跨活断层隧洞抗错断技术模型试验研究

长大隧洞工程不可避免地要跨越活动断裂带及其影响区域,为减少因断层错动而导致的隧洞结构破坏,抗错断设计是隧洞设计的重要内容。以滇中引水工程香炉山隧洞为背景,对包括铰接设计、扩挖-缓冲层设计以及铰接-扩挖-缓冲层在内的3种抗错断措施进行模型试验研究;从衬砌内部破坏、隧洞整体破坏、衬砌应变方面,对上述3种抗错断措施抗断效果进行了验证评估。研究结果表明:(1)从隧洞衬砌结构内部破坏特征来看,铰接设计与扩挖-缓冲层设计都可以对衬砌起到保护作用。(2)从隧洞整体变形和裂纹分布来看,使用铰接设计增大了隧洞在断层带区域的变形程度,但减小了衬砌本身的破坏;使用扩挖-缓冲层设计不仅减小了隧洞在断层带区域的变形,同时也相对减小了对衬砌本身的破坏,经铰接-扩挖-缓冲层设计的隧洞变形几乎只出现在铰接处,衬砌破坏更小。(3)从隧洞纵向应变分布规律来看,扩挖设计和铰接设计都减小了衬砌的应变,其中铰接设计对衬砌应变的减弱最为突出。相关研究成果可为跨活断裂隧洞实际工程中抗错断方案的选用提供参考。

活动断裂对隧洞变形响应特性的影响研究

长距离跨流域调水工程是解决水资源短缺与社会经济高质量发展之间矛盾的必然选择,由于受到地形和地质条件的限制,通常需要跨活动断裂建设长距离输水隧洞。为了全面、准确地认识活动断层的错断对输水隧洞变形破坏特性的影响,以滇中引水工程的关键控制性工程——香炉山输水隧洞为例,基于隧洞关键部位的位移与相对变形、最大主应力、纵向等效内力等指标,对断层带倾向、夹角、宽度、岩体力学参数等因素进行参数分析。结果表明:断层带走向与隧洞夹角以及断层带倾角越大,对隧洞衬砌变形受力状态越有利,当隧洞必须要跨越活动断裂时,其相交角度较大为宜;在相同错动量的前提下,断层宽度越小,对隧洞变形越不利;在断裂带两侧岩体质量条件和错动量不变的前提下,随着断裂带岩体质量的提升,隧洞受到的错动作用更加显著。研究成果可为相关隧洞工程建设提供参考。

滇中引水工程香炉山隧洞地应力特征及其活动构造响应

滇中引水工程香炉山隧洞是滇中输水线路首个建筑物。为查明香炉山隧洞周边地硬质与软质岩类水平主应力和测压系数的分布规律,文章对隧洞沿线10个测量点的地应力进行测量和数据统计分析,并对隧洞主应力方向与活动断裂相关性,以及隧洞所在区域应力状态及其活动构造响应进行探讨,研究成果可为后续同类研究提供工程参考。

充填型溶洞TBM掘进卡机过程特征与脱困措施研究

为应对敞开式TBM掘进穿越大型充填型溶腔面临的较大施工风险,分析总结了滇中引水工程香炉山隧洞“云岭号”TBM遭遇溶腔段的卡机过程特征、原因及采取的脱困措施。结果表明:①溶腔段TBM卡机的直接原因主要为刀盘扭矩过大,难以持续维持在高位而发生刀盘停转被卡。在穿越充填型溶洞过程中,TBM可能面临反复卡机问题,并因拱底软弱破碎、承载力不足而发生“栽头”现象,导致TBM掘进竖向偏差过大;②采用拱顶超前注浆管棚、拱底超前管桥、掌子面玻璃纤维锚管超前注浆等超前处置措施,能够较好地限制溶腔段TBM刀盘扭矩过大、机头下沉等问题,为使TBM顺利通过不良地质洞段,需从“超前支护、初期支护加强、掘进控制”等方面进行综合处置;③在岩溶地层中,溶洞前后可能并无明显过渡洞段,TBM掘进施工过程中应进行有效的超前地质预报,做到先探后掘、提前发现、提前处置。

不同支护方式下大坡度斜井钢拱架与喷锚支护联合受力分析

目前,对于纵向坡度较大的大坡度斜井,两种不同支护方式(钢拱架铅直向下和垂直洞轴线)对钢拱架与喷锚支护联合受力特性影响的研究较少。结合云南省滇中引水工程香炉山隧洞某斜井工程实际,针对钢拱架铅直向下和垂直洞轴线两种布置型式分别与喷锚支护结构的联合受力,采用三维有限元法对斜井开挖过程中围岩位移、应力和喷层、锚杆及钢拱架的应力进行了计算分析。结果表明:两种钢拱架布置型式下,围岩变形和应力分布规律基本相同,垂直洞轴线布置钢拱架更有利于抑制围岩纵向位移和竖向位移,并使支护结构应力显著减小,对斜井围岩稳定和支护结构受力状态更加有利。围岩条件越差,支护效果越明显。建议大坡度斜井中采用垂直洞轴线的型式布置钢拱架。

