岩体地下工程施工风险及智能TBM研发

岩体地下工程施工风险及智能TBM研发1引言2岩体稳定性评价3岩体地下工程施工风险与决策4岩体地下工程风险控制与加固理论5智能TBM研发6结论与讨论汇报提纲1引言1.1过去1.2现在1.3未来1.1过去-水岩作用及其多尺度效应岩石力学工程地质关键科学问题初步成果工程难题围绕两个关键科学问题提出“水岩作用系统”概念开展三个层面的研究多尺度水岩耦合系统的过程演化研究水岩耦合作用岩土介质破坏过程研究开挖扰动条件水岩耦合作用机制研究复杂条件下多尺度水岩系统模型水岩系统的过程演化与耦合机制非均匀性各向异性开挖扰动多因素耦合多相流体多介质环境岩体表征地质、结构工程特性开挖扰动工程评价安全水岩作用系统动态演化静态特性反馈破坏改变状态介质条件选址加固成果1成果2成果3工程应用多尺度水岩耦合系统的过程演化研究构建了多尺度岩石或岩体结构的数字化描述方法发展了宏细观多尺度数字岩体模型及其工程特性评价方法建立了多尺度水岩耦合系统的过程演化理论与数学模型开挖扰动条件下水岩耦合作用机制研究建立了围岩渐进破坏过程与渗透空间结构变异的关系发现了裂隙岩体多流态地下水渗流变化特征揭示了水岩作用系统中裂隙自愈合的作用机制水岩耦合作用下岩土介质破坏过程研究提出了水力驱动裂纹萌生和扩展的模式建立了水力劈裂过程的连续-非连续数值模型没学生1.2现在-地下工程及实践（1）水电站地下厂房（2）煤矿地下水库人工坝体煤柱坝体采空区水体1.2现在-地下工程及实践（2）煤矿地下水库1.2现在-地下工程及实践（3）地下水封石油储库1.2现在-地下工程及实践（4）西藏高地应力隧道1.2现在-地下工程及实践1.3未来-TBM智能制造智能化跟机监测与超前探测钻头智能化（伸缩式多层复合式钻头）2岩体稳定性评价2.1等效连续介质基于岩体质量分级的稳定性分析与评价方法2.2基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法岩体多尺度特征结构分布函数2.2基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法三维有限元网格（n元介质）(岩体尺度10m×10m×10m，节点58736个，单元330421个)2.2基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法裂隙几何因素影响2.2基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法REVMREVH

试样尺寸d位移加载水头差Δh（保持水力梯度恒定）2.2基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法参数的耦合及演化

压力趋于无穷大时的岩体的渗透系数

岩体初始渗透系数2.2基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法大型水岩耦合试验平台(8m*4m*2m)微面理论2.2基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法

REVHM＝MAX(REVM,REVH)工程裂隙网络及水岩作用稳定性2.2基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法3岩体地下工程施工风险与决策

3.1地下工程施工风险风险分析与决策过程（Karam,2004）3.2工程地质风险勘探理论预测超前探测3.2工程地质风险（1）理论预测--基于Markov与信息熵法的长隧道Markov方法预测的岩性概率分布3.2工程地质风险（1）理论预测--基于Markov与信息熵法的长隧道基于最小信息熵的勘探点优化3.2工程地质风险（2）超前探测—基于微震信息的长隧道不良地质探测及地应力预测跟机、实时监测3.2工程地质风险（2）超前探测—基于微震信息的长隧道不良地质探测及地应力预测微震信号及其定位3.2工程地质风险（2）超前探测—基于微震信息的长隧道不良地质探测及地应力预测地应力双差定位与地应力预测3.2工程地质风险（2）超前探测—基于微震信息的长隧道不良地质探测及地应力预测地应力双差定位与地应力预测3.2风险分析步骤（1）以已知勘探资料分析裂隙分布规律，并分区，m个；（2）对每个分区进行随机裂隙网络模拟，n次；（3）水岩稳定性分析，稳定系数n次；（4）稳定性分布概率；地下工程破坏数值试验pf13地下工程施工风险与决策

