穿越断层区隧道灾变防控

文/图

瞄准世界性技术和理论难题

断裂构造发育区内，原岩应力场十分复杂、岩体物理力学性质呈各向异性与强非线性、水文地质复杂、地震响应复杂。穿越断层区隧道建设及其长期稳定性评价迄今仍然是世界性的技术与理论难题，如图1所示。项目围绕穿越断层带隧道建设复杂理论和关键技术，开展系统、深入的研究。揭示了断层构造区围岩地压特性、开挖扰动位移的局部化及隧道结构灾变演化特征。建立了三维复杂构造应力场DDM数值方法、各向异性裂隙岩体三维非线性统一本构模型及其方向性定量评价方法、基于支护结构强度和变形综合优化的支护理论和技术体系。

围绕穿越断层带隧道建设复杂理论和关键技术，项目系统开展了下图所示的研究。

穿越断层区隧道建设难题

主要研究内容及技术路线

理论、方法及工程技术的创新突破

适用于断层带岩体非线性特性的DDM数值方法及软件系统开发与应用

研究成果有效解决了二维及三维位移不连续法（Displacement Discontinuity Method，简称DDM）的高精度化问题、层状异性介质（层状岩体）问题、半无限体及复合平面问题、断层带非线性变形特性问题、任意复杂构造地应力场模拟问题。开发了相应DDM数值计算软件系统并取得软件注册权2项。获授权专利3项。在SCI/EI刊源上发表论文17篇。

随机节理发育岩体剪胀机理及评价方法研究

该项目部分研究成果初步解明了裂隙岩体在压载条件下体积扩容的力学成因，有效解决了考虑裂隙面非线性变形特性、岩块弹塑性变形、节理断裂扩展等复杂条件下裂隙岩体体积应变的三维DDM数值模拟方法。获专利4项、软件权6项。发表SCI/EI论文13篇。

隧道施工过程围岩变形、稳定性研究

两江隧道

旗杆山隧道

渝中连接隧道

研究了裂隙发育及空间分布状态对岩体变形的方向性的影响，建立了裂隙岩体统一本构模型、一维柱状结构，从而建立了裂隙岩体任意方向非线性变形的多元件组合模型及其解析方法、各向异性裂隙岩体三维非线性应力应变关系的模拟方法。通过构建变形模量球坐标，将一维柱状结构模拟结果与概率分布评价方法结合，建立了断层带裂隙岩体各向异性特征的定量评价方法；系统研究了隧道穿越断层破碎带开挖卸载围岩位移局部化问题及其对岩体变形参数、荷载条件等的敏感性。获专利1项、软件权4项。发表SCI/EI论文13篇。

围岩地压特性及合理支护方式，新型支护技术和支护结构研发与应用示范

系统研究了隧道穿越断层带围岩地压特征，揭示了断层带岩体开挖扰动位移的局部化特性及其对工程结构的影响。提出了基于支护结构强度和变形综合优化的支护理论并系统建立了相应施工工艺和施工方法。建立了基于现场监测数据及线性规划法的优化反演方法并编写了专用程序模块，可根据现场实测位移数据快速反演工程岩体的等效力学参数、初始地应力参数、预测后续工序的隧道结构稳定性。获专利7项、软件权2项。发表SCI/EI论文9篇。相关研究成果填补和充实了国内外相关研究的不足。

曾家岩隧道

成果应用与推广

项目成果在渝长高速公路两江隧道、京沈客专梨花顶隧道、蒙华铁路万华山隧道、武昆高速公路象鼻岭隧道、穿山港铁路官庄隧道、龙洲湾隧道、渝中连接隧道、重庆城口陕渝界至开州高速公路一期项目旗杆山隧道、重庆市曾家岩嘉陵江大桥隧道等9项重大公路及铁路隧道工程中部分或全部应用，研发出工程区域岩体初始应力场计算方法、开挖卸载条件下断层破碎带岩体变形及其预测控制技术和软件系统。通过工业化应用成功开发了适用于相关隧道工程的综合优化支护施工工艺、施工方法。建立适用于相关隧道工程特点的综合优化支护方式和施工扰动风险控制技术，有效控制开挖卸载条件下断层破碎带岩体变形、提高支护效果、确保施工的安全高效。

通过成果应用，提高了相关工程的工作效率，累计新增利润20732万元，税收4354万元，节资22279万元，取得了良好的技术经济效益和社会效益。

项目形成的各项研究成果部分达到了商业化应用的程度，部分具备在岩石隧道工程中的推广应用。成果的应用范围涵盖了岩石隧道特别是穿越断层带隧道工程设计、施工、结构稳定性分析、施工过程位移监测、隧道运营期位移监测全过程。

研究成果既可以在岩石隧道工程中按实际需要单项应用，也可以在整个隧道建设（含初始地质参数获取）过程系统采用。

我国今后山体隧道（岩石隧道）众多，该研究成果具有非常广阔的应用前景。