软硬不均地层盾构隧道荷载模式研究

系统考虑隧道埋深、滑移面形式、侧压力系数与地层的关联,提出一种适用于软硬不均地层的盾构隧道荷载模式。对于浅埋隧道,基于椭球体理论推导极限状态下滑移面为椭圆的侧压力系数及竖向松动土压力表达式,并构建力学平衡方程推导侧压力计算式;对于深埋隧道,考虑软硬不均地层突变性并对太沙基理论滑移面宽度进行合理修正,推导对应的围岩压力计算式;再结合软硬不均地层分界线位于隧道水平中线上方、下方2类典型工况,推导出隧底反力表达式;最后结合工程实例对所提荷载模式进行验证。结果表明:与修正惯用法荷载体系相比,所提方法得到的软土-硬土隧道顶部、下半拱竖向土压力与实测值的误差分别缩小74%和172%;相较于软土-硬土隧道,该方法应用于土层-岩层隧道时,计算得到的下半拱竖向土压力、隧底侧向土压力与实测值的误差更小,即所提荷载计算模式更符合隧道实际受荷状态,且当隧道埋深与开挖直径之比较大以及下部地层越坚硬时,其适用性越强。

极高地应力硬岩隧道变形规律及施工优化研究

依托重庆市巫镇高速宝山隧道工程,采用数值模拟方法开展极高地应力无仰拱硬岩隧道的变形规律和施工优化研究,对不同施工工法、施工步距进行了比选。研究表明:1)不同施工工法隧道变形规律基本一致,竖向位移大于水平位移且基底隆起较拱顶沉降更明显,全断面法施工隧道变形收敛速度最快;2)不同施工工法均为基底应力释放程度最大,释放后基底应力仅为初始的55%,且全断面法拱脚处应力集中范围最小;3)隧道周围的岩体以拉伸破坏为主,部分位置存在剪切破坏,施工工法对塑性区的水平影响范围有限;4)该隧道选用全断面法施工可行且较经济。全断面法不同施工步距变形及应力分布基本规律相同,施工步距越大,水平竖向位移越大,拱脚处应力集中越显著,最小主应力值也越大,综合考虑现场施工建设速度、变形收敛情况、应力分布状态,采用1.6 m步距较经济合理。

中国式学校体育现代化中的“五育并举”

历经四个发展阶段,党的教育方针从德、智、体“三育全面发展”拓展成德、智、体、美、劳“五育并举”,这是中国教育在新时代面对人才培养的现实主题,是应对新征程中国教育的发展要求而进行的目标拓展和改革举措。研究发现,从中国式学校体育现代化的视角来看,“五育”中的体育是一个极具特殊性的教育和学科,它在功能上与德育、智育、美育及劳动教育有着深刻内在的结构性联系,因此它具有与其他“四育”可以深入融合共育的广泛可能性。鉴于推进“五育并举”过程中会遇到的结构性障碍与困难,分别提出了体育与其他“四育”并举并进的途径与方法,推进体育成为“五育并举”的主渠道、主战场和主力军。

盾尾注浆材料硬化特性对隧道和地层力学响应影响的有限元模拟研究

为了探究注浆材料硬化和注浆压力的消散过程对软土地层和隧道衬砌受力变形的影响,以青岛某地铁隧道为背景,考虑盾构机与土体相互作用、衬砌-注浆层-土体相互作用,以及注浆材料硬化和注浆压力消散过程,基于ABAQUS有限元平台建立了盾构施工精细化的有限元数值仿真模型,并利用实测地层沉降和隧道衬砌的收敛变形验证了数值模型的合理性。同时,对注浆材料初凝时间分别为0、2、6、12 h的数值模型进行了计算,获得了地层和隧道衬砌受力变形随注浆材料硬化过程的发展规律,以及注浆材料硬化特性对地层和隧道衬砌受力变形的影响规律。模拟结果表明:盾尾注浆8 h以内,地层的沉降和水平位移以及隧道衬砌的围岩压力和内力增加显著,注浆时间超过8 h后增加变得缓慢;注浆材料的初凝时间越长,地表沉降、地层水平位移和竖向位移则越大;衬砌拱顶和拱腰的径向收敛越大,拱底径向收敛则越小;衬砌的轴力和弯矩在注浆8 h以内增加显著。

