锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定分析及支护设计

锦屏二级水电站引水隧洞地处高山峡谷地区,埋深大、洞线长,高地应力、高外水压力问题突出。按照围岩是地下工程中主要的承载结构这一设计思想,应用弹塑性有限元法分析了锦屏二级水电站引水隧洞开挖及支护过程中围岩的变形规律与特征、围岩应力分布及其变化规律、塑性区范围,比较研究了不同渗控方案对隧洞围岩和衬砌的工作状态的影响,得出了一些对高地下水位条件深埋引水隧洞的支护设计有普遍意义的结论。     

高外水压力下水工隧洞设计理念的初步探讨

高外水压力是深埋水工隧洞施工中经常遇到的难题之一,如何合理确定外水压力已成为学术界和工程界研究的重点。基于解析法和有限元法,分析渗透系数、灌浆圈厚度和排水孔对作用在衬砌上外水压力的影响,并进一步讨论外水压力作用下衬砌结构的计算模式。分析结果表明围岩渗透性越好,作用在衬砌上的外水压力越大。固结灌浆圈的折减效果受制于其渗透性及厚度,且受衬砌渗透性的影响。排水孔是减小衬砌上外水压力的有效措施,但需注意过大渗水量对环境的影响,一般可与固结灌浆联合使用。采用有限元法分析外水压力作用下衬砌结构受力时,考虑衬砌与围岩之间的接触关系是必要的。     

双护盾TBM管片衬砌极限承载力分析

管片衬砌的极限承载力是高埋深引水隧洞能否采用双护盾TBM施工的关键难题之一。结合某电站引水隧洞,采用三维有限元法分析管片的极限承载力,并分析纵、环缝宽度、混凝土强度等级、管片厚度和围岩类别对其极限承载力的影响。管片能承担的最大外水压力与缝宽、混凝土强度等级和管片厚度基本呈线性关系,而与围岩变形模量基本呈二次曲线关系。在高内水压力条件下,缝宽、混凝土强度等级和管片厚度对管片纵缝张开量影响不大,而围岩变形模量对其影响较大。     

水下盾构隧道管片力学特征研究

高水压条件下盾构隧道施工时,渗流场对衬砌管片结构的稳定性有很大影响。以南昌地铁3号线下穿青山湖段工程为研究背景,运用有限差分软件FLAC3D对不同水压情况下盾构隧道围岩及衬砌管片结构进行流固耦合分析,得出围岩孔隙水压力、竖向应力,衬砌管片外水压力、位移的分布规律。结果表明:不同水头压力下隧道开挖后围岩孔隙水压力、竖向应力分布规律大致相同,其数值大小与水头压力呈正相关;隧道开挖后管片拱腰两侧的外水压力较初始值降低幅度较大,在水力坡降的作用下,极易发生涌水;水头压力的大小对管片竖向位移的影响较显著,对水平位移的影响不太明显。     

层状围岩中管片衬砌受力特征的模型试验研究

深部层状围岩结构强度具有各向异性特点,此类地层中修建盾构隧道,管片衬砌易受偏压作用,对结构安全构成挑战。开展层状围岩与盾构管片衬砌相互作用关系的相似模型试验研究,研究不同层理倾角下管片衬砌壁后围岩压力、管片衬砌内力和变形分布规律。研究结构表明:管片衬砌受力和变形特征受层理面控制明显,管片衬砌受力极不均匀,弯矩、轴力和变形呈现非对称分布;管片衬砌壁后围岩压力最大值集中在强度最弱的层理面法线方向,该方向上管片衬砌的弯矩最大,轴力最小,变形最大;层理倾角对管片衬砌的受力和变形影响显著,层理倾角不仅影响管片衬砌壁后围岩压力分布形状还影响其量值大小;均质地层中,管片衬砌裂缝主要出在封顶块接头处和其他环向接头处,层状地层中管片衬砌裂缝出现位置受接头位置影响减弱,而受层理倾角影响明显,管片衬砌裂缝出现位置主要集中在层理面法向。研究结果对层状围岩中修建盾构隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。     

地球物理综合勘探技术在南水北调西线工程深埋长隧洞勘察中的应用

利用以可控源音频大地电磁法为主,甚低频法、部分地段激发极化法和瞬变电磁法为辅助手段对南水北调西线一期工程中20 km深埋长隧洞段进行了探测研究,主要介绍可控源音频大地电磁法法隧洞勘探的效果及其他几种辅助方法的作用。综合利用物探资料及地面工程地质勘察结果对深埋长隧洞围岩介质的结构特征进行解释,并评价可能影响工程的断层、破碎带及异常区,这将对工程施工提供非常有用的帮助信息。     

