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交叉创新,开拓地下工程绿色开发与智能建造
发表时间 2018-01-03 09:41 来源 本站原创

  ——清华大学土木水利学院 刘晓丽

  地下工程绿色开发,是指利用循环经济的理念,以低消耗、低排放、高效率为原则对地下空间进行环保的、低污染的、高利用率的开发。地下工程智能建造,是指面向地下工程建设的全生命周期,利用由智能机械和人类专家共同组成的人机一体化系统,通过对地下施工环境的智能化感知、人机交互决策和控制技术,实现地下工程信息化建造。地下工程绿色开发与智能建造是实现地下空间可持续开发利用的必由之路和前沿课题。



刘晓丽教授(右)与美国工程院院士Derek Elsworth 交流

  随着人类对生存空间的需求不断扩大,岩石力学与地下工程施工技术迅猛发展,大跨度地下空间单跨已超50米,深部地下工程开挖深度也已超过3000米。更巨大、更复杂的岩石地下工程还在日益增加,岩石力学的新理论、新方法、新技术亟待发展。

  岩石力学是一门研究岩石在外界因素,如荷载、水流、温度、化学、生物过程变化等作用下的应力、应变、稳定性及工程加固的学科。清华大学土木水利学院刘晓丽课题组通过物理模型试验、理论分析以及数值模拟相结合的途径,针对岩土力学与岩土工程问题,特别是地下工程的开挖,开展了深入细致的研究,取得了一系列创新性研究成果。针对地下发电厂房、地下能源储库、地下水库、深埋长隧洞等四类地下工程的建设实践,通过工程力学、应用数学、岩土力学、物理化学、机械工程等多学科交叉创新,逐步形成了地下工程绿色与智能建造的学术理念,实现了地下大空间的低影响开发,为地下工程的安全、高效、绿色、智能施工提供了完备的理论依据和技术支撑。

  地下厂房洞室群稳定性分析

  水电工程方面,以西北、西南地区的大型水电站和华东、华北、华南、东北等地的高水头抽水蓄能电站为建设重点。这些水电工程面临深埋长隧道、高水头隧道、大断面大跨度地下厂房、不良地质条件等一系列难点。金沙江溪洛渡水电站地下厂房设计的最大跨度达到30m,高度达75m,最大埋深700余米,这些水电站的规模远远超出了现行规范的应用范围。近年来,水工地下洞室的数量和规模都成倍增长。水利水电大型地下洞室群施工是当今地下工程中最复杂的系统工程。刘晓丽课题组针对这一复杂课题开展了大型地下厂房洞室群施工期围岩稳定动态反馈控制分析方法的研究,建立了初始地应力反演算法、围岩力学参数动态识别、不良地质段围岩稳定性实时馈控分析技术及基于施工全过程的地下洞室群动态安全信息模型。充分考虑岩体开挖卸荷、支护加固及新地质出露等多因素的综合影响,将时间效应引入地下洞室群围岩力学参数的动态数值计算,实现了几何参数、力学参数与施工信息动态更新之间的耦合,揭示了围岩力学参数时空特性演化特征。此外,针对地下厂房渗流问题,提出了水岩耦合模型,系统研究了地下厂房施工过程中渗流场演化以及渗控模型。通过分阶段部位施工实时优化,实现了地下厂房的小扰动开挖,使围岩损伤区大大缩小,减少了锚固等支护措施的实施。

  地下能源储库建设

  实施国家战略能源贮存是我国国民经济可持续发展的重要保障。深部能源战略储存也是我国必须开展,同时又是富有挑战性的综合性研究课题,其中深部地下空间开挖稳定性评估和可靠性研究是该研究课题的核心内容。地下水封储库储存理论源于对天然油气的储藏。地下水封储库一般修建在岩性好的岩层中,或者在施工中通过灌浆改善的岩体中,同时要有充足的地下水源。从H.Jansson教授提出地下不衬砌洞室水封储气技术专利以来,国外许多国家在此方面投入了大量的人力和物力,由此,地下水封洞库储存理论得到了很大的发展。

  地下水封洞库储存理论的发展很大程度上得益于实践设计和运行经验。当地下水补给不充足时,在洞库围岩中布设水幕巷道和水幕钻孔,通过向钻孔中注水并渗入岩体孔隙及裂隙,来保持地下水位稳定,保证洞库的水封条件。水幕的具体形式很大程度上受地质条件决定,一般在洞室上部修建水平水幕洞。在20世纪70年代人们对世界上运行的地下储气库进行评估指出:在有水封幕的情况下,储库没有发现气体泄漏,对于成功的储洞来讲,储洞内的压力不能超过围岩中的水压力;而无水帘幕的储洞则易出现泄漏情况。

