大型TBM通过岩爆洞段导洞开挖技术研究

锦屏二级水电站隧洞埋深较大,具备发生强烈至极强岩爆的地质条件.强岩爆给隧道掘进机(TBM)带来很大的冲击,也给现场的人员带来很大的安全隐患.为保证TBM顺利通过岩爆段,确保人员和设备安全,现场对强岩爆段进行了钻爆先导洞预处理,再采用TBM开挖的试验.试验段掘进获得了TBM通过岩爆段的掘进参数,为后期的施工积累了经验.     

TBM通过强岩爆洞段的施工

介绍了四川锦屏二级水电站引水隧洞TBM通过强岩爆洞段施工所采取的措施,包括导洞开挖选型、掘进参数的确定、掘进注意事项、结果分析等。结果表明,由于措施合理,TBM顺利通过强岩爆洞段。     

引汉济渭秦岭隧洞4号支洞开挖爆破技术浅析

引汉济渭秦岭隧洞4号支洞是为解决引汉济渭秦岭输水隧洞TBM长距离掘进出渣和通风问题而在中段设置的施工支洞,采用全断面钻爆法开挖。4号支洞施工开挖中以硬岩为主,高埋深产生高地应力,引发岩体脆性变形发生局部坍塌,在完整围岩洞段应力集中易产生岩爆,施工难度高。针对引汉济渭秦岭隧洞4号支洞地质条件设计爆破开挖方式、优化钻爆参数,获得高埋深、硬岩、岩爆地段的钻爆开挖参数,通过实践达到支洞安全、快速开挖的目的。     

超深埋隧洞TBM施工的岩爆研究

TBM工法最显著的优势就在于掘进速度快,其决定性因素是掘进、支护设备与隧洞地质条件的匹配程度,而岩爆(尤其是强烈岩爆)是制约锦屏二级水电站隧洞开挖进度的瓶颈问题。本文结合施工排水洞岩爆现象及支护处理措施,对岩爆的声学特征、时空效应、破坏方式等进行分析,总结了TBM施工洞段岩爆的特点。在水电隧洞工程中引入了微震监测进行岩爆预报,也是目前岩爆监测与预报或预警最有效的技术之一。在对岩爆发生规律、特点、预报研究的基础上,根据TBM设备的特点和能力,提出了防治不同等级岩爆的工程措施和建议。     

引汉济渭秦岭输水隧洞硬岩TBM掘进施工技术

以陕西省引汉济渭调水工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程为依托,为克服TBM在长距离大埋深隧洞施工中遭遇的高磨蚀性硬岩、强烈岩爆和突涌水等施工难点,研究了掘进参数,优化了刀盘刀具,对岩爆预测并进行分类防治,采取了超前探水及堵排结合等多种措施、监测技术和施工工法。针对TBM在高磨蚀性硬岩掘进期间刀具磨损大、掘进效率低、施工成本高等问题,总结得出掘进参数选取宜遵循刀盘高转速、低贯入度,掘进高推力、低扭矩的掘进原则,通过加强刀具与围岩适应性研究,合理选择刀具,采用调整刀盘刮板座结构、易损件改用耐磨材料、优化刀盘喷水结构等刀盘升级措施可有效增加刀盘刀具使用寿命。针对岩爆给现场带来的施工难题,借助微震监测系统预判岩爆等级,分别就轻微、中等岩爆提出了防治措施,提出了"柔性结合刚性,辅以新材料"的组合工法。针对隧洞开挖出现的突涌水问题,根据"以堵为主、堵排结合、加强抽排"施工指导思路,总结出超前探水技术。这些措施大幅提高了TBM在高腐蚀硬岩洞段的掘进效率,有效吸收了岩爆发生时释放的能量,及时解除了突涌水淹没设备的风险。     

滇中引水工程香炉山隧洞TBM开挖围岩卸荷响应特征

针对滇中引水工程香炉山隧洞TBM掘进洞段地质条件复杂、施工技术难度大等特点,采用现场监测和三维数值仿真2种手段,对典型洞段围岩开挖卸荷响应特征进行了分析。通过对TBM掘进洞段围岩变形和钢拱架受力监测数据分析可知,围岩类别和隧洞埋深均是影响围岩变形量值和收敛时间的重要因素,TBM上的撑靴结构对钢拱架受力影响显著。根据香炉山隧洞敞开式TBM施工特点,提出了敞开式TBM开挖施工的仿真模拟技术,获得了典型断面围岩变形及支护结构受力随掌子面推进的变化规律,可为TBM洞段支护设计优化及掘进过程中卡机问题的预测和判断提供参考。     

江边电站引水隧洞岩爆及其防治分析

在隧道及地下工程施工过程中,岩爆现象时有发生,岩爆产生的危害也较大。由于岩爆发生的时间、强度及具体位置的不确定性,给岩爆的预测及其防治带来了困难。从江边电站引水隧洞支洞岩爆状况入手,结合现场实测的地应力值和岩石单轴压缩变形试验,并通过对岩爆发生的力学机制及其预测的研究分析,提出了防止岩爆发生的对策和安全措施,实现了工程高强度岩爆洞段的快速安全施工,为洞室开挖设计和岩爆监测预报提供了参考依据。     

