隧道断层泥注浆加固机理模型试验研究

 为研究永莲隧道断层泥注浆加固机制,设计一套由注浆工艺模块、被注介质模块和信息采集模块构成的断层泥注浆加固试验系统,开展断层泥注浆加固体单轴压缩试验、典型浆–岩界面特征试验和扫描电镜(SEM)试验。结论如下：注浆后断层泥单轴抗压强度可提升181%～2 535%,加固体呈现浆脉开裂→界面附近土体破坏→整体破坏特征,断层泥以骨架式加固模式为主,注浆压力是提升加固效果的主控因素;注浆后浆–岩界面黏聚力可提升93%～274%,分析不同注浆压力、材料和初始干密度对浆–岩界面强度的影响,相比双液浆,单液浆可使界面黏聚力提升幅度增加125%～148%;注浆后断层泥由絮状结构转化为密实整体结构,浆–岩界面是具有一定厚度的不规则结构体,由胶结面、渗透过渡区及微劈裂过渡区构成,界面附近存在物理力学特征突变区,定义了浆–岩界面的直接及间接加固模式。试验结论对于注浆加固理论的认知和注浆工程的应用有一定的指导作用。     

隧道含水构造三维瞬变电磁场响应特征及突水灾害源预报研究

针对隧道含水构造的瞬变电磁场响应特征和隧道突水灾害瞬变电磁探测与预报问题进行了两方面的研究:第一,采用时域有限差分法实现了针对任意复杂模型瞬变电磁探测的三维正演,完成了隧道含水构造瞬变电磁场响应的三维建模,并针对典型含水构造进行了响应特征分析;第二,提出了隧道突水灾害瞬变电磁三维多分量阵列式探测方法,并就其解释技术进行了探索。具体研究内容如下:(1)地面和航空瞬变电磁的三维正反演技术在欧美、澳洲等发达国家已经开始应用于工业生产,然而,隧道内的瞬变电磁探测存在一个复杂的伪均匀全空间环境,现有的正演技术均不适用于隧道内的瞬变电磁探测,其主要原因是采用现有方法对隧道探测施加激励源存在难度。针对这一问题,同时考虑有源和无源区域的Maxwell方程组,引入激励源电流密度项到安培定理中,从而实现回线激励源的注入。理论上,这种施加激励源的方法适用于任意复杂的三维模型,但其缺点是增加了计算成本。为了提高计算效率,采用了CPU+GPU异构并行计算方案。为了验证所给出的新激励源施加方法的正确性,首先采用均匀半空间模型解析解与三维FDTD解进行对比,结果显示衰减曲线误差小于5%,视电阻率误差小于3.5%;然后采用四类三层模型(A,H,K,Q)的线性数字滤波解与三维FDTD计算结果进行对比;之后采用均匀半空间包含低阻块体的模型进行计算并与相关研究中的FDTD解和积分方程解进行对比。以地面验证的理论为基础,针对隧道探测进行了专门改进,提出了隧道超前探测瞬变电磁三维正演建模方法,针对直立断层、倾斜断层、充水溶洞等隧道开挖过程中可能遇到的典型含水构造进行了正演模拟,考察了含水构造与掌子面的距离、含水构造规模、含水构造与背景围岩电阻率差异等参数对瞬变电磁响应的影响,得到了部分典型含水构造的瞬变电磁响应特征。针对TBM开挖的隧道,计算和分析了TBM机对瞬变电磁超前探测的影响规律,为隧道瞬变电磁超前地质预报用于TBM施工的隧道进行了数值的探索。分析数值算例后,新发现隧道超前地质预报中尚未采用的水平感应电动势响应对含水构造具有明显的反应,对于判识大规模含水构造具有重要作用。(2)现有的隧道瞬变电磁超前探测一般采用中心回线的方式并在掌子面布置1条测线,得到电阻率断面的二维分布,对含水构造的空间形态与分布规律反映较差。借鉴地面大回线中心装置的工作方式,提出了隧道突水灾害瞬变电磁三维多分量阵列式探测方法,给出了详细的装置布置形式与观测方法。以一维瞬变电磁基本理论为基础,研究了小回线半径下瞬变电磁回线内带偏移距观测点的水平和垂直磁场频率域响应中双重贝塞尔函数强振荡型积分的计算方法,以中心点频率域响应多项式为基函数,定义多项式形式的带偏移距观测点频率域响应表达式,通过最小二乘拟合获得多项式系数。将得到的频率域响应方程按照反傅里叶变换转换到时间域,得到瞬变电磁回线内带偏移距观测点水平和垂直感应电动势响应的时间域方程,在瞬变电磁场晚期近似条件下,给出了与隧道多点阵列式探测方法配套的水平和垂直感应电动势响应晚期视电阻率公式,从而使隧道多分量阵列式瞬变电磁探测采集的数据能够转换为视电阻率图像进行解释。以层状地层的横向和纵向电阻率合成方法给出了综合利用水平和垂直响应的电阻率矢量合成方法。采用均匀半空间模型和四类三层模型(A,H,K,Q)进行对比验证,并采用现场实测数据进行分析,结果得到了钻孔验证。上述两部分研究工作为瞬变电磁正演理论提供了研究基础,尤其是隧道突水灾害瞬变电磁探测的响应特征研究提供了基础。建立的隧道三维探测方法能够获得三维数据体,连同正演理论为进一步的三维反演提供了研究基础。     

