巖體地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)及智能TBM研發(fā)

巖體地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)及智能TBM研發(fā)1引言2巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)3巖體地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)與決策4巖體地下工程風(fēng)險(xiǎn)控制與加固理論5智能TBM研發(fā)6結(jié)論與討論匯報(bào)提綱1引言1.1過(guò)去1.2現(xiàn)在1.3未來(lái)1.1過(guò)去-水巖作用及其多尺度效應(yīng)巖石力學(xué)工程地質(zhì)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題初步成果工程難題圍繞兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題提出“水巖作用系統(tǒng)”概念開(kāi)展三個(gè)層面的研究多尺度水巖耦合系統(tǒng)的過(guò)程演化研究水巖耦合作用巖土介質(zhì)破壞過(guò)程研究開(kāi)挖擾動(dòng)條件水巖耦合作用機(jī)制研究復(fù)雜條件下多尺度水巖系統(tǒng)模型水巖系統(tǒng)的過(guò)程演化與耦合機(jī)制非均勻性各向異性開(kāi)挖擾動(dòng)多因素耦合多相流體多介質(zhì)環(huán)境巖體表征地質(zhì)、結(jié)構(gòu)工程特性開(kāi)挖擾動(dòng)工程評(píng)價(jià)安全水巖作用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演化靜態(tài)特性反饋破壞改變狀態(tài)介質(zhì)條件選址加固成果1成果2成果3工程應(yīng)用多尺度水巖耦合系統(tǒng)的過(guò)程演化研究構(gòu)建了多尺度巖石或巖體結(jié)構(gòu)的數(shù)字化描述方法發(fā)展了宏細(xì)觀多尺度數(shù)字巖體模型及其工程特性評(píng)價(jià)方法建立了多尺度水巖耦合系統(tǒng)的過(guò)程演化理論與數(shù)學(xué)模型開(kāi)挖擾動(dòng)條件下水巖耦合作用機(jī)制研究建立了圍巖漸進(jìn)破壞過(guò)程與滲透空間結(jié)構(gòu)變異的關(guān)系發(fā)現(xiàn)了裂隙巖體多流態(tài)地下水滲流變化特征揭示了水巖作用系統(tǒng)中裂隙自愈合的作用機(jī)制水巖耦合作用下巖土介質(zhì)破壞過(guò)程研究提出了水力驅(qū)動(dòng)裂紋萌生和擴(kuò)展的模式建立了水力劈裂過(guò)程的連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值模型沒(méi)學(xué)生1.2現(xiàn)在-地下工程及實(shí)踐（1）水電站地下廠房（2）煤礦地下水庫(kù)人工壩體煤柱壩體采空區(qū)水體1.2現(xiàn)在-地下工程及實(shí)踐（2）煤礦地下水庫(kù)1.2現(xiàn)在-地下工程及實(shí)踐（3）地下水封石油儲(chǔ)庫(kù)1.2現(xiàn)在-地下工程及實(shí)踐（4）西藏高地應(yīng)力隧道1.2現(xiàn)在-地下工程及實(shí)踐1.3未來(lái)-TBM智能制造智能化跟機(jī)監(jiān)測(cè)與超前探測(cè)鉆頭智能化（伸縮式多層復(fù)合式鉆頭）2巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)2.1等效連續(xù)介質(zhì)基于巖體質(zhì)量分級(jí)的穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)方法2.2基于裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬的穩(wěn)定性分析模型與方法巖體多尺度特征結(jié)構(gòu)分布函數(shù)2.2基于裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬的穩(wěn)定性分析模型與方法三維有限元網(wǎng)格（n元介質(zhì)）(巖體尺度10m×10m×10m，節(jié)點(diǎn)58736個(gè)，單元330421個(gè))2.2基于裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬的穩(wěn)定性分析模型與方法裂隙幾何因素影響2.2基于裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬的穩(wěn)定性分析模型與方法REVMREVH

試樣尺寸d位移加載水頭差Δh（保持水力梯度恒定）2.2基于裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬的穩(wěn)定性分析模型與方法參數(shù)的耦合及演化

壓力趨于無(wú)窮大時(shí)的巖體的滲透系數(shù)

巖體初始滲透系數(shù)2.2基于裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬的穩(wěn)定性分析模型與方法大型水巖耦合試驗(yàn)平臺(tái)(8m*4m*2m)微面理論2.2基于裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬的穩(wěn)定性分析模型與方法

