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砥砺共前行,武汉岩土所TBM安全高效掘进与智能

时间:2019-08-12 10:54来源:科学研究
4月24日,中国科学院武汉岩土力学研究所发明成果“深埋工程硬岩破裂过程试验监测与控制技术”项目通过鉴定。鉴定会由湖北省科技厅组织,鉴定委员会由中国工程院院士郑守仁、丁

4月24日,中国科学院武汉岩土力学研究所发明成果“深埋工程硬岩破裂过程试验监测与控制技术”项目通过鉴定。鉴定会由湖北省科技厅组织,鉴定委员会由中国工程院院士郑守仁、丁烈云等7名专家组成。

2014年2月20日“水工复杂条件岩体原位试验新技术及其应用”成果鉴定会在武汉召开。会议由湖北省科学技术厅组织,省科技厅郑春白副厅长主持,长江科学院郭熙灵院长出席会议并致词。郭院长对省科技厅、国科局领导和鉴定委员会的各位专家莅临本次鉴定会表示热烈欢迎和衷心感谢!

随着交通基础设施建设、深部资源开采和水资源开发不断发展,需要建设大量深埋长大隧道。TBM工法因其工期、造价和技术优势,成为深埋长大隧道和超千米深部大型矿井岩石巷道掘进的最佳选择。但由于对围岩与TBM相互作用机理的认识不够清晰,对TBM掘进过程中的围岩挤压大变形、断层破碎带垮塌失稳、卡机、岩爆和突涌水等工程灾害的致灾机理研究不够深入,高效破岩理论与工程灾害控制缺乏可靠的科学理论支撑,TBM安全高效掘进与智能控制是亟待解决的重大科学技术难题。

1956年,毛泽东写下“更立西江石壁,截断巫山云雨”的名句,吹响了新中国岩石力学工作者的集结号。

本项目针对硬岩破裂过程的真三轴实验、硬岩灾害原位监测和施工现场安全控制等关键科学技术问题,通过理论研究、设备研发、科学试验及工程应用,历时17年,取得了一系列创新成果。研制了深部硬岩高压真三轴成套设备,发明了硬岩真三轴试验技术,明显优于国内外同类水平,为深部硬岩灾害监测、评估和预警奠定了理论基础;形成了深部工程岩体破裂过程快速精细监测成套技术体系,解决了灾害源位置、类型及等级辨识技术的难题;研发了深部工程岩体破裂灾害高风险洞段的安全控制技术,避免和减少了深部工程建设中的工程灾害。

鉴定委员会由总参谋部科学技术研究委员会钱七虎院士,中国人民解放军后勤工程学院郑颖人院士、中国矿业大学何满潮院士,三峡大学李建林校长、中国科学院武汉岩土力学研究所盛谦研究员、湖北省水利厅王万林教授、华中科技大学周建中教授、武汉理工大学夏元友教授、湖北清江水电开发公司陈润发教授等9位专家组成,并推荐钱院士、郑院士、何院士担任主任、副主任委员。

中国科学院武汉岩土力学研究所地下工程课题组通过对深部复合地层TBM安全高效破岩、灾害预测控制、岩机状态信息实时感知等深入研究,取得TBM安全高效掘进与智能控制技术方面的系统成果:

1958年,三峡岩基组成立,以学科先贤、国际著名岩土力学专家、中国科学院院士陈宗基为代表的一大批前辈,响应党和国家号召奔赴三峡工地,标志我国岩石力学研究正式启动,中国科学院武汉岩土力学研究所应运而生,从此开启了长达六十年的奋斗历程。

鉴定委员会听取了项目组工作报告和技术报告,审阅了相关鉴定资料,经质询和讨论,同意该成果通过鉴定。鉴定委员会一致认为,该成果是我国岩石力学与工程领域具有自主创新和国际影响力的重要研究成果,已授权22项发明专利。已成功应用于巴基斯坦NJ深埋隧道,金山店铁矿、程潮铁矿等典型金属矿山,世界最深的锦屏二级水电站深埋隧洞、特大型地下厂房和中国锦屏地下实验室等,产生了显著的社会和经济效应,在水利水电工程、矿山、公路、军工、城市地铁与地下空间开发等工程领域具有广泛的应用前景;该成果达到了国际领先水平。

