引漢濟渭工程黃三段輸水隧洞圍巖變形與壓力分析

針對秦嶺輸水隧洞大埋深、高地應(yīng)力容易引起巖爆、大變形等工程災(zāi)害的問題,為預(yù)防和減輕地應(yīng)力分布和變化對施工進(jìn)程和人員設(shè)備安全的不利影響,對秦嶺隧洞隧址區(qū)典型位置(越嶺段、嶺南、嶺北)分別進(jìn)行了水壓致裂法應(yīng)力測試,并對無斷層段和含斷層段進(jìn)行了三維地應(yīng)力場反演分析,研究了秦嶺隧洞初始地應(yīng)力場特征及規(guī)律。結(jié)果表明:秦嶺隧洞地應(yīng)力表現(xiàn)出較強的水平構(gòu)造應(yīng)力作用,嶺南嶺北勘探試驗最大主應(yīng)力為25.4～27.7mpa,垂直孔測得最大水平主應(yīng)力方向穩(wěn)定在近ew向。數(shù)值模擬可以較好地反演分析秦嶺輸水隧洞的地應(yīng)力分布,無斷層段隧洞最大主應(yīng)力多為10～45mpa,最小主應(yīng)力多為0～15mpa；含斷層段隧洞主軸最大水平主應(yīng)力值較高,變化范圍為20.46～71.94mpa,最高達(dá)71.94mpa。由于斷層破碎帶的存在,附近區(qū)域會出現(xiàn)劇烈的應(yīng)力變化,斷層帶以內(nèi)應(yīng)力值顯著減小,而斷層帶兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中,局部應(yīng)力值升高。

為了分析tbm利用率的主要影響因素,統(tǒng)計分析引漢濟渭工程嶺北隧洞連續(xù)掘進(jìn)2100m的圍巖特征和掘進(jìn)記錄,確定了導(dǎo)致tbm非正常停機的底事件,建立了tbm非正常停機故障樹模型,結(jié)果表明出渣系統(tǒng)故障、支護(hù)設(shè)備故障、刀盤刀具故障和電氣故障是導(dǎo)致tbm利用率不高的主要因素。通過tbm利用率及主要故障與場切深指數(shù)（fieldpenetrationindex,fpi）相關(guān)性分析,表明節(jié)理破碎巖體中tbm利用率與fpi之間不存在明顯相關(guān)性,出渣系統(tǒng)故障、支護(hù)設(shè)備故障、刀盤刀具故障與fpi有較強的相關(guān)性。分析主要故障發(fā)生原因,從設(shè)備管理和現(xiàn)場施工管理2個方面提出tbm利用率提高措施。

以實際工程為依托,結(jié)合該項目長距離施工通風(fēng),介紹了秦嶺隧洞輔助坑道的總體布局、長距離施工通風(fēng)的特點及面臨的困難。通過對前期施工通風(fēng)研究,結(jié)合現(xiàn)有施工通風(fēng)耗材的性能特點,重點論述了現(xiàn)有施工通風(fēng)技術(shù)存在的問題及解決方法。結(jié)合本項目提出了不同的施工通風(fēng)方案,并對提出的主要方案進(jìn)行施工通風(fēng)計算分析,提出了推薦方案并給出了建議。

引漢濟渭秦嶺隧洞位于秦嶺西部山區(qū),隧洞自南向北,橫穿秦嶺山脊,巖漿活動頻繁,褶皺形態(tài)復(fù)雜,斷裂構(gòu)造發(fā)育。隧洞埋深大,地質(zhì)條件復(fù)雜,工程地質(zhì)問題突出,本文著重分析和論述了對工程有重大影響的幾個關(guān)鍵地質(zhì)問題,即高地應(yīng)力與巖爆問題、高地溫與熱害問題、放射性問題、圍巖穩(wěn)定問題、隧洞施工涌(突)水、涌泥問題、軟巖變形問題等問題。

引漢濟渭工程秦嶺隧洞全長98．3km，隧洞最大埋深2012m。結(jié)合工程特點，選擇了施工用電、通風(fēng)、用水以及會車洞等輔助施工措施；提出以開挖工法、減少軟巖塌方措施、大變形處理以及涌水處理為核心的不良地質(zhì)條件下的快速施工技術(shù)；針對隧洞污水提出專門的處理方法。通過輔助工法的比選以及快速施工方法，可在取得良好的經(jīng)濟效益的同時確保隧洞正常施工。

