岩溶隧洞突涌水灾害风险评价研究

受复杂地质条件的影响,岩溶隧洞在施工过程中极易发生突涌水灾害。为准确评估岩溶隧洞突涌水风险等级,将结构方程模型(SEM)与改进的模糊综合评价法(FCEM)相结合,构建岩溶隧洞突涌水风险评价模型。从地形地貌、气象水文、地层因素、地质构造、岩溶水文地质、施工因素6个方面深入研究;利用SEM确定各指标标准化路径系数并求得其权重,运用改进FCEM法对岩溶隧洞突涌水风险等级进行评价;以滇中引水工程昆呈隧洞为应用实例,利用Crystal Ball软件验证模型的有效性。结果表明:昆呈隧洞有90%的几率处于52~73分值区间范围内(Ⅲ级风险),与现场实际情况一致,表明基于SEM-改进FCEM法构建的岩溶隧洞突涌水风险评价模型具有一定的适用性;其中岩溶水文地质、地质构造、气象水文是该隧洞的主要影响因素,施工中应加强对这几方面的监控和量测,避免发生突涌水灾害。研究成果可为类似岩溶隧洞工程提供参考。

敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法及应用

当TBM开挖隧洞遭遇不良地质条件下的围岩大变形地质灾害时,通常会造成卡机或侵限等风险。开展TBM开挖隧洞围岩变形安全评价工作对降低卡机或侵限等风险具有重要的现实意义。通过分析敞开式TBM开挖隧洞围岩变形特点,建立了敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法。该方法通过采用三维数值分析和围岩变形现场监测手段,可获得围岩在护盾区间以及出露护盾后的变形,从而实现敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全性判别。在滇中引水工程香炉山隧洞的工程应用表明,所提方法能够有效判别不同支护方案下的围岩变形安全性,从而为敞开式TBM开挖隧洞施工期支护方案实时调整提供依据。

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。

隧洞工程建设对水环境影响预测评价——以滇中引水工程狮子山隧洞为例

明确隧洞(道)建设对周围水环境的影响可以及时对相应地表水体与水资源做出科学合理的保护措施与合理调配。滇中引水狮子山隧洞的建设涉及多处水环境敏感点,在对区域自然地质背景与水文地质条件做出充足的资料收集与野外调查后,采用了数值软件模拟隧洞排水条件下的渗流场变化程度,并以此作为依据对敏感点进行了评价分析,结果表明:地下水水位下降主要在罗贤观北侧岩溶山地区域,隧洞建设对梁王山岩溶大泉和小官村水库的影响较小。研究成果为隧洞建设期的环境保护提供了有效的指导方向,研究思路在相关工程的勘察工作中具有一定的借鉴价值。

特大断面导流隧洞施工技术在水利枢纽工程中的应用

该文以某水利枢纽工程为例,探究特大断面导流隧洞施工中爆破开挖与锚喷挂网联合支护技术的应用。经前期地质勘察可知,隧洞围岩为Ⅱ~Ⅲ级,围岩稳定性较好,采取先进行光面爆破再进行洞身开挖的作业方案。在清运碴石、清除危石后,在开挖面上初喷混凝土形成稳定工作面。然后打入锚杆、挂钢筋网并进行二次衬砌,对导流隧洞支护,营造安全的施工环境。拱顶沉降监测数据表明,在导流隧洞开挖后的30 d内,每日平均沉降速率为2.09 mm,在允许范围之内,本次特大断面导流隧洞施工效果符合预期。

钢模台车在滇中引水工程中的应用

近年来,国家对水网建设投入力度不断加大,开工数量和投资规模均突破历史新高。滇中引水工程是目前全国在建的重大水利工程之一,其输水隧洞采用混凝土衬砌以改善水流条。该工程衬砌工具采用底拱钢模台车和边顶拱钢模台车,有效满足了混凝土衬砌紧跟开挖支护施工的要求,并根据现场混凝土施工需要,对钢模台车施工技术做了改进和发展,施工质量和进度得到保障。

综合物探技术在引水隧洞工程超前地质预报中的应用

由于各种超前地质预报方法都存在一定的局限性,选择适宜的超前地质预报方法及地表探测方法相组合,可以提高超前地质预报的精确性与经济性。通过分析常用的超前地质预报方法及地表探测方法的优缺点,判断其适用范围,并在某引水工程实例中,根据其施工特点,洞内采用地震波法和激发极化法,洞外采用大地电磁法的长短结合、内外结合的探测方案,准确预报了掌子面前方80 m内的破碎、含水岩体及80~350 m的含水背斜构造,指导施工,有效避免了相关风险,提高了超前地质预报的精确性与经济性,可为综合探测方案的选择提供参考。