饱水过程中类岩石材料波速和电阻率变化规律及其相互关系试验研究

 研究饱水过程中岩石波速和电阻率变化规律及其相互关系,对实际工程中岩石物性判断和地球物理探测资料综合分析解释具有重要意义。为防止原岩试块的矿物组成、原生裂隙等其他因素对试验结果的影响,采用水泥砂浆制作了30组孔隙率不同的类岩石材料试块,系统测试了饱水过程中不同试块的波速和电阻率变化情况,分别揭示了波速和电阻率随饱和度、孔隙率的变化规律。采用常用的基于Wood理论假设的Gassmann方程得到了波速与饱和度、孔隙率的理论关系,但与试验实测结果相比,该理论关系不能较好的描述饱水达到门槛值之后波速快速上升的特征。对此,考虑重力等影响对试块中孔隙水的分布状态做出了合理假设,修正了饱水全过程中波速与饱和度、孔隙率的关系式,与试验实测数据变化特征较一致。同时采用Archie的非饱和岩石电阻率模型公式对电阻率随饱和度和孔隙率变化规律进行了较好拟合。在此基础上,针对以往波速与电阻率关系研究中仅以孔隙率为纽带的问题,综合考虑孔隙率和饱水状态对波速-电阻率变化规律的影响,建立了以试块孔隙率和饱水状态为桥梁的波速–电阻率关系,与试验实测数据拟合较好,并通过石灰岩原岩试块测试验证了其合理性。     

隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势

 超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节,对隧道信息化施工、灾害防治和安全保障具有重要作用。在收集整理国内外研究资料的基础上,总结钻爆法和TBM施工隧道的超前地质预报技术的研究现状。钻爆法施工隧道超前预报技术取得较大进展,涌现出一批专用的反射地震类、电磁类和电法类超前探测地球物理方法、技术与设备,逐步形成定量化探测思想和综合超前预报技术。认为基于多元地球物理信息融合与联合反演理论的综合超前地质预报技术是压制探测多解性、提高预报可靠性的可行有效途径;激发极化技术和核磁共振技术则由于其参数对水量的响应敏感性在定量探测水量方面显示出较好的应用前景。同时,TBM施工环境具有其特殊性和复杂性,少数几项专用探测技术的探测效果无法满足工程需要,总体上处于初步研究阶段,尚没有可用、可靠、有效的超前预报技术。结合课题组的研究特色,介绍3种自主研发的钻爆法隧道超前预报技术的最新进展及其用于TBM环境的可行性,提出了四阶段全过程的隧道综合超前地质预报体系,初步形成基于约束联合反演理论的综合预报方法,在钻爆法施工隧道定量化超前预报方面进行有益探索。最后,对隧道施工超前地质预报的发展趋势及其中的关键问题进行预测,认为以下4个方向是今后研究的重点和趋势：(1) 隧道施工定量化超前预报理论与技术的发展深化;(2) TBM施工隧道超前地质预报技术与装备;(3) 钻孔精细超前探测理论与技术;(4) 实时超前地质预报与施工灾害监测技术。     

