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。

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。

面向供水对象转型的引大入秦工程水资源优化配置研究

引大入秦工程(以下简称引大工程)建成初期主要以秦王川农业供水为主,但随着兰州新区的建设发展,其供水对象开始向城市生活用水和工业用水转型,如何实现有限水资源的合理配置是目前研究的重点问题。基于此,依据引大工程供水区(以下简称引大供水区)可持续发展要求,构建以实现经济、社会、生态效益最大化为目标函数,可供水量、输水能力、用户需水量、排水系统排水量与变量非负为约束条件的多目标水资源优化配置模型,使用遗传算法进行求解。结果表明:2025年引大供水区不同用水部门配水量(保证率P=50%、P=75%)分别为生活用水8323.85×10^(4)、8322.49×10^(4)m^(3),农业用水15001.95×10^(4)、15631.53×10^(4)m^(3),工业用水11111.00×10^(4)、11100.00×10^(4)m^(3),生态用水946.88×10^(4)、947.02×10^(4)m^(3),各部门总配水量与优化前供水量4.23×10^(8) m^(3)相比,达到供需平衡;2030年引大供水区不同用水部门配水量(保证率P=50%、P=75%)分别为生活用水12650.51×10^(4)、12666.53×10^(4)m^(3),农业用水16397.77×10^(4)、17019.70×10^(4)m^(3),工业用水20498.00×10^(4)、20508.00×10^(4)m^(3),生态用水948.00×10^(4)、948.88×10^(4)m^(3),不同保证率下各部门总体缺水率分别为12.27%、13.38%。2025—2030年引大供水区的非农业用水结构将大幅提升,农业灌溉用水量降低。研究结果可为引大供水区优化水资源配置决策提供参考依据。

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。

考虑水流演进规律的引大济湟工程水量调度研究

针对引大济湟工程供水调度范围广、水利设施多样以及工程调度目标复杂等难点,提出考虑水流演进过程的大系统分解协调技术,构建引大济湟工程水量调度模型。该模型基于大系统协调分解理论将引大济湟工程划分为多个子系统,利用子系统间的水力联系构建协同机制,获取各项水利设施调度方案信息,并结合一维水动力模型获取各个节点断面的水位、流量关键信息。结果表明:相比于仅通过水量分配模型获取的调度方案,采用该模型得到的方案不仅可满足供水需求,还可实现对供水过程的动态跟踪、模拟仿真,为用户提供更为精准、科学的供水调度方案编制手段,进一步确保沿线供水安全。

引大济湟工程TBM挤压大变形卡机计算分析与综合防控

针对青海省引大通河济湟水河(引大济湟)工程频繁遭遇挤压大变形和卡机灾害难题,基于挤压大变形本构模型和全断面隧道掘进机(TBM)卡机事故预测分析理论,提出了挤压大变形和卡机计算方法,进行了引大济湟工程TBM掘进围岩挤压大变形与卡机计算,结果表明:(1)TBM穿越F5断层区段时,当扩挖间隙为10 cm时,开挖卸荷后护盾所受摩阻力将达到推进系统提供的最大推力,易发生卡机事故;(2)挤压变形、围岩-护盾接触面积和护盾所受摩阻力随停机时间不断增大,停机1 d内增大的速率越来越大,停机后7 d起,围岩流变速率和护盾所受摩阻力增加速率均减缓,直到停机后13 d时,围岩-护盾相互作用达到平衡,护盾所受摩阻力趋于稳定。同时为了防止和控制卡机事故,对该工程后续施工提出了最佳扩挖间隙和许可停机时间等卡机综合防控的3个对策:即扩挖间隙至少要增大到15 cm,此时停机初始时刻不发生卡机,许可停机时间为2 d;扩挖间隙增大到18 cm时,许可停机时间为4 d;扩挖间隙增大到20 cm时,就选取的围岩条件下,停机7 d内TBM基本不发生卡机,7 d后也很容易克服卡机。提出的卡机防控措施对引大济湟工程TBM安全高效掘进具有一定的指导意义,并得到工程实际控制对策的验证。

引大济湟调水总干渠工程生态环境影响

以引大济湟调水总干渠工程运行后河流水文情势的变化,分析工程建设导致的主要生态环境影响,并相应提出优化工程运行方式、建设生态放水设施、过鱼道等生态环境影响保护措施,尽量减缓对区域生态环境的破坏。分析表明,在采取严格环境保护措施的前提下,工程运行后引水枢纽的下泄水量可满足大通河生态水量要求,对区域生态完整性影响不大,可维持一定种群和资源量,从生态环境角度论证该工程建设方案可行。

