随着交通、水电、矿山及城市重大基础设施工程的大规模建设,我国已成为世界上隧道及地下工程修建规模与难度最大的国家。工程选址由单一完整的地形地质条件向断层、节理和地下水极其发育的非完整岩体和高山峡谷区域转移。富含地下水的非完整岩体在高地应力开挖扰动下,会造成岩体沿着裂隙发育的薄弱面产生剪切滑动,改变地下水的渗流特性和围岩的强度,复杂的水力耦合关系将导致非完整岩体出现大变形、大体积塌方和突水突泥等重大工程事故。采用传统岩石力学理念和支护技术已完全不能满足复杂条件下非完整岩体稳定的要求。因此,准确揭示非完整岩体在高应力高渗透压力下的剪切破坏机理、提出非完整岩体变形破坏分析方法与关键控制技术是复杂条件下地下工程安全建设亟需解决的核心技术难题。 本项目以国家自然科学基金项目、教育部长江学者和创新团队发展计划、大型企业科技项目为支撑,历经10年的科技研发和工程实践,发明了复杂条件下非完整岩体剪切渗流伺服控制实验系统和实验测试方法,揭示了复杂条件下非完整岩体裂隙扩展、单裂隙非线性渗流、裂隙网络渗流机理,建立了复杂条件下非完整岩体远程实时监控系统,提出了非完整岩体大变形控制关键技术,形成了非完整岩体大变形柔性支护体系。主要发明创新成果如下: (1)发明了复杂条件下非完整岩体剪切渗流实验设备和测试方法,突破了高围压作用下裂隙剪切渗流实验的伺服控制技术,研发了世界首套岩石节理恒定法向刚度剪切实验系统、剪切渗流耦合可视化实验系统、裂隙网络渗流实验系统,提出的实验方法被国际岩石力学学会(ISRM)确定为岩石节理实验建议方法,为研究复杂条件下非完整岩体剪切渗流特性、破坏过程和破坏机理提供了强有力的实验研究技术手段。 (2)开发了复杂条件下围岩变形破坏导致裂隙扩展的离散元程序(EDEM)模块,建立了基于连续-非连续介质力学理论的耦合分析方法; 提出了锚杆双线性本构模型,揭示了加锚节理岩体的锚固机理及破坏行为特性;研制了非接触式三维激光测试分析系统,获得了单裂隙的表面复杂三维构造,揭示了在地下水等环境因素的影响下非完整围岩内流体的非线性流动机理,计算了单裂隙的水力开度经验公式;拓扑了裂隙网络实验模型交叉点的几何形状,揭示了裂隙交叉点内流体的非线性流动机理;提出了具有分形特性的裂隙长度分布公式,推导了具有分形特性的裂隙流体流动控制方程,获得了裂隙网络渗透系数与分形维数的数学表达式。 (3)建立了复杂条件下非完整岩体长期远程实时监控系统,实现了非完整岩体稳定性的长期自动监测,提出了复杂条件下非完整岩体大变形柔性支护控制方法。发明了新型冷拔式大变形锚杆和新型拉压耦合大变形锚杆,自主研制了由高强度增强纤维复合材料FRP和聚丙烯纤维PCM组成的新型喷射混凝土材料,形成了非完整岩体大变形柔性支护体系,在工程现场取得了良好的应用效果。 本项目发明成果获得授权国家发明专利7项、实用新型专利3项,发表SCI 收录学术论文46篇,出版专著10部。研究成果在中铁十四局深埋隧道围岩稳定控制中得到推广应用,累计创造经济效益3.5888亿元。项目研究成果解决了埋深近千米的深部洞室围岩非线性变形破坏与控制的关键技术难题,为深部地下工程围岩稳定性控制提供了理论和技术支撑,提升了我国地下工程的建设水平,促进了行业技术进步,推动了深部地下工程学科的发展,在土木、交通、水电、矿山工程领域具有广阔推广应用前景。