近年來,我國各項基礎設施建設的發(fā)展如火如荼,一帶一路建設持續(xù)推進,許多重大工程項目如雨后春筍般蓬勃興建,諸如三峽工程、青藏鐵路、南水北調(diào)、三縱四橫高鐵網(wǎng)、港珠澳大橋、上海中心大廈,以及由我國援建的雅萬高鐵、中老鐵路、中泰鐵路、瓜達爾港、比雷埃夫斯港,等等,不一而足。毋庸置疑,我國已成為世界上建設重大工程最多的國家之一。這些重大工程項目就其建設規(guī)模、技術難度和資金投入等而言,不僅在國內(nèi),即使在全球范圍也都位居前茅,甚至名列世界第一。在這些工程的建設過程中涌現(xiàn)的一系列重大關鍵性技術難題,通過分析探索創(chuàng)新,很多都得到了很好的優(yōu)化和解決,有的甚至在原來的理論、技術基礎上創(chuàng)造出了新的技術手段和方法,申請了大量的技術專利。例如,632m的上海中心大廈,作為世界最高的綠色建筑,其建設在超高層設計、綠色施工、施工監(jiān)理、建筑信息化模型(BIM)技術等多方面取得了多項科研成果,申請到8項發(fā)明專利、授權12項實用新型技術。僅在結(jié)構(gòu)工程方面,就應用到了超深基坑支護技術、超高泵送混凝土技術、復雜鋼結(jié)構(gòu)安裝技術以及結(jié)構(gòu)裂縫控制技術等許多創(chuàng)新性的技術革新成果,有的達到了世界水平。這些優(yōu)化、突破和創(chuàng)新,對我國工程技術人員將是非常寶貴的參考和借鑒。
在2016年3月初召開的全國人大全體會議期間,很多代表談到,極大量的技術創(chuàng)新與發(fā)展是十三五時期我國宏觀經(jīng)濟實現(xiàn)戰(zhàn)略性調(diào)整的一項關鍵性驅(qū)動因素,是實現(xiàn)國家總體布局下全面發(fā)展的根本支撐和關鍵動力。
同時,在新一輪科技革命的機遇面前,也只有在關鍵核心技術上一個個地進行創(chuàng)新突破,才能實現(xiàn)社會生產(chǎn)力的全面躍升,使我國的科研成果和工程技術掌控兩者的水平和能力盡早、盡快地全面進入發(fā)達國家行列,從而在國際上不斷提升技術競爭力,而國力將更加強大!當前,許多工程技術創(chuàng)新得到了廣泛的認可,但在創(chuàng)新成果的推廣應用中卻還存在不少問題。在重大工程建設領域,關鍵工程技術難題在實踐中得到突破和解決后,需要把新的理論或方法進一步梳理總結(jié),再一次次地廣泛應用于生產(chǎn)實踐,反過來又將再次推動技術的更進一步的創(chuàng)新和發(fā)展,是為技術的可持續(xù)發(fā)展之巨大推動力。將創(chuàng)新成果進行系統(tǒng)總結(jié),出版一套有分量的技術專著是最有成效的一個方面。這也是出版重大工程建設關鍵技術研究叢書的意義之所在。以推廣學術上的創(chuàng)新為主要目標,重大工程建設關鍵技術研究叢書主要具有以下幾方面的特色:
1. 聚焦重大工程和關鍵項目。目前,我國基礎設施建設在各個領域蓬勃開展,各類工程項目不斷上馬,從項目體量和技術難度的角度,我們選擇了若干重大工程和關鍵項目,以此為基礎,總結(jié)其中的專業(yè)理論和專業(yè)技術使之編纂成書。由于各類工程涉及領域和專業(yè)門類眾多,專業(yè)學科之間又有相互交叉和融合,難以單用某個專業(yè)來設定系列叢書,所以仍然以工程大類為基本主線,初步擬定了隧道與地下工程、橋梁工程、鐵道工程、公路工程、超高層與大型公共建筑、水利工程、港口工程、城市規(guī)劃與建筑共八個領域撰寫成系列叢書,基本涵蓋了我國工程建設的主要領域,以期為未來的重大工程建設提供專業(yè)技術參考指導。由于涉及領域和專業(yè)多,技術相互之間既有相通之處,也存在各自間的不同,在交叉技術領域又根據(jù)具體情況做了處理,以避免內(nèi)容上的重復和脫節(jié)。
