引漢濟(jì)渭工程隧洞圍巖壓水試驗(yàn)裝置研發(fā)及應(yīng)用

以引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞工程為研究對(duì)象,針對(duì)工程埋深大、地應(yīng)力高和地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn),進(jìn)行高地應(yīng)力條件下超長(zhǎng)深埋隧洞巖爆的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)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(guò)數(shù)值模擬技術(shù),運(yùn)用離散元法軟件（3dec）,對(duì)研究區(qū)域的五個(gè)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(duì)圍巖巖爆等級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè),并將綜合評(píng)判結(jié)果與實(shí)際巖爆發(fā)生情況對(duì)比。研究表明,基于離散元計(jì)算預(yù)測(cè)巖爆的方法是可行的,預(yù)測(cè)巖爆等級(jí)與實(shí)際巖爆發(fā)生情況基本吻合。

tbm通風(fēng)是隧道開挖時(shí)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(jì)渭嶺北tbm第二階段施工全長(zhǎng)(8920+3000)m,前期采用洞內(nèi)采風(fēng)方式,掘進(jìn)至5000m時(shí),tbm區(qū)域環(huán)境溫度為38℃,濕度為96%。為了應(yīng)對(duì)后期高巖溫,大埋深施工區(qū)段,對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造。以引漢濟(jì)渭嶺北tbm施工中通風(fēng)系統(tǒng)改造為實(shí)例,研究探索tbm通風(fēng)改造方法。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明,此方法具有低成本、高效率的特點(diǎn),可為同類tbm施工提供有益借鑒。

通過(guò)大壩碾壓混凝土現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn),檢驗(yàn)?zāi)雺夯炷恋母黜?xiàng)力學(xué)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求;檢驗(yàn)?zāi)雺簷C(jī)具等的運(yùn)行可靠性和配套性;確定碾壓混凝土運(yùn)輸時(shí)間、入倉(cāng)vc值、攤鋪厚度、碾壓層厚、碾壓速度、碾壓遍數(shù)、水膠比、壓實(shí)度檢測(cè)等技術(shù)參數(shù),用以指導(dǎo)主壩碾壓混凝土的施工,有效地保證了大壩碾壓混凝土的施工質(zhì)量。

2012年6月1日上午，陜西引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞椒溪河等三項(xiàng)工程合同簽字儀式存西安建國(guó)飯店隆重舉行。陜西省引漢濟(jì)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。

針對(duì)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(wèn)題,為預(yù)防和減輕地應(yīng)力分布和變化對(duì)施工進(jìn)程和人員設(shè)備安全的不利影響,對(duì)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(cè)試,并對(duì)無(wú)斷層段和含斷層段進(jìn)行了三維地應(yīng)力場(chǎng)反演分析,研究了秦嶺隧洞初始地應(yīng)力場(chǎng)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(qiáng)的水平構(gòu)造應(yīng)力作用,嶺南嶺北勘探試驗(yàn)最大主應(yīng)力為25.4～27.7mpa,垂直孔測(cè)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(wú)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(huì)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。

引漢濟(jì)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(shí)、準(zhǔn)確探測(cè)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(diǎn)。通過(guò)對(duì)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(guó)內(nèi)開敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)首次使用的isp系統(tǒng)的良好效果,以期對(duì)類似工程提供借鑒。

引漢濟(jì)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(shí)、準(zhǔn)確探測(cè)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(diǎn)。通過(guò)對(duì)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(guó)內(nèi)開敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)首次使用的isp系統(tǒng)的良好效果,以期對(duì)類似工程提供借鑒。

以有效解決深埋長(zhǎng)輸水隧洞排水問(wèn)題為目標(biāo),按富水性將隧洞沿線圍巖劃分為中等富水區(qū)、弱富水區(qū)和貧水區(qū),采用數(shù)值方法模擬襯砌周邊滲流場(chǎng),分析了不同排水設(shè)計(jì)方案對(duì)引漢濟(jì)渭工程黃三段深埋長(zhǎng)輸水隧洞襯砌外水壓力的影響。結(jié)果顯示,對(duì)于高外水壓力情況,將排水孔布置于頂拱處僅能降低頂拱附近的外水壓力,無(wú)法有效降低作用于底板的外水壓力,而排水孔沿襯砌周邊均勻布置時(shí),可有效降低作用于襯砌上的外水壓力?；诖?討論了各排水方案的適用條件,給出了深埋長(zhǎng)輸水隧洞排水設(shè)計(jì)建議。

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(lái),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(huì)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(wèn)題。尤其是在渭河的水環(huán)境建設(shè)上,在

引漢濟(jì)渭工程目前正在實(shí)施的秦嶺輸水隧洞(越嶺段)全長(zhǎng)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(wèn)題。從安全質(zhì)量管理體系、管理亮點(diǎn)以及工程安全質(zhì)量現(xiàn)狀等方面闡述通過(guò)全過(guò)程的控制,處于受控狀態(tài)的工程安全質(zhì)量管理的實(shí)踐。

引漢濟(jì)渭工程難度大、技術(shù)復(fù)雜,工程的設(shè)計(jì)、施工均面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞深埋超長(zhǎng)的技術(shù)特點(diǎn),分析了秦嶺隧洞設(shè)計(jì)及施工技術(shù)中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研究難題,提出了設(shè)計(jì)及施工難點(diǎn)的研究方向。

引漢濟(jì)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(duì)引漢濟(jì)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(jī)理進(jìn)行分析、研究,提出tbm法施工通過(guò)巖爆地段的施工預(yù)防措施。

