岩体地下工程施工风险及智能TBM研发.pptx

1、刘刘晓晓丽丽清华大学清华大学 水利系水利系岩体地下工程岩体地下工程施工风险施工风险及及智能智能TBMTBM研发研发1 1 引言引言2 2 岩体稳定性评价岩体稳定性评价3 3 岩体地下工程施工风险与决策岩体地下工程施工风险与决策4 4 岩体地下工程岩体地下工程风险风险控制控制与加固理论与加固理论5 5 智能智能TBMTBM研发研发6 6 结论结论与与讨论讨论1 引言引言1.1 1.1 过去过去1.2 1.2 现在现在1.3 1.3 未来未来1.1 1.1 过去过去-水岩作用及其多水岩作用及其多尺度效应尺度效应岩石力学岩石力学工程地质工程地质关键科学问题关键科学问题初步成果初步成果工程难题工程难题

2、l围绕两个围绕两个关键科学问题关键科学问题 l提出提出“水岩作用系统水岩作用系统”概念概念 l开展三个层面的研究开展三个层面的研究 多尺度水岩耦合系多尺度水岩耦合系统的过程演化研究统的过程演化研究水岩耦合水岩耦合作用岩作用岩土土介质破坏过程研究介质破坏过程研究开挖扰动开挖扰动条件水条件水岩岩耦合作用机制研究耦合作用机制研究复杂条件复杂条件下多尺度水岩下多尺度水岩系统模型系统模型水岩系统的过程演化与水岩系统的过程演化与耦合机制耦合机制非均匀性非均匀性各向异性各向异性开挖扰动开挖扰动多因素耦合多因素耦合多相流体多相流体多介质环境多介质环境岩体岩体岩体岩体表征表征表征表征地质、结构地质、结构工程特性

3、工程特性工程特性工程特性开挖扰动开挖扰动工程评价工程评价工程评价工程评价安全安全水岩作用系统水岩作用系统动态演化动态演化动态演化动态演化静态特性静态特性静态特性静态特性反反反反馈馈馈馈破破破破坏坏坏坏改改改改变变变变状状状状态态态态介介介介质质质质条条条条件件件件选选选选址址址址加加加加固固固固成果成果1 1成果成果2 2成果成果3 3工工工工程程程程应应应应用用用用多尺度水岩耦合系统的过程演化多尺度水岩耦合系统的过程演化研究研究构建了多尺度岩石或岩体结构的数字化描述构建了多尺度岩石或岩体结构的数字化描述方法方法发展了宏细观多尺度数字岩体模型及其工程特性评价发展了宏细观多尺度数字岩体模型及其工

4、程特性评价方法方法建立了多尺度水岩耦合系统的过程演化理论与数学模型建立了多尺度水岩耦合系统的过程演化理论与数学模型开挖扰动条件下水岩耦合作用机制开挖扰动条件下水岩耦合作用机制研究研究建立了围岩渐进破坏过程与渗透空间结构变异的建立了围岩渐进破坏过程与渗透空间结构变异的关系关系发现了裂隙岩体多流态地下水渗流变化发现了裂隙岩体多流态地下水渗流变化特征特征揭示了水岩作用系统中裂隙自愈合的作用机制揭示了水岩作用系统中裂隙自愈合的作用机制水岩耦合作用下岩土介质破坏过程水岩耦合作用下岩土介质破坏过程研究研究提出了水力驱动裂纹萌生和扩展的提出了水力驱动裂纹萌生和扩展的模式模式建立了水力劈裂过程的连续建立了水力

5、劈裂过程的连续-非连续数值模型非连续数值模型没学生没学生1.2 1.2 现在现在-地下工程及实践地下工程及实践（1 1）水电站地下厂房）水电站地下厂房（2 2）煤矿煤矿地下水库地下水库人工坝体人工坝体煤柱坝体煤柱坝体采采 空空 区区水水 体体1.2 1.2 现在现在-地下工程及实践地下工程及实践（2 2）煤矿煤矿地下水库地下水库1.2 1.2 现在现在-地下工程及实践地下工程及实践（3 3）地下水封石油储库）地下水封石油储库1.2 1.2 现在现在-地下工程及实践地下工程及实践（4 4）西藏高地应力隧道）西藏高地应力隧道1.2 1.2 现在现在-地下工程及实践地下工程及实践1.3 1.3 未来

