超长定向钻注装备关键技术分析及发展趋势

定向钻技术起源于石油钻井工业,经多年发展已拓展至隧道工程地质勘察及灾害处置、煤矿底板含水层改造、蓄能电站抽水通道施工、市政管道铺设等多个领域。地面注浆技术结合定向钻长距离精准穿越的优势,可实现地下工程不良地质高效预加固与灾害安全处置,具有广阔的应用前景。系统综述了定向钻注装备技术的发展历程、研究现状和待突破关键技术。首先,介绍了定向钻与地面注浆技术的发展历程;其次从重大科研项目、学术论文、授权专利以及工程实践等方面进行了分析与总结。结果表明：我国现阶段定向钻注技术总体已达到自主化、实用化的国际先进水平,但在千米级长距离快速钻进、复杂地质条件精准导向、地下工程精准注浆处置等核心技术方面仍存在“卡脖子”难题。面向战略性重大工程建设需求,提出了超长距离定向钻注一体化装备“预报、钻进、注浆、检测”四大功能模块,围绕随钻感知预报、快速钻进与卡钻预测、精准导向技术、远距离凝胶可控注浆材料、稳压控制分段注浆工艺、随钻检测系统六方面,开展了分析与讨论,可为我国定向钻注一体化装备技术发展和地下工程灾害防控提供参考。     

上覆流沙层隧道开挖面稳定性分析与数值试验研究

为解决上覆流沙层隧道开挖面极易发生坍塌破坏的技术难题,以典型该地质条件下的青岛地铁M2号线啤苗区间（啤酒城站至苗岭路站）为研究对象,基于开挖面的实际破坏特征建立了开挖面失稳破坏力学模型,从功能转化平衡角度,进行了隧道开挖面稳定性上限分析,并利用强度折减与重力加载两种方式,提出了隧道开挖面安全系数,得到了不同开挖面土体黏聚力、摩擦角、重度、隔水层厚度及隧道开挖高度下的临界土体破裂范围及破裂模式。理论研究表明：随着开挖面土体黏聚力、摩擦角、隔水层厚度等参数的增加,开挖面安全系数不断增大,稳定性不断提高;随着土体重度、隧道开挖高度增加,开挖面安全系数不断减小,稳定性不断降低。通过建立不同工况的数值模型验证了理论研究的正确性,得到了上覆流沙层地质条件下开挖面的典型破坏模式和临界参数,并提出了相应工程建议。研究成果为青岛地铁M2号线的顺利贯通及该类地质条件下的隧道施工提供了理论指导和科学对策。     

隧道强干扰环境瞬变电磁响应规律与校正方法:以TBM为例

以隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)为例模拟了隧道强干扰环境下,瞬变电磁超前探测的响应曲线,系统分析了异常体(以直立充水断层为例)与掌子面距离、围岩电阻率差异、TBM长度、异常体规模等条件下的曲线特征和影响规律,发现TBM干扰源表现为低电阻率目标特征,其影响主要集中在早期,对于电性差异较大或目标规模较大的低电阻率异常(充水断层)模型能够明显地通过衰减曲线区分.根据电磁场叠加原理,将隧道腔体中包含TBM模型的响应减去纯隧道腔体响应可以获得TBM的响应信号,以此作为干扰背景,从实际包含TBM和充水断层的隧道模型总响应中减除,获得去除TBM干扰的响应信号.通过8组算例进行对比,发现经过校正的衰减曲线与模型计算曲线吻合较好,视电阻率曲线差异相对较小,能够表现探测区域的电性分布情况,确认该方法在不同情况下的适用性.即使在TBM响应计算时给定背景电阻率与实际电阻率差异达到100%的情况下,依然能够通过校正获得合理的响应信号和视电阻率曲线.该方法不仅仅适用于隧道环境,对于其他诸如地面、航空、半航空、海洋瞬变电磁勘探同样适用.     

基于隧洞超前地质探测和地应力场反演的岩爆预测研究

岩爆是高地应力地区影响地下工程施工的主要地质灾害,岩爆预测已成为地下工程的世界性难题之一。地层的岩性条件和地应力的大小是影响岩爆发生的两个最根本因素,对这两个因素的准确判别将直接关系到岩爆预测的成功与否。根据工程的区域地质资料,利用FLAC3D程序建立了该区域的数值计算模型,并结合工程现场实测点的主应力数据,采用径向基函数神经网络,反演了计算区域的初始地应力场。基于现场岩石力学试验和TSP203探测技术,获取了岩爆高风险区域的地层岩性条件。最后结合地应力反演数据和TSP探测结果,对掌子面前面长距离范围内的岩爆强度进行精细预测。工程实际应用表明,该方法可操作性强,岩爆预测结果与实际开挖情况较吻合。     

多孔介质中水泥浆三维锋面特征研究

深层渗滤效应普遍存在于多孔介质的渗透注浆过程中,并起着非常重要的作用。基于质量守恒方程、线性滤过定律、渗流连续性方程及Darcy定律,建立了水泥浆三维锋面的理论模型;通过现场试验,研究了水泥浆三维锋面扩散运移及沉积层渗透系数的变化规律,并将试验值与模型理论值进行了对比分析。结果表明,沉积层渗透系数随水泥浆锋面的扩散运移动态变化;当注浆压力恒定时,水灰比越小,深层渗滤效应越显著,浆液扩散距离相应越短;相同扩散距离时,受重力效应的影响,注浆点源之上的沉积层渗透系数大于注浆点源之下的沉积层渗透系数;浆液扩散距离及固定位置处的沉积层渗透系数均与水灰比呈正相关。研究成果可指导工程设计,具有一定的实际应用价值。     

