福州大學(xué)科研團隊牽頭破解世界性施工難題

深埋隧道有了硬核“安全盾牌”

在群山之下、千米之深的黑暗中，一條條交通動脈和能源通道正向地球深處延伸。然而，這里并非坦途，極高的地應(yīng)力仿佛一只無形的巨手，時刻擠壓著隧道巖壁，導(dǎo)致圍巖像“軟糖”一樣發(fā)生大變形、失穩(wěn)甚至坍塌。這曾是困擾全球地下工程界的“噩夢”。

近日，福州大學(xué)牽頭，聯(lián)合同濟大學(xué)、福建省路橋建設(shè)集團有限公司等7個單位共同完成的“深埋隧道圍巖大變形致災(zāi)機理與穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)”項目，憑借多項顛覆性創(chuàng)新，榮膺2024年度福建省科技進步獎一等獎。

這項歷時14年潛心研究的成果，如同為深埋隧道打造了一套智能、堅韌的“變形金剛”式防護體系，為向地球深部進軍提供了硬核“安全盾牌”。

實現(xiàn)三大創(chuàng)新突破

“如果把淺層隧道施工比作在硬木上雕刻，那么千米級深部工程就如同在高壓下的‘軟糖’里打洞，稍有不慎就會引發(fā)嚴(yán)重事故。”項目第一完成人、福州大學(xué)研究員吳學(xué)震形象地解釋道。深部巖體承受著巨大的壓力，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)支護材料常常因為“硬碰硬”而“剛則易折”，無法適應(yīng)巖體持續(xù)變形，最終失效，造成人員傷亡和巨大經(jīng)濟損失。

面對這一世界性挑戰(zhàn)，吳學(xué)震團隊實現(xiàn)了從理論到裝備、從設(shè)計到施工的全鏈條三大創(chuàng)新突破。

首先，摸清“巖石的破壞密碼”。團隊研發(fā)了特殊的剪切試驗裝備，結(jié)合恒定法向剛度控制技術(shù)，如同給深部巖體做了一次“精準(zhǔn)CT體檢”，能夠真實模擬其在極端環(huán)境下的破壞過程，獲取關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)。這徹底改變了過去對深部巖體破壞機理“霧里看花”的困境，為后續(xù)精準(zhǔn)支護提供了科學(xué)“診斷書”。

其次，建立“精準(zhǔn)設(shè)計的導(dǎo)航系統(tǒng)”。過去施工多依賴?yán)蠋煾档慕?jīng)驗，容易造成“該加固的地方?jīng)]加固，加固的力度又不夠”的窘境。團隊總結(jié)出的全新設(shè)計方法，如同為施工人員送上一本詳盡的“操作手冊”，能夠精準(zhǔn)判斷注漿的最佳時機和加固范圍，告別了“盲人摸象”式的摸索，實現(xiàn)了安全與經(jīng)濟雙贏。

最后，打造了一套“支護硬核裝備庫”。這套“組合防護裝備”形成了一個智能支護體系，具體包括以下特點。

恒阻錨索——隧道的“超強安全帶”：能承受高達35噸的拉力，單次沖擊吸能達102千焦，在巖體突然發(fā)力時，能通過自身變形緩沖巨大能量，牢牢拉住危巖，防止垮塌。

抗剪錨桿——“柔韌的硬釘子”：其抗剪變形量比傳統(tǒng)錨桿提升了85%，即使在巖石發(fā)生輕微移動時，也能像堅韌的藤條一樣隨之彎曲而不破斷，保持錨固力。

讓壓拱架——“抗壓不倒翁”：其承受力是傳統(tǒng)鋼架的20倍，能夠在巨大壓力下通過可控的“讓壓”變形卸掉部分力量，而自身不彎折，守護隧道的基本輪廓。

可縮混凝土——“柔性防護衣”：這種特殊的混凝土能壓縮高達20%的體積，與圍巖“同呼吸、共變形”，在壓力下收縮但不開裂，始終緊密貼合巖體，提供持續(xù)支撐。

護航國家重大工程

目前，這套硬核技術(shù)已成功應(yīng)用于蘭海高速木寨嶺隧道、川藏鐵路高爾寺山隧道、新巨龍煤礦等多項國家重大工程，有效控制了圍巖變形，將坍塌風(fēng)險降至最低。其應(yīng)用場景正不斷拓寬，不僅適用于深埋隧道、千米深井，也為國防、人防等抗爆防護工程筑起了堅固防線。

據(jù)悉，該項目累計獲得知識產(chǎn)權(quán)81項，成功破解了制約我國深地戰(zhàn)略安全建設(shè)的關(guān)鍵瓶頸，標(biāo)志著我國在深部地下工程安全控制領(lǐng)域已邁入世界領(lǐng)先行列。（記者 梁凱鴻）