高压富水地层水工隧洞衬砌外水压力确定与应对措施

针对高压富水地层外水压力带来的衬砌设计难题及安全稳定问题,整理分析了多个实际工程外水压力监测成果,结合室内模型试验,研究论述了水工隧洞衬砌外水压力与所赋存环境岩体地下水活动状态以及衬砌排水能力间的关系;为解决采用传统复合衬砌可能存在的底板外水压力较大的偏压问题,提出了一种新型复合衬砌结构型式,并从控制渗流量及外水压力角度,对富水地层水工隧洞渗控设计标准进行了探讨。结果表明：水工隧洞衬砌外水压力主要受衬砌排水系统排水能力控制,同时与所赋存环境岩体地下水活动状态相关,依照规范中推荐方法确定外水压力具有明显不足;所提出的新型复合衬砌结构型式,可有效解决由于排水孔降压范围有限、底板外水压力较大导致的偏压问题;建议采用复合衬砌结构的水工无压隧洞允许排放量选择为3.0m3/(m·d),衬砌外水压力不超过0.5MPa,设计中可依据该标准确定排堵水结构相应参数。研究结果可为富水地层水工隧洞外水压力应对措施的选择提供技术支撑。     

富水区深埋长隧洞工程中的主要水问题及对策

富水区深埋隧洞的地下水问题对隧洞修建的可行性及施工具有重大影响。简要地分析了高水位富水区隧洞建设中的主要水问题，结合锦屏二级水电站深埋长隧洞工程，对高水位富水区深埋隧洞工程中的主要水问题进行了较为系统的分析，以及关于水问题对隧洞建设的影响作出了初步评价。提出了锦屏工程深埋引水隧洞采用“以堵为主，堵排结合”的治水思路，通过对围岩高压固结灌浆、封堵地下水等措施，并利用灌浆圈围岩和隧洞衬砌支护的联合承载功能，确保围岩和衬砌支护结构的稳定、安全，使涌水量也得到有效控制。     

泄水式管片衬砌壁后水压力分布特性模型试验研究

 基于研制的泄水式管片衬砌–围岩泄流装置,采用室内试验方法对某铁路隧道装配式泄水式管片衬砌在高水压条件下衬砌壁后水压力分布规律进行研究,重点探讨单纯限排、堵水限排等不同泄水方案下衬砌壁后外水压力分布规律。分析排泄流量、泄水孔密度、注浆与否对隧道衬砌壁后水压力的影响,揭示隧道衬砌壁后整体和各位置处外水压力折减系数、外水压力大小等与衬砌泄水孔泄流量之间的二次曲线关系。研究结果可为高水压山岭隧道衬砌的设计提供参考。     

疏干条件下隧洞涌水量及孔压分布解析研究

隧洞涌水和孔隙水压力计算一直是地下工程领域最为关注的焦点问题,然而对于疏干条件下隧洞涌水量及衬孔隙水压力的变化规律仍未得到很好的解决。针对浅埋、深埋及衬砌隧洞分别进行解析分析,然后利用数值计算方法反算出关键参数(影响距离、等效地下水位及衬砌等效地下水位)的计算公式,进一步提出了隧洞涌水量的解析公式,探讨了孔隙水压力的分布规律。结果表明,疏干条件下隧洞涌水量取决于隧洞半径、初始地下水位高度及围岩与衬砌相对渗透性,其中围岩与衬砌相对渗透性起到决定性因素;衬砌圈显著改变了隧洞涌水量大小与外水压力分布规律,随着相对渗透性的增大,孔压解析解与数值解的拟合程度逐渐提高;通过与传统解析公式及数值的相互对比,提出的解析公式真实刻画了浅埋、深埋和衬砌隧洞渗流场特征,计算结果更加合理和准确。     

南水北调西线工程隧洞围岩分类和变形分析

根据工程地质性质和砂岩、板岩比例对隧洞区工程地质岩组进行了划分，并对结构面和岩体结构进行分级和分类，在此基础上用T系统和RMR系统对隧洞围岩进行分类；变形计算中，根据围岩分类，采用基于GSI的Hoek-Brown经验方法对围岩岩体变形进行分析计算，并根据围岩分类和变形计算，对TBM在西线的适用性进行了探讨。     

基于改进的距离判别分析法的南水北调西线工程TBM施工围岩分级

 对马氏距离判别法和层次分析法存在的不足进行改进,将改进的距离判别分析法应用于南水北调西线工程TBM施工围岩分级中。根据TBM施工特点和相关研究成果,将TBM施工围岩分级标准定为4级。选用岩石强度、岩组特征、结构面间距、结构面与洞轴线夹角以及石英含量5项指标作为判别因子,以南水北调西线工程杜柯河-玛柯河段实例数据作为学习样本进行训练,建立TBM施工围岩分级的改进的距离判别分析模型,利用得到的线性判别函数对待判样本进行分级。最后,将改进的距离判别分析法得到的判定结果与传统马氏距离判别法、RTBM法以及RMR方法得到的判别结果进行对比分析,验证了改进的距离判别分析法的有效性。研究结果表明,改进的距离判别分析法具有预测精度高等优点,为TBM施工围岩分级提供了一种新的有效方法。     