高压富水硬岩地层双护盾TBM前置式超前注浆堵水技术研究

晋中引黄输水隧洞双护盾TBM施工穿越高压富水裂隙,掌子面高压大流量突涌水严重,采用常规后置式超前注浆技术对掌子面突涌水进行超前处置效果不佳,主要原因是受外插角影响,采用常规后置式超前注浆存在注浆目标区域受限、钻探效率低、超前注浆控制难度大等问题,难以形成有效的止水帷幕结构。对隧洞水文地质条件、突涌水情况及超前注浆技术进行系统研究分析,提出双护盾TBM前置式超前注浆堵水工艺,通过优化注浆设备,在掌子面处实施超前注浆堵水。开展现场注浆试验,对坚硬岩面钻孔施工、注浆材料、注浆参数控制及注浆段长优化等技术进行研究,并根据现场试验信息,不断优化注浆设备及工艺。通过对晋中引黄输水隧洞实施前置式超前注浆堵水技术,洞内平均出水量降至3 702m~3/d,降幅达75.9%,同时在一定程度上提高了TBM施工效率。实践证明该技术方法有效。

三峡蓄水以来葛洲坝下中华鲟产卵场河床质特征变化规律

为探究葛洲坝下中华鲟(Acipenser sinensis)产卵场的河床质特征变化规律,研究基于水声学和水下视频影像分析三峡蓄水以来现有数据(2004—2020年),研究底质表观特征与水声学特征的相关性,分析产卵场底质特征变化及其原因。结果表明:(1)硬度、粗糙度和分形维数分别与河床质充塞度、粒径和主要组成相关;(2)葛洲坝下中华鲟产卵场河床底质特征参数在2004—2020年发生了明显的变化,硬度、粗糙度和分形维数三种特征均值在2004—2012年均呈现先增加后减少的趋势(P<0.01),在2012—2019年均显著增加(P<0.01),在2019—2020年显著减少(P<0.01);(3)产卵场含沙的底质比例在2004—2008年减少33.08%,在2008—2012年增加12.69%,在2012—2015年减少33.83%,此后其持续减少至2019年,在2019—2020年增加39.37%,期间的底质变化可能与三峡蓄水、泥沙调度、新修水坝的蓄水运行及期间发生的洪水有较大关联,且中华鲟的自然繁殖活动明显受河床质变化影响。研究结果为葛洲坝下中华鲟产卵场河床质的推演和产卵场的恢复与重建提供基础数据。

上软下硬地层隧道盾构施工地表沉降影响因素及规律研究

为研究盾构隧道穿越上软下硬地层时,开挖面内不同土岩厚度比对地表沉降的影响,以贵阳轨道交通3号线某区间隧道为工程背景,保持隧道埋深和双线隧道间距不变,建立7种工况下的三维有限元模型,通过与实测数据对比分析得到沉降规律,并利用双线隧道的44组地表沉降数据,拟合出适用于当地复合地层的Peck分段公式。研究结果表明:从整体看,数值模拟的沉降曲线均为W形,地表最大沉降位于先行隧道上方;穿越红黏土层时地表更易受到扰动而产生不均匀沉降,随着土岩厚度比的减小,模拟曲线对称性增强,左右隧道的沉降差缩小,整体沉降值基本表现为减小趋势;总结土岩厚度比与修正系数的关系,图表显示Peck分段公式能较好地预测贵阳上软下硬地层的沉降规律。