非连续变形岩石断裂分析中的一种全长剪切锚杆

锚杆从锚固方式上可划分两种：端部锚固方式和全长锚固方式。全长锚固锚杆作为工程支护中的一种重要锚杆类型,具有广泛的应用前景。非连续变形分析（DDA）以及在此基础上发展的非连续变形的岩石断裂分析（DDARF）方法中锚杆为端锚形式,且只考虑了锚杆的轴向作用,而忽略了锚杆作用力对锚固岩体的侧向限制。为了更好地理解锚杆的支护机制,考虑锚杆的剪切作用,提出了DDARF中一种新的锚固形式--全长剪切锚杆支护形式。用改进的全长剪切锚杆支护方法对一公路隧道稳定性进行了分析,并与端锚支护形式进行了对比,结果表明,提出的全长剪切锚杆支护方法是有效的,锚固效果比端锚支护更好。     

近距离下穿在建地铁隧道施工爆破变形及控制方法研究

近距离爆破下穿尚未完成二衬的区间隧道是一种较为特殊的工况,涉及初支破坏、既有隧道下沉等诸多问题。以青岛地铁2号线近距离（250 mm）下穿刚完成初支的3号线隧道工程设计及施工为实例,通过在施工时采用自进式管棚、拱顶部位掏空、辅助中孔掏槽、对既有隧道施加张拉力、限载限行等多项措施,并根据类比给出合理的爆破振速控制指标,控制爆破振速及隧道变形。运用有限元分析软件MIDAS-GTS进行三维模型数值分析,揭示在建隧道爆破施工对既有隧道变形及内力变化规律。经过理论计算与实测分析,采取的各项措施能够达到预期的效果,3号线初支结构未见异常,其研究成果对特殊条件下的爆破下穿设计与施工具有参考价值。     

基于流固耦合的围岩后注浆对大型水封石油洞库水封性影响分析

基于多孔弹性连续介质流固耦合理论,通过合理选取围岩主要物理力学参数,建立了大型石油储备地下水封洞库全断面开挖后洞室涌水量计算模型,利用大型商业软件Comsol对黄岛国家石油储备地下水封洞库地下水渗流场和位移场进行数值模拟分析。通过不同注浆方案及不同注浆厚度情况下地下水渗流量的比较分析发现,并不是注浆圈的厚度越大对洞室渗水量的控制效果越好,而是存在相对经济合理的阈值。研究表明,最佳的注浆方式是形成全断面闭合注浆圈,最佳注浆厚度为5 m。     

大断面厚顶煤巷道顶板冒落破坏的上限分析

根据大断面厚顶煤巷道顶板的破坏特性,考虑了顶板围岩应力水平与支护荷载的影响,利用Hoek-Brown强度准则及其相关联的流动法则,构造出厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机构。基于塑性力学中的上限分析方法,结合变分原理,推导得到了大跨度厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机制,并以赵楼煤矿某巷道现场实践为例,分析了不同计算参数对顶板冒落破坏机制的影响。计算研究表明：随着岩体经验参数A、抗拉强度、抗压强度及支护荷载的增加,冒落体尺寸随之增大,而当岩体经验参数B、围岩应力及岩体重度增加时,冒落体尺寸则随之减小;冒落体尺寸代表了巷道顶板安全性能的大小,其尺寸越大,表明使巷道顶板发生冒落破坏所需外力功越多,顶板安全性能也越高;岩体经验参数B、围岩应力水平与支护荷载对顶板围岩破裂机制影响较为显著,参数B决定了冒落体的破裂形状,随着参数B的增加,冒落破裂迹线的曲率不断减小;增大支护阻力是提高顶板稳定性的有效途径,其研究结果可为大断面厚顶煤巷道支护设计提供一定的理论依据。     

含交叉裂隙节理岩体单轴压缩破坏机制研究

对含交叉裂隙相似材料试件进行单轴压缩试验,用Abaqus对含交叉裂隙节理岩体进行应力分析,研究了含交叉裂隙节理岩体单轴压缩下的破坏机制。结果表明：交叉裂隙的主裂隙与加载方向呈30°、45°时,主裂隙是裂隙扩展及破坏的控制裂隙,此时含交叉裂隙岩体强度高于含单向裂隙岩体,是由于主裂隙裂尖最大环向应力σθmax低于单向裂隙;主裂隙与加载方向呈0°或90°时,次裂隙是控制裂隙;主裂隙与加载方向呈0°时,大部分次裂隙裂尖σθmax及裂尖最大应力强度因子KⅡmax高于单向裂隙,因此,此时大部分含交叉裂隙岩体强度低于含单向裂隙岩体;在主裂隙与加载方向呈90°工况组中,主、次裂隙夹角为45°时,次裂隙裂尖KⅡmax最大,所以此工况组中此时强度最低。