锦屏二级水电站TBM选型及施工关键技术研究

 锦屏二级水电站引水隧洞属于深埋特长隧洞,其中2条引水隧洞施工采用敞开式硬岩掘进机(TBM)进行施工。引水隧洞TBM开挖直径12.4 m,位列世界第二。引水隧洞穿越区域水文地质条件复杂,开挖中面临地下水预报及处理、通风、岩爆防治等三大关键技术问题。通过对大量文献资料和工程实例的研究,概述TBM近半个世纪的发展及其在隧道建设中的应用现状和主要问题。对锦屏二级水电站区域地质条件以及主要的工程地质问题进行分析,结合国内外已有的TBM施工经验,对锦屏二级TBM选型以及在施工中面临的超前地质预报、围岩稳定、高地应力及岩爆、突涌水、溶洞、有害气体、断层破碎带等不良地质条件所采用的施工方法进行分析研究,针对性地提出在各种不良地质条件的下的TBM施工对策,对锦屏二级水电站TBM施工提出建议,研究成果可供类似工程参考。     

锦屏水电站辅助洞工程地下水及治理对策

位于雅砻江锦屏大河湾上装机容量8.4×106 kW的锦屏水电站(包含一、二级)已正式开工建设。锦屏一级混凝土双曲拱坝高305 m,锦屏二级平行布置4条长约17 km引水隧洞。锦屏水电站计划于2012年第一批机组投入运行。2条长17.5 km的锦屏辅助洞是联系锦屏一、二级水电站的交通洞,也是锦屏二级水电站引水隧洞施工的超前地质勘探洞和施工辅助洞。锦屏辅助洞穿越区域水文地质条件复杂,开挖中面临的地下水预报及处理、通风、岩爆防治等三大关键技术问题,自2003年开工建设以来,已遭遇到系列高压大流量突涌水,目前,均已得到有效控制。对锦屏辅助洞在掘进过程中遇到的几次高压大流量突涌水及其规律进行分析总结,同时对隧洞掘进过程中采用的地下水超前地质预报方式以及各种优缺点进行分析说明。对有代表性的涌水点处理过程和技术路线进行全面剖析,在此基础上提出锦屏辅助洞地下水处理的对策和施工总结。锦屏辅助洞地下水问题具有较大难度,实施中积累的治理经验和方法对锦屏二级引水隧洞施工和类似工程建设具有重要的借鉴作用。     

高地应力区隧洞施工岩爆防治技术例析

本文以锦屏二级水电站引水系统引水隧洞洞群施工中岩爆防治技术应用为例,详细阐述了岩爆的形成及岩爆防治的措施,为高地应力区隧洞施工岩爆防治提供了宝贵经验。     

锦屏辅助洞(西端)岩爆分析及其防治措施

锦屏辅助洞作为锦屏水电枢纽工程(一、二级水电站)的前期控制性工程,既是沟通东、西雅砻江交通的重要通道,又是锦屏二级水电站引水隧洞的施工辅助洞和地质探洞.辅助洞具有埋深大,地应力高,围岩完整性好、强度高等特点,具备了发生弱～强岩爆的条件.施工过程中高频率岩爆严重困扰着施工安全.在总结锦屏辅助洞岩爆规律的基础上,分析了影响岩爆特征的主要因素,并针对岩爆烈度分级探讨了岩爆综合防治措施,该综合防治措施在实际应用中取得了很好的效果,为接下来的引水隧洞施工积累了丰富经验,并为国内外同类工程提供借鉴.     

锦屏二级水电站深埋引水隧洞岩爆特征及防治措施

硬脆性大理岩条件下深埋隧洞的岩爆问题是西部开发建设中遇到的工程难题之一。文中通过对锦屏二级水电站辅助洞、施工排水洞与引水隧洞施工中发生的岩爆规律与特征的分析总结,提出了该地区地质条件下岩爆的基本条件、分类、风险分区、时空分布特征等。文中阐述了岩爆防治设计思想与原则,并从设法降低潜在震源区的应力水平与设法提高围岩的抗震(抗冲击)能力两个方面出发,针对TBM掘进与钻爆法掘进的不同开挖方案,分别提出了不同的岩爆防治措施。     