  刘晓丽研究团队长期面向国民经济主战场,产学研用相结合,十余年来致力于大型地下水封能源储库水力特性和安全控制方面的研究,在地下水封能源储库设计与安全控制方面,研究成果达到国际领先水平。以黄岛国家石油储备地下水封洞库工程为项目背景,在充分考虑裂隙岩体不均匀、不连续、非线性渗流特性的基础上,采用理论分析、现场勘测、原位试验相结合的方法,对地下储油洞库裂隙岩体渗流特性及水幕系统设计理论进行深入研究,并形成一套系统的水幕设计标准,在满足储油洞库密闭性要求的同时,降低工程成本、减少环境影响,为水封储油洞库的设计提供了可靠的理论依据和技术保证。

  从“地上水库”到“地下水库”

  位于内蒙古省的鄂尔多斯是个干旱缺水的地区,水资源对鄂尔多斯来说是极其宝贵的。然而,缺水的鄂尔多斯却拥有着丰富的煤矿资源,开采业的繁荣支撑了一代代人在这里繁衍生息。

  在煤矿开采过程中会破坏煤层及上下岩层,贮存于其间的地下水系统便会遭到破坏。水资源不断渗流到开采空间,轻则影响开采过程,重则发生重大突水事故,威胁煤矿工人安全。传统做法是将地下水外排到地表。鄂尔多斯所在的西北地区水蒸发量是降水量的6倍以上,上述做法无疑是对宝贵的地下水资源极大的浪费。水资源的短缺不但威胁着人的生活,也严重影响了地区的生态环境。

  为实施保水开采,把煤层开采的厚度大大减少,尽量防止煤层上下层岩石的破坏,这样虽然把水继续保存在地下,但却是以大量煤炭资源为代价。一方面是作为国家重要经济支柱之一的煤炭资源,一方面是关系国计民生的水资源,二者如何协调开采成为一大难题。



刘晓丽教授作大会学术报告

  刘晓丽研究团队与神华集团合作,首次提出了煤矿地下水库的理念。“开采过程中含水层中的水必定会大量涌进采空区,在地下建立大坝和水库,就可以把水截住并存留在地下”。这一想法遭到了老专家和施工方的强烈反对,他们大多认为,水是煤矿的重大威胁,以前的做法都是“排水治灾”,现在却要“储水致灾”。研究团队大胆创新,小心求证,通过理论推导与数值分析,一步一步反复推导,尝试无数次实验,最终将想法变成现实。建大坝把水截留在地下后,再建设数个分布式地下水库,将它们一一连通,通过水库间的调水,保证了煤炭开采的安全。并且矿井水随着自身在水库间的流动得到净化,在水库中经过多次循环流动后的地下水甚至可以直接饮用,既充分开采了煤炭资源又保护了水资源。世界首座煤矿地下水库示范工程,于2014年建成并开始运行。目前,还有十多个煤矿、岩盐矿等欲实践这项技术和工程。在这项工程设计、建设和运行过程中,研究分析了采动影响下渗流场演化、水岩耦合岩体破坏机理、分布式水库储水机理、地下挡水建筑稳定性、物理模型试验研究等关键科学问题。

  美国工程院院士、宾夕法尼亚州立大学教授Derek Elsworth高度评论了煤矿地下水库技术:“创新地将大量稀缺水资源储存于煤矿地下水库的技术,真正实现了煤炭资源和水资源的协调、安全和高效开发,为煤炭工业可持续发展提供了很好的范例。”

  近8年来,刘晓丽研究团队在“废弃矿山再利用”和“煤矿地下水处置及高效利用”方面一直在不断创新和突破,上述煤矿地下水库工程只是其工程研究中的一部分。此外,2010-2011年,依托辽宁阜新露天煤矿设计了国内首座废弃煤矿抽水蓄能工程,2013-2014年,建成了国内外首个煤矿地下水库水岩耦合大型三维物理模型试验平台(8米×2米×4米)。自2015年起,提出了“煤矿地下水原位净化及分质储用技术”,既在煤矿地下水库建设技术的基础上,对于水质差的煤矿地下水,研发小型模块化净水装备,在地下实现水质净化,并供给生产和生活应用。目前这项技术也正在示范工程实践过程中。