红层地区高瓦斯引水隧洞施工关键技术研究

以亭子口灌区一期工程Ⅲ标金鸡梁隧洞为例,针对红层地区高瓦斯引水隧洞施工安全问题,结合红层地区粉砂质泥岩特性,分析了隧洞施工过程中采用的相应措施。结果表明:采用超前地质钻孔进行瓦斯释放与预报;利用人工检测与自动监测相结合的方式加强瓦斯监控;按照“一备一用”的要求配置以加强洞内通风;对机械设备加装车载瓦斯自动监控报警与断电系统以及尾气火花熄灭器,对隧洞用电进行“三专”“两闭锁”改造等有针对性的措施,可以时刻掌握隧洞内的瓦斯浓度变化,消除隐患,保证隧洞施工的安全,所取得的经验可为类似工程借鉴。

引汉济渭工程秦岭引水隧洞岩爆三维NPR支护技术

针对引汉济渭工程秦岭引水隧洞岭北段频繁产生岩爆灾害、原支护结构破坏等问题,对秦岭引水隧洞岭北段进行地质勘测调查,分析隧道围岩岩爆破坏特征及破坏模式,开展超深隧洞岩爆三维负泊松比(negative Poisson’s ration,NPR)高应力补偿支护体系研究工作。采用现场勘查等方法,对隧道地质条件及岩爆破坏成因进行分析,并采用对比试验的思想设计出秦岭引水隧洞岭北段岩爆监测预警试验方案,提出以微观NPR锚杆为核心的三维NPR高应力补偿支护体系;通过现场试验分析新支护体系下围岩岩爆控制程度及其支护效果。结果表明:以微观NPR锚杆为核心的三维NPR高应力补偿支护体系能有效控制隧道围岩岩爆灾害发生,新支护体系试验段微震能量、频次均明显降低,爆坑深度、钢拱架受力和变形量明显减小。研究成果可为超深隧道岩爆灾害的防治提供参考。

水平定向钻探与综合测试技术研究及应用

西部重大工程建设勘查面临“地形险峻、陡倾构造、生态脆弱”等恶劣的环境条件,采用竖向钻探无法实施,采集的地质信息不全,水平定向钻探和综合测试技术是解决重大工程长大深埋隧道勘察难题的关键技术。但超长水平绳索取心钻进存在陡倾构造地层多变轨迹控制难、高寒缺氧地层破碎钻机动力不足及生态环境保护要求高等问题。本文介绍了系列化水平定向取心钻探装备、多参数全方位无缆测井系统和水平绳索随钻轨迹控制等技术装备的研发进展,以及成功在川藏铁路及引大济岷工程中的应用,在西部高原地区起到示范与推广作用。

滇中引水软岩隧洞施工支洞交岔口开挖控制技术

滇中引水工程大理段狮子山隧洞处于红尘软岩段,变形情况突出。为便于超长输水隧洞的施工设置了斜井作为施工支洞,鉴于该支洞与主洞交汇处结构跨度大,开挖支护期间其变形与稳定控制难度大。阐述了针对该支洞与主洞交岔口部位的分区分块、开挖程序、支护结构等具体情况采取的相关变形控制措施,以期对类似工程施工提供参考。

基于改进的G2-AEW-UMT模型的水工隧洞施工安全风险评价及障碍因子诊断

为降低滇中引水工程隧洞施工安全风险,预防安全事故的发生,对风险因子须提前预判。考虑隧洞施工孕险环境和水文、气象、工程地质等因素,结合规范和工程实际,遴选出8个一级指标和19个二级指标构建水工隧洞施工安全风险评价指标体系。采用改进G2、反熵权法(AEW)计算指标主客观权重,通过未确知测度理论(UMT)并引入障碍因子诊断,建立改进的G2-AEW-UMT水工隧洞施工安全风险评价模型。以某工程7^(#)隧洞为例进行模型验证,结果表明:隧洞斜井段、进口段和出口段障碍度最高的是气候条件,障碍度分别为27.79%,32.97%,29.75%;上游段主要障碍因子为地质条件,障碍度为28.93%;下游段主要障碍因子为水文条件,障碍度为22.96%;综合诊断表明影响7^(#)隧洞施工安全的主要障碍因子为气候、水文和环境条件,其障碍度均值之和达到49.55%,风险范围程度为62.5%,综合评价该水工隧洞施工安全风险等级为Ⅱ级,属于中风险,对比模糊综合评价结果与前人的研究,该模型评价结果符合工程实际,验证了模型的可行性。将未确知测度理论结合障碍因子诊断模型应用于水工隧洞施工安全风险评价的适用性好、计算精度高,可为滇中引水工程水工隧洞施工安全风险评价与诊断提供新思路。

深埋软岩隧洞让位支护原理及应用技术框架

软岩大变形问题是深埋软岩隧洞面临的重大工程挑战和核心关键技术问题.本文总结了从采取刚性支护硬顶的方法发展到采用柔性支护利用围岩自承能力的让压方法的历程,通过分析国内外软岩大变形案例,以滇中引水工程为例,总结滇中软岩变形特征,认为滇中深埋软岩隧洞大变形问题,如采用以防止冲击地压和解决不均压问题的让压锚杆支护,将有一定的局限性,甚至无效.滇中深埋软岩隧洞软岩大变形问题往往还与赋存地质物理环境高外水压力作用有关.文中提出复杂地质条件下深埋软岩隧洞让位支护理论与技术方法,让位支护理论与让压支护理论基础和原理不同,其不是让抵抗冲击地压为目标,而是让变形位移为核心,软岩隧洞施工中“持续变形、边支边让”为核心思想,在保证水工隧洞安全稳定的条件下充分释放岩体的主体变形能,保障软岩隧洞支护、衬砌的安全稳定.该理论方法可在变形力学机理上解决软岩大变形和高外水压力强作用的关键核心技术问题.文中给出了软岩隧洞让位支护系统技术方法,包括系统让位锚杆、让位锚索、约束混凝土、可缩动钢拱架结构及其让位支护体系技术.