长江科学院水利部岩土重点实验室总工程师周火明教授代表项目组汇报了“水工复杂条件岩体原位试验新技术及其应用”的研究成果。该项课题针对大型水利水电工程高应力及复杂地质条件岩体力学特性,运用工程地质、水工结构、岩石力学等多学科方法对水工复杂条件岩体原位试验新技术开展系统研究,历经10多年的研发与工程应用积累,取得了丰富成果。项目组首次提出了复杂应力路径岩体原位真三轴试验方法,研发了高压真三轴岩体全过程控制原位试验技术;首次提出了伺服控制与滚轴丝杠组合式、气—液恒定稳压加载方法,研发了高应力复杂路径岩体蠕变试验技术;首次研发了岩体原位三轴试验CT测试方法与技术;研发了岩体高压刚性承压板中心孔法变形试验技术、岩体及结构面高压直剪全过程控制原位试验技术、柱状节理玄武岩原位大比尺模型综合试验技术、软岩-桩复合地基原位模型试验技术,构成了高应力条件下宏细观方法相结合的岩体加卸荷原位试验系列技术与方法。研究成果解决了白鹤滩柱状节理玄武岩高拱坝适宜性、锦屏高应力条件岩体力学参数取值、乌东德和丹巴水电站深埋软岩成洞特性、构皮滩超高垂直升船机地基长期变形特性等工程关键技术难题。

基于高围压、软硬岩全尺寸CCS滚刀贯入和线性切割试验及数值实验,揭示了破岩过程裂隙网络扩展演化规律、破坏模式和围压对滚刀法向力、滚动力及破岩效率的影响规律;基于滚刀-刮刀联合破岩过程模拟,揭示了复合地层TBM破岩机理,并提出了复合地层TBM掘进的适应性设计准则和掘进参数设计。建立了典型TBM工程的掘进数据库,基于此建立了TBM掘进性能预测模型和岩体可掘性评价理论。

这是世代传承的六十年,也是创新发展的六十年。在党和国家领导人、地方及中国科学院历任领导的深切关怀下,历届所领导、几代科技工作者接续奋斗,武汉岩土所逐渐成长为中国岩土力学与工程研究领域的重要力量,在学科建立与发展的过程中写下了辉煌篇章!

鉴定委员会专家认真听取了汇报,经详细咨询与充分讨论,认为项目研究方法系统,成果丰富,创新性强,引领了我国水工复杂条件下岩体原位试验方法的发展;研究成果在多个大型水利水电工程中获得了成功应用,产生了显著的社会和经济效益,具有广阔的应用前景。委员会专家一致认为研究成果总体上达到国际领先水平。

揭示了TBM掘进高应力软弱围岩损伤扩容-破裂碎胀挤压大变形机理,建立了描述破裂碎胀挤压大变形过程的本构模型和裂隙扩展准则;揭示了围岩与护盾作用的摩擦-接触机制及卡机灾害孕育发生机理,建立了卡机状态判别准则;提出了基于有限元-离散元耦合方法和数值流形方法的挤压大变形及卡机灾害分析预测方法。

诞生成长 工程建设带动学科发展

新豪天地登录网址,提出了TBM穿越复杂地质条件下软岩挤压大变形、断层破碎带坍塌失稳、突涌水和岩爆灾害风险等级划分方法。针对不同灾害类型和风险等级,提出了以超前加固、TBM扩挖、掘进参数调整和分步联合支护为核心的成套防控、脱困技术。

武汉岩土所诞生于国家建设的时期,成长于科技兴国的时代。

建立了TBM掘进过程岩-机作用信息(包括刀具受力、刀具磨损、刀盘振动、围岩与护盾作用信息)实时监测系统,实现了TBM岩-机作用无人值守自动监测、数据共享和远程控制。对采集的岩-机相互作用多源信息进行数据挖掘和智能学习,建立了岩体力学参数与TBM机械电液参数间的融合互馈机制及其映射关系,为不同地质条件下TBM掘进过程信息化施工、优化决策与智能控制的提供支撑条件。