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞穿越秦嶺嶺脊,延伸長(zhǎng),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(wèn)題。文章詳細(xì)闡述了秦嶺隧洞高地應(yīng)力條件下堅(jiān)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(wèn)題,并進(jìn)行了分析研究,可供其它隧洞工程參考和借鑒。

一、研究背景1.引漢濟(jì)渭工程概況引漢濟(jì)渭工程是目前陜西省水利項(xiàng)目中投入最大的,工程涉及黃河和長(zhǎng)江兩大流域,行政區(qū)劃涉及整個(gè)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(kù)樞紐、大型抽水泵站、超長(zhǎng)深埋隧洞等,工程線長(zhǎng)點(diǎn)多,范圍廣,工程規(guī)模大,工程構(gòu)成復(fù)雜。

引漢濟(jì)渭調(diào)水工程是緩解關(guān)中地區(qū)缺水,改善渭河生態(tài)的重要措施之一。黃金峽、三河口水庫(kù)群、泵站群的調(diào)水模式直接決定了工程總調(diào)水量和調(diào)水效益。以多年平均調(diào)水15億m~3為目標(biāo),設(shè)置"黃金峽水庫(kù)先調(diào)水三河口水庫(kù)補(bǔ)充調(diào)水"和"三河口水庫(kù)先調(diào)水黃金峽水庫(kù)補(bǔ)充調(diào)水"兩種調(diào)水模式。通過(guò)長(zhǎng)序列計(jì)算,對(duì)比不同調(diào)水模式下總調(diào)水量、泵站耗能和電站發(fā)電量等各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。研究結(jié)果表明:在"黃金峽水庫(kù)先調(diào)水三河口水庫(kù)補(bǔ)充調(diào)水"的情況下,引漢濟(jì)渭工程可調(diào)水量15.55億m~3,梯級(jí)總發(fā)電量5.53億kw·h,梯級(jí)總耗電量4.91億kw·h,凈發(fā)電量為正值;在"三河口水庫(kù)先調(diào)水黃金峽水庫(kù)補(bǔ)充調(diào)水"的情況下,引漢濟(jì)渭工程可調(diào)水量14.45億m~3,梯級(jí)總發(fā)電量6.24億kw·h,梯級(jí)總耗電量10.86億kw·h,凈發(fā)電量為負(fù)值。研究結(jié)果對(duì)于引漢濟(jì)渭工程的調(diào)度具有重要參考價(jià)值。

以陜西省引漢濟(jì)渭工程為背景,以受水區(qū)缺水量最少、經(jīng)濟(jì)效益最大和污水排放量最小為目標(biāo),建立了陜西省引漢濟(jì)渭受水區(qū)水資源優(yōu)化配置模型,通過(guò)粒子群優(yōu)化算法對(duì)模型進(jìn)行了求解,得到了受水區(qū)各主要城市及其各用水部門的分配水量,解決了受水區(qū)多目標(biāo)多水源復(fù)雜水資源優(yōu)化配置問(wèn)題。通過(guò)求解模型可以看出陜西省內(nèi)各主要城市生活需水基本得以解決;工業(yè)需水和生態(tài)需水得到很大緩解。

對(duì)引漢濟(jì)渭工程三河口水庫(kù)移民長(zhǎng)效補(bǔ)償安置方式進(jìn)行探討,結(jié)合淹沒(méi)及規(guī)劃批復(fù)的生產(chǎn)安置情況,通過(guò)社會(huì)效益及財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行比對(duì)分析,結(jié)果認(rèn)為,三河口水庫(kù)移民安置施行長(zhǎng)期補(bǔ)償安置具有較好的社會(huì)效益,但從財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)性角度分析,其運(yùn)行過(guò)程中存在較大風(fēng)險(xiǎn),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(xiǎn)。

針對(duì)三河口水庫(kù)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(shí)存在困難的問(wèn)題,結(jié)合水庫(kù)淹沒(méi)損失、剩余可利用資源情況及所在區(qū)域的現(xiàn)實(shí)情況分析,提出三河口水庫(kù)區(qū)移民安置組合方式,其實(shí)施后三河口水庫(kù)移民的生產(chǎn)安置可以得到落實(shí),對(duì)破解當(dāng)前三河口水庫(kù)生產(chǎn)安置存在的困難具有一定的借鑒。

本文通過(guò)對(duì)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(jì)算的方法,對(duì)滑坡的穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了研究,提出了切實(shí)可行的工程處理措施。

陜西省關(guān)中地區(qū)嚴(yán)重缺水的狀況不容忽視,經(jīng)多方論證,實(shí)施省內(nèi)調(diào)水工程是緩解關(guān)中地區(qū)水資源供需矛盾的唯一出路。環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn),省內(nèi)實(shí)施引漢濟(jì)渭工程必然會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境有所影響。本文就省內(nèi)\"引漢濟(jì)渭\"工程對(duì)環(huán)境以及生態(tài)的影響做了分析,進(jìn)一步闡述了在可持續(xù)發(fā)展的前提下該工程實(shí)施的必要性。

引漢濟(jì)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(dòng)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(wèn)題突出,本文著重分析和論述了對(duì)工程有重大影響的幾個(gè)關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題,即高地應(yīng)力與巖爆問(wèn)題、高地溫與熱害問(wèn)題、放射性問(wèn)題、圍巖穩(wěn)定問(wèn)題、隧洞施工涌(突)水、涌泥問(wèn)題、軟巖變形問(wèn)題等問(wèn)題。

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞從工程量和技術(shù)難度方面均可謂是水利史上里程碑式的工程。本文通過(guò)對(duì)tbm工法施工段施工過(guò)程中面臨的突涌水、突泥段情況介紹分析,提出應(yīng)對(duì)措施,以期為今后同類工程施工提供參考。