  深埋长隧洞智能掘进

  随着21世纪我国基础设施的大规模建设,西部大开发战略的实施以及世界经济危机以来国家对基础设施建设的投资,我国的铁路、公路、大中型水电站建设以及南水北调、西气东输等工程将有大量的长大隧道需要建设;现代化城市建设中地铁工程、市政工程(排污管、输水管等)、越江隧道也在不断增加。由于掘进机、盾构机隧道施工具体施工速度快、施工环境友好、劳动强度低、长距离隧道施工经济的特点,越来越多的隧道正在或规划采用掘进机施工,我国对掘进机需求量急剧增长。根据相关数据,在2006~2020年的15年间,30余座城市地铁隧道、铁路和公路隧道、石油和水利隧道以及其他城市管道的建设,使我国盾构与TBM的需求量约在750~800台之间。

  我国长距离TBM快速施工技术尚未有成熟的经验可循,尤其是针对长大、特长隧道施工特点,隧道沿线地层岩组复杂,多处于构造复杂的高山地区,施工支洞少,TBM掘进参数与围岩性质相关性不明确、TBM掘进洞内修复难度大等均制约着TBM掘进效率,增加了施工成本且耽误工期。因此在确保隧道施工安全的前提下如何提高TBM施工效率,成为了长大隧道工程亟待解决的技术难题。



刘晓丽教授(前排右)与王思敬院士(前排左)等考察地下工程

  为了实现深埋长隧道安全、高效、绿色、智能开挖,刘晓丽团队研究提出了基于Markov与信息熵法的岩性预测方法,并结合工程勘察资料,对隧道围岩分级进行初步确定;发展了断层及不良地质体反演方法,结合工程勘察资料,对隧道沿线不良地质情况进行初步确定;结合现场及室内试验,提出了岩体力学参数的确定方法;建立了隧道全信息(岩体类别、岩性、不良地质体、参数)3D可视化平台,实现了虚拟现实展示。通过研究由超前探测和施工监测数据实时反演地质变化的方法,实现了隧道全信息3D成像,建立三维计算模型,结合已知探测与监测信息,进行了计算与监测耦联模型的计算。利用建立的隧道全寿命周期风险评估模型,对工程各阶段进行风险评估,并根据风险评估结果提出了优化施工方法。在此基础上,分阶段提出了岩石机械钻进智能化试验系统的研制,设计出国际上首个岩石机械钻进智能化试验系统,并在室内和现场尺度进行试验系统的优化。开发了大口径岩石机械钻进智能化装备及智能控制系统,在现有大口径岩石机械钻进装备的基础上,重点研发装备的智能化,特别是根据岩-机作用过程的实时感知,智能地反馈确定钻进参数,对钻进过程进行自动化智能控制。在此基础上,研发可根据钻进过程反馈的智能化控制系统。此外,提出了辅助破岩方法和系统,特别是对水力割缝、激光切割、微波破岩等辅助破岩手段实施的关键技术进行深入研究,并对其搭载方式进行优化。

  关键科学问题与关键技术问题

  刘晓丽及其团队近年来获包括国家科技进步奖二等奖(第8)等奖项4项;发表学术论文80余篇,其中国际期刊论文20余篇,应邀出版专著1部。2015年,刘晓丽还得到国家优秀青年科学基金项目的资助——“岩土力学与岩土工程”。

  目前我国国家战略提出需建立支撑可持续发展的能源资源环境技术体系,加强南水北调、三峡等重大水利工程建设与安全保障技术研发,这些重大工程则需要工程安全控制及评价技术、非常规水资源利用关键技术、煤矿地下水库技术等的发展。基于此,研究团队提炼出“水岩作用及其多尺度效应的研究”这一方向,针对岩石材料的连续和非连续状态、多尺度特性,围绕“复杂条件下多尺度水岩系统模型”和“水岩系统的过程演化与耦合机制”这两个关键科学问题,提出“水岩作用系统”概念。在此基础上,已开展了三个层面的研究——多尺度水岩耦合系统的过程演化研究、开挖扰动条件水岩耦合作用机制研究和水岩耦合作用岩土介质破坏过程研究。

  据统计,90%以上的岩体边坡破坏、60%矿井事故、30%~40%的水利水电工程大坝失事都与水岩耦合作用有关,即地质体系统(应力场)与地下流体系统(渗流场)相互联系、相互作用。刘晓丽自2001年攻读硕士学位以来就开始了水岩耦合机理及分析方法的研究工作,但由于地下岩土中各种过程的任意性和不确定性,使得水岩耦合问题的研究变得复杂和极具挑战性。通过物理模型试验、理论分析以及数值模拟相结合等途径,他针对岩土介质的非均质和各向异性等特点,围绕水岩耦合及其多尺度特性开展了深入而细致的研究,并取得了一系列创新性研究成果。

