深埋特长引水隧洞岩爆预测综合研究

以南水北调西线一期工程引水隧洞为例,依据工程区地应力的现场实测及地应力场模拟与反演,综合分析评价了隧洞工程区地应力和隧洞沿线围岩应力的分布规律,并在分析岩爆发生条件的基础上,根据工程区地应力、岩性等特征,采用多种岩爆判别方法,对引水隧洞围岩发生岩爆的可能性及岩爆级别进行了综合预测.     

中条山深埋隧洞地应力及岩爆防治措施

介绍了中条山引水隧洞工程概况,为查明中条山引水深埋隧洞段初始地应力场,在钻孔内进行了水压致裂法地应力测量,根据地应力、岩性特征等分析评价隧洞围岩地应力及产生岩爆的可能性,建议本段隧洞在施工过程中采取应力释放钻孔、超前导洞、围岩加固等防治措施。     

滇中引水工程香炉山深埋长隧洞高地应力与硬岩岩爆分析研究

滇中引水工程香炉山隧洞属典型深埋长隧洞。通过钻孔地应力测试和三维应力场分析,隧洞区存在高地应力条件,采用岩石强度应力比法,以工程地质剖面图为基础,结合大地电磁测深EH4探测成果,综合考虑围岩岩性、地下水条件等,对可能产生岩爆洞段和岩爆等级进行分析预测。结果表明,香炉山隧洞岩爆问题总体不突出,产生岩爆可能性较大的洞段共有6段。研究成果为隧洞设计和施工提供了地质依据,并可为类似工程提供借鉴。     

高爆速炸药防治岩爆在下坂地水利枢纽隧洞开挖中的研究与运用

下坂地水利枢纽工程地处中国西部帕米尔高原,临近地震活动带并处于高地应力区。导流泄洪洞和引水隧洞穿越岩体受该区域地形地貌及岩体地质结构影响,导流隧洞局部洞段遭遇了岩爆,引水隧洞大部分洞段均遭遇了岩爆。文章介绍了导流隧洞和引水隧洞所处地理地质特点、岩爆的特点、应对岩爆处理施工措施,通过炸药爆炸机理选择爆速值大的炸药进行应力解除和降低围岩应力,实施效果良好。     

吉林省中部城市引松供水工程引水隧洞岩爆初步预测和工程对策

从分析深埋隧洞（埋深〉300m）工程地质条件入手，结合地应力测试值，通过反演得出隧洞区初始应力场，在此基础上通过计算获得开挖后洞周围应力值。以此为依据，结合室内岩石试验和不同岩爆判别准则，给出勘察设计阶段隧洞产生岩爆的可能性及级别，并在设计中提出相应对策。     

基于地应力实测与能量判据的深埋隧道岩爆预测

根据巴基斯坦N-J水电站TBM引水隧洞地质构造和岩体赋存状况,采用套孔应力解除技术对深埋TBM隧道进行了现场地应力实测,进而依据地应力场分布差异将其分为构造和非构造应力影响区。岩石力学室内试验结果表明:砂岩的储能极限对卸载速率不敏感,在一定初始围压下基本为定值。在此基础上,从岩爆能量角度采用数值模拟分析揭示深埋隧道围岩能量分布变化规律,预测不同埋深、不同地应力场条件下隧洞岩爆的级别及规模范围。研究成果可为深部地下工程岩爆的预测提供一种新的思路。     

齐热哈塔尔水电站大深埋长隧洞关键技术难题及对策

齐热哈塔尔水电站工程发电引水隧洞存在隧洞长、埋深大、高地应力、岩爆和高地温等复杂工程地质问题,因此,对隧洞围岩稳定、施工期安全、隧洞支护荷载和衬砌型式等的研究至关重要。通过采用现场围岩变形和地应力释放测试、数值模拟反演分析和衬砌时机试验研究等方法,分析了深埋长隧洞高地应力与岩爆的产生机理、岩爆特征和破坏形式,以及高地温的成因,研究了高地应力、岩爆和高地温对施工、衬砌荷载和衬砌型式的影响。针对上述问题对策如下:对于高地应力围岩洞段,开挖完成后,初期支护采取时间滞后的方式消减高地应力;对于岩爆洞段,采取主动预防措施和强施工支护,确保施工安全,将岩爆发生的可能性及岩爆的危害降到最低;对高地温洞段开挖采取通风、在掌子面和风带口放置冰块、对掌子面和附近岩体喷水等降温措施,而且完善和优化了隧洞一次支护和二次衬砌设计。这些措施保证了引水隧洞的施工和运行安全,对类似地质条件的隧洞工程设计和施工具参考价值。     