2. 突出共性技術和創(chuàng)新成果,側(cè)重應用技術理論化。系列叢書圍繞近年來重大工程中出現(xiàn)的一系列關鍵技術難題,以項目取得的創(chuàng)新成果和技術突破為基礎,有針對性地梳理各個系列中的共性、關鍵或有重大推廣價值的技術經(jīng)驗和科研成果,從技術方法和工程實踐經(jīng)驗的角度進行深入、系統(tǒng)而又詳盡的分析和闡述,為同類難題的解決和技術的提高提供切實的理論依據(jù)和應用參考。在復雜地質(zhì)與環(huán)境條件下隧道建設關鍵技術叢書(錢七虎院士任編委會主任)中,對當前隧道與地下工程施工建設中出現(xiàn)的關鍵問題進行了系統(tǒng)闡述并形成相應的專業(yè)技術理論體系,包括深長隧道重大突涌水災害預測預警與風險控制、盾構(gòu)工程遇地層軟硬不均與極軟地層的處理、類矩形盾構(gòu)法、水下盾構(gòu)隧道、地面出入式盾構(gòu)法隧道、特長公路隧道、隧道地質(zhì)三維探測、盾構(gòu)隧道病害快速檢測、隧道及地下工程數(shù)字化、軟巖大變形隧道新型錨固材料等,使得關鍵問題在研究中得到了不同程度的解決和在后續(xù)工程中的有效實施。
3. 注重工程實用價值。系列叢書涉及的技術成果要求在國內(nèi)已多次采用,實踐證明是可靠的、有效的,有的還獲得了技術專利。系列叢書強調(diào)以理論為引領,以應用為重點,以案例為說明,所有技術成果均要求以工程項目為背景,以生產(chǎn)實踐為依托,使叢書既富有學術內(nèi)涵,又具有重要的工程應用價值。如長大橋梁建養(yǎng)關鍵技術叢書(鄭皆連院士任編委會主任、陳政清院士任副主任),圍繞特大跨度懸索橋、跨海長大橋梁、多塔斜拉橋、特大跨徑鋼管混凝土拱橋、大跨度人行橋、大比例變寬度空間索面懸索橋等重大橋梁工程,聚焦長大橋梁的設計創(chuàng)新理論、施工創(chuàng)新技術、建設難點的技術突破、橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與狀態(tài)評估、運營期維修養(yǎng)護等,主要內(nèi)容包括大型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)真空輔助灌注技術、大比例變寬度空間索面懸索橋體系、新型電渦流阻尼減振技術、長大橋梁的纜索吊裝和斜拉扣掛施工、超大型深水基礎超高組合橋塔、變形智能監(jiān)測、基于BIM的建養(yǎng)一體化等。這些技術的提出以重大工程建設項目為依托,包括合江長江一橋、合江長江二橋、巫山長江大橋、桂廣鐵路南盤江大橋、張家界大峽谷橋、西堠門大橋、嘉紹大橋、港珠澳大橋、虎門二橋等,書中對涉及具體工程案例的相關內(nèi)容進行了詳盡分析,具有很好的應用參考價值。
4. 聚焦熱點,關注風險分析、防災減災、健康檢測、工程數(shù)字化等近年來出現(xiàn)的新興分支學科。在綠色、可持續(xù)發(fā)展原則指導下,近年來基礎建設領域的技術創(chuàng)新在節(jié)能減排、低碳環(huán)保、綠色土木、風險分析、防災減災、健康檢測(遠程無線視頻監(jiān)控)、工程使用全壽命周期內(nèi)的安全與經(jīng)濟、可靠性和耐久性、施工技術組織與管理、數(shù)字化等方面均有較多成果和實例說明,系列叢書在這些方面也都有一定體現(xiàn),以求盡可能地發(fā)揮叢書對推動重大工程建設的長期、綠色、可持續(xù)發(fā)展的作用。