自然崩落法采区地压活动控制技术研究

某铜矿自然崩落法矿山自生产以来底部结构反复受压,造成巷道破坏,为生产带来极大困扰。矿山针对不同的来压情况及破坏形式进行支护试验,并利用沉降观测、微震监测和应力监测等手段对底部结构围岩、支护结构进行监测。经过现场支护试验研究与现场监测,发现断层带最有效的支护方式是刚柔并济,并从超前支护、控制拉底推进线、控制出矿等方面总结出了采场地压活动控制技术。该方法对底部结构地压活动控制具有指导性意义,可为自然崩落法矿山或地压较大的矿山提供参考。

上软下硬复合地层盾构渣土改良试验研究

土压平衡盾构穿越上软下硬复合地层时存在刀盘“结泥饼”、排渣不畅和刀具磨损等难题。针对以上问题,以粉质黏土-全风化花岗岩复合地层为研究对象,基于渣土改良剂的地层适应性和性能测试开展不同地层渣土改良室内试验。研究泡沫剂和膨润土泥浆等渣土改良剂及其改良方法对上软下硬地层的改良效果,以获得土压平衡盾构在复合地层中的渣土改良方案及改良剂合理添加比。结果表明:(1)采用浓度为3%的泡沫剂溶液和配合比1∶8的膨润土泥浆进行联合改良可获得良好效果;(2)粉质黏土地层采用泡沫剂进行改良,渣土坍落度随泡沫添加比增加而增大,抗剪强度、黏聚力、内摩擦角和渗透系数随之减小,改良剂合理添加比为19.7%~22.8%;(3)全风化花岗岩地层采用泡沫剂和膨润土泥浆进行联合改良,可有效改善渣土流塑性和抗渗性,当采用全泡沫改良时,合理添加比为22.2%~28.7%,当采用泡沫与膨润土泥浆联合改良时,合理添加比为24.3%~31.5%。现场应用及施工效果反馈表明,采用以上改良方案可有效改善渣土流塑性,盾构推力、刀盘扭矩以及刀具磨损均有显著改善。

厚硬顶板地面水力致裂防治冲击地压技术研究

针对深部煤矿仅采用局部卸压措施难以有效消除顶板型冲击地压难题,分析了厚硬顶板动静载荷叠加诱冲原理,提出了地面水力压裂改造顶板力源结构防治冲击地压技术,在此基础上,结合文家坡矿4107工作面开采及地质条件,进行地面水力压裂厚硬顶板试验,现场试验结果表明:厚硬顶板悬而不垮提供静载荷基础,突然破断提供动载荷增量,动静载荷叠加突破临界载荷诱发冲击启动;采取地面水力压裂致裂厚硬顶板,地层在压裂液压力的作用下能够大范围破裂,地面压裂缝长301~332 m,缝高50~58 m,缝宽50~60 m;通过人造解放层,降低厚硬顶板的强度和完整性,长梁变短梁,大块变小块。可见,地面水力压裂技术致裂顶板,降低了巷道围岩应力集中程度,保障了工作面顺利回采。

冲击波预裂工艺技术在高地压矿井上覆硬岩层的工程实践

高地压矿井煤层采空后上覆硬岩层容易造成悬顶等动力灾害隐患,常规的治理方式效果欠佳,亟需探索一种新型的工艺技术来实现顶板灾害绿色治理。提出高位定向钻孔+可控冲击波长距离断顶工艺技术,通过专用设备对岩层进行单点多次冲击破碎,进而实现致裂岩层的目的。对某矿顶板坚硬岩层进行先导性试验,设计1个高位定向长钻孔,预裂作业每隔10 m冲击1次,每点冲击10次;采用1个穿层顶板窥视钻孔来检验预裂效果。试验结果表明:愈靠近定向聚能棒裂缝的形态愈发育且呈递减趋势,初步确定上覆岩层的有效预裂半径为10 m。通过效果对比试验证明,该技术在顶板灾害治理中技术可行,值得推广。