深部厚煤层综放沿空掘巷煤柱合理宽度试验研究

 煤柱合理宽度的确定是影响综放沿空掘巷围岩稳定性的重要因素。以深部厚煤层综放沿空掘巷赵楼煤矿11302工作面轨道巷为工程背景,首次提出一种新型侧向支承压力监测方法,通过现场应力监测和数值模拟相结合的研究方法确定区段煤柱合理留设宽度。现场应力监测与数值模拟结果显示,采空区侧向支承压力影响范围为50～56 m,低应力区宽度为12～15 m,考虑沿空巷道应处于应力降低区内,煤柱留设宽度不应大于7～10 m;同时,从有利于锚杆锚固出发,煤柱宽度不应小于4 m。综合考虑煤柱稳定性、次生灾害控制及煤炭资源回收等因素,最终确定煤柱留设宽度为5 m。采用大型地质力学模型试验与现场试验对煤柱宽度合理性进行验证,结果表明,巷道表面位移均呈现沿空帮＞顶板＞实体帮＞底板的变化趋势,掘巷稳定后,现场实测顶底板移近量最大为271 mm,两帮移近量最大为359 mm,巷道围岩控制效果较好;同时,锚杆、锚索受力均在其屈服范围内,并为回采期间预留充足的余量。研究结果可为类似开采条件下的区段煤柱宽度确定提供参考依据。     

软岩回采巷道底臌破坏机制与支护技术

软岩巷道底臌治理一直是软岩支护中重点攻关的难题之一,作为受采动压力影响的软岩回采巷道来说,巷道的底臌问题尤为突出。针对山东能源临矿集团上海庙矿区软岩大变形技术难题,首先从巷道底臌变形的力学机制入手,根据巷道围岩本构关系及应力作用模式,在结合朗肯压力理论的基础上建立了剪切错动型巷道底臌力学模型,导出了巷道底臌力源P_0的计算方程。计算分析知,当底臌压力P_0大于底板岩体的强度极限时,巷道底板岩体将发生剪切和扩容变形挤入巷道空间,随时间效应的加大最终导致巷道底臌;其次,结合建立的底臌力学模型,提出了一种与剪切错动型巷道底臌力学机理相适应的新型反底拱底臌控制技术,对反底拱伸出段、底板预应力锚杆和反底拱主体段3部分在底臌控制过程中的作用进行理论分析,揭示了其"控底-助帮"的底臌控制机理,并综合数值计算和正交实验的方法对新型反底拱结构的3个主要参数进行试验优化,模拟显示影响巷道底臌量指标的主要因素为底板超挖深度和反底拱伸出段长度,影响巷道两帮移近量指标的主要因素为反底拱伸出段长度;最后,通过对榆树井矿13803工作面回风巷原始支护条件下底板压力的验算,确定了底板围岩压力与矿井水的耦合作用是造成该巷道底臌的主要原因,并根据优化后的底板治理方案在榆树井煤矿13803工作面回风巷返修段进行工业性试验。工程实践表明,该项新技术控制软岩回采巷道底臌及两帮变形效果较好,有效保证了工作面回采期间巷道的稳定性。     