南水北调西线一期工程区构造稳定性分析

南水北调西线工程区活动断裂不发育,地震活动水平低;地球物理资料证实,工程区具有稳定型地壳;构造稳定性分析显示,工程区不发育突发活动地段,属于构造稳定型地区。     

层状围岩管片衬砌配合陶粒与锚杆的联合支护技术研究

深部层状围岩中修建盾构隧道,管片衬砌易受偏压作用,对结构安全构成挑战。提出一种管片衬砌配合陶粒可压缩层与锚杆的联合支护技术,采用大比例尺相似模型试验针对联合支护技术的支护效果进行研究,进行了可压缩层配合不同长度和间距的锚杆支护效果对比研究,从管片衬砌内力、变形角度分析了联合支护效果,从可压缩层的压缩变形路径和移动特征角度分析了联合支护机理。研究结构表明:联合支护技术一定程度上改变了管片的内力分布形式,降低了围岩偏压作用,削减管片衬砌内力和形变量;锚杆的施作可以有效减小层状围岩变形,陶粒压缩层可以有效吸收围岩变形;联合支护中锚杆的长度和间距存在一个最优值,超过该最优值,锚杆的加固效果不再明显增加;联合支护的作用机理由两部分构成:陶粒压缩层的让压作用与锚杆加固作用。研究结果对层状围岩中修建盾构隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。     

裂隙岩体深埋长隧洞断裂控水模型及突、涌水量多因素综合预测

 由于深埋长隧洞围岩的力学、水力学特性明显区别于浅埋隧洞,且深部岩体不易勘探,因此深埋隧洞突、涌水量预测难度较大。针对高地应力、高水力梯度和高地温等复杂的深部地质环境,结合南水北调西线工程,提出了以断裂控水模型为基础的多因素综合评判方法。该方法是以大型断裂带为主要地下水通道的宏观地质模型作为基础;再分别研究对突涌水有影响的各种深部地质环境因素的影响规律;最后对宏观模型估算的突、涌水量进行综合修正。该方法为评价深埋长隧洞突涌水和隧洞施工与防护提供一种新的思路。     

南水北调西线一期工程区水文地质条件评价

针对南水北调西线一期工程区地形、地质、地貌和气候条件复杂,及工作条件差、工期短、基础资料缺乏等特点,建立了以遥感水文地质判释为主,结合野外地面调查、现场钻孔地下水流速流向测试、现场钻孔压水试验资料分析、水化学分析、环境同位素测试分析等多手段多方法的水文地质条件综合评价方法,研究了该工程区的地下水类型、地下水化学特征及其形成条件、主要含水层的分布,主要水文地质单元及其地下水运动和补径排条件。结合水利工程勘探的特点,充分利用钻孔压水试验成果,分析探讨水文地质参数及其变化特征,对沿线隧洞涌水量进行初步估算。探讨了主要的水文地质问题。为高山覆盖地区的水文地质条件研究提供了一种新思路。     

南水北调西线工程若干工程地质问题研究

 基于工程实践,探讨西线一期工程区域稳定性评价的原则和基本思路,根据有关资料,给出工程区的稳定性分区,认为西线工程位于基本稳定区,附近断裂大多数不具有活动性,坝址场区内没有发现活动断裂和地震震中分布,没有活动断裂穿越引水隧洞。隧洞围岩主要为II～III类围岩,局部为IV～V类围岩,岩爆强度不高,围岩大变形主要发生在板岩段和构造破碎带处,地质条件适合TBM施工。根据水文地质资料,给出各隧洞段的涌水量。可能引起强透水或涌水的地段主要在浅埋过沟段、向斜褶皱核部破碎岩体形成的富水段、断层破碎带及其影响带。     

不同开挖方式对近距离交叠隧道影响模拟研究

研究不同开挖方式对近距离交叠隧道的地层和围岩的影响,揭示不同开挖方式下交叠区围岩及既有隧道衬砌的变形及应力–应变变化规律,为近距离交叠地下工程的变形控制、支护设计和开挖优化设计提供理论依据。通过FLAC3D数值模拟,研究在台阶法、眼镜法、CRD法3种不同开挖方式下交叠区围岩及既有隧道衬砌的变形及应力–应变发展规律、交叠区围岩塑性破坏规律,研究结果如下：(1) 不同开挖方式对交叠隧道施工过程中不同位置的影响程度不同,揭示既有隧道衬砌变形机制演变过程和衬砌破坏的危险点;(2) 根据围岩塑性区发展和隧道衬砌变形量,开挖下部新线隧道时CRD法优于眼镜法和台阶法,CRD法开挖下部隧道时对变形控制效果最好;(3) 新建隧道穿越既有隧道时,比较理想的施工方案为台阶法→CRD法→台阶法;(4) 任何开挖施工方法都会使已建隧道衬砌的4个部位(拱顶、拱脚、直墙边及拱底)承受拉应力,且拱脚处的最大、最小主应力最大,最易发生破坏。