5. 設立開放式框架。由于上述的一些特性,使系列叢書各分冊的進展快慢不一,所以采用了開放式框架,并在后續(xù)系列叢書各分冊的設定上,采用靈活的分階段付梓出版的方式。
6. 主編作者具備一流學術水平,從而為叢書內(nèi)容的學術質(zhì)量打下了堅實的基礎。各個系列叢書的主編均是該領域的學術權威,在該領域具有重要的學術地位和影響力。如陳政清教授,中國工程院院士,985工程首席科學家,橋梁結(jié)構(gòu)與風工程專家;鄭皆連教授,中國工程院院士,橋梁設計施工專家;錢七虎教授,中國工程院院士,防護與地下工程專家;吳志強教授,中國工程院院士,城市規(guī)劃與建設專家;等等。而參與寫作的主要作者都是活躍在我國基礎設施建設科研、教育和工程的一線人員,承擔過重大工程建設項目或國家級重大科研項目,他們主要來自中鐵隧道局集團有限公司、中交隧道工程局有限公司、中鐵十四局集團有限公司、中交第一公路工程局有限公司、青島地鐵集團有限公司、上海城建集團、中交公路規(guī)劃設計院有限公司、陸軍研究院工程設計研究所、招商局重慶交通科研設計院有限公司、天津城建集團有限公司、浙江省交通規(guī)劃設計研究院、江蘇交通科學研究院有限公司、同濟大學、河海大學、西南交通大學、湖南大學、山東大學等。各位專家在承擔繁重的工程建設和科研教學任務之余,奉獻了自己的智慧、學識和汗水,為我國的工程技術進步做出了貢獻,在此謹代表叢書總編委對各位的辛勞表示衷心的感謝和敬意。
當前,不僅國內(nèi)的各項基礎建設事業(yè)方興未艾,在一帶一路倡議下,我國在海外的重大工程項目建設也正蓬勃發(fā)展,對高水平工程科技的需求日益迫切。相信系列叢書的出版能為我國重大工程建設的開展和創(chuàng)新科技的進步提供一定的助力。
2017年12月,于上海
李術才
山東大學教授、博士生導師。我國隧道及地下工程超前地質(zhì)預報與突水突泥災害防控專家。入選科技部973項目首席科學家、教育部長江學者特聘教授、首批國家高層次人才特殊支持計劃(萬人計劃)領軍人才、863計劃現(xiàn)代交通技術領域?qū)<遥瑖医艹銮嗄昊皤@得者。擔任中國巖石力學與工程學會副理事長、中國巖石力學與工程學會地下工程分會理事長、國際著名期刊Tunnelling and Underground Space Technology主編。獲國家科技進步二等獎4項,省部級一等獎5項、教學成果一等獎1項,2015年度山東省科學技術最高獎,第12屆光華工程科技成就獎,第九屆中國青年科技獎,全國優(yōu)秀科技工作者,山東高校十大師德標兵;授權中國發(fā)明專利52項、美國專利5項;出版專著5部,發(fā)表論文160余篇。
李利平
山東大學教授、博士生導師,F(xiàn)任山東大學齊魯交通學院副院長、巖土中心隧道所所長;兼任中國巖石力學與工程學會巖石工程設計方法分會副理事長。入選國家萬人計劃青年拔尖人才、泰山學者(青年專家),國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者、山東省杰出青年基金獲得者;遴選為世界交通運輸大會(WTC)結(jié)構(gòu)工程學報隧道地質(zhì)超前預報與災害預警學科主席。主要從事隧道及地下工程災害防治方面的研究。主持國家及省部級課題21項、重大工程委托項目16項;獲國家科技進步二等獎1項(排名第3),獲山東省科技進步一等獎和教育部科技進步二等獎各1項,其他省部級科技獎勵6項;獲第九屆中國巖石力學與工程學會青年科技獎金獎、第十一屆山東省青年科技獎;授權美國專利1項,中國發(fā)明專利24項;出版中文專著2部、主編教材1部;主編及參編行業(yè)團隊標準4項,工法2項;發(fā)表SCI/EI論文159篇,兩篇入選領跑者F5000-中國精品科技期刊頂尖論文