REVHM＝MAX(REVM,REVH)工程裂隙網(wǎng)絡(luò)及水巖作用穩(wěn)定性2.2基于裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬的穩(wěn)定性分析模型與方法3巖體地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)與決策

3.1地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)分析與決策過(guò)程（Karam,2004）3.2工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)勘探理論預(yù)測(cè)超前探測(cè)3.2工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)（1）理論預(yù)測(cè)--基于Markov與信息熵法的長(zhǎng)隧道Markov方法預(yù)測(cè)的巖性概率分布3.2工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)（1）理論預(yù)測(cè)--基于Markov與信息熵法的長(zhǎng)隧道基于最小信息熵的勘探點(diǎn)優(yōu)化3.2工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)（2）超前探測(cè)—基于微震信息的長(zhǎng)隧道不良地質(zhì)探測(cè)及地應(yīng)力預(yù)測(cè)跟機(jī)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)3.2工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)（2）超前探測(cè)—基于微震信息的長(zhǎng)隧道不良地質(zhì)探測(cè)及地應(yīng)力預(yù)測(cè)微震信號(hào)及其定位3.2工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)（2）超前探測(cè)—基于微震信息的長(zhǎng)隧道不良地質(zhì)探測(cè)及地應(yīng)力預(yù)測(cè)地應(yīng)力雙差定位與地應(yīng)力預(yù)測(cè)3.2工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)（2）超前探測(cè)—基于微震信息的長(zhǎng)隧道不良地質(zhì)探測(cè)及地應(yīng)力預(yù)測(cè)地應(yīng)力雙差定位與地應(yīng)力預(yù)測(cè)3.2風(fēng)險(xiǎn)分析步驟（1）以已知勘探資料分析裂隙分布規(guī)律，并分區(qū)，m個(gè)；（2）對(duì)每個(gè)分區(qū)進(jìn)行隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬，n次；（3）水巖穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定系數(shù)n次；（4）穩(wěn)定性分布概率；地下工程破壞數(shù)值試驗(yàn)pf13地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)與決策

3.3施工風(fēng)險(xiǎn)pf1CostPTimeP3地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)與決策

3.4施工決策復(fù)雜地層的分類(lèi)4巖體地下工程風(fēng)險(xiǎn)控制與加固理論4.1基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的設(shè)計(jì)方法（Silvertonetal.,2004）4.2風(fēng)險(xiǎn)控制與方法（1）工程選址—>新的風(fēng)險(xiǎn)，邊界條件的限制，可優(yōu)化（2）施工方法的優(yōu)化—>選擇余地有限，可優(yōu)化（3）加固理論和方法創(chuàng)新—>降低風(fēng)險(xiǎn)，工期和費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要目標(biāo)？4.3工程加固理論（1）理論-工程驅(qū)動(dòng)加固準(zhǔn)則：加固強(qiáng)度和加固時(shí)機(jī)（解析、試驗(yàn)和數(shù)值分析方法）均勻地層非均勻地層加固時(shí)機(jī)松動(dòng)圈主動(dòng)承載體系：補(bǔ)強(qiáng)與控水加固一體4.3工程加固理論（2）材料-早強(qiáng)快硬減水劑4.3工程加固理論（3）補(bǔ)強(qiáng)一體機(jī)-與材料相適應(yīng)攪拌、制漿、注漿一體化，遙控操作簡(jiǎn)便，移動(dòng)靈活，注漿壓力穩(wěn)定可控4水巖作用下地下工程風(fēng)險(xiǎn)控制與加固理論4.3工程加固理論（4）工藝-施工期斷層預(yù)測(cè)系統(tǒng)（5）工藝-動(dòng)態(tài)鉆孔（6）工藝-牽引灌漿4.3工程加固理論（4）工藝-施工期斷層預(yù)測(cè)系統(tǒng)（5）工藝-動(dòng)態(tài)鉆孔（6）工藝-牽引灌漿4.3工程加固理論（7）導(dǎo)則-設(shè)計(jì)導(dǎo)則與施工導(dǎo)則針對(duì)水巖作用下地下工程研究背景：輸水長(zhǎng)隧洞工程需求云南滇中引水工程隧道群全長(zhǎng)877公里,最長(zhǎng)洞段55公里,最大埋深1396m吉林中部引松供水工程全長(zhǎng)134.63公里,最長(zhǎng)洞段71.42公里世界最大墨脫水電站(規(guī)劃)單洞長(zhǎng)20公里，最大埋深2000~3000m

