高铁隧道泥质充填破碎带三维高精度探测及智能化机械化施工关键技术

成果简介

该成果属于独立研究针对高速铁路隧道施工的施工工艺，以实际高铁隧道工程为依托，通过现场测试、理论分析和数值模拟等方法展开，以系统科学思想为指导，运用岩溶发生学、岩土力学、裂隙岩体水力学、地球物理探测及能量突变等理论的最新成就，借助现场试验、室内试验、物理模拟试验和数值实验相配合手段，在分析岩溶流域的结构、物质流、能量流和信息流的基础上，建立预测隧道掌子面前方灾害靶段(地质缺陷和突水构造)位置的综合物探方法和以瞬变电磁和激发激化法为主的探查岩溶裂隙水的综合预报方法；从理论上揭示岩溶隧道不同含水构造的突水机理，建立隧道突水信息识别模型及其监测方法和岩溶隧道地质缺陷突水的力学模型，基于不同突水模式的试验研究及其突水前兆信息演化规律，研制突水前兆多元信息监测系统，从而形成岩溶裂隙水的综合治理技术体系和地质灾害预警系统，制定高风险岩溶区域地质灾害快速反应体系及有效治理方案，达到解决依托工程实际问题的目标，具有重要的工程实用价值。

技术状况

创新性

独占性

盈利性

持续性

先进性

成熟度

1.完成依托工程所处粤南、鄂西地区低台原面岩溶和不良地质的研究报告，重点查明大型岩溶洞穴和岩溶水体的分布情况，形成此类地质情况岩溶隧道地质灾害探测和治理的技术指南。
2.提供一套较为成熟可靠的施工期灾害超前预报综合技术及控制方法，研发出能够用于隧道远距离水体探测的瞬变电磁仪和激发激化仪（探测距离达到60m），完善三维空间正反演理论和开发相应的处理软件，实现含水体位置与涌水量的准确探测，并为依托工程的物探工作提供技术支持。
3.研制可用于突水前兆多元信息采集的监测系统，开展突水前兆信息演化规律研究，建立隧道突水前兆信息识别模型，基于典型含水构造潜在的突水模式，建立相应的突水力学模型，给出突水判据，为依托工程地质灾害分级标准与风险评估体系的建立提供科学依据。
4.完成岩溶地区地质灾害分级标准。
5.完成岩溶突水治理浆材的优选研究，提供实用的成套洞穴和岩溶裂隙水封堵与排导技术，为依托工程建设提供一套实用有效的施工期突水灾害治理和控制方法。其风险评估体系，建立临灾快速反应预警预案和治理技术体系，实现大型、特大型突水、突泥灾害的快速预警控制，确保施工安全。

结合依托工程开展施工预报方法、理论和仪器开发，突水、突泥前兆监测方法与理论，灾害预警和应急预案以及注浆封堵技术的系统研究，最终形成一套行之有效的防灾减灾科学技术体系。为依托工程安全和顺利施工提供地学和技术保障，全面总结和分析我国公路、铁路和水利等工程建设经验。重点归纳我国隧道建设经验，特别是西部地质岩溶类型及其发育规律的研究，针对每种类型提出用于隧道建设的规范性的岩溶水流域分析理论和方法。
综合岩溶流域分析、现代岩溶勘察技术以及施工预报和控制技术，为我国岩溶隧道地质灾害防治建立一套规范性方法体系。本课题针对以上研究内容，依托实际项目，采用理论、模拟和工程实践相结合的方式开展科研工作。利用精确数学及和光弹模型试验对围岩应力和位移进行分析的方法无法考虑隧道的开挖效应和支护过程，且对于不规则断面，一般得不到解析解。地质模型试验由于试验费用高，周期较长且具有不可重复性，特别是试验难以满足所有的破坏试验相似判据，因此其应用和推广受到限制。

研制的偏心大跨度连续箱梁跨越既有铁路转体力学分析及施工技术工艺和质量控制标准，在完成相关基础试验后，于2014-2015年在富水特大桥工程施工中，进行了大跨度转体力学分析、混凝土配合比比选、加快了施工速度和效率，取得了比计划工期提前了26天的好成绩，完成结算收入5101.6万元，工程质量全优经过统计，通过对模型的分析、运用转体力学分析、预加固技术，确保了施工工期正常，累计间接为工程创造600万元经济效益。具有广泛的推广利用价值。这是由于岩溶及岩溶水的发育在宏观上有一定的规律性，但从微观上有许多不确定性，因此造成堵水困难、代价高、风险大、效益相对较差。岩溶暗河管道水具有自然的排泄通道，隧道施工揭示岩溶暗河管道水仅改变其排泄途径，对地表的影响甚微，对揭示的暗河管道水应按引排或截堵的原则处理。

国内外的许多学者普遍认为不同类型岩溶对隧道危害作用相差较大。通过对岩溶涌水及涌水量特征、含泥沙特性等规律进行研究，总结出了岩溶涌水的时间特性、空间特性及不同类型岩溶涌水量和含泥沙的变化特征。很多学者都深入研究过岩溶含水介质的多重性。王建秀等基于水文地质将岩溶突水模式分为：渗（漏）水型、施工揭露充水岩溶管道网络型、施工穿越阻水断层型、水力劈裂型、底膨破坏型，并在施工中对类型进行确定，同时对重点类型进行超前地质预报。关于溶洞对隧道稳定性影响的研究，当前主要以因溶洞产生的围岩应力、位移变化为主要研究对象。早期利用精确数学及和光弹模型试验对围岩应力和位移进行分析的方法无法考虑隧道的开挖效应和支护过程，且对于不规则断面，一般得不到解析解。地质模型试验由于试验费用高，周期较长且具有不可重复性，特别是试验难以满足所有的破坏试验相似判据，因此其应用和推广受到限制。

1.针对隧道含水构造三维成像复杂、视电阻率曲线异常的的情况，提出了电阻率层析成像法（SERT）的解决思路。沿超前探测测线布置一条SERT测线，通过反演得到测线附近的电阻率分布，利用“比值法”将干扰剔除，实现断层、溶洞等含水地质构造的三维成像与定位。
2.通过单元体受力平衡分析方法，优化了广义宾汉体运动截面上剪应力和速度分布函数方程。利用时变性的优势劈裂注浆机制建立单一平板优势劈裂扩散模型，分析截面剪切力与速度分布，得出浆液在开度均匀的单一平板裂隙运动。
3.建立了阶梯式恒压静定终压控制注浆关键技术：根据现场注浆过程中的反馈信息及时动态调整注浆速率与浆液配比，通过分段式控制注浆终压，最大化提高受注地层的浆液充填率，提高裂隙及孔隙岩体内的浆液饱和度。
4.研发了外加剂-复合水泥基－水玻璃双液浆材料：以传统水泥－水玻璃双液浆材料为基础，利用粉煤灰、矿渣的潜在碱激发活性，用粉煤灰和矿渣代替部分水泥，在加一定的外加剂，建立水泥－粉煤灰－矿渣与水玻璃反应的体系。

12、利润级：开始盈利且利润超过总投入的10%

市场状况

市场分析

商业模式

营销状况

转化需求状况

拟采取的转化方式：

技术转让

资金需求额：

1000万元

应用推广已投入情况：

1000万元