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武汉大学土木建筑工程学院937项目<<深部复合地层

国民经济快速可持续发展迫切需要大力发展交通、矿山、水利等重大生命线工程。高速公路和铁路客运专线正在向西部延伸;矿产资源开采正在向超千米深部大规模发展;未来10年,西部地区将要建设一批跨流域调水工程,而深长隧道是这些生命线工程的关键控制性工程。西部地区山高谷深,深长隧道难以采用多头并进的钻爆法施工,从工期、造价和技术三方面考虑,TBM(全断面隧道掘进机)工法是隧道施工的最佳选择。此外,由于辅助支洞少,有利于环境和生态保护。而对超千米深部矿山软岩巷道而言,国内外实践证明,钻爆法开挖支护难以控制围岩稳定,导致巷道迫不得已不停地翻修,严重影响生产和安全。因此,TBM掘进也将是超千米深部大型矿井软岩巷道施工的必然发展趋势。然而,绝大部分深长隧(巷)道位于深部复合地层高应力环境中,TBM掘进将面临破岩适应性和挤压大变形卡机、突涌水及岩爆等工程灾害的严峻挑战。

根据国家大型特大型交通、矿山和水利工程深长隧(巷)道重大工程建设需求、相关学科国际学术前沿和国内外研究现状,紧密围绕深部复合地层TBM掘进施工中围岩与TBM相互作用机理与安全控制的基础理论问题,从深部复合地层地质结构与赋存条件、围岩与TBM相互作用、TBM适应性与安全性等视角,凝炼出下述三个关键科学问题:
  (1)深部复合地层地质条件与力学行为特征;
  (2)TBM-深部复合地层围岩相互作用与致灾机理;
  (3)深部复合地层TBM适应性与安全控制。

针对上述三个关键科学问题,设置6个课题进行研究:
  (1)深部复合地层地质条件特征及岩体跨尺度力学效应;
  (2)TBM掘进扰动下深部复合地层围岩力学行为响应规律;
  (3)深部复合地层TBM破岩机理及可掘性评价方法;
  (4)深部复合地层挤压大变形与TBM卡机致灾机理;
  (5)深部复合地层TBM施工安全与围岩稳定控制理论;
  (6)深部复合地层TBM系统适应性设计理论与评价决策系统。
        本项目围绕大型特大型交通、矿山和水利工程深长隧(巷)道复合地层围岩与TBM的相互作用机理及TBM掘进适应性问题,开展深部复合地层TBM掘进破岩机理、挤压大变形灾害孕育演化机理、TBM掘进施工安全与围岩稳定控制的基础研究,揭示深部复合地层地质条件和岩体结构特征及其在TBM掘进缓慢卸荷引起的高应力集中和高水平封闭余应力作用下破坏变形力学行为的变化规律,提出TBM掘进深部围岩挤压大变形孕育演化过程的分析预测方法,建立深部复合地层TBM施工安全与围岩稳定控制理论,形成深部复合地层高效破岩和卡机灾害防控的TBM系统适应性设计准则和掘进适应性评价决策系统,为国家大型基础设施建设安全和深部资源开采可持续发展提供理论支撑和技术平台,并为国家TBM高端制造业发展提供基础支撑。

在下述三个方面期望取得关键性突破:
  (1)通过研究深部高地应力作用下复合地层软硬界面和软弱岩层的TBM破岩机制,深入揭示深部复合地层TBM破岩机理,建立TBM刀盘刀具的优化设计新理论和新方法,实现深部复合地层TBM高效破岩技术的突破;
  (2)通过研究揭示深部复合地层TBM掘进围岩的变形规律和卡机灾害的孕育形成机理,提出大变形量值的预测方法及大变形卡机灾害的防控控制理论,实现深部复合地层TBM卡机灾害控制技术的突破;
  (3)通过上述理论创新与技术突破,大幅延长刀具使用寿命,大大降低挤压大变形导致的卡机事故发生率,显著提高TBM在深部复合地层中的掘进效率,使刀具使用寿命提高50%以上,TBM掘进开机率由原来的40%以下提高到60%以上,掘进速度由原来平均每月400米左右提高到平均每月600米以上。

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