石少帥 博士后,山東大學碩士生導師,F(xiàn)任中國巖石力學與學會地下工程分會和工程安全與防護分會理事,國際巖石力學學會(ISRM)會員,被聘為世界交通運輸大會(WTC)隧道地質(zhì)超前預報技術委員會主席;擔任Tunnelling and Underground Space Technology、Automation
in Construction等期刊審稿人;入選2017年中國科協(xié)青年托舉人才計劃。主要從事隧道與地下工程災害防控方面的教學和研究工作。主持國家自然科學基金、山東省自然科學基金等國家及省部級課題10項,重大工程委托項目7項。獲省部級科技進步一等獎6項、二等獎4項;授權美國專利1項、中國發(fā)明專利20余項、軟件著作權10余項;合作出版專著1部,參編行業(yè)標準4項,工法3項;以第一和通訊作者錄用和發(fā)表SCI/EI論文15篇。
第1章緒論1
1.1隧道突涌水監(jiān)測預警作用和意義/1
1.2隧道突涌水災害研究現(xiàn)狀與存在的問題/3
1.2.1隧道突涌水地質(zhì)特征方面/4
1.2.2隧道突涌水前兆信息方面/9
1.2.3隧道突涌水監(jiān)測預警方面/12
1.2.4存在的問題/13
1.3發(fā)展趨勢/14
第2章隧道突涌水地質(zhì)模式與前兆信息16
2.1防突結(jié)構(gòu)破壞模式與特征/16
2.1.1隔水巖體漸進破壞突涌水特征/21
2.1.2充填結(jié)構(gòu)滲透失穩(wěn)突涌水特征/24
2.2災害源地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式/27
2.2.1無補給型靜儲量含水致災構(gòu)造/29
2.2.2強補給型動儲量含水致災構(gòu)造/29
2.2.3弱補給型靜動儲量含水致災構(gòu)造/30
2.3隧道突涌水災害施工前兆信息/31
2.3.1地質(zhì)前兆信息/31
2.3.2地球物理場前兆信息/34
第3章隔水巖體漸進破壞突涌水前兆信息演化規(guī)律42
3.1隔水巖體漸進破壞突涌水模擬試驗系統(tǒng)/42
3.1.1總體設計思路/42
3.1.2伸縮組合式試驗臺架/44
3.1.3真三軸加載與控制系統(tǒng)/46
3.1.4多元信息實時監(jiān)測方法/52
3.2水力耦合巖體漸進破壞模擬試驗/54
3.2.1模擬工程概況/54
3.2.2流固耦合相似材料/56
3.2.3試驗思路與設計/60
3.2.4試驗方法與實施/61
3.3隔水巖體漸進破壞突涌水前兆信息演化規(guī)律/64
3.3.1突涌水災變過程分析/64
3.3.2巖體破壞突涌水應力場演化/65
3.3.3巖體破壞突涌水位移場演化/66
3.3.4巖體破壞突涌水滲流場演化/68
3.3.5多元信息融合分析與敏感性辨識/69
第4章充填結(jié)構(gòu)滲透失穩(wěn)突涌水前兆信息演化規(guī)律71
4.1充填結(jié)構(gòu)滲透失穩(wěn)突涌水模型試驗系統(tǒng)/71
4.1.1總體設計思路/71
4.1.2旋式可視試驗系統(tǒng)/73
