《隧道与地下工程突涌水机理及治理理论与关键技术》

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该成果属于岩土工程防灾减灾领域.进入二十世纪后,中国已成为世界上隧道及地下工程开发规模和难度最大的国家之一,国家基础设施工程建设的重心在逐渐向地形地质条件极端复杂的地区转移,施工中遭遇的高压、大流量突涌水灾害堪称世界级工程难题.由于突涌水灾变演化过程和注浆封堵机理极其复杂,现有的预报方法和治理技术难以实现重大突水灾害的有效防控.因此,突涌水机理及治理理论与关键技术成为隧道及地下工程安全建设必须应对的巨大技术挑战.该成果以973项目、国家重点基金以及一批企事业委托课题为支撑,历经近十年科研攻关和工程实践,最终形成了隧道及地下工程突涌水机理及治理理论与关键技术.主要创新成果如下: (1)提出了典型突涌水致灾构造及其地质判别表征方法,建立了地下水拓扑管网渗流分析方法,开发了地下工程多重介质渗流的计算程序与分析软件,实现了致灾构造渗流运移路径与涌水量预测;自主研制了大型三维流固耦合模型试验系统,开展了不同类型突涌水的模型试验,实现了突水灾变的演化过程和量化耦合模拟;提出了裂隙岩体高压水力劈裂判据,揭示了突水通道形成过程中地下流态的转化机制与岩体的应力-渗流-损伤耦合演化机理.(2)针对隧道突涌水治理中含导水构造、水的空间分布形态等的探测,突破含导水构造的高精度、高分辨率探测难题.建立了瞬变电磁多分量阵列式三维探测方法,提出了激发极化法、瞬变电磁法、地震波法等多地球物理场约束联合反演综合探测技术,显著压制了地球物理探测多解性,实现了隧道突涌水含导水构造空间位置、规模、形态展布的高精度探测,为注浆治理设计提供依据.(3)建立了可视化大比例尺注浆模型试验系统,获得了浆液运移扩散对注浆参数、地下水参数、被注介质物理特性的响应特征;构建了浆液粘度时间函数,建立了裂隙注浆扩散运移方程,揭示了动水条件下水泥基速凝类浆液的非对称椭圆扩散规律,建立了浆液扩散迹线的瞬态和稳态方程,获得了试验条件下的压力速度场分布特征;获得了动水注浆封堵过程中的静压水头、流速水头和水头损失的转换规律,提出了动水条件下的注浆封堵判据,为注浆工程设计提供了理论依据.(4)研发了动水抗分散与软弱富水破碎围岩加固新型注浆材料,从材料微观形貌与宏观力学性能两方面分析了新型材料性能特性与优越性;开发了一系列钻探与注浆新工艺;针对富水断层破碎带、节理裂隙、岩溶管道及孔隙微裂隙型涌水,提出了相应的治理关键技术;建立了以治理方案动态调整与围岩安全控制为核心的突涌水信息化治理综合技术体系.经山东省教育厅组织鉴定,该项目总体达到了国际领先水平,钱七虎、顾金才等院士都给予了高度评价.该项目研究成果在江西吉莲高速、湖北三峡翻坝高速公路、重庆中梁山隧道等数十个重大工程中得到成功应用,解决了重大突涌水灾害治理的技术难题,产生显著经济效益.还在湖北鄂西高速公路、成兰铁路及多个矿山等工程推广应用.

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