滇中引水工程香炉山隧洞地应力特征及其活动构造响应

滇中引水工程香炉山隧洞埋深大、距离长且处于复杂的构造地质环境中。为查明其地应力分布特征,统计分析了隧洞沿线10个钻孔的水压致裂法地应力测试成果。3个主应力关系主要表现为SH>SV>Sh,反映了隧洞沿线以走滑性质为主的构造特征。工程区浅部地层的应力大小主要受地层岩性与断裂带影响。一方面坚硬岩体的水平主应力明显大于软质岩体;另一方面断裂带的发育致使隧洞沿线的应力水平相对较低,同时断裂带局部区间力学性质的差异导致浅部地层水平主应力呈现出较大离散性。香炉山隧洞最大水平主应力的测试方向主要分布在NNE-NEE向,与隧洞沿线一系列全新世活动断裂走向及区域构造主压应力方向趋于一致,响应了研究区震源机制解特征和楔形块体的运动特征。基于实测应力数据和断层滑动理论,隧洞沿线活动断裂目前处于相对稳定状态,而鹤庆-洱源断裂更为接近断层滑动的临界条件,随着应力的不断积累其稳定性情况值得进一步关注。

长距离隧洞穿越活动断裂带的结构安全监测体系和布置设计

长距离输水隧洞等线路工程建设将不可避免地穿越活动断裂带,引发隧洞结构变形失稳风险。可靠的结构安全监测方案是有效监控隧洞结构安全状态、评价抗错断措施适应性的必要手段,目前还少有与隧洞穿越活动断裂带结构安全监测体系相关的研究。针对该问题,提出了过活动断裂带隧洞结构安全监测的“五适应”设置原则,即:与现行规范或技术标准相适应、与活动断裂带活动特征相适应、与隧洞结构变形规律和破坏特征相适应、与抗断措施相适应、与隧洞开挖施工方法相适应。然后,以滇中引水工程香炉山隧洞为对象,根据断裂带蠕滑作用下的隧洞结构变形破坏规律,开展了基于“五适应”设置原则的安全监测体系和布置设计研究。研究认为香炉山隧洞在穿越丽江-剑川断裂时,应以围岩变形、接缝开合度等为主要监测项目,以接缝剪切压缩量和混凝土压应变等为基本监测内容,以影响带-主断带的交汇区域为重点关注区域,以位错计、错缝计、应变计和压力计为监测仪器,并明确了与监测对象同步实施的布置时机。由此建立隧洞穿越活动断裂带的结构安全监测体系,为隧洞过活动断裂带的安全监测布置设计提供了有益的思路。

湿喷钢纤维混凝土在香炉山隧道中的应用

通过香炉山隧道的初支施工实例,介绍了湿喷钢纤维混凝土的施工工艺及其主要优点。

香炉山隧洞5#支洞应急抢险段围岩参数反演及稳定性分析

在建的滇中引水工程香炉山隧洞5#支洞穿越活动断裂带,地质条件极为复杂,施工过程中发生过严重的涌水突泥灾害,围岩稳定问题极为突出,严重制约施工进度和工程安全。为深入系统地研究5#支洞应急抢险洞段合理的围岩力学参数及隧洞稳定性情况,充分利用现场监测及物探资料,采用基于神经网络和遗传算法的位移反演方法确定了应急抢险洞段围岩的力学参数;并在此基础上,模拟施工开挖支护全过程,进行了围岩稳定性分析。结果表明:在当前开挖支护条件下,5#支洞应急抢险洞段整体处于稳定状态,除桩号K0+501—513洞段右边墙围岩变形量较大外,其余部位围岩变形量整体<15 cm;塑性区深度在2~5 m范围内;支护结构受力整体处于正常水平。相关研究结果对于5#支洞后续洞段或相近条件隧洞安全快速施工具有指导意义。

滇中引水工程香炉山深埋隧洞施工长距离通风研究

隧洞施工期通风是保障施工人员身心健康和地下洞室施工安全、高效进行的关键。根据国家和水利行业标准,并结合滇中引水工程香炉山隧洞施工方法等,确定了滇中引水工程香炉山隧洞施工期通风防尘卫生控制标准。考虑到香炉山隧洞总体施工方案和施工支洞布置,规划了隧洞施工期通风方案,通过供风计算分析,确定了隧洞各工作面的供风量、通风管直径及风机功率等。在此基础上,选择典型钻爆施工洞段和TBM施工洞段进行了数值仿真验算。计算结果表明:风管和隧洞内风速、通风量均达到了设计通风标准,隧洞内污染物稀释效果良好,验证了该工程通风设计方案的可行性和可靠性。

香炉山深埋长隧洞TBM选型研究

随着中国大规模基础建设的推进,越来越多的深埋长隧洞采用TBM施工,而TBM选型是TBM施工方案中关键问题之一。以滇中引水工程香炉山隧洞为例,重点从穿断层、软岩大变形、涌水突泥等不良地质洞段施工难易程度、卡机风险,以及超前加固和超前地质预报操作便利性等方面进行综合分析,推荐优先选用两台敞开式TBM,并针对具体地质情况、施工特点,提出了TBM相应的功能配置。研究成果可为类似工程提供借鉴。