关角隧道突涌水防治技术体系研究

关角隧道修建长达7年时间,隧道突涌水是制约施工的主要难题。为解决隧道施工中探水精度不高,高压动水条件注浆困难,长距离、大流量抽排水难度高等技术难题,研究建立了一套突涌水防治技术体系。通过综合采用调查统计、经验总结、理论分析与数值分析等方法,提出了关角隧道突涌水水文地质模型和突涌水模式,揭示了关角隧道突涌水机理,为关角隧道突涌水处治提供了理论依据;建立了突涌水预报方法,其预测准确率达76%;提出了高压富水地层分类注浆及顶水注浆综合治理技术,为不同突涌水模式的注浆堵水提供了解决方案;采用地表导流方式大大减少了地表水对洞内突涌水的水源补给;提出了高扬程长距离反坡排水技术,在高海拔地区实现了抽排水量30万m^3/d。研究成果是重要的工程实践经验积累,可为类似工程提供借鉴,具有很高的推广应用价值。

引大济湟总干渠工程对大通河水生生态环境的影响及对策

研究了青海省引大济湟调水总干渠工程建设对大通河干流中上游水生生态环境的影响及保护措施。现场捕获鱼类9种,采集浮游植物26种,浮游动物10种,底栖动物14种,水生维管束植物4种,重点分析了鱼类种类组成、种群结构、重点保护种类以及繁殖习性等。分析工程建设造成的阻隔、水文情势变化和生境变化等对鱼类和其他水生生物的影响,提出生态放水、修建过鱼道、人工增殖放流、加强监测和回顾评价工作等措施,切实保护鱼类资源和生态环境。

引汉济渭工程黄三段输水隧洞围岩变形与压力分析

以分析深埋长隧洞围岩应力和应变为目标,考虑隧洞施工方式,围岩支护形式等因素,通过数值计算,动态模拟隧洞施工过程,获取了黄三段输水隧洞初期支护后的围岩变形情况以及围岩与衬砌相互作用关系。计算结果显示:采用设计的初期支护形式,可有效控制不良洞段的围岩变形,Ⅳ、Ⅴ类围岩最大收敛变形满足规范设计要求。Ⅳ、Ⅴ类围岩与衬砌间的相互作用力随衬砌浇筑时距掌子面距离的增加而降低,但在距掌子面约4倍洞径后降幅微小。通过对比分析经验方法与数值方法所确定围岩压力成果,确定了衬砌结构设计所需的围岩压力指标,为黄三段输水隧洞设计提供了依据,分析方法可为相似工程提供参考。

引汉济渭工程黄三段深埋长输水隧洞排水方案研究

以有效解决深埋长输水隧洞排水问题为目标,按富水性将隧洞沿线围岩划分为中等富水区、弱富水区和贫水区,采用数值方法模拟衬砌周边渗流场,分析了不同排水设计方案对引汉济渭工程黄三段深埋长输水隧洞衬砌外水压力的影响。结果显示,对于高外水压力情况,将排水孔布置于顶拱处仅能降低顶拱附近的外水压力,无法有效降低作用于底板的外水压力,而排水孔沿衬砌周边均匀布置时,可有效降低作用于衬砌上的外水压力。基于此,讨论了各排水方案的适用条件,给出了深埋长输水隧洞排水设计建议。

南水北调穿黄隧洞工程预应力混凝土施工技术

在简要介绍南水北调穿黄隧洞断面结构及锚索布置的基础上,详细介绍了该隧洞衬砌施工中采用的有黏结后张法环形预应力混凝土施工工艺,具体分析了混凝土浇筑、锚索张拉、锚具槽回填、孔道灌浆等工序的施工流程、方案及施工技术。施工实践表明,南水北调穿黄隧洞工程是有黏结后张法环形预应力混凝土施工技术在我国大洞径、高水头有压输水隧洞衬砌结构工程中的又一次成功应用,完全满足对预应力控制的条件,各项指标均达到设计要求,取得了较好的效果。

基于监测的深埋引水隧道原始水头分析

针对"荷载—结构物"模型,基于现场实测数据资料,在深埋隧道围岩轴对称假定前提下,基于渗流理论推导出施工期隧道开挖后围岩内水压力分布的解析解,研究远场稳定水头与远场稳定水头半径的相互关系,提出通过现场围岩地下水水压监测数据反推远场稳定水头和远场稳定水头半径的思路和方法。以引汉济渭工程越岭段隧道为例,根据施工期地下水的水压监测资料,分析了部分洞段隧道部位的初始水压力及隧道开挖后形成的稳定远场水头半径,得到衬砌结构外水荷载。结果表明:在隧道内只要测到某一围岩深度的水头值,就可以确定远场稳定水头与影响半径;洞段K77+993断面围岩深度14 m处压力水头为10.50 m,则远场稳定水头为39.65 m,影响半径43.65 m。研究成果能够为注浆和排水设计提供借鉴和参考。