以引漢濟渭秦嶺隧洞工程為研究對象,針對工程埋深大、地應(yīng)力高和地質(zhì)條件復(fù)雜的特點,進(jìn)行高地應(yīng)力條件下超長深埋隧洞巖爆的數(shù)值模擬預(yù)測研究。基于隧洞圍巖工程力學(xué)性質(zhì)和原始地應(yīng)力反演數(shù)據(jù),通過數(shù)值模擬技術(shù),運用離散元法軟件（3dec）,對研究區(qū)域的五個代表性埋深段進(jìn)行隧洞開挖數(shù)值模擬,分析開挖后圍巖的二次應(yīng)力、位移變化和破壞情況。選擇五種不同的巖爆判據(jù)對圍巖巖爆等級進(jìn)行預(yù)測,并將綜合評判結(jié)果與實際巖爆發(fā)生情況對比。研究表明,基于離散元計算預(yù)測巖爆的方法是可行的,預(yù)測巖爆等級與實際巖爆發(fā)生情況基本吻合。

tbm通風(fēng)是隧道開挖時的生命保障線,可進(jìn)行設(shè)備降溫、排污、為隧道作業(yè)人員提供新鮮氧氣等。引漢濟渭嶺北tbm第二階段施工全長(8920+3000)m,前期采用洞內(nèi)采風(fēng)方式,掘進(jìn)至5000m時,tbm區(qū)域環(huán)境溫度為38℃,濕度為96%。為了應(yīng)對后期高巖溫,大埋深施工區(qū)段,對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造。以引漢濟渭嶺北tbm施工中通風(fēng)系統(tǒng)改造為實例,研究探索tbm通風(fēng)改造方法。經(jīng)現(xiàn)場試驗證明,此方法具有低成本、高效率的特點,可為同類tbm施工提供有益借鑒。

2012年6月1日上午，陜西引漢濟渭工程秦嶺隧洞椒溪河等三項工程合同簽字儀式存西安建國飯店隆重舉行。陜西省引漢濟渭辦公室常務(wù)副主任蔣建軍，副主任杜小洲，主任助理雷雁斌、王壽茂，水電十五局副總經(jīng)理張勝利及參建單位代表出席了簽字儀式。

一、研究背景1.引漢濟渭工程概況引漢濟渭工程是目前陜西省水利項目中投入最大的,工程涉及黃河和長江兩大流域,行政區(qū)劃涉及整個關(guān)中地區(qū)和陜南的漢中、安康市,是陜西省內(nèi)的南水北調(diào)骨干工程。工程由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和秦嶺輸水隧洞三部分組成,建設(shè)內(nèi)容涉及大型水庫樞紐、大型抽水泵站、超長深埋隧洞等,工程線長點多,范圍廣,工程規(guī)模大,工程構(gòu)成復(fù)雜。

引漢濟渭工程秦嶺隧洞穿越秦嶺嶺脊,延伸長,埋深大,地質(zhì)條件十分復(fù)雜。施工中將遇到各種各樣的工程地質(zhì)問題。文章詳細(xì)闡述了秦嶺隧洞高地應(yīng)力條件下堅硬巖石發(fā)生巖爆的可能、高地溫及熱害、放射性及有害氣體、圍巖失穩(wěn)、突水涌泥、軟巖變形等一系列問題,并進(jìn)行了分析研究,可供其它隧洞工程參考和借鑒。

黨的十七大提出建設(shè)生態(tài)文明的重大戰(zhàn)略任務(wù)以來,生態(tài)環(huán)境建設(shè)得到了省委省政府的高度重視和社會各界的廣泛關(guān)注。水作為生態(tài)環(huán)境的控制性因素,水環(huán)境的治理和保護(hù)也已經(jīng)成為水利工作必須要考慮的重大問題。尤其是在渭河的水環(huán)境建設(shè)上,在

引漢濟渭工程目前正在實施的秦嶺輸水隧洞(越嶺段)全長81.8km,最大埋深達(dá)2012m。其施工安全、施工質(zhì)量是工程建設(shè)管控的首要問題。從安全質(zhì)量管理體系、管理亮點以及工程安全質(zhì)量現(xiàn)狀等方面闡述通過全過程的控制,處于受控狀態(tài)的工程安全質(zhì)量管理的實踐。

引漢濟渭秦嶺隧洞最大埋深約2000m,根據(jù)資料分析,秦嶺隧洞地應(yīng)力高、埋深大具備發(fā)生巖爆的條件。本文擬對引漢濟渭秦嶺隧洞越嶺段嶺南tbm施工段(k27+643.006~k46+360.000)18.717km地段圍巖巖爆機理進(jìn)行分析、研究,提出tbm法施工通過巖爆地段的施工預(yù)防措施。

