文/圖

瞄準(zhǔn)世界性技術(shù)和理論難題

斷裂構(gòu)造發(fā)育區(qū)內(nèi)，原巖應(yīng)力場(chǎng)十分復(fù)雜、巖體物理力學(xué)性質(zhì)呈各向異性與強(qiáng)非線(xiàn)性、水文地質(zhì)復(fù)雜、地震響應(yīng)復(fù)雜。穿越斷層區(qū)隧道建設(shè)及其長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)迄今仍然是世界性的技術(shù)與理論難題，如圖1所示。項(xiàng)目圍繞穿越斷層帶隧道建設(shè)復(fù)雜理論和關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展系統(tǒng)、深入的研究。揭示了斷層構(gòu)造區(qū)圍巖地壓特性、開(kāi)挖擾動(dòng)位移的局部化及隧道結(jié)構(gòu)災(zāi)變演化特征。建立了三維復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)DDM數(shù)值方法、各向異性裂隙巖體三維非線(xiàn)性統(tǒng)一本構(gòu)模型及其方向性定量評(píng)價(jià)方法、基于支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形綜合優(yōu)化的支護(hù)理論和技術(shù)體系。

圍繞穿越斷層帶隧道建設(shè)復(fù)雜理論和關(guān)鍵技術(shù)，項(xiàng)目系統(tǒng)開(kāi)展了下圖所示的研究。

穿越斷層區(qū)隧道建設(shè)難題

主要研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線(xiàn)

理論、方法及工程技術(shù)的創(chuàng)新突破

適用于斷層帶巖體非線(xiàn)性特性的DDM數(shù)值方法及軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

研究成果有效解決了二維及三維位移不連續(xù)法（Displacement Discontinuity Method，簡(jiǎn)稱(chēng)DDM）的高精度化問(wèn)題、層狀異性介質(zhì)（層狀巖體）問(wèn)題、半無(wú)限體及復(fù)合平面問(wèn)題、斷層帶非線(xiàn)性變形特性問(wèn)題、任意復(fù)雜構(gòu)造地應(yīng)力場(chǎng)模擬問(wèn)題。開(kāi)發(fā)了相應(yīng)DDM數(shù)值計(jì)算軟件系統(tǒng)并取得軟件注冊(cè)權(quán)2項(xiàng)。獲授權(quán)專(zhuān)利3項(xiàng)。在SCI/EI刊源上發(fā)表論文17篇。

隨機(jī)節(jié)理發(fā)育巖體剪脹機(jī)理及評(píng)價(jià)方法研究

該項(xiàng)目部分研究成果初步解明了裂隙巖體在壓載條件下體積擴(kuò)容的力學(xué)成因，有效解決了考慮裂隙面非線(xiàn)性變形特性、巖塊彈塑性變形、節(jié)理斷裂擴(kuò)展等復(fù)雜條件下裂隙巖體體積應(yīng)變的三維DDM數(shù)值模擬方法。獲專(zhuān)利4項(xiàng)、軟件權(quán)6項(xiàng)。發(fā)表SCI/EI論文13篇。

隧道施工過(guò)程圍巖變形、穩(wěn)定性研究

兩江隧道

旗桿山隧道

渝中連接隧道

研究了裂隙發(fā)育及空間分布狀態(tài)對(duì)巖體變形的方向性的影響，建立了裂隙巖體統(tǒng)一本構(gòu)模型、一維柱狀結(jié)構(gòu)，從而建立了裂隙巖體任意方向非線(xiàn)性變形的多元件組合模型及其解析方法、各向異性裂隙巖體三維非線(xiàn)性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的模擬方法。通過(guò)構(gòu)建變形模量球坐標(biāo)，將一維柱狀結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果與概率分布評(píng)價(jià)方法結(jié)合，建立了斷層帶裂隙巖體各向異性特征的定量評(píng)價(jià)方法；系統(tǒng)研究了隧道穿越斷層破碎帶開(kāi)挖卸載圍巖位移局部化問(wèn)題及其對(duì)巖體變形參數(shù)、荷載條件等的敏感性。獲專(zhuān)利1項(xiàng)、軟件權(quán)4項(xiàng)。發(fā)表SCI/EI論文13篇。

圍巖地壓特性及合理支護(hù)方式，新型支護(hù)技術(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)研發(fā)與應(yīng)用示范

系統(tǒng)研究了隧道穿越斷層帶圍巖地壓特征，揭示了斷層帶巖體開(kāi)挖擾動(dòng)位移的局部化特性及其對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響。提出了基于支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形綜合優(yōu)化的支護(hù)理論并系統(tǒng)建立了相應(yīng)施工工藝和施工方法。建立了基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及線(xiàn)性規(guī)劃法的優(yōu)化反演方法并編寫(xiě)了專(zhuān)用程序模塊，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移數(shù)據(jù)快速反演工程巖體的等效力學(xué)參數(shù)、初始地應(yīng)力參數(shù)、預(yù)測(cè)后續(xù)工序的隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。獲專(zhuān)利7項(xiàng)、軟件權(quán)2項(xiàng)。發(fā)表SCI/EI論文9篇。相關(guān)研究成果填補(bǔ)和充實(shí)了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的不足。

曾家?guī)r隧道

成果應(yīng)用與推廣

項(xiàng)目成果在渝長(zhǎng)高速公路兩江隧道、京沈客專(zhuān)梨花頂隧道、蒙華鐵路萬(wàn)華山隧道、武昆高速公路象鼻嶺隧道、穿山港鐵路官莊隧道、龍洲灣隧道、渝中連接隧道、重慶城口陜渝界至開(kāi)州高速公路一期項(xiàng)目旗桿山隧道、重慶市曾家?guī)r嘉陵江大橋隧道等9項(xiàng)重大公路及鐵路隧道工程中部分或全部應(yīng)用，研發(fā)出工程區(qū)域巖體初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算方法、開(kāi)挖卸載條件下斷層破碎帶巖體變形及其預(yù)測(cè)控制技術(shù)和軟件系統(tǒng)。通過(guò)工業(yè)化應(yīng)用成功開(kāi)發(fā)了適用于相關(guān)隧道工程的綜合優(yōu)化支護(hù)施工工藝、施工方法。建立適用于相關(guān)隧道工程特點(diǎn)的綜合優(yōu)化支護(hù)方式和施工擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)，有效控制開(kāi)挖卸載條件下斷層破碎帶巖體變形、提高支護(hù)效果、確保施工的安全高效。

通過(guò)成果應(yīng)用，提高了相關(guān)工程的工作效率，累計(jì)新增利潤(rùn)20732萬(wàn)元，稅收4354萬(wàn)元，節(jié)資22279萬(wàn)元，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

項(xiàng)目形成的各項(xiàng)研究成果部分達(dá)到了商業(yè)化應(yīng)用的程度，部分具備在巖石隧道工程中的推廣應(yīng)用。成果的應(yīng)用范圍涵蓋了巖石隧道特別是穿越斷層帶隧道工程設(shè)計(jì)、施工、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、施工過(guò)程位移監(jiān)測(cè)、隧道運(yùn)營(yíng)期位移監(jiān)測(cè)全過(guò)程。

研究成果既可以在巖石隧道工程中按實(shí)際需要單項(xiàng)應(yīng)用，也可以在整個(gè)隧道建設(shè)（含初始地質(zhì)參數(shù)獲?。┻^(guò)程系統(tǒng)采用。

我國(guó)今后山體隧道（巖石隧道）眾多，該研究成果具有非常廣闊的應(yīng)用前景。