《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第三部分隧道《特长隧道不良地质致灾机理及控制技术》

本期项目简介

完成单位: 中国水利水电第十一工程局有限公司、 大连理工大学、 中国科学院、 水利部成都山地灾害与环境研究所

主要完成人: 王峥峥、 吕理军、 贾佳欣、姜元俊、 张克阳、 张玉堂、 赵敏、 覃晖、 耿铁锁、唐玉、 董党、 宁凯乐、 宋东旭、 牛海深、 熊军

项目简介

　　(一)项目背景

　　中国水利水电第十一工程局有限公司承担多座特长隧道存在洞口崩塌、碎屑流、富水断层、瓦斯等重大不良地质,属于极高风险隧道工程。如此高风险、高难度的特长隧道工程在国内外尚属首例,没有成功的经验可借鉴。为了保证隧道施工安全和运营期间的稳定性,中国水利水电第十一工程局有限公司于2014年开始立项研究。

　　(二)技术概况

　　长期以来,特长隧道穿越重大不良地质所面临的问题:一是缺乏对不良地质岩体失效机制的深刻认识;二是缺乏系统性的重大不良地质条件下隧道建设控制技术;三是缺乏与新时代发展需求同步的智慧管控平台。在国家自然科学基金、住建部科技基金、企业自主科技基金等支撑下,本项目针对特长隧道穿越重大不良地质问题,通过跨学科、跨部门科研团队的联合攻关,在特长隧道穿越富水断层、碎屑流地层方面取得了系列成果,有力支撑了我国特长隧道工程的建设安全。项目主要技术概况如下:

　　(1)采用现场测试、理论分析、物理模型实验和离散元数值模拟等方法,揭示了碎屑流冲击过程中的摩擦碰撞耗能机制;突破了传统瞬时计算的局限性,建立了隧道洞口挡墙抗碎屑流冲切作用的连续力学模型,系统的碎屑流冲切隧道洞口防治技术。

　　(2)通过现场压水试验、理论分析、数值计算及室内模型试验等研究方法,研究了高压富水断层隧道突水的动力演化规律,揭示了防突层对断层隧道涌突水的影响机制及控制作用,建立了隧道断层破碎带涌突水灾害的综合防治技术体系。

　　(3)开发出集数据采集、传输、评估、预警和决策为一体的信息化、智能化和可视化的特长隧道不良地质施工预测预警系统和救援平台。

　　(三)适用范围

　　项目适用范围为隧道及地下工程。

　　(四)获奖情况

　　项目授权美国专利1项,发明专利6项,实用新型专利6项,工法7项,软件著作权8项,发表学术论文40余篇。中科院院士刘宝珺领衔专家组一致评价:“项目成果总体达到国际先进水平,其中碎屑流冲切作用的连续力学模型和荷载计算方法达到国际领先水平。”

项目创新点

　　(1)揭示了高位碎屑流冲击隧道洞口段结构的力学机理,提出了碎屑流冲切作用的连续力学模型和荷载计算方法,建立了高位碎屑流冲切隧道洞口段的防治技术。以缓冲耗能机制为基础,研发出多层级组合式明洞防护体系,具有耗能强、易修复、轻型、经济等优点。

　　(2)揭示了松散白云岩地层隧道断层破碎带突水灾变的演化机理,基于隧道渗流理论推导了隧道断层破碎带涌水量预测公式,建立了隧道断层破碎带涌突水灾害的综合防治技术体系。针对高涌水量、高水压提出的“半堵半排冶的断层隧道治水方法,经过财务和经营部门实际测算,参考设计单位提出的全断面帷幕注浆方案,按照每循环30米、共4循环进行造价和工期两方面对比,能够节省成本近1000万元。

　　(3)研发出集不良地质信息采集、智能评估、动态预警和科学决策为一体的施工安全风险管理平台,对特长隧道施工中不良地质灾害的防治和救援具有重要的指导意义,有力提升了我国特长隧道的智慧化建设管理水平。

同类项目比较

国内外同类项目的比较如表 1 所示。

应用案例

　　随着西南地区高速公路的快速发展,工程地质条件复杂的公路隧道越来越多。峨汉高速大岩隧道存在大埋深、高地应力、岩爆、断层破碎带、涌突水等多种不良地质条件。本项目以大岩隧道不良地质条件为研究背景,重点解决进口端崩坡积体碎屑流冲击隧道洞口(见图1),断层破碎带涌突水处治(见图2),隧道初支开裂变形坍塌处治以及不良地质条件下的隧道安全管理技术。

　　(1)大岩隧道地质资料显示隧道进口端为巨厚崩坡积体,主要由松散碎石土组成。进口端地形陡峭,无布置施工场地的条件。为避免隧道穿越巨厚覆盖层时发生坍塌冒顶,保证隧道顺利进洞,同时为施工长大隧道提供合理的施工场地,课题组结合实际地质地形条件,从理论分析出发,考虑隧道施工过程及后期运营通行安全,解决洞口碎屑流处治难题。

　　(2)大岩隧道洞身穿越背斜构造核部区、F18-1及F18-2断层破碎带,岩体极为破碎,其中ZK104+454~ZK110+267及K104+525~K110+267段主要穿越震旦系上统灯影组、寒武系下统筇竹寺组、二叠系下统阳新组等可溶性地层,岩性以白云岩、灰岩等可溶性围岩为主,隧址区地质构造复杂,节理裂隙发育,局部溶蚀发育,存在溶洞的可能性。此外,在岩层交界面附近的灰岩中也易发生溶蚀通道,揭穿界面易发生涌水、突水现象。课题组针对隧道涌突水现象,通过超前地质预报,探明地下水形态、发育程度及与岩溶形态、地表水源等地质条件的组合关系,分析断层隧道突水灾变的演化机理,建立了断层隧道瞬态涌水量预测模型,进而选择合适的处理方案,避免了涌泥、突水现象的发生。

社会效益与经济效益

　　本项目技术应用于峨眉至汉源高速公路大岩隧道,王店子隧道、四宝山隧道、中海村隧道、云南建(个)元高速公路大山隧道,以及大连市南部滨海大道七贤岭隧道等工程中,解决了碎屑流、断层等复杂环境条件下特长隧道施工控制的各项技术难题,大大减少了工程造价,并明显缩短了施工工期,创造了良好的经济效益。新增产值超过3亿元,创利税5212万元,且成果在持续推广应用中。

　　同时,在施工过程中,项目组积极开展科技攻关工作,得到了社会各界的一致好评,培养了一批优秀的特殊地区及特殊环境下的隧道施工的专业技术人员,为进一步探索复杂环境下复杂隧道施工技术新领域提供了一定的人才储备,并且提高了单位的知名度,创造了良好的社会效益。