6、未来-TBMTBM智能制造智能制造智能化跟机监测与超前探测钻头智能化（伸缩式多层复合式钻头）2 岩体岩体稳定性评价稳定性评价2.1 2.1 等效连续介质等效连续介质基于岩体质量分级的稳定性分析与评价方法基于岩体质量分级的稳定性分析与评价方法2.2 2.2 基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法岩体岩体多尺度多尺度特征结构分布函数特征结构分布函数2.2 2.2 基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法三维有限元三维有限元网格网格（n n元介质）元介质）(岩体尺度岩体尺度10 m10 m10 m10 m10 m10 m，节点

7、，节点58 73658 736个，单元个，单元330 421330 421个个)2.2 2.2 基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法裂隙几何因素影响裂隙几何因素影响2.2 2.2 基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法REVMREVH 试样尺寸试样尺寸试样尺寸试样尺寸d dd d位移加载位移加载位移加载位移加载水头差水头差水头差水头差hhhh（保持水力梯度恒定）（保持水力梯度恒定）（保持水力梯度恒定）（保持水力梯度恒定）2.2 2.2 基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法参数的

8、耦合及演化 压力趋于无穷大时压力趋于无穷大时的岩体的渗透系数的岩体的渗透系数 岩体初始渗透系数岩体初始渗透系数2.2 2.2 基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法大型水岩耦合试验平台大型水岩耦合试验平台(8m(8m*4m4m*2m)2m)微面理论微面理论2.2 2.2 基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法 REVHMMAX(REVM,REVH)工程裂隙网络及水岩作用稳定性工程裂隙网络及水岩作用稳定性2.2 2.2 基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法基于裂隙网络模拟的稳定性分析模型与方法3 岩体岩体地下工程施工风

9、险与决策地下工程施工风险与决策 3.1 3.1 地下工程施工风险地下工程施工风险风险分析与决策过程（风险分析与决策过程（Karam,2004）3.2 3.2 工程地质风险工程地质风险勘探勘探理论预测理论预测超前探测超前探测3.2 3.2 工程地质风险工程地质风险（1）理论预测）理论预测-基于基于Markov与信息熵法的与信息熵法的长隧道长隧道Markov方法预测的岩性概率分布方法预测的岩性概率分布3.2 3.2 工程地质风险工程地质风险（1）理论预测）理论预测-基于基于Markov与信息熵法的与信息熵法的长隧道长隧道基于最小信息熵的勘探点优化基于最小信息熵的勘探点优化3.2 3.2 工程地质风

10、险工程地质风险（2）超前探测）超前探测基于微震信息的基于微震信息的长隧道不良地质探测及地应力预测长隧道不良地质探测及地应力预测跟机、实时监测跟机、实时监测3.2 3.2 工程地质风险工程地质风险（2）超前探测）超前探测基于微震信息的基于微震信息的长隧道不良地质探测及地应力预测长隧道不良地质探测及地应力预测微震信号及其定位微震信号及其定位3.2 3.2 工程地质风险工程地质风险（2）超前探测）超前探测基于微震信息的基于微震信息的长隧道不良地质探测及地应力预测长隧道不良地质探测及地应力预测地应力双差定位与地应力预测地应力双差定位与地应力预测3.2 3.2 工程地质风险工程地质风险（2）超前探测）超

11、前探测基于微震信息的基于微震信息的长隧道不良地质探测及地应力预测长隧道不良地质探测及地应力预测地应力双差定位与地应力预测地应力双差定位与地应力预测3.2 3.2 风险分析步骤风险分析步骤（1 1）以已知勘探资料分析裂隙分布规律，并分区，）以已知勘探资料分析裂隙分布规律，并分区，m m个；个；（2 2）对每个分区进行随机裂隙网络模拟，）对每个分区进行随机裂隙网络模拟，n n次；次；（3 3）水岩稳定性分析，稳定系数）水岩稳定性分析，稳定系数n n次；次；（4 4）稳定性分布概率；）稳定性分布概率；地下工程破坏数值试验地下工程破坏数值试验pf13 地下工程地下工程施工风险与决策施工风险与决策 3.