基于微震监测的秦岭隧洞岩性转换带岩爆孕育机制

多年来,岩爆的频发严重制约着最大深埋隧洞的工程建设进度,给现场施工安全造成极大的威胁。引汉济渭秦岭输水隧洞具有地应力高、埋深大、地质结构复杂等特点,为减少在开挖过程中岩爆带来的危害,利用微震监测技术对岭北TBM洞段实施全天候不间断监测。通过分析微震事件的时空演化规律,对K46+735～K45+730之间变砂岩与闪长岩交界面处岩性转换带的岩爆孕育机制开展了研究。研究结果表明：(1)微震事件的时空演化规律可以有效揭示岩爆区岩体的破裂过程,并显示出了微震监测震源参数的变化情况与现场发生的岩爆现象一致;(2)岩性转换带的岩爆孕育受开挖扰动影响,当岩爆区域在高应力作用下发生静力破坏时,结构面滑移错动产生高应力,并与静应力形成叠加效应,最终诱发强烈岩爆。研究成果可以为最大深埋隧洞施工过程中的岩爆预防措施制定提供参考,以保证现场施工人员和设备的安全。     

复杂地质区TBM卡机成因分析及脱困技术

N-J水电站工程地处喜马拉雅山南麓,电站引水隧洞埋深大、地质条件复杂。其引水隧洞的某双线洞段采用2台开敞式TBM掘进,因遭遇剪切破碎带、软弱围岩、地下渗水的共同作用,在掘进过程中围岩发生较大规模塌方,出现卡机事故。通过对该洞段地质条件的综合分析,有针对性地提出了在护盾顶部人工开挖小导洞的脱困方案,最终使TBM顺利脱困。为TBM在类似不良地质围岩洞段的施工提供了宝贵经验。     

小导洞迂回反向支护在TBM卡机脱困中的应用

引汉济渭水利工程岭北段TBM掘进通过断层破碎带时,受流渣状变质千枚岩、糜棱岩及夹杂断层泥砾影响,刀盘和护盾段被坍塌碎屑体卡死受困。为实现TBM脱困,在掘进面右侧围岩较好段,通过设置爬坡孔并采用风镐人工开挖纵向超前导洞,导洞迂回通过塌腔并开挖至刀盘前12 m后横向扩挖形成管棚工作室。在工作室反向大管棚支护条件下,开挖至受困刀盘处并实现TBM顺利脱困。小导洞迂回反向支护技术在TBM卡机脱困中的应用表明:①为防止坍塌体进一步碎胀挤压盾体,TBM脱困处理前需采用套拱完成盾尾急剧收敛段加固;②爬坡孔和纵向导洞需设置在围岩较好段,采用Φ32自进式锚管结合H150门型钢架支护,循环进尺控制在0.5 m以内;③按照"分区分段、由上及下、管前严注、短挖强支"原则,由纵向超前导洞向盾体两侧开挖横向小导洞处理坍塌体并设内外两层环形钢拱架,在拱架间灌注C30混凝土形成型钢混凝土结构,以此保护盾体并释压脱困。     

敞开式TBM对软弱围岩的掘进方法

敞开式TBM在软弱围岩洞段开挖施工时,适应能力稍差。辽宁省大伙房水库输水工程TBM3施工段在施工过程中,通过利用机上辅助作业设备进行支设钢拱架、挂钢筋、喷混凝土等支护方法加固围岩,加强TBM在特殊情况下的操作方法应对,适当调整TBM的掘进参数,使TBM顺利通过了多处不良地质洞段,为类似工程施工积累了一些经验。     

N-J水电站某TBM开挖洞段岩爆倾向性判定分析

巴基斯坦Neelum Jhelum水电项目中引水隧洞埋深大,地应力高,TBM开挖过程中会突然释放岩体内聚集的应变能,有可能导致岩爆灾害发生,影响工程进度。为了分析该区域洞段的岩爆可能性,通过一系列试验获得围岩的机关力学参数,包括砂岩的抗压强度、抗拉强度、凝聚力、内摩擦角以及破碎角等,然后运用Barton判据、陶振宇判据、国标GB50218-94以及脆性判据对岩爆倾向性进行了判定分析。研究分析表明,该研究区域洞段的岩爆倾向性为中等-强烈岩爆。     

某水电站引水隧洞岩爆可能性判别及预测

新疆某水电站引水隧洞开挖中发生多次应变型零星岩爆,主要表现为劈裂破坏后成层剥落,给工程建设和人员设备安全带来较大威胁。在区域地应力场回归分析的基础上,针对依据现有规范无法得到爆坑深度及对非圆形洞室判断结果存在一定误差的不足,引入了硬脆性岩体破坏预测准则(m-0准则)。在对该准则进行适应性判别后,采用所提方法和规范方法对该水电站引水隧洞剩余洞段岩爆可能性进行了综合判别。结果表明:采用m-0准则可对爆坑深度进行有效预测,剩余洞段岩爆主要以片帮和连续剥落的轻微岩爆为主,局部洞段具有发生中等岩爆和强烈岩爆的可能性。研究结果可用于该工程后续洞段开挖支护设计,另可为类似深埋硬岩工程岩爆可能性判别提供一定的借鉴及参考。     

