高速铁路基于三维模式泥质充填断层破碎带隧道高精度地质探测及灾害精确控制关键技术

　　随着我国国民经济的迅猛发展和以人为本、环境保护、节能减排、低碳经济与绿色能源政策的实施及隧道修建技术的进步，加之建造技术的进一步提高，直线或大半径曲线长隧道、特长隧道修建越来越多，隧道埋深越来越大，穿越复杂地质条件的隧道越来越多。可以预见，今后的隧道工程建设，将面临更为严重的隧道长大断裂、破碎带、涌水、突水和涌泥、突泥等地质问题，也将是今后隧道工程建设面临的重大问题。在武广、京广、郑万、贵南、玉墨、成贵、兰渝等高速铁路线上，有很多极其复杂的、富含破碎带隧道的典型施工案例，如大瑶山隧道群、海棠隧道、木兰隧道、牛岭隧道、高岭隧道等穿越的都是地质情况极为复杂的岩溶区段。以大瑶山隧道群为例，大瑶山区瑶山山脉呈东西向延伸，线路方案无法绕避，受湖洞断裂切割的影响，粤北梳状断裂构造作用强烈，断裂破碎带强烈发育。施工中工作人员对地质机理的认知，到施工方案的选择和施工工艺的控制，对工程建设及运营的好坏都极为重要。运营过程中高速列车运行动荷载产生的扰动、隧道气动效应的影响，对运营维护也有非常大的影响。如何对破碎带机理进行深入研究分析，来达到预测灾害事故的目的；如何选用优化的施工工艺，来起到质量控制的作用；如何在建设过程中通过合理的方法对断裂破碎带引起的缺陷进行整治，以确保工程安全。《高速铁路基于三维模式泥质充填断层破碎带隧道高精度地质探测及灾害精确控制关键技术》结合武广、石武、安九、郑万、玉墨、贵南、兰渝等国内比较成熟的高铁线路的建设、运营、维护的实际情况，结合国内外对于破碎带隧道研究的宝贵经验，笔者提出对泥水充填破碎地质地区隧道建设灾害机理分析、事故预判、维护整治等方面的见解。

　　高军，男，1973年1月出生，汉族，河北沧州人，中**员，清华大学访问学者，工学博士（博士后），教授级高级工程师，博士研究生导师。任中南大学、山东大学、华中科技大学、武汉大学、中国矿业大学（北京）兼职教授。兼任中国锚固协会理事、中国岩石力学学会青年工作委员会委员、中国管理学会学术委员（副主任）等，中国建筑学会专家委员会特聘专家，科技部国际工程评审特聘专家，国家发展和改革委员会PPP特聘专家。为铁道部突出贡献专家，“茅以升铁道工程师”获得者，“詹天佑突出贡献奖”获得者。主编了《高速铁路岩溶地质路基设计与整治技术》《铁路隧道工程施工技术》《高速铁路》《图解不良地质隧道施工技术》《图解隧道辅助施工技术》《图解铁路不良地质与特殊岩土隧道施工安全及逃生》《武广高铁桥梁设计施工与动力学测试关键技术》等专著18部。先后在Engineering Structures和《铁道建筑》《铁路运输与经济》《铁道标准设计》《岩土工程与力学学报》《铁道技术监督》《（河北科技大学学报》《河北工业科技》《振动学报》等国内外学术期刊上发表论文300余篇，其中被SCI、EI、ISTP检索23篇。主持参加了邯郸-济南铁路、京九铁路、朔州一黄骅铁路、京港澳高速公路、天津一汕头高速公路、南京奥林匹克体育馆、武汉一广州高速铁路、京广高速铁路湖北段、武九铁路客运专线、郑州-万州高速铁路、安庆-九江高速铁路等工程。京九铁路、天津-汕头高速公路获国家优质工程鲁班奖，邯郸-济南铁路获铁道部优质工程奖，京广高速铁路湖北段获国家优质工程奖。获省部级科技进步特等奖1项、一等奖7项，技术发明-等奖1项，科技进步二等奖6项，三等奖5项。授权发明专利16件，实用新型专利98件，软件著作权56项。主持省部级工法36项，其中主持工程项目获鲁班奖2项，国家优质工程项目奖3项。