4.1.3水壓加載與實時監(jiān)測系統(tǒng)/74
4.2充填體滲透破壞突涌水演化模擬試驗/75
4.2.1模擬工程概況/75
4.2.2試驗相似材料/77
4.2.3試驗設計與實施/81
4.3充填體滲透破壞突涌水前兆多元信息演化規(guī)律/82
4.3.1災變過程水砂涌出量演化規(guī)律/82
4.3.2充填體孔隙率演化規(guī)律/83
4.3.3充填體滲透特性演化規(guī)律/84
4.3.4多元信息融合與臨界特征點識別/86
第5章隧道突涌水災害實時監(jiān)測的物理基礎與設計方法88
5.1防突結(jié)構(gòu)破壞突涌水/88
5.1.1隔水巖體破壞突涌水過程與物理量變化特征/88
5.1.2充填結(jié)構(gòu)滲透失穩(wěn)過程與物理量變化特征/95
5.1.3防突結(jié)構(gòu)破壞臨界特征點識別/97
5.2防突結(jié)構(gòu)巖體破壞演化性態(tài)判識方法/101
5.2.1巖體脆性材料變形破壞特征/101
5.2.2巖體彈塑脆性突變模型/102
5.2.3巖體破壞及前兆信息判據(jù)/104
5.2.4突涌水危險性預警判別準則/104
5.3隧道突涌水災害監(jiān)測設計方法/106
5.3.1監(jiān)測設計與布設方法/106
5.3.2實時監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)/109
5.3.3多源異構(gòu)信息采集方法/110
5.3.4遠距離并行長傳輸模式/114
第6章突涌水前兆多元信息融合與預測方法119
6.1突涌水過程信息演化與模式判定/119
6.1.1突涌水多元信息演化過程/119
6.1.2多元信息敏感性識別方法/121
6.1.3突涌水模式判定模型/126
6.2突涌水過程多元信息融合分析方法/127
6.2.1證據(jù)理論與信息融合方法/127
6.2.2突涌水信息融合分析模型/129
6.2.3模型檢驗與算例驗證/131
6.3隧道突涌水態(tài)勢動態(tài)預測方法/132
6.3.1突涌水態(tài)勢預測模型/133
6.3.2態(tài)勢評估與實時修正/134
6.3.3突涌水演化態(tài)勢預測方法/136
第7章隧道突涌水災害實時監(jiān)測與預警平臺139
7.1突涌水通道空間定位/139
7.1.1微震檢波器特性參數(shù)/139
7.1.2微震檢波器設計指標/142
7.2信息融合與實時預測軟件/143
7.2.1總體架構(gòu)與設計思想/143
7.2.2軟件功能與架構(gòu)設計/144
7.2.3信息數(shù)據(jù)庫及程序?qū)崿F(xiàn)/145
7.2.4軟件開發(fā)關鍵技術/147
7.3TMIWS軟件系統(tǒng)及測試/150
7.3.1功能模塊應用/150
7.3.2預警案例驗證/162
7.4監(jiān)測預警平臺/163
7.4.1突涌水等級與時空預警/164
7.4.2遠程監(jiān)控與預警平臺/165
第8章代表性工程應用168
8.1成蘭鐵路躍龍門隧道/169
8.1.1工程概況/169
8.1.2實時遠程監(jiān)控系統(tǒng)/169
8.1.3遠程融合預警機制/174
8.2利萬高速齊岳山隧道/175
8.2.1工程概況/175
8.2.2實時遠程監(jiān)控系統(tǒng)/176
8.2.3突涌水災害綜合預警/178
8.2.4突涌水災害應急響應機制/180
參考文獻184