“深埋高水头水工隧洞围岩技术”攻克世界难题

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    近日，《深埋高水头水工隧洞围岩稳定控制关键技术》荣获国家能源科技进步一等奖。该技术成果提出了适用于极深埋条件下的地应力综合分析方法，首创了深埋脆性岩石的无损取样技术，解决了深埋条件下钻孔采样时岩样损伤这一世界难题。

 
　　隧洞围岩施工

　　我国水电资源丰富，但分布不均，绝大部分集中在西南地区，而西部地区典型的地形、地质、环境和水力条件使得在大多数地下洞室群工程成为水电工程枢纽布置的必然选择。

　　高应力及复杂的地质条件在国内外属罕见，没有相关可供借鉴的先例和工程经验我国科研人员经过多年的刻苦攻关，提出并研发了深埋高水头水工隧洞围岩稳定控制关键技术，取得了深埋长隧洞复杂初始条件精确描述、深埋长大硬岩隧洞围岩稳定分析、高应力条件下硬岩隧洞支护优化、高外水压力条件下水工隧洞永久运行安全等系列创新解决方案和成果，为水电站引水隧洞的顺利贯通和安全运行提供了可靠的保障。

　　该技术成果提出了适用于极深埋条件下的地应力综合分析方法，首创了深埋脆性岩石的无损取样技术，解决了深埋条件下钻孔采样时岩样损伤这一世界难题，揭示了脆-岩-塑转换特性对大理岩破裂特征的影响，研发了能够描述这种复杂峰后力学特征的本构模型，建立了脆性岩体破裂扩展时间效应的力学描述方法，解决了深埋围岩破裂损伤演化特征的描述难题。

　　该技术成果创新了深埋高应力条件下硬岩隧洞的监测设计方法，提出了以应力测试为主、变形监测为辅的监测设计原则，成功实施了大型现场原位试验，全面获得了掌子面推进过程中的破裂损伤、应力、变形等围岩开挖响应的动态演化过程，创新了深埋长大隧洞围岩稳定动态反馈分析流程，成功引入离散元和颗粒流程序到围岩破裂行为的直接模拟分析中，实现了对围岩开挖响应特征的全面捕捉和准确反馈。

　　针对保持围压是控制破裂和维持延性的关键因素，该技术成果提出了基于支护单元力学特性和工程适用性的支护设计原则，研发了满足现场实际需求的支护新材料和新工艺，提高了应对高应力破裂问题时工程措施的针对性。开发了基于应力腐蚀理论的宏观和细观力学模型，解决了高应力下硬岩破裂时间效应的描述及评价技术难题，实现了对深埋硬岩隧洞长期稳定性评价，提出的隧洞复合式承载结构的设计方法，有效解决了高外水条件下隧洞永久运行安全问题。

　　通过水电站引水隧洞群建设的研究与实施，形成了深埋围岩复杂初始条件的全新研究方法、深埋长大隧洞围岩稳定的全新分析方法和深埋高外水压力下水工隧洞安全的全新解决方案，填补了我国在该技术领域中的空白，标志着我国在深埋高水头隧洞设计技术处于国际前沿位置，为我国其他深部地下工程领域的开发树立了信心。二级水电站引水隧洞的提前贯通和顺利发电，直接经济达12.9亿元。可替代火电年发电量239.6亿kW.h，年节约燃煤1130万t，有效减少了有害气体的排放，具有巨大的生态环境效益。

　　研究成果除应用于水电工程外，还可广泛应用于矿山、铁路、核废料储存、输水输气等地下工程领域。相信随着国家科技创新战略的推广，深埋高水头水工隧洞围岩稳定控制关键技术必将有更进一步的发展，为确保“十二五”节能减排目标的实现提供强有力的技术支撑。