一种新型高分子注浆材料的试验研究

 在深部岩土工程实体加固及涌水封堵治理的基础上,分析一种新型高分子注浆材料反应机制的可行性,就浆材的黏结性、凝胶性、固结体抗压抗折强度等进行详细的室内试验研究工作,并在模拟的砂卵砾石层中开展渗透注浆模拟试验研究,分析注浆压力、注浆时间、浆液温度、围岩渗透系数等主要因素对浆液扩散半径和注浆后结石体抗压强度的影响规律以及其相互关系。结合现场工程实例,进一步验证该化学浆液在工程加固及涌水封堵治理上的实用性和优越性。试验结果表明：注浆材料的流动性、黏结性、早强性及耐久性较好,具有储存运输方便、工艺简单实用、遇水急速膨胀、固结体无毒环保等优点。浆液扩散半径随注浆压力、注浆时间、渗透系数的增大而增大,随浆液温度的升高而减小,最显著的影响因素是注浆压力和渗透系数,其次是浆液温度和注浆时间;注浆后结石体的抗压强随注浆压力、浆液温度、孔隙度以及注浆时间的增大而增大,注浆压力和孔隙度对结石体抗压强度有较大影响,浆液温度次之,注浆时间对结石体强度的影响最小。研究结果表明该高分子注浆材料具有良好的工程加固和封堵性能,与传统固化材料相比,具有凝胶快、强度高、膨胀性好等优点,是一种比较理想的高分子加固材料和堵水剂。     

基于自适应遗传算法多项式预失真技术研究

提出了一种基于自适应遗传算法的多项式预失真补偿方法,该方法的基本原理是利用模拟进化类算法对目标函数进行逼近,对待求解参数进行辨识,进而得到多项式预失真模型。该算法具有良好的收敛性、全局性和鲁棒性,且具有较高的计算效率,为解决数字预失真自适应算法提供了一个新的参考。同时将自适应遗传算法应用于功放线性化设计中并进行了仿真。仿真分析表明,采用模拟进化类的遗传算法对功放失真抑制效果明显。     

海底隧道流固耦合模型试验系统的研制及应用

 围岩与水体的流固耦合作用对海底隧道的稳定性具有重要影响,很有必要开展流固耦合模型试验研究。根据流固耦合模型试验的特点,研制可用于模拟准三维平面应力和平面应变的新型流固耦合模型试验系统。该系统的整体尺寸为3.4 m×3.0 m×0.8 m(宽×高×厚),由钢结构架、钢化玻璃试验箱和水压加载装置组成。其中钢结构架由6榀可独立操作的高强度合金铸钢构件通过高强螺栓连接组合而成;钢化玻璃试验箱结构,既能保证试验要求的密封性,又便于可视化观察施工过程中海底隧道围岩渗流、变形特征。同时,采用研制的新型流固耦合模型试验系统和独立研制的新型流固耦合相似材料依托青岛胶州湾海底隧道开展流固耦合模型试验研究,揭示海底隧道施工过程中洞壁压力和围岩位移场、渗流场等的变化规律。研究方法技术及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

不同洞形与加载方式对深部岩体分区破裂影响的模型试验研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为研究分区破裂的破坏机制和形成机制,以淮南矿区丁集煤矿高地应力深部巷道为工程背景,采用模型相似材料和数控真三维加载模型试验系统,开展圆洞、城门洞和马蹄形洞在沿洞轴向和垂直洞轴向加载条件下的洞室开挖真三维地质力学模型试验。模型试验研究表明：(1) 初始最大主应力平行于洞轴方向且其量值超过1.5倍围岩单轴抗压强度是深部岩体产生分区破裂的重要条件;(2) 洞室分区破裂的范围与洞形和洞室尺寸有关,洞室尺寸越大,分区破裂范围越大。模型试验结果有效揭示分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形特征与破坏机制奠定了坚实的试验基础。