深埋高地应力引水隧洞节理围岩稳定性研究

在深埋隧洞开挖过程中,高地应力和结构面发育是控制洞室围岩稳定的关键问题。针对深埋高地应力引水隧洞节理围岩稳定问题,以新疆某深埋高地应力引水隧洞为工程依托,利用水压致裂法和三维水压致裂法对地应力进行现场监测与分析,采用离散元软件3DEC模拟围岩应力场、塑性区以及位移场的变化情况,研究了深埋高地应力下引水隧洞节理围岩的稳定性问题。结果表明:实测得最大主应力在12.4~12.9 MPa范围内,模拟得洞室附近出现0~2.1 m的塑性区,最大位移值为25.1 mm,最大压应力为13.2 MPa,最大拉应力为1.32 MPa,洞室的侧墙和拱底部位的塑性区、位移值较大且出现局部小范围拉应力。结合本文具体工况和实测地应力资料,通过强度理论的方法进行岩爆分析研究,由Russenes岩爆判别式得无岩爆发生,节理岩体处于稳定状态,但随节理裂隙发育,侧墙和拱底易出现破坏,建议采用2.5 m锚杆进行加固。模拟结果与实测结果较为一致,研究成果为工程施工提供参考。     

高地应力条件下隧道TBM施工岩爆分析

高应力条件下,地下工程在脆性岩体中施工很容易导致岩爆的发生。以N-J水电站大埋深引水隧洞为研究对象,首先采用应力解除法进行现场地应力测试,发现引水隧洞的地应力以构造应力为主,最大主应力达到了107 MPa,较高的地应力水平是导致现场岩爆发生的主要原因。为进一步分析引水隧洞岩爆规律,将地应力场转换至隧道局部坐标,在考虑地应力场剪应力影响的情况下,采用能量判据,通过数值方法计算得到了岩爆的分布范围。     

南水北调西线工程深埋隧洞岩爆分析及预测

岩爆是一种典型的地质灾害,如何对岩爆进行预测已成为地下工程领域研究的热点和难点问题。为评价南水北调西线工程深埋隧洞岩爆发生的可能性,提出采用岩性分析、地应力实测及有限元分析相结合的方法进行岩爆预测。在研究中,从工程地质的角度,基于隧道围岩岩性分析、现场地应力实测及地应力场的反演分析,对隧道开挖后应力场进行了有限元数值模拟,综合分析了西线工程隧道初始地应力场沿轴线分布规律以及隧道开挖后不同埋深处岩爆发生的等级。结果表明,该工程岩爆等级大部分为中等岩爆。     

深埋隧洞岩爆防控技术及典型工程应用现状综述

结合岩爆的分类、机制、评价预警方法及防控原则,对深埋隧洞施工期岩爆主动和被动防控措施进行了梳理,重点分析其作用机理、适用范围与防控效果。对比了钻爆法和全断面隧道掘进机(TBM)法施工下岩爆的不同特征规律及防控重点,调研了典型水工隧洞的岩爆防控技术应用情况,包括锦屏二级水电站引水隧洞、引汉济渭工程秦岭隧洞、N-J水电站引水隧洞和滇中引水工程香炉山隧洞。结果表明:岩爆的主动防控措施包括钻孔应力释放、超前应力解除爆破、先导洞、高压喷水、钻孔注水、超前锚杆和预应力锚杆支护;被动防控措施包括喷锚支护、钢支撑、钢筋网(柔性钢丝网);钻爆法的岩爆防控重点是及时封闭支护,TBM法则需通过主动防控规避强烈-极强岩爆;当前大型水工隧洞的岩爆防治普遍采取主动+被动联合防控,主动措施以超前应力释放为核心,被动措施则采取“喷锚网+钢拱架”共同加固围岩,且注重使用快速柔性支护型式;岩爆的动态防控、量化精准防控以及发展更高效的超前应力释放技术和柔性吸能支护体系是值得进一步研究的方向。     

锦屏二级水电站引水隧洞围岩岩爆特性研究

为了解锦屏二级水电站引水隧洞围岩岩爆特性,对该工程区典型岩爆岩样系统地开展了岩石力学特性试验研究。试验结果表明岩样较完整坚硬、抗压强度高,主要以脆性破坏形式为主;典型地层试样的岩爆倾向性指数平均值W_et均大于2.0,当地处高应力区时,岩爆特征明显;岩样卸围压破坏过程中变形特征规律为初始卸载围压越大,岩石的扩容效应越显著,与常规三轴压缩试验相比,岩样卸荷破坏的峰后应力跌落时的轴向应变变化较小,初始围压越大脆性破坏特征越明显;CT扫描断面与图像重组手段分析表明,试样在卸荷试验过程中,首先经历压密阶段,然后进入扩容状态直至破坏,破坏后存在“密度回弹”现象。卸围压试验中,试样瞬间发生破坏,多数伴有破裂响声,多数产生“双剪”破坏;利用岩体基本质量指标来描述岩石坚硬程度和岩体完整程度,提出了一种新的岩爆判据形式与分级标准,利用试验成果对提出的岩爆判据与分级进行了验证,结论与锦屏二级水电站辅助洞岩爆实际情况相符。     