  在多尺度水岩耦合系统的过程演化研究中,他提出“多尺度岩体结构数字化描述方法”,解决了地质体结构多尺度间的内在联系(即尺度关联)难题,发表相关论文被SCI检索收录5篇、EI检索8篇,获1项软件著作权、岩石力学与工程学会优秀博士学位论文奖和水力学会大禹奖,并多次收到学术大会的特邀报告邀请;他提出的“数字岩体模型构建方法及数值模拟技术”,解决了数据不完备的地质系统与理论严密的精细力学模型和数值计算方法之间的相互脱节问题。其次,他发展了宏细观多尺度数字岩体模型及其工程特性评价方法。基于数字岩体模型,他首次提出了水岩作用分析的表征单元体概念,并应用水岩作用模型,采用水岩表征单元体分析了大坝上抬现象。此外,他建立的多尺度水岩耦合系统的过程演化理论与数学模型完善了有效应力原理,使物理意义更明晰,耦合机制更全面。

  在开挖扰动条件下水岩耦合作用机制研究中,他根据围岩渐进破坏过程与渗透空间结构变异的关系,建立了大型水岩耦合试验平台。Derek Elsworth院士访问清华期间参观了这个试验平台,他在交流中说:“这简直是一项不可能完成的任务,新平台、新材料、新工艺、新开挖方式,我期待它表现卓越。”另外,刘晓丽还发现了裂隙岩体多流态地下水渗流变化特征,围绕此研究发表的论文被SCI检索收录6篇、 EI检索5篇,申请专利4项,软件著作权1项,并获国家科技进步二等奖;不仅如此,他还揭示了水岩作用系统中裂隙自愈合的作用机制,实验结果证明水岩系统具有自愈合能力,这一点对于理解开挖扰动引起的损伤发展具有重要意义。

  在水岩耦合作用下岩土介质破坏过程研究中,他提出了水力驱动裂纹萌生和扩展的模式,获工程地质分会谷德振青年科技奖;此外,他建立了水力劈裂过程的连续-非连续数值模型,提出的MCZM (Multiscale Conhesive Zone Model) 和IPFEM(Immersed Particle FEM)方法有效地解决了强渗压作用下强固结和弱固结介质水力破坏过程难以表征的难题。

  目前,刘晓丽团队的研究成果已在多个重大水利工程中得到应用,为水库蓄水过程大坝工程及库区边坡稳定性分析提供了理论依据和技术支撑。未来,他计划围绕“动静组合载荷下水岩系统超孔隙水压力响应及致裂机制”和“水力多尺度裂纹扩展和多流态渗流评价与控制原理”这两个岩土力学与岩土工程中的关键科学问题开展研究。



刘晓丽教授(前排左一)研究团队及神华集团合作者

  刘晓丽及其研究团队的研究领域涉及到水利水电工程建设、资源和能源的开采与开发、核废料地质处置的环境风险评价等方面,一直以来也都是国际岩石力学领域研究的热点和难点。在传统水岩耦合问题研究中,通常考虑静力作用或拟静力作用下应力与渗流的相互作用,但在实际工程中,静力载荷(岩石赋存环境,如地应力等)和动力载荷(外部扰动载荷,如地震或爆破等)是共存的,只有研究动静组合载荷作用下水岩耦合作用机制才能真实反映实际工程中水岩耦合系统的工程行为。但是,相关研究工作还很匮乏。

  研究团队拟从动静组合载荷下水岩系统超孔隙水压力响应、超孔隙水压力致裂机制研究、动静组合载荷下水力致裂控制理论三个方面开展动静组合载荷作用下水岩系统超孔隙水压力响应及致裂机制研究。他致力于揭示动静组合载荷下岩体超孔隙水压力的产生机制,建立动静组合载荷下渗流流态识别和水力致裂分析方法,形成一套动静组合载荷下工程水岩耦合稳定性分析测试手段和安全控制技术,拓展和丰富水岩作用过程演化的理论和内容。这无疑对于丰富水岩多物理场理论、研发新型水岩系统试验平台和设备、评价水岩系统相关的岩石或岩土工程稳定性,产生重要的科学意义和工程应用价值。