上软下硬复合地层地铁竖井支护体系设计分析

暗挖地铁车站施工竖井特点是开挖深度较深,井口平面规整且规模较小。上软下硬复合地层条件下,地铁竖井采用单一支护形式施工难度较大,竖井变形难以控制。为此,以青岛地铁某在建暗挖车站施工竖井为载体,对上软下硬复合地层条件下地铁施工竖井支护体系进行研究。根据竖井周边环境及地质情况,该竖井上部软弱土层采用灌注桩+混凝土环框梁,下部硬岩采用倒挂井壁法进行锚喷支护,该种支护体系为青岛地区首次采用。利用有限元分析竖井变形及监测数据,结果表明,上软下硬复合地层条件下,该支护体系施工难度较小,经济性较好,具有较高应用推广价值。

地面压裂弱化厚硬顶板防治冲击地压技术研究及应用

针对高位厚硬顶板诱发冲击地压的问题,常规卸压手段难以达到区域卸压防治冲击地压的目的,提出地面区域预裂顶板防治冲击地压的方法,分析地面预裂顶板卸压防冲的原理,设计孟村煤矿401102工作面地面压裂防冲方案。现场试验在地面安设地面微震,在井下安设井下微震、地音、应力等监测系统,构建“裂隙场—震动场—应力场”等多场多参量联合监测体系。试验结果表明,地面压裂可有效促进压裂区域高应力集中区能量的释放,对目标岩层弱化改造效果较好。

超高应力区脆性硬岩洞室围岩分类修正研究

技施阶段高-超高地应力区地下洞室围岩分类对定性和定量分析评价围岩稳定性、指导现场设计、施工及支护至关重要。本文以HC法为基础岩体质量基本判据,以新生裂隙、爆破预裂一周后开挖面的残孔率、岩爆破坏深度、岩爆特征等现场可直接获取的定性或定量资料作为修正判据,提出了超高地应力条件下,脆性硬质岩的围岩分类地应力影响修正因素评分表(双江口修正表)、考虑地应力修正的围岩分类判定表(双江口法)和围岩分类步骤。实践证明,双江口法能够提高(超)高应力区脆性硬质岩的围岩分类判定的准确性,可以为支护设计提供更加准确的依据,对其他类似工程有一定的借鉴意义。

同忻矿8311工作面坚硬顶板破断特征与矿压显现规律研究

特厚煤层综放开采是煤炭资源开发中的一项重要课题,其开采过程中存在着一系列的难题,其中最为突出的是顶板破断引发强矿压显现。文章基于同忻矿特厚煤层8311工作面,在关键层理论基础上,采用公式计算的方法得出了坚硬顶板的初次和周期来压步距;采用离散单元软件UDEC模拟煤层开挖,得出了坚硬顶板断裂步距与结构。通过现场矿压监测,分析了坚硬顶板的来压步距、周期来压动载强度和“大小周期”现象,探究了坚硬顶板破断与矿压规律之间的关系,为特厚煤层的安全高效开采提供了有力的理论支撑。

我国城市地下空间盾构法隧道工程技术新进展

基于盾构施工特点,对盾构法施工技术的发展过程和创新进展进行调查研究,总结盾构法施工技术在地铁、市政公路、城市铁路、城市水工隧洞、城市综合管廊等工程中的最新应用,阐述城市盾构法隧道在地质条件多样化、越江跨海常态化、结构断面多元化、地面条件复杂化、隧道结构耐久性等方面面临的技术挑战。介绍超大直径盾构装备、大直径泥水盾构常压换刀、多模盾构、类矩形盾构隧道建造、联络通道机械法施工、软硬极端悬殊地层掘进、富水砂卵石地层土压平衡盾构、地下高地震烈度盾构隧道减隔震抗震和超长距离综合施工等技术创新成果;总结不良地质识别、设备状态实时感知、同步推拼连续掘进、盾构自动驾驶技术、盾构智能化管控平台等盾构智能掘进技术进展;指出城市地下空间建设盾构法隧道工程的发展趋势,地铁隧道、城市道路、综合管廊、城市给排水等设施需要不断更新,并网络化,盾构法隧道技术需要不断发展,盾构法隧道智能化施工需日趋精益。未来盾构装备将朝着“多模式、无刀化、外星化”等多元化,多源信息感知、管片智能拼装、地质探测预报、自主感知掘进决策等智能化以及特大直径、超长距离、超大埋深、超高水压等方向发展。