1 绪论
1．1 立项背景及意义
1．2 国内外研究现状
1．2．1 突水突泥特点及灾害成因的研究现状
1．2．2 突水突泥岩溶隧道稳定影响的研究现状
1．2．3 隧道岩溶突涌水灾害的与控制技术的研究现状
1．2．4 隧道岩溶突涌水研究亟待解决的问题
1．3 主要研究内容
1．3．1 深部岩溶发育规律研究
1．3．2 高风险岩溶隧道地质缺陷施工综合预报方法研究
1．3．3 高风险岩溶隧道含水构造的定位定量预报方法研究
1．3．4 高风险深部岩溶隧道突水前兆信息演化规律与破坏机理研究
1．3．5 高风险岩溶隧道灾害风险评估及快速预警机制研究
1．3．6 高风险岩溶隧道注浆施工工艺及材料优化研究
1．4 体研究目标
1．4．1 研究内容
1．4．2 岩溶隧道地质灾害技术指南的编制
1．5 关键技术及技术路线
1．6 创新成果
1．6．1 创新成果一
1．6．2 创新成果二
1．6．3 创新成果三
1．6．4 创新成果四
2 基于三维模式深部岩溶隧道含水地质高精度探测正反演算法的优化与建立
2．1 含水构造电阻率法超前探测正演模拟
2．2 电阻率法隧道超前探测数值正演
2．2．1 含导水地质构造地电模型
2．2．2 隧道超前探测装置形式
2．2．3 电阻率法隧道含水构造超前探测数值正演
2．2．4 电阻率法超前探测的干扰识别与去除方法
2．3 电阻率法隧道超前探测物理模型试验
2．3．1 试验装置系统
2．3．2 含水构造超前探测试验数据分析
2．4 基于激发极化法的隧道含水构造超前探测技术
2．4．1 激发极化法隧道超前探测三维观测方式
2．4．2 隧道含水地质构造超前探测三维成像技术
2．5 隧道含水体水量估算技术
2．5．1 模型试验研究
2．5．2 隧道含水体水量估算技术
2．6 基于不等式约束的小二乘反演方法
2．6．1 不等式约束的施加
2．6．2 三维电阻率反演流程
2．6．3 三维电阻率反演计算效率
2．6．4 算 例
2．7 工程应用
2．7．1 工程概况与地质分析
2．7．2 含水体三维成像与定位
2．7．3 半衰时之差数据解释
2．7．4 开挖结果
2．8 本章小结
3 二电流激发极化法探测仪器系统
3．1 C8051F020简介
3．2 发射机
3．2．1 直流恒流电源设计
3．2．2 单片机控制模块
3．2．3 测量接地电阻
3．3 接收机
3．3．1 单MCU模式
3．3．2 PC+MCU模式
3．4 本章小结
4 大电流脉动恒流供电优化技术
4．1 信号采集
4．1．1 输入信号的前级处理
4．1．2 自适应增益放大
4．2 系统实时
4．2．1 发射机实时
4．2．2 接收机实时
4．3 数据在CF卡中的文件存取
4．3．1 FAT文件系统
4．3．2 单片机实现CF卡中的FAT文件存取
4．4 信号提纯技术
4．4．1 去除电磁干扰
4．4．2 PID调零去除极化干扰
4．4．3 小波变换去噪
4．5 本章小结
5 泥质充填断层破碎带三维注浆扩散机理
5．1 注浆理论概述
5．1．1 注浆理论
5．1．2 注浆理论研究中存在的不足
5．1．3 本课题研究内容
5．2 泥质充填断层破碎带的注浆扩散机理
5．2．1 三维断层带注浆方案设计
5．2．2 三维注浆扩散试验监测参数分析
5．2．3 开挖揭露注浆浆脉分布情况
5．3 隧道富水断层破碎带超前注浆参数方法
5．3．1 流固耦合理论
5．3．2 隧道开挖数值模型创建
5．3．3 渗流场及围岩变形规律分析
5．3．4 注浆加固圈厚度
5．4 本章小结
6 泥质充填断层破碎带整治关键技术
6．1 阶梯式恒压静定终压控制注浆技术理论
6．1．1 基于广义宾汉体时变的优势劈裂注浆机制研究
6．1．2 注浆参数与浆液优势劈裂扩散距离的关系
6．2 突水突泥灾害治理原则与技术路线
6．2．1 灾后抢险注浆治理
6．2．2 断层带控制注浆加固技术指标
6．3 断层带控制注浆加固方案及实施过程
6．3．1 钻探注浆施台设计
6．3．2 地球物理探测
6．4 阶梯式恒压静定终压控制注浆关键技术
6．4．1 注浆压力差异控制技术
6．4．2 注浆速率梯度控制技术
6．4．3 控制液动态调节技术
6．5 注浆参数
6．5．1 扩散半径及钻孔间距
6．5．2 浆液配比
6．5．3 注浆结束终压
6．5．4 注浆速率
6．6 工程应用
6．6．1 工程概况
6．6．2 周边帷幕注浆工程实施
6．6．3 注浆速率控制及控制液调节
6．6．4 注浆终压控制
6．6．5 注浆效果分析
6．7 本章小结
主要参考文献