深埋硬岩隧洞岩爆倾向性指标RVI的建立及验证

 在总结国内外岩爆倾向性研究的主要成果和理论方法的基础上,针对性地提出适合于深埋隧洞工程的岩爆倾向性评估新方法的建立过程和基本构架。分析锦屏II级水电站深埋隧洞群中62例岩爆案例,揭示岩爆的特征和主要控制因素,在此基础上提出新的岩爆倾向性指标RVI及其建立方法,确定RVI中岩爆控制因素的选取原则。RVI由4个控制因子构成,即应力控制因子Fs、岩石物性因子Fr、岩体系统刚度因子Fm和地质构造因子Fg,4个控制因子分别反映不同岩爆控制因素对岩爆倾向性的贡献。研究发现,锦屏II级水电站深埋隧洞岩爆破坏深度与RVI存在显著的相关性,建立的经验关系式的确定系数可达到80%以上,该经验关系式可评估深埋隧洞工程的岩爆倾向性和破坏程度。锦屏II级水电站深埋隧洞典型岩爆实例分析验证RVI的适用性。     

高地应力区大直径TBM掘进岩爆风险控制

锦屏二级水电站1#,3#引水隧洞采用TBM掘进,中部深埋洞段岩爆风险突出。为制定合理可行的掘进方案与岩爆防治措施,在前人研究基础上,结合工程实际情况,采用多种数值分析手段,评价不同形式导洞开掘,对降低岩爆风险的影响。3种导洞开挖方式均可以显著地降低TBM掘进的岩爆风险,选择何种形式的导洞主要从设备和经济效益角度进行决策。据此提出高地应力区大直径TBM掘进岩爆风险控制措施,施工中结合钻爆法导洞预处理、应力解除爆破并辅以及时、系统、高质量的支护,降低岩爆风险,确保施工及结构安全。     

“高地应力下特大断面隧洞施工技术及围岩稳定性研究”成果通过专家鉴定

日前,在长春新民宾馆,吉林省科技厅组织专家对中铁十三局集团公司承建施工的雅砻江锦屏二级水电站工程《高地应力下特大断面隧洞施工技术及围岩稳定性研究》项目成果进行了鉴定。《高地应力下特大断面隧洞施工技术及围岩稳定性研究》是针对国家重点工程锦屏二级水电站引水隧洞群TBM组装洞超大埋深、高地应力和特大断面等特点,     

深埋隧洞应变型岩爆倾向性评估的新数值指标研究

应变型岩爆是深埋隧洞常见且频发的岩爆类型,严重威胁深埋隧洞施工安全,其破坏位置和程度的准确评估对该类岩爆的防治具有极为重要的工程意义.在系统总结和分析国内外岩爆倾向性数值指标评估方法优势和不足的基础上,从局部能量释放率基本理论出发,提出新的岩爆倾向性评估数值指标,即相对能量释放指数(RERI).全面地阐述该指标的构建思想和基本原理及其物理意义,并将该指标成功应用于锦屏二级水电站引水隧洞应变型岩爆和加拿大Rm415试验洞脆性破坏等问题分析,验证新指标的合理性和适用性.研究表明,RERI指标能够较为准确地指出高应变型岩爆风险区域和位置,并能相对准确地指出深埋隧洞岩体开挖损伤区的范围,为深埋隧洞应变型岩爆灾害和脆性破坏的评估与防治提供新理论和分析工具.     

锦屏二级深埋隧洞构造型岩爆诱发机制与案例解析

全长超过16 km的锦屏二级深埋隧洞沿线经过不同的地质单元。在开挖过程中,岩爆的诱发受控于地质构造条件以及由其所导致的局部地应力场,其中与地质构造直接关联的构造型岩爆影响最为突出。系统总结国内外深部工程中岩爆研究的前沿成果,结合锦屏二级水电站深埋隧洞工程中大量岩爆案例所揭示的客观规律,将构造型岩爆进一步细分为端部构造型、滑移构造型和应变构造型岩爆。采用离散元程序和相关的岩爆风险评价指标,开展深入地岩爆案例反演和机制解译,揭示深埋隧洞工程不同类型构造型岩爆的发生机制,并分析该类工程环境下关键岩爆控制因素及各因素的控制机制。最后,针对不同类型的构造型岩爆,提出相应的防治方案,可以为类似工程提供借鉴。     

高地应力作用下大理岩岩体的TBM掘进试验研究

滚刀破岩效率的研究主要集中在室内线性试验机破岩试验和数值分析2个方面,在工地开展TBM掘进试验尚不普遍。锦屏二级水电站采用3台TBM开挖隧道群,3台TBM在不同洞深(不同地应力)条件对大理岩岩体进行TBM掘进试验、岩石渣片筛分试验及大渣片统计分析,研究岩体条件、TBM机器参数、TBM运行参数对TBM掘进速度的影响及高地应力作用下岩体可掘性指数的变化。研究结果表明:在高地应力条件下,尽管TBM掘进速度随推力增加而增大,但推力超过一定值后,TBM并不在优化状态下运行,TBM的运行需与岩体条件及地应力条件相匹配。     