墨脫水電站雅魯藏布江流域蒙自昆明大理德欽縣云南滇中引水5智能TBM研發(fā)關(guān)鍵難題：復(fù)雜地質(zhì)條件現(xiàn)有TBM施工地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜軟硬地層交替高地應(yīng)力高壓大涌水等復(fù)雜地質(zhì)條件刀盤(pán)、主軸承嚴(yán)重?fù)p毀掘進(jìn)效率低、掘進(jìn)速度慢突水突泥、塌方等重大災(zāi)害卡機(jī)、機(jī)毀人亡等重大事故面對(duì)易造成錦屏二級(jí)等工程5.1TBM施工中的核心問(wèn)題建立了溝通TBM掘進(jìn)機(jī)械電液信息與巖體狀態(tài)及質(zhì)量信息的橋梁，通過(guò)可測(cè)量的機(jī)械電液數(shù)據(jù)可確定巖體可掘性和巖體質(zhì)量參數(shù)；TBM掘進(jìn)可類(lèi)比于巖石力學(xué)中的扭剪試驗(yàn)描述TBM機(jī)械電液參數(shù)與巖體質(zhì)量的基本關(guān)系P為功率，是TBM電流、電壓的函數(shù)；ω為轉(zhuǎn)速，η為系數(shù)；Ra為等效半徑；Fr為滾刀提供的切削力，是TBM推進(jìn)力、巖體c、φ值和可掘性指標(biāo)的函數(shù)解決思路：智能化隧道地下工程技術(shù)工程需要什么？實(shí)時(shí)感知決策與控制解決思路：智能化隧道地下工程技術(shù)智能機(jī)械主要內(nèi)容包括以下4部分：（1）智能化跟機(jī)監(jiān)測(cè)與超前探測(cè)巖體質(zhì)量監(jiān)測(cè)與探測(cè)（照相與聲波）地應(yīng)力探測(cè)（微震與聲發(fā)射）地下水探測(cè)（電法）溫度有害氣體虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)綜合信息系統(tǒng)智能決策系統(tǒng)5.2智能機(jī)械研發(fā)的理論與裝備TBM動(dòng)態(tài)感知隧道虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)智能控制2鉆頭智能化（伸縮式多層復(fù)合式鉆頭）軟巖鉆頭（15-30MPa）中硬巖鉆頭（30-120MPa）硬巖鉆頭（120-220MPa）控制系統(tǒng)地層適應(yīng)性強(qiáng)、智能選配3支護(hù)智能化輕型支護(hù)中型支護(hù)重型支護(hù)智能選配支護(hù)理論：柔性讓壓？高強(qiáng)支護(hù)？4極端地層處理巖爆（微波、激光輔助破巖）高滲壓（灌漿、冷凍）高溫（1）形成TBM巖-機(jī)信息感知與智能控制的基礎(chǔ)理論（2）研發(fā)第一代智能化TBM（刀頭）5.3目標(biāo)5.4初步成果（1）獲取了山西某施工TBM工程詳細(xì)地質(zhì)資料與TBM施工參數(shù)；（2）

虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；創(chuàng)新平臺(tái)：方法與試驗(yàn)安全高效巖爆斷裂破碎帶TBM工藝優(yōu)化巖爆破裂震波測(cè)量圍巖巖體質(zhì)量彈性波測(cè)量圍巖變形激光測(cè)量掌子面巖石圖像測(cè)量破碎巖石塊度測(cè)量TBM掘動(dòng)進(jìn)尺精準(zhǔn)測(cè)量密實(shí)注漿測(cè)量系統(tǒng)智能化監(jiān)控信息系統(tǒng)巖石質(zhì)量全分析平臺(tái)數(shù)字圖像分析平臺(tái)掘進(jìn)工藝數(shù)字模擬平臺(tái)工程決策管理數(shù)字系統(tǒng)參數(shù)試驗(yàn)平臺(tái)巖體試驗(yàn)平臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)決策管理平臺(tái)巖石應(yīng)力巖石質(zhì)量巖爆預(yù)測(cè)斷裂預(yù)測(cè)工藝模型決策分析巖爆斷裂掘進(jìn)工藝安全問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)放心放手施工，應(yīng)對(duì)施工干擾高效成洞示范工程隨進(jìn)測(cè)量大數(shù)據(jù)平臺(tái)共享巖石質(zhì)量全分析試驗(yàn)強(qiáng)大數(shù)值分析基礎(chǔ)技術(shù)特點(diǎn)