12、3 3.3 施工风险施工风险pf1CostPTimeP3 地下工程地下工程施工风险与决策施工风险与决策 3.4 3.4 施工决策施工决策复杂地层的分类复杂地层的分类4 岩体岩体地下工程风险控制与加固理论地下工程风险控制与加固理论4.1 4.1 基于风险的设计基于风险的设计基于风险评估的设计方法（基于风险评估的设计方法（Silverton et al.,2004Silverton et al.,2004）4.2 4.2 风险控制与方法风险控制与方法（1 1）工程选址）工程选址新的风险，边界条件的限制，可优化新的风险，边界条件的限制，可优化（2 2）施工方法的优化）施工方法的优化选择余地有限，选择

13、余地有限，可可优化优化（3 3）加固理论和方法创新加固理论和方法创新降低风险，工期和费用降低风险，工期和费用风险评估的主要目标？风险评估的主要目标？4.3 4.3 工程加固理论工程加固理论（1 1）理论）理论-工程驱动工程驱动加固准则：加固强度和加固时机（解析、试验和数值分析方法）加固准则：加固强度和加固时机（解析、试验和数值分析方法）均匀地层均匀地层非非均匀地层均匀地层加固时机加固时机松动圈主动承载体系：补强与控水加固一体松动圈主动承载体系：补强与控水加固一体4.3 4.3 工程加固理论工程加固理论（2 2）材料）材料-早强快硬早强快硬减水剂减水剂4.3 4.3 工程加固理论工程加固理论（3

14、 3）补强一体机）补强一体机-与材料相适应与材料相适应搅拌、制浆、注浆一体化，遥控操作简便，移动灵活，注浆压力稳定可控搅拌、制浆、注浆一体化，遥控操作简便，移动灵活，注浆压力稳定可控4 水岩作用下地下工程风险控制与加固水岩作用下地下工程风险控制与加固理论理论4.3 4.3 工程加固理论工程加固理论（4 4）工艺）工艺-施工期断层预测系统施工期断层预测系统（5 5）工艺工艺-动态钻孔动态钻孔（6 6）工艺）工艺-牵引灌浆牵引灌浆4.3 4.3 工程加固理论工程加固理论（4 4）工艺）工艺-施工期断层预测系统施工期断层预测系统（5 5）工艺工艺-动态钻孔动态钻孔（6 6）工艺）工艺-牵引灌浆牵引灌

15、浆4.3 4.3 工程加固理论工程加固理论（7 7）导则）导则-设计设计导则与施工导则导则与施工导则 针对水岩作用下地下工程针对水岩作用下地下工程研究背景：研究背景：输水长隧洞工程需求输水长隧洞工程需求云南滇中引水工程隧道群 全长877公里,最长洞段55公里,最大埋深1396m 吉林中部引松供水工程 全长134.63公里,最长洞段 71.42公里 世界最大墨脱水电站(规划)单洞长20公里，最大埋深 20003000m 墨脱水电站 雅鲁藏布江流域 蒙自昆明大理德钦县云南滇中引水 5 智能智能TBM研发研发关键难题：关键难题：复杂地质条件复杂地质条件现有现有 TBM 施工施工 地质构造复杂地质构造

16、复杂 软硬地层交替软硬地层交替 高地应力高地应力 高压大涌水等高压大涌水等复杂地质条件复杂地质条件 刀盘、主轴承严重损毁刀盘、主轴承严重损毁 掘进效率低、掘进速度慢掘进效率低、掘进速度慢 突水突泥、塌方等重大灾害突水突泥、塌方等重大灾害 卡机、机毁人亡等重大事故卡机、机毁人亡等重大事故 面对面对易造成易造成锦屏二级等工程锦屏二级等工程5.1 TBM5.1 TBM施工中的核心问题施工中的核心问题建立了沟通建立了沟通TBM掘进掘进机械电液信息与岩体机械电液信息与岩体状态及质量信息的桥状态及质量信息的桥梁，通过可测量的机梁，通过可测量的机械电液数据可确定岩械电液数据可确定岩体可掘性和体可掘性和岩体岩