分部分块开挖施工工艺在特大涌水土洞斜井开挖中的应用

在涌水条件下进行土洞斜井开挖时,地下水主要集中于开挖掌子面底部,给开挖工作增加了很大难度。为了解决地下水对开挖作业面的影响,提出了分部分块开挖施工工艺。这一施工工艺在山西万家寨引黄北干支北03-1特大涌水条件下土洞斜井开挖施工中得到了应用,有效地避免了地下水对开挖的影响。文中对该施工工艺原理进行了分析论述,对同类工程施工具有重要指导意义。

交叉隧洞爆破振动影响评价及减震对策研究

以绍兴曹娥江引水工程为背景,结合国内外研究成果和规范,研究了曹娥江输水隧洞下穿小舜江输水隧洞时爆破施工的减震控制技术。运用数值模拟方法,得到了不同工况下围岩应力的变化规律,预测了隧洞围岩的稳定性。以信息化施工理论为依据,对试验段的爆破振动速度进行了监测,通过回归分析得到了爆破参数K,α值,对最大装药量等爆破设计参数进行了优化,并应用于现场爆破施工。现场监测表明,优化后的最大装药量等爆破设计参数合理,爆破振动未对小舜江输水隧洞产生不利影响。研究成果可为类似工程提供借鉴。

穿黄隧洞形变检测及三维数字仿真管理系统研究

穿黄工程是南水北调中线总干渠穿越黄河的关键性工程,其中穿黄隧洞工程技术难度最大。穿黄隧洞采用双层衬砌结构,工程地质条件复杂,其在多变的水土压力作用下的变形情况直接关系到穿黄隧洞的运行安全和南水北调中线工程的正常供水。以三维激光扫描技术为工具,获取了穿黄隧洞过水面的三维信息,采用自主研发的"隧道形变检测/监测系统"对隧洞进行形变检测,并建立了穿黄隧洞三维数字仿真管理系统。将测绘技术应用于穿黄隧洞的运行管理,可提供可靠的技术支撑。

穿黄隧洞预应力双层复合衬砌结构受力特性研究

结合穿黄隧洞衬砌1∶1仿真模型试验,采用三维非线性有限元方法进行计算分析,跟踪对比试验中无垫层衬砌段(联合承载)、有垫层衬砌段(独立承载)2种结构的试验监测数据,研究这种新型双层复合衬砌结构的受力特性。计算采用考虑接触的非线性有限元方法,模拟仿真模型试验中管片拼装、分层填土、内衬预应力张拉,以及内水压力施加(充水)的实际过程,研究管片之间以及内外衬之间的缝隙状态和传力机理。研究结果显示:即使内、外衬处于完全张开状态,无垫层模型的预应力荷载也可以通过插筋传递到外衬,表明插筋是实现内外衬砌联合承载的重要结构措施;有垫层模型内外衬砌具有独立承载特性。计算与试验成果对比显示,无论是结构变形、缝隙开度还是衬砌应力,两者规律一致、数值接近,其研究成果可供类似工程参考借鉴。

南水北调中线穿黄隧道盾构注浆浆材试验

为满足南水北调中线工程穿黄隧洞盾构施工工法要求，对研制开发的水泥-膨润土-水玻璃系双液塑性壁后注浆材料，通过室内模拟注浆试验，重点探讨了材料组分对注浆材料流动性、稳定性、凝胶特性、强度等性能的影响。结果表明：凝胶时间可控制在10s左右；不同配比注浆材料1h单轴抗压强度为0．08～0．12MPa，28d为7．81～8．52MPa；渗透系数为2．0×10^-8cm／s；模拟注浆时浆液不被水稀释，充填良好；且不会对地层产生劈裂，也不会向开挖掌子面渗漏。

引红济石工程长隧洞TBM选型探讨

论述了敞开式和双护盾TBM的地质适应范围和技术特点,并通过对敞开式TBM和双护盾TBM的性能、优缺点、工期、投资等方面的综合分析和比较,提出了适应引红济石工程的TBM的形式,对类似的小断面、长引水隧洞的TBM选型有一定的借鉴作用。