1958年,在陈宗基的推动下,中国科学院根据当时国家建设发展的需要筹建了“中国科学院武汉力学研究所”。

研究工作得到国家“973”计划项目“深部复合地层TBM与围压的相互作用机理及安全控制”(2014CB046900)、“TBM安全高效掘进全过程信息化智能控制与支撑软件基础研究”(2015CB058100)及国家自然科学基金项目(41130742,41602326)等资助。成果发表在该领域主流期刊Rock Mechanics and Rock EngineeringTunneling and Underground Space Technology 和《岩石力学与工程学报》等,申请多项发明专利,对TBM设备选型、设计制造和掘进施工具有重要指导意义。研究成果应用于LXB引水隧洞、吉林引松工程、山西中部引黄工程、引汉济渭秦岭隧道、兰州市水源地引水工程、新疆ABH引水工程等国内跨流域调水工程和大瑞铁路高黎贡山TBM隧道,取得显著社会经济效益。

初期,研究所几经更名。1961年年底,中国科学院为了贯彻党和国家提出的“调整、巩固、充实、提高”的八字方针,决定将武汉力学研究所、武汉机械所、广州力学研究所筹备人员,合并建立“中南力学研究所”。

论文链接:1234

此后,研究所又先后更名为“中国科学院武汉岩石力学研究所”“中国科学院岩体土力学研究所”“中国科学院湖北岩体土力学研究所”“中国科学院武汉岩体土力学研究所”。1985年改为现名“中国科学院武汉岩土力学研究所”。

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尽管几经更名,武汉岩土所科研人员追求工程与学科齐头并进的初心,却未曾有过丝毫更改。

TBM破岩机理试验与高围压线性切割破岩试验结果

1966年,武汉岩土所依托大冶铁矿边坡工程稳定性研究,最早在国内系统开展现场大规模岩石力学试验,被誉为岩石力学研究领域的“黄埔军校”。

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1972年,陈宗基对葛洲坝工程原设计方案提出了根本性的修改建议,1981年到中南海专程汇报,为大江成功截流提供关键性意见。陈宗基率先提出了土骨架结构理论、岩土流变的试验方法和技术,得到国际上广泛认同和推广,并写入教科书。

TBM掘进性能预测模型

中国工程院院士葛修润是我国最早将有限元法引入岩体工程的学者之一。2001年他提出的“无压容器”保护方案被采用,创造性地修建了世界上唯一在水深40米处的白鹤梁水下博物馆。

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这一时期,袁建新、朱维申、朱瑞赓等一批科研工作者为学科发展作出突出贡献,研究所先后获得国家科技进步奖特等奖、全国科学大会奖、中国科学院重大成果奖等22项,成为中国岩土力学学科的开拓者和实践者。

TBM掘进挤压大变形卡机FDEM数值模拟方法

进入20世纪80年代,伴随改革开放,迎来“科学的春天”,武汉岩土所在岩土力学基本理论、计算方法、测试技术及装备研发等方面取得了显著的成绩,引领了国内本学科的发展,取得了近百项国家、省部级的科技成果。

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南水北调、西电东送、西气东输、青藏铁路等许多耳熟能详的国家大工程里,都有武汉岩土所的身影。这不仅为该所的发展壮大奠定了坚实基础,还培养造就了一批我国岩土力学界的拔尖人才,使其成长为国家创新与发展的中坚力量。

TBM掘进岩-机相互作用实时监测系统

知识创新 学科布局调整释放科研活力

1998年初,党中央、国务院批准中国科学院实施知识创新工程,建立国家创新体系的序幕徐徐拉开。

2002年3月,武汉岩土所进入中国科学院知识创新工程试点行列,由此开始了大规模的布局调整。

根据世界科技前沿发展态势和国家工程建设重大需求,进一步凝练学科发展目标。调整后的武汉岩土所,释放出新的科研活力,解决了涉及水电、矿山、能源、市政交通、海洋与环境等领域工程建设中的一系列关键难题,取得一大批科研成果,先后获得国家科技进步奖励20项。

在重大工程灾害防控方面,研究所围绕国家“一带一路”倡议和西部大开发战略,针对西部地区重大工程建设与运营中面临的“岩爆、冻害、震害、大变形”等灾害的严峻挑战,提出边坡三维严格极限平衡理论方法,研发了地应力测井机器人等国际领先的方法和技术;自主研发岩爆微震实时检测方法与预警系统,为岩爆装上“听诊器”,成功解决锦屏水电站、巴基斯坦N-J水电站深埋引水隧洞的安全施工问题,并用于川藏铁路等深埋隧道工程;提出灾害环境下地下工程稳定性控制的分析理论、建造与处治技术,在三峡、白鹤滩等水电站地下洞室群和西藏扎墨公路、港珠澳大桥拱北海关隧道等国家重难点工程中应用;提出我国西部地区边坡灾害防治措施技术,应用于沪蓉西高速公路、汶川地震青川等边坡工程的灾害治理;提出高速铁路线下工程运营健康监测诊断技术标准,解决了武广高铁、石武高铁和沪昆高铁等客运专线安全运营中的难题,并应用于杭州湾跨海大桥、湖北襄荆、襄十高速公路等交通工程。