3.3施工风险pf1CostPTimeP3地下工程施工风险与决策

3.4施工决策复杂地层的分类4岩体地下工程风险控制与加固理论4.1基于风险的设计基于风险评估的设计方法（Silvertonetal.,2004）4.2风险控制与方法（1）工程选址—>新的风险，边界条件的限制，可优化（2）施工方法的优化—>选择余地有限，可优化（3）加固理论和方法创新—>降低风险，工期和费用风险评估的主要目标？4.3工程加固理论（1）理论-工程驱动加固准则：加固强度和加固时机（解析、试验和数值分析方法）均匀地层非均匀地层加固时机松动圈主动承载体系：补强与控水加固一体4.3工程加固理论（2）材料-早强快硬减水剂4.3工程加固理论（3）补强一体机-与材料相适应搅拌、制浆、注浆一体化，遥控操作简便，移动灵活，注浆压力稳定可控4水岩作用下地下工程风险控制与加固理论4.3工程加固理论（4）工艺-施工期断层预测系统（5）工艺-动态钻孔（6）工艺-牵引灌浆4.3工程加固理论（4）工艺-施工期断层预测系统（5）工艺-动态钻孔（6）工艺-牵引灌浆4.3工程加固理论（7）导则-设计导则与施工导则针对水岩作用下地下工程研究背景：输水长隧洞工程需求云南滇中引水工程隧道群全长877公里,最长洞段55公里,最大埋深1396m吉林中部引松供水工程全长134.63公里,最长洞段71.42公里世界最大墨脱水电站(规划)单洞长20公里，最大埋深2000~3000m

墨脱水电站雅鲁藏布江流域蒙自昆明大理德钦县云南滇中引水5智能TBM研发关键难题：复杂地质条件现有TBM施工地质构造复杂软硬地层交替高地应力高压大涌水等复杂地质条件刀盘、主轴承严重损毁掘进效率低、掘进速度慢突水突泥、塌方等重大灾害卡机、机毁人亡等重大事故面对易造成锦屏二级等工程5.1TBM施工中的核心问题建立了沟通TBM掘进机械电液信息与岩体状态及质量信息的桥梁，通过可测量的机械电液数据可确定岩体可掘性和岩体质量参数；TBM掘进可类比于岩石力学中的扭剪试验描述TBM机械电液参数与岩体质量的基本关系P为功率，是TBM电流、电压的函数；ω为转速，η为系数；Ra为等效半径；Fr为滚刀提供的切削力，是TBM推进力、岩体c、φ值和可掘性指标的函数解决思路：智能化隧道地下工程技术工程需要什么？实时感知决策与控制解决思路：智能化隧道地下工程技术智能机械主要内容包括以下4部分：（1）智能化跟机监测与超前探测岩体质量监测与探测（照相与声波）地应力探测（微震与声发射）地下水探测（电法）温度有害气体虚拟现实系统综合信息系统智能决策系统5.2智能机械研发的理论与装备TBM动态感知隧道虚拟现实实时智能控制2钻头智能化（伸缩式多层复合式钻头）软岩钻头（15-30MPa）中硬岩钻头（30-120MPa）硬岩钻头（120-220MPa）控制系统地层适应性强、智能选配3支护智能化轻型支护中型支护重型支护智能选配支护理论：柔性让压？高强支护？4极端地层处理岩爆（微波、激光辅助破岩）高渗压（灌浆、冷冻）高温（1）形成TBM岩-机信息感知与智能控制的基础理论（2）研发第一代智能化TBM（刀头）5.3目标5.4初步成果（1）获取了山西某施工TBM工程详细地质资料与TBM施工参数；（2）

虚拟现实与增强现实；创新平台：方法与试验安全高效岩爆断裂破碎带TBM工艺优化岩爆破裂震波测量围岩岩体质量弹性波测量围岩变形激光测量掌子面岩石图像测量破碎岩石块度测量TBM掘动进尺精准测量密实注浆测量系统智能化监控信息系统岩石质量全分析平台数字图像分析平台掘进工艺数字模拟平台工程决策管理数字系统参数试验平台岩体试验平台虚拟现实平台决策管理平台岩石应力岩石质量岩爆预测断裂预测工艺模型决策分析岩爆断裂掘进工艺安全问题及时发现放心放手施工，应对施工干扰高效成洞示范工程随进测量大数据平台共享岩石质量全分析试验强大数值分析基础技术特点