《深部复杂地层TBM安全高效掘进控制关键技术及应用》

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该项目属于隧道与地下工程技术领域。

深部地层岩体结构复杂多变、地应力高,TBM掘进面临破岩适应性和挤压变形卡机、岩爆及突涌水等工程灾害的严峻挑战。该项目围绕深部复杂地层TBM安全高效掘进控制的关键技术难题开展研究,取得如下创新成果:

(1)提出了深部复杂地层岩体结构和应力场探测表征方法。针对TBM掘进隧道复杂噪声环境和狭窄空间条件,提出了主动源地震远程宏观识别与跨孔雷达近程精细刻画互补的岩体结构超前探测方法,发展了基于联合滤波有效反射信息提取及绕射叠加地震成像技术和基于Laplace域初始模型优化和地质信息不等式约束的跨孔雷达全波形反演技术,实现了掌子面前方岩体结构100m远程宏观识别和30米近程分米级精细分辨;发明了基于软岩流变应力恢复特性和硬岩小孔厚壁应力解除的深部岩体地应力测试方法,实现了深部复杂地层初始应力场准确测试及扰动应力场跟踪监测。

(2)揭示了深部复杂地层TBM高效破岩机理,提出了深部复杂地层TBM掘进性能评价预测方法。揭示了地应力水平、岩石强度及岩性变化、掘进控制模式、滚刀安装半径等对TBM破岩效率和破岩模式的影响规律,提出了深部复杂地层TBM掘进性能预测模型、高磨蚀性地层滚刀寿命预测模型及可掘性评价方法,为深部复杂地层TBM刀盘刀具选型配置和适应性设计奠定了理论基础。

(3)发展了深部复杂地层TBM掘进过程灾害预测控制方法。揭示了深部复杂地层TBM掘进过程挤压变形卡机、岩爆和突涌水灾害的孕育发生机理及临界条件准则,发展了TBM掘进过程灾害孕育演化及控制过程预测模拟的FDEM方法,研发了TBM掘进过程灾害监测预警系统;揭示了多重支护系统对深部复杂地层稳定性的控制作用机理,提出了TBM掘进过程卡机、岩爆和突涌水灾害成套控制关键技术,实现了深部复杂地层TBM掘进过程的安全控制。

(4)建立了深部复杂地层TBM适应性设计理论与评价决策系统。建立了针对深部复杂地层高效破岩、刀具磨损、模式转换和灾害控制的TBM系统适应性选型与设计理论,提出了深部复杂地层TBM掘进适应性评价的指标体系和方法,建立了基于层次分析法和模糊综合评判理论的TBM选型与掘进适应性评价模型,开发了深部复杂地层TBM选型及掘进适应性评价专家系统,提升了中国TBM装备研制的技术水平。

该项目发表SCI论文110篇,EI论文89篇,出版专著2部,获发明专利46项,入编国家标准2部、水利行业标准2部和企业工法2项,研究成果达到国际领先水平,成功应用于新疆ABH输水隧洞、兰州水源地引水工程、吉林引松供水工程、引汉济渭输水工程、国家能源集团(原神华集团)补连塔煤矿斜井和大瑞铁路高黎贡山隧道等国家重点工程及国产首台最大直径TBM“彩云号”、吉林引松工程首台国产TBM“188”号等装备的系统设计,施工中避免了工程灾害的发生,显著提高了掘进效率,TBM开机率由原来35%以下提高到45%以上,掘进速度由原来月均300-400米提高到月均500米以上,保障了工期和施工安全,创经济效益40多亿元,整体提升了中国TBM装备制造和掘进控制的技术水平,社会效益显著。该项目实施过程中培养了一批优秀人才,1人入选科技部中青年科技创新领军人才,培养博士生65名、硕士生116名。

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