Development and evaluation of corrosion resistant coating for expandable rock bolt against highly corrosive ground conditions

Expandable rock bolts are widely used in hard rock mines as an efficient ground control product.However, capacity and service life can be significantly reduced if the metallic body is subjected to corrosion.In some hard rock mines in the U.S., highly corrosive ground conditions exist, and it has been reported that inflatable rock bolts have corroded within a few months after installation.To provide mining industry a cost-effective inflatable bolt and combat the corrosion issues, Jennmar Corporation, Inc.,and its subsidiary Keystone Mining Services, LLC(KMS), analyzed corroded bolt samples, identified root causes, evaluated properties of various coating materials, and developed a new inflatable rock bolt,Python M3^(TM), that is protected with an innovative PyFlexU2^(TM)coating.The new generation Python M3^(TM) features improved steel chemistry for reliable performance, modified profile for better inflation, and surface preparation and coating application.The PyFlexU2^(TM)is impervious to liquid and air, durable, and UV resistant.With a flexible, adhesive, and highly corrosion-resistant undercoating, and a very hard sacrificial surface coating, the PyFlexU2^(TM)coating system provides the Python M3^(TM)superior protection against chemical corrosion and physical scratch damage.The under-coating has exceptional flexibility and adhesion to prevent coating micro-cracks or fractures after bolt inflation and possesses excellent corrosion resistance to acids(pH < 3), alkalis(p H > 11), fuels, and salt solvents.The corrosion and scratch resistant PyFlexU2^(TM)coating offers very effective bolt protection for extra longevity in highly corrosive environments.The Python M3^(TM)coated with PyFlexU2^(TM)has been tested in the most challenging conditions,including laboratory corrosion tests in extreme acidic and basic solvents, rock slurry, and borehole scratch insertion tests.With demonstrated corrosion and scratch resistance, the product has been greatly welcomed by hard rock mines in the West and is currently installed in large scale.This paper identifies the root causes of the bolt corrosion, discusses the analysis process, and details laboratory and underground tests carried out on the Python M3^(TM)coated with PyFlexU2^(TM).The Python M3^(TM)and PyFlexU2^(TM) are subjects covered by pending U.S.Patent Applications assigned to FCI Holdings Delaware, LLC.

坚硬顶板复合爆破定向造缝技术及工程应用

造缝切顶是改变坚硬岩层破断运移规律,进而控制采场强矿压的有效手段。为了实现定向、弱扰动、大间距的造缝切顶,开发了一种坚硬顶板复合爆破定向造缝技术。在系统性的介绍该技术关键设备——高能射孔枪的结构组成的基础上,分析了复合爆破定向造缝切顶的工艺流程;基于AUTODYN数值计算软件,阐明了基于聚能射流和高压劈裂的复合爆破定向成缝机制;采用LS-DYNA软件构建了聚能射流及高压劈裂数值模型,优化了射孔弹尺寸及助推剂用量;开展了坚硬顶板复合爆破定向造缝地面实验,揭示了相邻孔间裂缝扩展延伸特征,验证了射孔弹尺寸和助推剂用量的合理性;在塔山煤矿8311工作面进行了坚硬顶板复合爆破造缝切顶工业实验,监测了8311工作面推进过程中2312临空巷道煤柱不同深度的垂直应力峰值,得出如下结论:(1)复合爆破技术定向造缝机制是聚能射流冲击岩石侵彻面上形成的压力远大于岩石的强度,造成岩石发生破碎,形成定向孔道;二次爆燃产生的高压气体进入射孔孔道内,在“气楔”作用下沿着孔道形成连续平整的裂隙面。(2)在射孔弹口径为40 mm、助推剂为4片时,复合爆破定向造缝技术可以实现1.5 m钻孔间距下中粒砂岩层劈裂。(3)现场实测表明,在采用复合爆破定向造缝技术后临空巷道煤柱的垂直应力峰值平均降低31%,有效的控制了巷道矿压。

