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地下工程福建省高校重点实验室

一、平台概述

地下工程福建省高校重点实验室于2015年获批组建,现有专职人员四十余人,其中教授 4 人、博士19 人,实验室主任为韦建刚教授。实验室围绕地方地下工程建设行业发展中急需解决的关键技术、共性技术问题开展应用基础研究,包括岩土极限分析非线性、多场耦合冻胀理论及本构模型、地下结构与环境相互作用等基础理论;复合地层隧道设计与施工、软土富水地层深大基坑设计与施工、城市地下综合管廊非开挖、沿海饱和软土地基处理加固等新技术;地下工程施工安全评估与控制、全寿命周期安全管理信息化、灾害预测预报检测监测、地下水致灾机理与控制等方法。近五年实验室主持了7项国家级应用基础研究科研项目和12项省部级应用基础研究科研项目,获省部级科技成果奖励4项、授权专利21项。

二、主任简介

韦建刚:19713月出生,教授,工学博士,研究员,博士生导师,现任福建工程学院副校长。1994年上海交通大学工业与民用建筑专业本科毕业,2002年、2007年获得福州大学结构工程专业硕士、博士学位,2011年同济大学土木工程博士后流动站出站。兼任中国高等教育学会中外合作办学分会理事,福建省教育国际交流协会副秘书长,福建省闽台交流协会理事,中国土木工程学会桥梁与结构分会理事,中国钢结构协会钢混凝土组合结构分会理事,国际桥梁与结构工程协会(IABSE)会员,中国土木工程学会风工程委员会委员。共主持国家自然科学基金面上项目2项,省科技重点项目1项,作为主要研究人员(排名第二),参与并完成了2项国家自然科学基金、5项省部级重大或重点项目以及多项重大横向课题的研究工作。近年来出版专著2部,发表学术论文50余篇(其中SCI/EI收录近20篇);获得发明专利9项,实用新型专利7项。完成的研究成果获得省部级科技进步一等奖1项;二等奖5项;三等奖1项。2007年获得福建省第十四届运盛青年科技奖表彰;2008年获福建省第九届青年科技奖表彰。

三、主要研究方向及内容

1.地下工程计算力学基础理论

1)岩土极限分析非线性理论

以切线方程代替非线性破坏准则,建立机动容许速度场和相应的破坏机制,同时构造应力容许静力平衡应力场和相应的破坏机制,确定最小能量耗散以及岩土结构物承载力或稳定性的下限解,提出岩土极限分析非线性上限定理和非线性下限定理。基于极限分析非线性理论,建立边坡稳定性、挡土墙土压力、路基承载力、隧道稳定性等岩土结构的非线性能量耗散计算方法,为极限分析非线性理论的应用提供可靠的理论基础。

2)多场耦合冻胀理论及本构模型

基于非线性多物理场耦合模型理论和冻土材料试验特性,分析冻土应力应变特性,构建冻土本构模型以及冻结围护结构非线性有限元模型和计算参数;通过冻结围护结构多场耦合分析和试验测试验证,探明冻土帷幕温度场性状及其与围护结构相互作用机理,分析冻胀卸荷作用土层分步开挖全过程多场耦合效应和围护结构荷载-变形关系曲线特征,提出冻结围护结构失效极限状态评价和预控机制以及优化计算方法,为冻结围护结构应用和设计提供参考。

3)地下结构与环境相互作用理论

随着城市高层建筑、地下空间开发等新项目的投入建设,使得很多新建地下结构在已建结构物附近,且近距离穿越已建结构物的现象明显增多。新建地下结构施工引起的地层变形会危及邻近已建结构物的安全,引起一系列的环境岩土问题,因此地下结构-土体-邻近结构物的相互作用、土-地下结构非线性动力相互作用等将是主要研究方向。

2.地下工程设计方法与施工新技术

本研究方向主要包括以下四个方面主要研究内容:

1)复合地层隧道设计与施工新技术

复合地层是指在开挖断面范围内和隧道轴线方向上,地层由岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差较大的两种或两种以上的岩(土)层组成。结合福建地区复合地层中盾构工法面临的问题,将开展以下研究工作:复合地层中盾构开挖模式研究、复合地层中盾构机最优刀具组合以及刀盘开口率的确定、新型施工辅助设备的研制和以及施工参数的确定等。

2)软土富水地层深大基坑设计与施工新技术

地下空间的开发利用和高层建筑的兴建过程中出现了大量的深大基坑,这种趋势对基坑的设计理论和施工技术提出了更高的要求。虽然近年来基坑设计理论不断改进,施工工艺不断完善,但深基坑工程仍很不成熟,尤其地处软土富水地层的基坑设计与施工多采用地区经验法,可能造成严重的资源浪费,因此软土富水地层中深大基坑工程设计理论与施工技术有待进一步深入研究。

3)城市地下综合管廊非开挖技术

城市综合管廊(共同沟)是指将各类城市工程管线集中容纳于一体,并留有供检修人员行走通道的隧道结构。共同沟是集约化建设管线的方式,代表着发展趋势,充分建立人与自然和谐的生态环境。依据我国城市的具体实际情况,综合考虑各方面的因素,制订共同沟的设计、施工、图式规范,才能合理、高效地促进城市化的进程。非开挖技术该技术属于土木建筑科学技术地下工程领域,目前研究尚不深入。