17、体质量质量参数；参数；TBM掘进可类比于岩石力学中的扭剪试验掘进可类比于岩石力学中的扭剪试验 描述描述TBM机械电液参数机械电液参数 与岩体质量的基本关系与岩体质量的基本关系 P为功率，是为功率，是TBM电流、电压的函数；电流、电压的函数；为转速，为转速，为系数；为系数；Ra为等效半径；为等效半径；Fr为滚刀提供的切削力，是为滚刀提供的切削力，是TBM推进力、岩体推进力、岩体c、值和可掘性指标的函数值和可掘性指标的函数 解决思路：解决思路：智能化隧道地下工程技术智能化隧道地下工程技术工程需要什么？工程需要什么？实时感知实时感知 决策与控制决策与控制 解决思路：解决思路：智能化隧道地下工程技术智

18、能化隧道地下工程技术智能机械智能机械主要内容包括以下4部分：（1）智能化跟机监测与超前探测岩体质量监测与探测（照相与声波）地应力探测（微震与声发射）地下水探测（电法）温度有害气体虚拟现实系统综合信息系统智能决策系统5.2 5.2 智能机械研发的理论与装备智能机械研发的理论与装备TBM动态感知动态感知隧道虚拟现实隧道虚拟现实实时智能控制实时智能控制2 钻头智能化（伸缩式多层复合式钻头）软岩钻头（15-30MPa）中硬岩钻头（30-120MPa）硬岩钻头（120-220MPa）控制系统地层适应性强、智能选配3 支护智能化轻型支护中型支护重型支护智能选配支护理论：柔性让压？高强支护？4 极端地层处理

19、岩爆（微波、激光辅助破岩）高渗压（灌浆、冷冻）高温（1）形成TBM岩-机信息感知与智能控制的基础理论（2）研发第一代智能化TBM（刀头）5.3 5.3 目标目标5.4 5.4 初步成果初步成果（1）获取了山西某施工TBM工程详细地质资料与TBM施工参数；（2）虚拟现实与增强现实；创新平台：方法与试验安全高效岩爆断裂破碎带TBM工艺优化岩爆破裂震波测量围岩岩体质量弹性波测量围岩变形激光测量掌子面岩石图像测量破碎岩石块度测量TBM掘动进尺精准测量密实注浆测量系统智能化监控信息系统岩石质量全岩石质量全分析平台分析平台数字图像数字图像分析平台分析平台掘进工艺数掘进工艺数字模拟平台字模拟平台工程决策管工

20、程决策管理数字系统理数字系统参数试验平台参数试验平台岩体试验平岩体试验平台台虚拟现实平台虚拟现实平台 决策管理平台决策管理平台岩石应力岩石应力岩石质量岩石质量岩爆预测岩爆预测断裂预断裂预测测工艺模型决策分析工艺模型决策分析岩爆岩爆断裂断裂掘进工艺掘进工艺安全问题及时发现安全问题及时发现放心放手施工，应对施工干放心放手施工，应对施工干扰扰高效成洞示范工程高效成洞示范工程随进测随进测量量大数据平台共大数据平台共享享岩石质量全分析试岩石质量全分析试验验强大数值分析基础强大数值分析基础技术特点5 结论与讨论结论与讨论（1 1）地下工程安全系数的确定，需要考虑地质因素的不确定）地下工程安全系数的确定，需要考虑地质因素的不确定性性（2 2）地下工程施工风险的定量化研究，以及如何深入？）地下工程施工风险的定量化研究，以及如何深入？（3 3）以工程驱动的创新是地下工程风险评估和决策的根本！）以工程驱动的创新是地下工程风险评估和决策的根本！？（4 4）新型工程：）新型工程：城市地下水库（储水、城市防洪、污水处理）；城市地下水库（储水、城市防洪、污水处理）；停车场停车场快速成型智能装备及快速成型智能装备及技术；技术；雅下开发：雅下开发：300km300km深部输水长隧道；深部输水长隧道；存在问题：木有学生存在问题：木有学生敬请批评指正谢谢！