對引漢濟渭工程三河口水庫移民長效補償安置方式進(jìn)行探討,結(jié)合淹沒及規(guī)劃批復(fù)的生產(chǎn)安置情況,通過社會效益及財務(wù)經(jīng)濟角度進(jìn)行比對分析,結(jié)果認(rèn)為,三河口水庫移民安置施行長期補償安置具有較好的社會效益,但從財務(wù)經(jīng)濟性角度分析,其運行過程中存在較大風(fēng)險,需要建設(shè)單位、地方政府聯(lián)合制定完善的政策措施,避免發(fā)生系統(tǒng)風(fēng)險。

針對三河口水庫土地資源稀缺、環(huán)境容量限制等制約因素導(dǎo)致的移民生產(chǎn)安置落實存在困難的問題,結(jié)合水庫淹沒損失、剩余可利用資源情況及所在區(qū)域的現(xiàn)實情況分析,提出三河口水庫區(qū)移民安置組合方式,其實施后三河口水庫移民的生產(chǎn)安置可以得到落實,對破解當(dāng)前三河口水庫生產(chǎn)安置存在的困難具有一定的借鑒。

引漢濟渭工程嶺北tbm施工需穿越14條斷層破碎帶和大段落的富水區(qū),如何在不影響tbm施工效率情況下,及時、準(zhǔn)確探測tbm掘進(jìn)前方的圍巖情況,為tbm施工提供參考,是本文探討的重點。通過對isp系統(tǒng)的組成、工作原理、安裝調(diào)試及應(yīng)用效果的介紹,闡明國內(nèi)開敞式硬巖掘進(jìn)機首次使用的isp系統(tǒng)的良好效果,以期對類似工程提供借鑒。

引漢濟渭工程嶺北tbm施工需穿越14條斷層破碎帶和大段落的富水區(qū),如何在不影響tbm施工效率情況下,及時、準(zhǔn)確探測tbm掘進(jìn)前方的圍巖情況,為tbm施工提供參考,是本文探討的重點。通過對isp系統(tǒng)的組成、工作原理、安裝調(diào)試及應(yīng)用效果的介紹,闡明國內(nèi)開敞式硬巖掘進(jìn)機首次使用的isp系統(tǒng)的良好效果,以期對類似工程提供借鑒。

本文通過對大黃公路右側(cè)良心溝滑坡地質(zhì)條件的總結(jié),確定了滑坡的邊界條件,并采用定性分析和定量計算的方法,對滑坡的穩(wěn)定問題進(jìn)行了研究,提出了切實可行的工程處理措施。

采用定性和定量的方法,根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(gb50287—99)附錄p,對張峰水庫老馬嶺輸水隧洞圍巖進(jìn)行了工程地質(zhì)分類,對輸水隧洞涌水、圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了評價,并提出了相應(yīng)的處理措施。

tbm施工過程中,為防止軟巖變形導(dǎo)致卡機事故的發(fā)生,需要對圍巖變形進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。以巴基斯坦n-j水電站為研究對象,通過對圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的反演分析,得到其蠕變參數(shù),并采用反演得到的蠕變參數(shù)對大埋深洞段的圍巖變形進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明,tbm在軟巖段掘進(jìn)過程中,圍巖除了產(chǎn)生明顯的彈塑性變形外還會出現(xiàn)明顯的蠕變變形,且蠕變變形在tbm在開挖后的幾小時內(nèi)會迅速增加,增大了tbm卡機風(fēng)險。建議tbm在軟巖段掘進(jìn)過程中,在保證安全的前提下盡可能快速通過。

結(jié)合工程實例,通過對財神梁隧道全斷面法和臺階法兩種不同開挖方法下典型斷面的圍巖變形監(jiān)測,研究了其穩(wěn)定性狀況,并對圍巖變形曲線進(jìn)行了回歸分析,從而優(yōu)化開挖方法和指導(dǎo)施工。

變形是圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)的主要表現(xiàn)形式,圍巖穩(wěn)定性分析與評價以位移變化過程曲線、分布特征為基本資料,以解讀變形量變化過程、變化趨勢和分布規(guī)律為主要。在圍巖穩(wěn)定控制過程中,變形變化過程控制理論、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用理論是圍巖監(jiān)測的主要理論依據(jù)。隧洞開挖后,圍巖會經(jīng)受環(huán)境作用的變化,并根據(jù)環(huán)境的變化作出不