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。     

深埋水工隧洞岩爆微震监测预警研究

为了避免或降低潜在的岩爆风险,以陕西省引汉济渭工程秦岭输水隧洞为研究对象,采用加拿大ESG微震监测技术获取分析岩爆监测信息,对TBM隧洞微震监测设备的安装、传感器阵列布置、数据无线传输的方案进行了优化。通过长期监测结果和实际开挖情况对比发现:TBM洞段和钻爆法洞段80%以上的岩爆可提前预测,准确率分别达到90. 96%和83. 3%。     

隧洞有机仿钢纤维喷射混凝土研究与应用

锦屏二级水电站引水隧洞埋深大(最大埋深2 500 m左右)、地应力量级高,隧洞开挖以后围岩普遍出现破裂损伤,严重时出现片状破坏和波速显著降低等现象。普通喷射混凝土施工存在一次性喷射厚度不够、需反复施喷、喷层易脱落、同围岩粘聚力不满足设计要求、岩爆洞段抗冲击韧性不足等问题。根据喷射混凝土配合比优化试验成果,选用了纳米有机仿钢纤维混凝土作为引水隧洞工程主要喷射混凝土类型之一,主要应用于TBM掘进洞段、钻爆法潜在岩爆洞段、或高应力问题突出的洞段,可实现快速支护、起强快、回弹少,且具有较强的抗冲击韧性,对地下水发育洞段也较适应,对隧洞安全快速掘进具有重大意义。     

锦屏电站引水隧洞半断面TBM掘进试验研究

在锦屏二级水电站引水隧洞工程施工中,迫于高地应力区潜在强岩爆威胁及工期压力,进行了半断面掘进试验探索。采用振动、应变及其他复合诊断技术,在全断面与半断面开挖的不同工况组合下,严密监测掘进机重要部件的响应,并进行对比分析,寻求使设备在半断面掘进中安全运行的合理参数。结果表明：半断面掘进的偏载问题不会影响设备主要结构的强度和安全,经比选最终选取推力和转速等参数,能够保证TBM设备的安全、有效运行。详细介绍了试验过程和施工控制要素,可供同类工程施工参考。     

CCS水电站引水隧洞TBM断层带卡机脱困技术

厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞采用大直径双护盾TBM施工,开挖洞径9.11 m,在掘进至桩号K16+127.0 m时,由于断层破碎带围岩塌方掩埋及堵塞刀盘造成卡机事故。在分析地震法物探成果和钻孔岩芯的基础上,确定断层破碎带及影响带宽度约70 m,围岩稳定性差,以Ⅳ类为主,局部Ⅴ类。拆除刀盘后方16.26 m处管片的上半部分后,沿洞壁两侧开挖旁洞,至刀盘后沿引水隧洞轴线进行导洞顶拱扩挖直至通过断层破碎带,导洞开挖前采用超前锚杆、固结灌浆等超前支护措施,开挖后采用钢拱架、系统锚杆、挂网喷射混凝土支护措施;支护完成的导洞防止了TBM掘进时的洞顶塌方,TBM在断层破碎带内掘进时,每环掘进前均对掌子面前方围岩进行固结灌浆以防掌子面围岩塌方;采用以上技术措施后,TBM成功脱困并穿过了断层破碎带。     

秦岭隧洞岩爆应力解除爆破及支护参数优化

针对引汉济渭工程秦岭隧洞具有超长、大埋深、地质条件复杂、高地温、高地应力、施工通风及运输距离长等特点,开挖施工过程中岩爆的预防和处理是难点,在施工过程中,运用理论分析及现场试验等方法,通过对开挖前岩爆产生地段的预报解除和开挖后支护参数优化,减小岩爆对工程安全和进度的影响。以引水隧洞4号支洞的开挖段为试验段,采集开挖过程中发生岩爆的信息,通过微震监测预报数据,对应力解除爆破前、后监测数据进行对比分析,进行岩爆段开挖前应力解除爆破和开挖后支护参数优化,提出轻微、中度、强烈岩爆的有效防治措施。结果表明:应力解除施工方案可以避免或大幅降低岩爆的发生概率、烈度与规模,具备对应力集中部位预测准确、应力解除到位、解除效果可靠的优点,同时在开挖后对轻微、中度、强烈岩爆段采取不同支护参数,能够有效地减小岩爆造成的破坏,保证隧洞围岩稳定和地下结构安全。     

深埋长大隧道稳步推进的经验响应策略

某深埋长大引水隧洞,采用钻爆法和TBM法施工,需通过绿泥石片岩段、断层破碎带、富水洞段(含溶洞)、岩爆段等不良地质段。结合新奥法和挪威法施工原理以及引水隧洞施工现状和交通洞施工经验,对不良地质洞段的施工应采取的施工策略和施工技术等进行了分析,在洞室开挖过程中及时根据围岩揭露情况调整支护参数,确保了支护的经济、有效。