秦岭隧洞花岗岩段掘进机滚刀破岩规律及掘进特征

为更好掌握TBM掘进性能,以引汉济渭工程秦岭隧洞花岗岩段为研究对象,通过滚刀破岩试验与施工参数分析,获得了滚刀破岩机理,揭示了掘进速度、设备利用率等TBM掘进性能指标的变化规律。结果表明:在设定地应力条件下,随着贯入度增加,滚刀法向力增大,且其变化幅度增加、变化频率加快,增加了相邻滚刀间形成大岩片的数量;高地应力条件下,因多次发生岩爆,TBM平均掘进速度、设备利用率均较低;现场贯入指标、岩石掘进效率指标沿桩号的变化基本同步,但现场贯入指标能更好评价TBM破岩性能。通过调整支护、清渣和施工组织方式,提高辅助作业效率,并及时调整TBM掘进参数、改进滚刀刀刃材质,可保障TBM高效运行,为该隧洞TBM后续掘进提供相应对策。

富水区深埋隧洞不同渗控措施下的外水压力解析计算方法研究

为了探究富水区深埋隧洞高外水压力作用规律,研究不同支护形式对于外水压力作用规律带来的影响,本文基于等效连续介质渗流模型和无限含水层井流理论,推导了采用复合支护方式下隧洞的外水压力解析计算公式,并通过解析退化以验证公式的正确性.在此基础上,给出复合支护方式的外水压力折减系数解析计算公式.结合外水压力折减系数解析计算公式,对地下水作用水头、衬砌厚度及渗透性、固结灌浆圈厚度及渗透性等因素对外水压力作用规律的影响进行了探究,绘制关系曲线对外水压力的作用规律进行了总结.为保障富水区深埋隧洞工程施工及后期运营安全和富水区水工隧洞工程设计提供了分析手段和参考支持.

综合超前地质预报法在某引水工程中的应用

常规超前地质预报方法通常采用单一物探方法,单一物探方法均有自身的局限性,预报精度相对较低,很难满足工程需求。选择多种物探方法结合地质调查资料以及超前钻探法进行综合预报分析,通过多方法优势互补,降低物探多解性,提高预报精度,更好地查明掌子面前方不良地质体,从而指导隧洞安全掘进。在分析对比常见的超前地质预报方法优缺点的基础上,提出了一套综合超前地质预报方法体系。并在某引水工程实例中,采用综合超前地质预报法精确地预报了掌子面前方岩溶管道,为施工单位采取有效的避灾措施提供了指导依据,从而避免了隧洞突水灾害,保障了隧洞安全掘进,也可为今后的隧洞高风险洞段超前地质预报工作提供参考。

引汉济渭长距离湿陷性黄土输水隧洞支护措施研究

对于穿越湿陷性黄土地层的输水隧洞,其围岩的湿陷性变形会破坏隧洞围岩的稳定性。为了分析黄土隧洞湿陷性变形对隧洞不同支护方式的影响机制,本文以引汉济渭二期咸阳塬隧洞工程为例,选取典型湿陷性黄土隧洞断面,建立三维有限元模型,通过计算并分析应力云图,得出不同支护方法对顶拱中心、底板中心、侧墙的最大位移值,找出适合湿陷性黄土隧洞的支护方式。研究结果表明:与单独的混凝土衬砌支护相比,混凝土衬砌+型钢拱架、混凝土衬砌+格栅拱架、混凝土衬砌+型钢拱架+格栅拱架三种支护方式均可起到较好的效果,混凝土衬砌与锚杆共同支护的效果一般,甚至拱脚部位破坏更为明显;不同数量的超前管棚支护效果不同,超前管棚数量越多,围岩稳定性越好。

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。

长距离隧洞水体增温规律研究

引调水工程中长距离输水隧洞越来越普遍,针对其水体增温现象的研究相对较少。从热力学平衡原理出发,推导了隧洞水体增温模型,将其应用于引江补汉工程出口水温预测中。结果表明:取水口水温越高,水体流经隧洞后增温越小;隧洞埋深越大,水体流经隧洞后增温越大;全线平均水体增温速率预测值与现有水电站引水隧洞增温速率大致相当,但显著小于北方长距离输水隧洞水体增温速率;引江补汉工程隧洞水体增温不可忽略,需要进一步研究其带来的生态环境影响。研究成果可为长距离隧洞输水工程水温变化研究提供支撑。

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。