上述管理举措、设计优化、技术创新等成果可为今后隧道工程建设提供参考和借鉴。

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。

杭州地铁3号线盾构隧道超近距离侧穿高架桥桩基盾构掘进过程中,存在桩基偏位、桥梁结构变形过大等安全隐患,采用土体移动模型的理论计算法和Midas GTS软件模拟盾构隧道施工过程,对盾构推进过程中上覆地层沉降、超近距离桩基偏移倾斜变化规律进行计算分析。研究表明,左线或右线隧道单独开挖,隧道拱顶及以上地表产生最大沉降,并向两侧依次递减,沉降的理论计算值与数值模拟结果相近;双线隧道开挖完成后最大沉降发生在两隧道之间以上地表位置;左右线隧道的先后开挖引起中间排桩基左右摆动偏移;刀盘推进参数和掌子面距桩基的距离是影响桩基偏位的主要因素;盾壳围岩间隙、管片后二次注浆材料强度等对地层变形产生一定程度的影响,并间接对桩基的倾斜度产生影响。

为了解决土压平衡盾构渣土堆积、外运对城市环境的影响问题,依托杭州地铁10号线某工区盾构隧道工程,针对黏土地层,提出盾构渣土再利用作为同步注浆材料方案。通过均匀试验方法开展配比试验,并对试验结果进行线性回归和单因素分析,探究各因素对浆液关键性能指标的影响规律,其中28 d抗压强度和2 d结石率均随渣土质量分数增加而明显增大,3 h泌水率则减小。研究发现在水胶质量比为0.65,胶砂质量比为0.7,渣土质量分数为5%,水泥质量分数为30%时,浆液各项参数均符合要求,这也为土压平衡盾构渣土再利用提供一种新思路。

针对目前国内软弱围岩隧道施工中易发的“关门式”坍方事故,结合隧道施工抢险救援实践经验,提出隧道施工救生舱新理念,通过数值模拟、测试试验等方法,研发和制造了隧道施工救生舱设备,填补了国内隧道施工救生设备的空白,解决了软弱围岩隧道发生关门坍方事故后人员被困、施救难度大的救援难题,可大幅度降低甚至消除该类事故引起的人员伤亡,为软弱围岩隧道的安全施工提供了有效保障,可在类似工程中推广应用。

针对兰州南绕城高速公路某黄土隧道仰拱填充顶面纵向裂缝病害,采用现场变形观测、数值模拟等方法对隧道底鼓的机理和发展过程进行分析,通过仰拱填充顶面竖向沉降观测,利用有限元软件对仰拱及仰拱填充不均匀沉降受力进行分析,发现其裂缝产生原因主要是仰拱结构中部产生的拉应力超过仰拱填充混凝土抗拉强度,根据分析结果结合实际工况,制定锁脚锚管+钢筋混凝土路面的防治方案,并在实践中验证该方案的有效性。其研究成果不仅指导了现场施工,同时对优化黄土隧道的支护体系提供了依据,为类似工程建设提供参考。

对悬挂式止水帷幕影响机理进行深入研究,以大井法为基础,结合地下水渗流理论推导出悬挂式降水工况下基坑涌水量的理论计算公式,并通过工程实例进行计算验证。计算结果表明,该方法具有较高的精度,可高效准确地根据前期抽水试验提供的试验结果估算悬挂式降水工况下的基坑涌水量,对现行的基坑降水设计理论加以改进和完善。

以景德镇某基坑工程临近一地下防空洞为依托,利用MIDAS软件建立有限元模型对基坑开挖过程进行模拟,并将模拟结果与监测数据进行对比分析,验证了有限元模型的准确性。对拉锚式基坑围护结构土压力、位移、内力进行研究,并通过对比不同水平距离地下防空洞对围护结构变形的影响,得到了地下防空洞的影响范围。研究结果表明:有防空洞时,桩后土压力会出现减小继而增大的趋势,在防空洞拱顶处土压力开始减小,底部开始增大,其土压力较无防空洞时减小了55 kPa;当基坑开挖至防空洞埋深时,围护桩最大水平位移较无防空洞时减小15%,防空洞对基坑的影响范围大致为2.5D(D为防空洞直径);随着基坑开挖,桩体最大弯矩点以及反弯点均会出现下移的趋势,且最大弯矩会随开挖深度的增大而增大,当开挖达到防空洞埋深时,有防空洞工况较无防空洞时最大弯矩增大20%。