在资源与能源高效开发方面,研究所围绕国家能源安全战略中石油天然气战略储备需要,提出盐岩地下储气方案,研发出超深地层超大储气库建库技术,参与亚洲第一座盐穴储气库——金坛储气库技术攻关,造腔技术已在全国推广。围绕国家清洁能源发展战略,提出核电工程基础岩土参数评价及爆破施工安全控制技术标准,应用于我国近期建设的所有11个核电工程中。

在海洋与生态环境保护方面,研究所围绕海洋强国战略,开展岛礁建设研究,在岛礁地基基础处理和生态成岛技术上取得突破;围绕中国节能减排的国际义务和国家规划,率先建成我国最先进、最完善的二氧化碳地质封存测试平台,编写科技部碳捕集、利用与封存“十三五”规划,参与亚洲首个全流程碳封存项目——神华鄂尔多斯CCUS示范工程建设;围绕美丽中国战略和长江经济带建设,针对垃圾填埋场渗漏引发的重大环境灾害问题,实现填埋场灾变从“被动治理”到“主动调控”的突破,成果应用于国内130多个垃圾填埋场。

率先引领 把成果写在祖国大地上

2014年,为了适应新的改革形势和发展要求,中国科学院将办院方针调整为“三个面向”“四个率先”。为此,武汉岩土所进一步明确了“任务带动学科、基础促进应用、技术服务工程”的创新发展思路。聚焦岩土力学与工程的应用基础研究,致力于重大工程安全与灾害控制、深部资源及能源高效安全开发、废弃物地质处置和利用等方面的基础性、战略性、前瞻性工作。

在优势学科和国家、社会发展需求的基础上,研究所凝练出了三个重大突破——“深部硬岩工程的灾害与控制”“边坡失稳灾害与防治”“重大土工构筑物破坏与保障”,五个重点培育方向——“地下空间开发与灾害控制”“盐岩油气储备与非常规油气开发”“二氧化碳地质利用与封存稳定”“岛礁工程稳定与评价”和“岩体工程动力安全与评价”。

目前,武汉岩土所已经形成科研、管理、支撑、产业四大组织架构,大幅提升了研究所科技创新能力,培养了一批国家杰出青年基金获得者、长江学者计划入选者、万人计划等高层次人才,形成了一支以院士领衔,将帅人才领军,素质优良、规模适度、结构合理、适应需求、具有国际竞争力的科技创新队伍,是我国岩土力学创新人才重要培养基地,为国家和社会输送了大批专业人才。

研究所全面加强党的建设,认真落实党委主体责任,以改革引领前进方向,以发展凝心聚力,围绕中心、服务中心,不断深化创新文化建设和精神文明建设,涌现了一批全国先进工作者、全国五一劳动奖章获得者、省级劳动模范和中科院、省级优秀党员,持续保持省级“党建工作先进单位”和省级“文明单位”等荣誉称号。

回首武汉岩土所刚刚走过的六十年,一道道关乎国计民生的工程难题,仿佛仍在案头辗转萦绕;一个个上下求索的岩土所人身影,似乎仍在星河大地间探索前行;一项项十年磨一剑的创新成果,如同功成一刻令人欢欣沸腾。

武汉岩土所的创新发展思路,在这六十年间沉淀成型——“服务于国民经济主战场的重大工程需求,创新为民”的初心不改,“任务带动学科、基础促进应用、技术服务工程”的理念不变。

雄关漫道真如铁,而今迈步从头越。新时代,新梦想,未来,武汉岩土所将聚焦岩土力学与工程国际学科前沿和国家重大战略需求,抢抓机遇,举旗引领,加快推动研究所各项事业改革,朝着国际一流研究机构砥砺奋进,为服务国民经济主战场重大任务和学科发展做出更大贡献,再创辉煌。

(原载于《中国科学报》 2018-11-05 第1版 要闻)

编辑:科学研究 本文来源:砥砺共前行,武汉岩土所TBM安全高效掘进与智能

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