香炉山深埋长隧洞TBM法及钻爆法施工方案研究

滇中调水工程的控制性项目——香炉山隧洞长62.596km,具有超长距离、大断面、大埋深等特点,是目前在地壳活动性较强地区尚无施工先例的长距离深埋输水线路,施工难度极大。结合香炉山隧洞地形、地质情况以及施工支洞布置条件等,经多方比选确定了“TBM法+钻爆法”的总体施工方案,即在隧洞进出口以及主要不良地质洞段处设置施工支洞,采用钻爆法开挖规模较大的3条区域性断裂及部分不良地质洞段;其余地质条件较好洞段或无施工支洞布置条件段采用TBM法施工。以施工工期最优为目标,分析确定了钻爆法和TBM法施工分段长度,并制定了TBM组装、转场与拆卸方案。相关经验可供类似工程借鉴。

滇中引水工程香炉山深埋长隧洞TBM施工关键技术研究

以在建滇中引水工程大理I段施工3标香炉山隧洞为依托,对大埋深长距离隧道的TBM施工关键问题进行了研究。通过研究TBM施工段的地质情况,分析TBM施工段地质条件的TBM适宜性,对比TBM选型关键边界条件,结合现场不良地质种类和分布,选用敞开式TBM进行掘进,并针对本标段TBM施工段的地质条件,提出了TBM相应的功能配置。

走滑断层作用下跨断层隧洞破坏机理研究

中国西部地区断层带分布广泛,使得西部地区隧洞建造过程中不可避免穿越活动断层。为研究不同因素对隧洞衬砌结构的影响,根据滇中引水工程香炉山引水隧洞穿越断层的活动形式,采用数值模拟方法模拟不同工况下走滑断层错动引发的隧洞衬砌变形及受力,由此得到断层错动量、断层带宽度、断层带围岩强度及断层倾角这4个主要因素对衬砌结构的影响程度。结果表明:①断层错动量、断层带宽度、断层带围岩强度及断层倾角4个因素对衬砌影响的程度依次减弱。②隧洞衬砌在走滑断层错动作用下的变形模式呈“Z”字形分布。③断层破碎带范围内的剪力较大,衬砌弯矩分布沿隧洞纵向方向呈中心对称,在断层界限处达到弯矩最大值,衬砌中点的弯矩为0。④位于断层带处的隧洞衬砌洞顶及洞底应力分布受敏感参数影响的变化较大,隧洞衬砌两端的压应力较小;左右拱腰的纵向应力沿衬砌中间截面迹线呈对称分布,最大压应力出现在断层界限处,因此断层界限应该成为隧洞抗错断的控制重点。

滇中引水工程香炉山隧洞勘察关键技术

滇中引水工程地质构造背景与地震地质条件极为复杂。香炉山隧洞全长62.60 km,最大埋深1450 m,穿越滇西北横断山脉及金沙江与澜沧江两大流域分水岭,跨越多条区域性深大断裂,是滇中引水工程中单洞最长、埋深最大隧洞,也是目前国内在建水利工程中施工难度最大、地质条件最为复杂的大深埋超长隧洞。结合香炉山隧洞复杂地质条件、存在的主要工程地质问题,以及可能产生的地下水环境影响风险,系统地总结了香炉山隧洞勘察研究过程中采用的基于3S技术的地质遥感解译、大地电磁测深、千米级深孔勘探测试、复杂岩溶区大埋深超长隧洞选线、地下水三维渗流场数值模拟等勘察关键技术和研究方法,创新性地研发了千米级深孔地应力测试技术、深部岩体水文地质参数测试技术以及适用于复杂地质条件下大埋深隧洞的超前地质预报关键技术;形成了一套较为系统、全面的大埋深超长隧洞勘察关键技术研究方法,为类似工程勘察研究工作提供了重要参考及借鉴。

深埋长隧洞软岩工程地质特性及变形预测研究

滇中引水工程香炉山深埋长隧洞穿越软岩(含断层破碎带)时,在高地应力和富水条件下易产生围岩大变形,变形量可达数十厘米到数米,如不及时支护或支护不当,不但给工程建设带来极大困难,而且整治费用高昂,同时会严重影响工期、延滞总体工程进度。根据软岩工程地质特性、软岩大变形分析评价方法、数值模拟结果对香炉山深埋长隧洞进行了软岩挤压大变形分析预测,提出了处理措施建议,避免了软岩大变形可能造成的危害。研究成果可为类似深埋长隧洞工程提供一定的借鉴。

自进式超前大管棚支护技术在香炉山工程中的应用

自进式超前大管棚支护技术主要用于隧道建设,一般用于隧道洞口段建设,通过支护和灌浆工序可以实现对不稳定围岩段的稳固处理,从而有利于工程项目建设顺利推进。利用大管棚支护技术,可以提高围岩的强度,减少形变量发生,从根本上改善施工环境,确保工程项目质量合格。结合滇中引水工程项目香炉山隧洞建设,对施工过程中因为围岩不稳定带来的施工困难进行了分析,对自进式超前大管棚施工的相关措施进行技术论证,对施工效果进行了定量评价。