基于应力解除法的九岭山隧道洞壁二次应力场分布规律研究

为了解九岭山隧道开挖后洞壁二次应力场分布规律及其与岩爆发生状况之间的关联性,采用应力解除法沿九岭山隧道全线选取岩体完整,受开挖扰动小的部位进行了洞壁二次应力的实测,并结合现场岩爆实际发生情况,对洞壁二次应力场的分布规律进行综合对比分析,并结合应力判据对岩爆进行了二次准确预测。研究结果表明:洞壁二次应力值与隧道埋深呈现近似线性关系,二次应力量值呈现σ_1σ_θσ_xσ_3τ_(xy)的特征;洞壁切向应力σ_θ最大为63.944 MPa,最大主应力σ_1最大值为77.17 MPa,二者量值相差7.5%,对岩爆的发生均起主导作用;洞室开挖后的洞壁切向应力σ_θ与埋深的相关系数为0.933 23,相比最大主应力σ_1与埋深的相关系数0.897 22,σ_θ与埋深的相关性更好;隧道开挖后,切向应力σ_θ在30～50 MPa范围内时可初步判定将可能发生微岩爆,σ_θ大于50 MPa时可初步判定将可能发生中等岩爆;以此为基础,再结合应力判据可对岩爆发生等级做出准确预测。研究成果为高地应力硬岩隧道岩爆预测提供新的思路。     

锦屏二级水电站引水隧洞主要工程地质问题分析

对锦屏二级水电站引水隧洞在前期试验洞施工建设过程中遇到的工程地质问题进行分析研究。概述了锦屏二级水电站引水隧洞地应力场、岩爆及其监测预报的情况,并对隧洞高外水压力和涌突水问题进行分析研究;提出通过加强初期支护防治岩爆和“以堵为主、堵排结合”的涌突水防治措施。     

锦屏超高压岩体水压致裂法地应力测试系统研制与应用

锦屏二级水电站引水隧洞上覆岩体一般埋深1 500～2 000 m,最大埋深约为2 525 m,具有埋深大、洞线长、洞径大的特点,为超深埋长隧洞特大型地下水电工程。最大地应力可达到70 MPa以上,在隧洞开挖过程中,由于存在超高的地应力,局部岩体出现了强烈的岩爆和变形,给隧洞的设计、施工及安全带来很大的困难和隐患。加上钻孔中经常出现岩饼现象,常规的孔径应变法和水压致裂法地应力测试难以有效进行。为了能够实测到深部岩体的地应力状况,开展了超高压应力状态下的岩体地应力测试方法研究,成功研制出了超高压水压致裂法地应力测试系统,并在锦屏工程中得到了实际应用,取得了良好的测试成果。此测试系统的成功研发,为将来在公路、铁路、水电和矿业等领域的超埋深超高地应力的测试提供了条件。     

岩爆烈度分级预测的云模型法及其应用

针对深埋引水隧洞岩爆分级预测问题,引入云模型理论建立了基于PPA-正态云的岩爆分级预测模型。在综合分析影响岩爆发生相关因素的基础上,选取了单轴抗压强度与岩石抗拉强度之比、岩石切向应力与单轴抗压强度之比、弹性变形能指数以及岩石脆性指数为本次岩爆分级预测的评价指标体系。根据既定体系确定了相应评价标准,采用投影寻踪分析确定各指标权重,由云模型正向发生器计算各指标的确定度并生成相应的云图,在此基础上给出岩爆分级预测结果。以国内外7个深埋引水隧洞为例建模计算并与其他预测方法计算结果进行比较,表明利用所提出方法可以得出准确的结果。     

基于微震监测技术的深埋长大隧洞群岩爆时空分布规律分析

以锦屏二级水电站深埋引（排）水隧洞群为工程背景,介绍了微震监测系统的组成,并根据隧洞工程的特点,优选出紧跟掌子面移动整体协同传感器优化布置方案;利用现场微震数据,探讨了微震事件和岩爆的时空相关性。研究结果表明：微震活跃及平静时段与岩爆显现频繁及稀少时段相吻合,微震事件和岩爆的空间分布规律相一致,表明微震事件时空演化规律与岩爆时空分布规律具有良好的相关性。通过分析和研究微震事件时空分布规律,可以对岩爆灾害进行有效预测,为岩爆防治提供科学依据。     

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。