锦屏Ⅱ级水电站深部大理岩板裂化破坏试验研究及其对TBM开挖的影响

针对锦屏Ⅱ级水电站TBM引水洞及排水洞深部大理岩发生的剧烈板裂化岩爆与非剧烈板裂化片帮2种板裂化破坏现象,通过采集该工程区深部大理岩岩样,采用真三轴岩爆试验设备,对其在不同高应力作用下的板裂化破坏现象进行室内试验。通过对试验过程中发生的各种现象的全面描述和试验结果的分析表明,试验中岩样发生的板裂化破坏现象与TBM开挖隧道围岩的板裂化破坏具有很好的吻合性,未来围岩的主要破坏方式将以板裂化片帮与岩爆为主。围岩板裂化破坏将影响TBM开挖运行,分别探讨掌子面与洞壁板裂化破坏对TBM开挖的影响。     

锦屏二级水电站长引水隧洞高地应力下开敞式硬岩隧道掘进机安全快速掘进技术研究

 对开敞式硬岩掘进机在锦屏二级引水隧洞群中的应用经验进行总结和梳理,首先针对锦屏二级水电站高地应力下开敞式硬岩隧道掘进机(TBM)设备选型及掘进参数的优化进行研究,合理确定设备结构及掘进参数;采用BEAM,TSP,地质雷达等手段综合开展掌子面前方超前地质预报,取得良好的预报效果,并制定相应的预处理措施。首次在国内水电工程中开展微震监测系统试验及应用,进行高地应力下岩爆风险预测预警研究,较为准确地预测了岩爆发生的大致范围,并开展一系列防岩爆支护措施的试验研究工作,取得较好的效果,有效降低岩爆风险和危害。最后,对如何实现TBM安全快速掘进进行综合分析研究,对今后开敞式TBM的选型和使用提供参考意见。     

锦屏二级水电站引水隧洞TBM开挖方案对岩爆风险影响研究

 为了提高施工效率,降低现场施工人员和设备的风险,锦屏二级水电站1#、3#引水隧洞采用大断面TBM进行施工。超大埋深TBM全断面施工,对于等级较强的岩爆,仍然可能会给TBM设备带来一定伤害。为此,通过微震实时监测和数值分析等手段,开展了TBM施工速度、导洞施工等TBM开挖方案对岩爆风险的影响研究。结果表明,降低TBM施工速率,有利于降低岩爆发生的风险;导洞施工+TBM联合施工对于极强岩爆风险的防范是十分有利的。研究成果可为TBM安全快速掘进提供重要的参考价值,也将为其他工程提供借鉴,具有重要的工程价值。     

深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类与调控策略

 根据锦屏II级水电站地下隧洞的地质条件、现场试验、数值分析和支护设计与施工全过程,建立深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类方法。该分类方法依据支护要求和控制因素将深埋硬岩隧洞的破坏现象分为3个大类、9种典型破坏模式,分析各种破坏模式的发生机制、表现形态以及调控策略,重点讨论岩爆的机制以及相应的调控策略。应用该分类方法对锦屏II级水电站地下隧洞围岩的破坏模式进行识别、机制分析,相应的调控措施也得到采纳。工程实践表明,该分类方法全面、实用,为现场设计、地质和施工工程师等在深埋硬岩条件下进行隧洞开挖和支护设计优化提供具体指导方针。     

锦屏二级水电站隧洞涌水的数值反演与预测

 锦屏二级水电站位于河间高山峡谷岩溶区,大规模隧洞群的开挖会显著改变地下水循环条件,形成隧洞涌水,辅助洞施工期间的涌水特征表明,锦屏山体存在12条陡倾导水裂隙带。利用MODFLOW建立5种工况下的三维稳定流模型,着重刻画对涌水起重要作用的导水裂隙带。以各涌水点的实测涌水量为拟合依据,使用UCODE数值反演软件对模型进行校正,关键参数得到优化,从而提高模型可靠度。参考辅助洞的防渗模式,模型预测防渗前后隧洞群的总涌水量分别为40.35和31.19 m3/s,隧洞开挖致使工程区内两大泉断流。泉水的恢复需要更有效的防渗措施。     

锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特征及微震监测规律研究

 通过对锦屏二级水电站引水隧洞施工期间大量岩爆记录的深入研究,分析总结出岩爆沿里程分布规律、岩爆围岩破坏方式、隧洞横断面岩爆位置规律、岩爆次数与距掌子面的距离关系、岩爆次数与开挖后暴露时间关系、岩爆烈度与其围岩破坏范围关系等岩爆特征规律。通过对这些规律及岩爆分布与地质构造之间关系的研究,总结地质构造和岩爆的相互作用规律。将微震监测技术用于引水隧洞工程施工,进行深埋隧洞的岩爆监测预警,实现对微震活动的全天候连续监测分析,并根据现场对岩爆的微震监测结果,对微震的时空演化与岩爆之间的关系进行初步探讨。研究结果表明：深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,并且与地质结构、施工工法、施工扰动等影响因素之间有着必然的联系,其中地质结构对岩爆的发生起控制作用;岩爆发生之前普遍存在一个孕育过程,并伴随着大量微破裂的产生和微震能量的释放(微震前兆),微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,可利用其指导安全施工。本文的工程实践验证了微震监测技术用于深埋岩体隧洞岩爆监测预警的可行性,并具有较高准确率,从而为隧洞的岩爆预测和安全施工提供新的研究思路。     

深部岩体开挖方式对损伤区影响的试验研究

 深埋隧洞开挖过程中,钻爆法和TBM开挖所对应的不同围岩应力调整路径对开挖损伤区的形成有重要影响,但这一影响尚未引起足够的重视。依托锦屏二级水电站深埋隧洞群的开挖,通过损伤区原位检测试验对比分析2种不同开挖方式下围岩损伤区的特性及形成原因;作为现场试验的补充,在考虑锦屏大理岩基本力学特性和应力瞬态调整效应的基础上,采用数值方法比较应力瞬态和准静态调整所分别形成的开挖损伤区大小。试验结果表明,锦屏二级引水隧洞钻爆开挖的洞段,内损伤区(即严重损伤区)深度可以占到总损伤区深度的50%以上,岩体基本失去承载力。另外,此区域在断面上的分布特性受到开挖二次应力场的影响,表明伴随爆破过程发生的地应力瞬态卸载效应是内损伤区形成的直接原因之一;而TBM开挖洞段,内损伤区深度约占总损伤区深度的30％,该区域的形成可能更多地受到锦屏大理岩强度时间效应的影响,是表面应力松弛破坏逐渐发展的结果;考虑锦屏大理岩脆–延–塑性转换特性和应力瞬态调整效应后,可以利用数值计算方法较为客观地估计不同开挖应力路径下围岩开挖损伤区的范围。研究结论对深埋隧洞开挖方式选择及支护策略制定具有借鉴意义。     

Practices on rockburst prevention and control in headrace tunnels of Jinping II hydropower station

Rockburst problems induced by high in-situ stresses were prominent during construction of the headrace tunnels of Jinping II hydropower station. The rockbursts occurred in various forms, and it is necessary to take pertinent measures for integrated prevention and control of rockbursts. In view of the rockburst characteristics during tunnel construction of Jinping II hydropower station, the engineering geological conditions were presented, and the features, mechanisms and forms of rockbursts observed during construction were analyzed in detail. A large number of scientific researches, experiments and applications were conducted. Multiple measures were adopted to prevent and control rockbursts, including the prediction and early warning measures, stress relief by blasting in advance, optimized blasting design and optimized tunnel support in the tunnel sections prone to strong rockbursts. The effectiveness of these prevention and control measures was evaluated. Experiences have been accumulated through a great number of helpful explorations and practices for rockburst prevention and control. A comprehensive rockburst prevention and control system has been gradually established.     

深埋隧洞TBM施工过程围岩损伤演化声发射试验

锦屏二级水电站深埋引水隧洞处于西南高应力区,地质条件复杂,岩爆、突水、塌方等工程地质灾害突出,掌握TBM开挖围岩损伤演化规律,设计有效的支护方案防治TBM施工过程地质灾害的发生是非常重要的。为此,开展TBM施工过程中声发射监测试验,研究TBM开挖过程中围岩损伤的演化规律。试验结果表明:沿洞轴线方向,TBM开挖时掌子面前约10m的范围内围岩已受到不同程度的损伤,TBM开挖后围岩损伤破裂主要集中在掌子面后7m的范围内,其中以掌子面后3m时为最;沿洞径方向,围岩受损伤的范围约9m,根据损伤程度的不同,划分为松动区、损伤区和扰动区,依次为距洞壁3,3～9和9～22m的范围。从力学的角度揭示损伤演化的机制和松动区、损伤区和扰动区划分的依据,为支护措施设计与支护时机的选取提供科学依据。分析讨论传感器选取、传感器布置、现场噪音及地质条件等各种因素对围岩损伤结果的影响及进一步发展和研究的方向。