《深埋隧洞群岩爆分析、监测与预警》

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在中国水电、交通等工程领域,近年来有越来多的深埋长大隧道在建设施工过程中频繁遭遇岩爆灾害,给现场施工人员、设备安全带来极大的威胁,严重影响施工生产,被喻为隧道工程中难以攻克的“癌症”,成为世界深埋地下工程建设的一大技术瓶颈问题,亟需突破。岩爆是一种由渐进破坏诱发突变的过程,其力学机制极其复杂,世界各国的岩土工程专家都对此做过长期研究,有关它的研究还多停留在假说和经验阶段。由于岩爆与地震原理相似,因而地震监测预报的低成功率似乎预示岩爆监测预报的前途暗淡,甚至有人认为岩爆根本无法监测和预警。有鉴于此,该研究依托国家自然科学基金重点项目和重大国际合作项目,以及国家大型工程雅砻江锦屏二级电站岩爆监测预警委托项目,开展系统的技术攻关,建立一套适用于深埋隧洞群的岩爆分析、监测与预警的方法体系,并结合锦屏二级水电站隧洞工程施工的急需,开展了大量的岩爆分析、监测与预警实践。研究取得了以下三个方面的创新性成果:(1)提出了通过细观非均匀性描述宏观非线性的岩石统计损伤本构理论,建立了岩石渐进破裂诱致失稳的灾变模型,揭示了微破裂前兆信息的重要特征,阐明了岩石破裂过程声发射率与损伤变量的定量关系,并在具有自主知识产权的岩石破裂过程分析(RFPA)软件系统上发展了岩爆孕育过程与机理分析的新方法;(2)通过引进、消化、集成再创新,首次构建了中国水电深埋隧道工程第一套具有独立性强、安装方便、移动灵活等特点的微震监测系统。运用现代计算技术和网络技术,提高了微震源定位精度,实现了微震数据的实时无线传输,开发了具有自主知识产权的微震监测分析中文可视化分析软件MMS-View,实现了隧洞岩爆的实时连续微震监测;(3)提出了基于应力积累、应力释放和应力转移(3S原理)的背景应力场分析的岩爆监测预警的力学判别依据,建立微震活动信息与损伤演化模型之间的联系,提出了多种信息相结合的岩爆风险判别准则,形成了隧洞岩爆的实时连续微震监测、分析和预警的方法体系。该研究成果在锦屏二级水电站得到了成功应用,取得了显著的社会经济效益,为工程提前2个月贯通发挥了重要作用,间接经济效益达到1.458亿元。该项目成果突破了国际岩土工程界岩爆难以监测预警的传统观点,为深埋隧道安全施工提供了技术保障,减轻了施工人员的心理障碍,社会效益显著。在成果鉴定会上,由中国工程院院士钱七虎、中国科学院院士张楚汉、中国工程院院士袁亮、中国科学院院士赖远明等七位知名院士、专家组成的鉴定委员会一致认为,该项目和方法“为水电乃至其他岩土工程行业今后开展类似工程的岩爆监测、预报、预警提供了成功范例,产生了显著的社会经济效益,研究成果总体达到国际领先水平”。

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