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科学研究
岩土工程学科方向
作者:   欧洲杯体彩:2018-09-16   点击数:
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            1、重大掘进装备施工隧洞地质信息探测感知与智能控制关键技术

我国是隧道全断面岩石掘进机TBM第一应用大国。然而国际上尚未破解TBM地质探测与安全控制难题,TBM掘进面临“地质不明、盲目应对、灾害高发”等巨大挑战,超过70%的TBM遭遇过突水、塌方、卡机甚至机毁人亡等严重灾害事故。在此背景下,TBM地质信息探测感知与安全控制关键技术的研究成为国际公认难题和科学前沿热点方向之一。紧扣该方向,结合国家973项目、国家重大仪器设备研制专项、重点基金等项目,深入开展了TBM隧道多物理场响应与感知机理、灾害水体与致灾构造探测理论、安全控制方法等研究,解决了一系列理论和技术难题,取得了系统性创新成果,最新研究进展如下:

1)创立了用于灾害水体探测的TBM激发极化理论方法。提出了聚焦测深型观测模式,打破了前方水体微弱信息精确测量的理论瓶颈。提出了“距离加权”约束反演理论与算法,实现了灾害水体的准确三维成像。基于上述理论,发明了TBM机载的全自动化激发极化探测仪器系统。大量实践证明,探距达前方30m、径向30m,定位误差<5%,做到了灾害水体全部探明,在国际上率先破解了TBM前方灾害水体准确探测的重大难题。

(2)构建了用于致灾构造实时探测的破岩震源地震理论方法。提出了以破岩震动为震源的地震波实时超前探测的原创构想。通过大量实测数据挖掘与深度学习,揭示了破岩波场发生机理与时空特征。提出了“震源先导传感+波场信息测量”的观测方式,奠定了破岩复杂波场科学观测和利用的理论基础。提出了约束全波形反演理论和逆时偏移成像方法,实现了对同一目标的“跟踪探测、动态修正”,做到了致灾构造高精度三维成像。基于上述理论突破,自主研发了TBM机载的无线分布式地震仪器,探距达100m,定位误差<5%,岩体抗压强度预测误差<8.7%,填补了TBM掘进实时超前探测的国际空白。

3)建立了TBM穿越不良地质的安全控制与应对决策方法。以岩体地质信息动态准确探测感知为导向,建立了TBM穿越岩溶富水地层、断层破碎带的安全控制方法与细化对策。以安全控制的对策库、经验库为基础,以多目标动态优化和深度学习算法为支撑,建立了TBM穿越不良地质的应对决策方法,解决了TBM穿越不良地质安全控制与智能决策的关键难题。成果已在TBM掘进工程中得到成功验证,从源头上规避和防止了突水涌泥、塌方、卡机等重大灾害,是TBM掘进由“地质不明、盲目应对”向“准确感知、智能决策、主动防灾”的重要进步。

2、隧道与地下工程重大地质灾害致灾机理与调控方法及技术

随着我国“一带一路”建设与“十三五规划”实施,地下工程建设迎来前所未有的高潮。隧道与地下工程建设面临着各种复杂的重大地质灾害,灾害机理及调控成为了国际公认的研究热点与难点。紧扣隧道与地下工程重大地质灾害致灾机理与调控方法及技术的科学前沿与关键问题,凝练重大关键、基础共性技术难题,依托国家973计划、863计划等国家重大项目,开展多学科交叉融合与国际合作交流,形成最新研究进展如下:

1)“深长隧道重大突涌水灾害预测预警与风险控制关键技术”,获山东省科技进步一等奖。

针对突涌水灾害预测预警与风险控制等难题,研发了以微震为载体的突水前兆多元信息实时在线联合监测装备,获取突涌水前兆多源异构信息数据,融合多元信息进行突水态势量化表达,动态预测突涌水风险,实现了时空监测预警精度互补。达到欧洲杯体彩上从早期评价到即时监测预警,空间上从全隧道范围突水危险评价、区域监测预警、局部监测预警到点验证的时空连续监测预警,最终形成了隧道重大突涌水灾害防控的关键技术、装备与方法体系。相关成果成功应用于湖北鄂西高速齐岳山隧道、四川成兰铁路跃龙门隧道等20余条高风险隧道工程,避免了工程灾害事故,产生经济效益8.6亿元,实现了隧道重大突涌水灾害的有效主动防控。

2)隧道突涌水灾害致灾机理与分析方法

通过221例隧道与地下工程突水突泥灾害案例分析,识别概化了隧道突水突泥灾害致灾构造,提出了突涌水典型破坏模式,建立了地下水拓扑管网渗流分析方法及其数值分析软件GPAM。针对充水溶洞、富水断层等重大突涌水灾害源,通过长期现场观测和跟踪试验,发现了防突结构渐进性破坏和充填渗透失稳两种典型破坏模式,建立了不同类型突涌水判据及其最小安全厚度确定方法,实现了以往由经验判断向量化确定的转变,极大提高了安全决策的科学化水平。自主研制了真三轴岩体破坏突水模型试验系统与大型三维可视化流固耦合模拟试验系统,开展了防突岩体渐进破坏突水与断层、岩溶管道等渗透失稳突水模型试验,揭示了隧道突水的灾变机理与通道形成过程中多场信息的演化规律及临突特征,建立了适用于离散元计算程序的流固耦合相似关系,初步实现了充填结构渗透失稳过程的数值模拟。成果分别为2011年国家科技进步二等奖、2014年国家科技进步二等奖、2016年山东省科技进步一等奖提供支撑。


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