浅埋薄表土层特厚煤层强制放顶条件下主要地裂缝演化规律实测

黄河流域是我国重要的生态屏障,也是我国重要煤炭基地集中区,生态保护与煤炭开采矛盾在此处异常突出。晋北煤炭基地具有典型浅埋薄表土层特厚煤层坚硬顶板的埋藏条件普遍采用强制放顶技术进行煤炭资源生产,但鲜见相关地理及技术条件下的地表主要裂缝演化规律研究,地表主要裂缝的产生制约着此类矿井生态保护与煤炭开采协同发展。为此,针对该条件下地裂缝的演化规律进行了实测研究,得到:①主要裂缝产生于开采边界,表现为先张拉、后上下错动且裂缝上部与下部脱离、上台阶下方会出现空洞。②工作面“见方”时,开采各边界主要裂缝发育情况类似,“见方”后,关键层按循环爆破步距(20 m)的3倍周期垮落,两侧巷道上方地表主要裂缝也按60 m“跳跃式”发育。③工作面正上方主要裂缝宽度及高差始终小于其他3处开采边界的主要裂缝,且闭合速度每隔一个放顶步距发生一次改变。④深(采深)厚(采厚)比较小、表土层薄时易造成对地表破坏最严重的边界不可自修复大裂缝,且裂隙带直达地表,绝大多数主要裂缝处于采场边界内,裂缝闭合周期更短,约9 d。⑤110和N00工法及错层位等无煤柱开采技术可扩大均匀沉陷区范围,缓解边界台阶裂缝损害,有利于源头治理和节省成本。

厚硬顶板潜在矿震风险地面压裂预控技术

具有厚硬顶板的矿井在采掘期间将面临矿震、矿压显现强烈的风险,易导致矿井发生动力灾害事故。为对此类风险隐患进行预控和防范,需要对矿井的厚硬顶板进行预控处理。采用现场调研、工程类比、理论分析、实验室试验和数值模拟的方法,对矿井岩层赋存特征、潜在矿震风险、厚硬顶板可压裂性和地面压裂预控矿震风险机理进行研究。理论分析得到具有厚硬顶板的矿井不仅存在单一工作面低位、高位厚硬顶板初次破断诱发矿震风险,也存在随矿井开采空间增大加剧高位厚硬顶板诱发矿震的风险性;蒙陕地区类似条件工程案例类比表明,具有厚硬顶板赋存条件、开采条件的矿井,自第2个工作面开采始具有发生较高的矿震风险的可能;通过厚硬顶板可压裂性试验研究得到岩石脆性系数为59%~143%,平均脆性矿物含量约68%,综合表明所研究矿井的厚硬顶板可压裂特性较好;模拟对比分析得到在厚硬顶板预裂后,工作面超前支承压力集中程度和超前影响距离均明显降低。基于厚硬顶板的研究结果,提出了矿井地面压裂区域卸压矿震风险预控技术,即通过地面实施“L”型钻孔至厚硬顶板进行压裂,以降低厚硬顶板完整性和致密性。工程应用表明,在实施地面压裂区段中,井下压裂区域微震事件的最高频次降低了52.2%,微震事件的最大能量释放降低了56%,由此说明厚硬顶板的地面压裂预控技术成功降低了矿震风险,保障了工作面的安全顺利回采。