详情
开展灾害风险评估与控制 为地下空间开发保驾护航——中国矿业大学岩石力学与工程研究所王迎超教授
2020-08-28
中国矿业大学岩石力学与工程研究所所长王迎超教授长期从事隧道及地下工程地质灾害发生机理与风险预测及控制的研究工作，主持完成国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、高等学校博士学科点专项科研基金、中国博士后科学基金、江苏省博士后科学基金、徐州市重点研发计划项目、中央高校基本科研业务费专项资金等20余项科研课题，围绕隧道及地下工程软弱围岩渐进性破坏及突水突泥灾变演化问题进行了深入研究，自主研制了降雨及地下水渗流下隧道塌方模拟新装置，揭示了渗流下隧道围岩失稳机理；发明了深长隧道突水突泥模拟试验方法，探索了突水灾变演化规律及临突判据；发展了隧道及地下工程数值模拟方法，建立了地下工程灾害风险预测预警体系及控制方法。
1 自主研发3套物理模拟试验装置
自主研发了3种试验装置：模拟降雨及地下水渗流下隧道塌方的模型试验系统（发明专利，ZL201410602956.9），解决了地下水渗流和地表水入渗下隧道突泥塌方的试验模拟问题；一种模拟隧道突水的可视化模拟试验装置（发明专利，ZL201510179803.2），解决了突水过程不可视问题；自主研发了隧道断层破碎岩体变质量渗流可视化模型试验平台（发明专利，ZL201610549967.4），解决了高地应力高水压情况下断层破碎岩体的流失特性模拟难题，揭示了断层突水的时滞规律。上述3种试验装置为研究隧道开挖时复杂应力、水压力及开挖影响等联合作用下岩体的受力、变形和破坏过程，以及水的渗流、突变等宏细观运移规律的模拟和测试奠定了基础，可从理论上分析不同应力场、水压力以及施工扰动对围岩稳定的影响规律。
2 深长岩溶隧道突水灾变演化特征及机理
深长岩溶隧道建设中，突水灾害频发，轻则冲毁器具，贻误工期，重则造成人员伤亡和重大经济损失。其根本原因在于缺乏有效的研究手段，致使对突水灾变演化过程认识不清。基于自主研发的模型试验装置，开展了系列岩溶隧道突水的物理模拟试验研究，获得了突水过程中渗流场和应力场的变化规律，揭示了突水不同阶段的动力学特征与防突岩体的渐进失稳破坏机制。基于CFD平台结合UDF编程，建立了岩溶管道内充填颗粒、水和空气的三相耦合数值模型，着重研究了充填介质的非牛顿流体特性，揭示了突水过程中充填岩溶管道内的颗粒流失、水分迁移及渗流特征；通过自主开发程序，建立了地下水作用下破碎岩体充填物颗粒迁移的可视化数值模拟平台，获得了不同充填颗粒级配下固体颗粒的流失特性，揭示了水压、地应力和颗粒大小等因素对充填颗粒流失的影响规律。该成果提出了隧道及地下工程中多相流的数值模拟方法，并通过物理模型试验，研究高地应力、强岩溶条件下的深长隧道突水灾变演化机理与围岩破裂行为，揭示了外载扰动下动态应力场和渗流场的复杂耦合机理。
3 隧道软弱围岩渐进性破坏机理及控制方法
王迎超教授研究了不同地下水渗流条件下隧道软弱围岩失稳全过程，提出不同致灾构造下隧道围岩破坏模式，建立了描述隧道围岩压力拱动态演化模型，同时，揭示了富水隧道压力拱和塌落拱的动态演化规律。揭示了水致弱化规律，获得了不同降雨过程的雨水入渗规律和松散围岩失稳破坏模式。此外，建立了渗流作用下隧道软弱围岩失稳的理论判据，提出了有效控制方法。
该成果主要解决了两大难题：地下水渗流条件下隧道围岩的渐进性演化规律及动态压力拱效应；不同降雨过程的雨水入渗规律以及与围岩变形破坏的关系。该成果提高了对隧道软弱围岩失稳演化过程的认识水平，而且对隧道围岩压力的计算、施工方案和支护型式的合理选择具有重要作用，对于富水隧道涌沙、塌方等灾害的预测预防、过程控制以及隧道合理设计施工技术方案的确定具有重要理论意义和工程实用价值。
4 隧道及地下工程灾害的风险预测预报及系统开发
在隧道及地下工程灾害研究方面，结合大量的隧道及地下工程调研和现场实践工作，形成了隧道及地下工程重大灾害案例库，对灾害地质条件、前兆特征、灾变模式等进行系统的技术总结，构建了地下工程重大灾害案例库网络平台。建立了隧道围岩失稳、突水等灾害风险预测新模型，提出了深埋隧道软弱围岩塌方范围的压力拱预测方法，建立了浅埋隧道围岩失稳的时空预测模型，并开发了隧道塌方灾害智能预测程序。
该成果对于隧道及地下工程重大灾害（塌方、突涌水等）的预测预警与有效控制具有重要现实意义。成果在连云港北固山隧道、福建漳浦县朝阳隧道、宜兴阳灵隧道、云岭隧道等诸多工程中得到很好的应用，产生了较好的经济效益，大大提升了我国复杂城区与工程地质条件下隧道建设的技术水平。
