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行业动态

地下工程科技前沿问题
发布时间:2022年06月09日

我国的地下工程技术虽然取得了长足的进步,但在基础理论研究、技术创新、新型材料研发等方面仍存在不少差距。

基础理论

1) 目前岩土工程科学中普遍采用的三维非线性有限元分析,预测大型地下厂房的塑性区、破损区,与实际开挖和运行过程的监测成果仍有较大差异。 主要表现为对完整坚硬围岩、地应力中等的地下厂房,塑性区的数值分析值远大于实际监测值;而对于锦屏一级水电站,围岩的强度与地应力比小于2 的地下厂房,则厂房的塑性区、破损区及变形的实际监测值又远大于数值分析结果,而且,数值模型也很难概化复杂的地质构造,因此地下厂房的支护设计尚停留在经验阶段。 应根据监测资料进行反演分析,修正计算假定和数学模型,提高数值分析的精度,以指导支护设计,促进岩土工程科学发展。

2) 岩爆机理试验研究。 岩爆机理研究工作以试验和监测为手段,主要包括室内岩石力学性质试验和现场微震、声发射和钻孔摄像等监测,从岩石力学性质、破坏细观或微观特征以及现场开挖过程中围岩破裂演化机制等来研究岩爆发生的内在机制和控制条件。 但是限于试验手段、试验设备和理论模型的局限性,尚未取得满意的结果。

3) 现有的水道设计理论和规范,尚停留在 20 年前的水平,未能充分利用围岩的承载能力,致使混凝土衬砌厚度和钢筋用量偏大,与实际受力状况差别大,急需加以改进和提高。

技术创新

1) 地应力测试技术。 地应力对地下工程的洞室稳定影响很大。 目前普遍采用水压致裂法,辅以经验法、孔壁法、室内 AE 法和收敛变形反分析法等,进行地应力测量和分析,但无论是量值还是方向,误差较大,相应制订的对策措施有一定的盲目性。

2) 工程物探技术。 常规的地质勘探,主要采用钻孔、洞探和坑探等手段,获得有限点、线地质资料,据以推测和评价洞室的工程地质条件,工程物探技术作为传统地质勘探工作的重要补充手段,近年来发展很快。 当前用地球物理方法对隧洞地质进行超前探测和预报仍是主流手段,如地震反射、声波反射、探地雷达、TSP203 等,近年来又开展了“电场类方法”进行隧道地质超前探测,如激发极化法、瞬变电磁法、聚焦电流法、电磁波 CT 探测等,并建立相应的理论和分析方法。 综合运用工程物探技术,开展相应的理论和分析方法研究,提高物探地质预报的准确性,对降低地质灾害风险、提高施工安全、加快施工进度,意义重大。

3) 计算机仿真技术。 采用仿真技术,依据地质勘探资料,构建三维地质模型及数字工程信息,可预测传统的地勘工作未发现的不良地质构造,提前研究相应的对策措施,以保证工程安全。

4) 地质灾害防治技术。 主要是指岩爆防治技术、大流量高水压突水防治技术及不良地质体塌方防治技术。 如锦屏二级水电站引水隧洞,无论从理论上还是从实践上,都未找到满意的治理办法。 不良地质体的塌方预警预报和治理技术也尚需提高。

5) 工程安全监测技术。 现行的地下工程安全监测,都是在开挖过程中埋设应力、变形、渗流、渗压等监测仪器,定期采集数据,提供相关信息,评价地下结构工作性态,或采取相应措施。 2004 年,葛修润院士倡导,在小湾水电站地下厂房开挖中,采用计算机信息技术和数码摄像监测技术,可动态演示地下厂房岩壁变形情况。 虽然此项新技术尚存在缺陷,但应继续深化研究。

新材料研发

1) 新型喷锚支护材料。 新奥法理论的核心理念是开挖过程中应适时进行喷锚支护,控制围岩有害变形,充分发挥围岩承载力。 但对于断层破碎带等Ⅴ类围岩,自稳时间短,普通锚杆造孔难;对于一些涌水量大的围岩,现有的喷混凝土不能很快凝固封闭围岩。 需研发新型喷混凝土材料和新型锚杆,以适应复杂的工程地质和水文地质条件。 研究性能更好的化学纤维掺入喷混凝土中,替代挂网喷混凝土作永久支护。 对于现在常用的预应力锚索,也应研究其使用寿命和防腐技术。

2) 高性能爆破器材。 作为爆破发明的国度,我国爆破器材的品种和性能已落后于发达国家。 国外早就有预裂爆破和光面爆破的专用药卷,我国始终停留在把常规药卷绑扎在竹片上。 国外的数码电子雷管,起爆精确、安全可靠,而我国与之差距较大。