4)沿海饱和软土地基处理加固新技术

软土地基的处理质量是保证建筑物安全、高效运营的关键,也直接影响到地基的基础承载力。近年来,随着沿海建筑业的迅速发展,由此遇见软土地基的工程越来越多,推动着传统的地基处理技术的发展,新的地基处理技术不断涌现。如何选取恰当合理的地基处理方法,对加快基本建设速度、节约工程成本都具有重大的意义。

3.地下工程安全控制理论与方法

本研究方向主要包括以下四个方面主要研究内容:

1)地下工程施工安全评估与控制理论

地下工程现有的安全风险管理规范具有可操作性不强、风险管理体系不健全、风险管理量化水平低、与地下工程施工技术结合不紧密等缺陷,需要通过深入研究进一步完善该技术体系和相关标准。

2)地下工程全寿命周期安全管理信息化技术

地下工程安全风险管理,是当前地下工程科技界研究的热点,也是国家行业主管部门推行的一项重要举措,但成效不是特别理想,一方面与当前规范标准的不健全有关,另一方面缺乏应用性强的风险管理信息平台,因此,加强风险管理的数字化水平,能显著提高风险管理的普及程度和推广应用水平。

3)地下工程灾害预测预报、检测监测新技术

众多施工实践表明,由于我国地质条件复杂、目前勘察精度所限或其他原因,相当部分地下工程的设计与实际地质不符或严重不符,因而在地下工程施工中频繁出现各种地质灾害问题,诸如塌方、突水突泥、大变形等越来越突出,不但严重影响工程进展,增加工程造价,有的甚至导致整个工程的失败。为了避免或者减少这些问题的发生,实现地下工程快速、安全施工,通过综合物探技术开展不良地质条件下地下工程地质灾害综合预报、检测及智能化、实时监测关键技术,包括物探手段对目标体的适应性技术、图像成果分析解译技术、预报数据库建立及预警等关键技术的研究,具有重要意义。

4)地下工程地下水致灾机理与控制方法

由于受建设期间工期紧迫、施工工艺缺陷、施工措施不当和运营期间材料耐久性、地下水环境改变等诸多因素的影响,地下工程中由于地下水导致的工程隐患和灾害越来越多,怎样预测预报地下水的空间分布,探究不同类型不同阶段地下水的致灾机理,在此基础上研究控制灾害的新材料与新方法,形成系统技术,是我国地下工程界亟待解决的技术难题。

四、已取得的主要研究成果

  

1)获奖情况:《水软弱地层浅埋暗挖大断面城市隧道安全施工关键技术》获得2016年度福建省科技进步二等奖;《地基承载力的非线性能量耗散计算理论》获得2016年度福建省自然科学奖三等奖;《复杂地质条件高风险特长超大断面隧道安全施工及灾害预警关键技术 》获得2017年度福建省科学技术二等奖;《复杂环境条件下高铁大倾斜裸岩深水桥墩施工关键技术研究》获得2017年度福建省科学技术三等奖。

2)发表论文情况:发表论文50多篇,其中SCIEIISTP等收录20多篇。

3)获得授权专利:国家授权专利21项。

4)研究成果应用:富水软弱地层浅埋暗挖大断面城市隧道H型空间止水与超前加固技术、下穿铁路超浅埋暗挖隧道长管幕施工方法、隧道已初支段间隔扩挖管棚工作室方法等技术成果,在武广高速铁路浏阳河隧道、金沙洲隧道,温福铁路青岙隧道,厦门杏林市政道路下穿铁路隧道工程等重要地下工程施工中得到推广应用,有效杜绝灾害性事故发生,显著提升了隧道施工安全及创新水平。技术的应用新增产值约1.575亿元,新增利税1071万元,节支总额达9940万元,产生显著的技术及经济效益。

滨海富水地层地铁隧道人工冻结法关键技术已经在福州地铁12号线、广州、宁波等其它滨海城市冻结联络通道、盾构进出洞门冻结加固工程中得到应用。其中福州地铁2号线总共28个联络通道,有27个联络通道采用冻结法加固,可以看出随着未来城市地下空间大力开发建设,冻结工法将在市政工程领域,特别是滨海软弱地层中得到广泛应用。

五、拟开展的主要研究工作

1)复杂地质环境条件长大隧道安全施工关键技术

以在建的莆炎高速公路长大隧道工程等为依托,提出一套完整、具有理论指导、适用性广的长大隧道机械化配套技术体系,形成快速施工作业线;提出基于实际岩性特点的聚能水压光面爆破技术方法,实现隧道绿色节能爆破施工;对围岩隧道状态进行智能化监测及分级预警管理,实现对工程风险的全过程管控。

2)地铁长联络通道双侧冻结模式温度场发展规律及冻结方案优化

建立冻土导热系数反分析数学模型,获取滨海主要地层热物理性能参数;开展滨海地层原位冻结模型试验,获得双侧冻结模式下冻结温度场发展规律;进行不同冻结方案冻结效果分析,比选出滨海地层长联络通道的最优冻结设计方案。

3)软弱富水地层地铁基坑被动区加固关键科学技术

利用模型试验和现场测试,获得被动区加固后支护结构上土压力时空分布规律;通过大型剪切试验,探索土、加固体、支护结构接触面的强度与变形特性,建立接触面的剪切损伤本构模型;将本构模型植入基坑三维数值模型,深入分析被动区加固后土压力的影响因素,构建考虑软土、加固体、支护结构非线性共同作用的土压力计算模型。