Q系統(tǒng)在西南某水電站TBM施工隧洞圍巖質(zhì)量分類(lèi)中的應(yīng)用

文章針對(duì)tbm施工隧洞的圍巖分類(lèi)問(wèn)題,分析了西南某水電站深埋隧洞影響洞室穩(wěn)定性的因素,以《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中的圍巖分類(lèi)方法(hc分類(lèi))為基礎(chǔ),依據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖體的完整性系數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)為主要因素來(lái)探討適合tbm施工深埋隧洞的圍巖分類(lèi)。

針對(duì)tbm施工隧洞中的圍巖分類(lèi)問(wèn)題,指出tbm施工條件下的隧洞圍巖分類(lèi)應(yīng)針對(duì)圍巖的可鉆掘性,充分考慮影響tbm掘進(jìn)效率的主要工程地質(zhì)因素,提出了在《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》圍巖穩(wěn)定性基本分級(jí)的基礎(chǔ)上,依據(jù)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、巖石的耐磨性和巖體的完整性,將tbm施工條件下的隧洞圍巖分為a(好)、b(一般)、c(差)3個(gè)級(jí)別,對(duì)于當(dāng)今隧洞圍巖分級(jí)方法的進(jìn)一步發(fā)展,以及提高我國(guó)tbm施工隧洞的設(shè)計(jì)和施工水平具有一定的實(shí)用價(jià)值。

隨著tbm制造技術(shù)的發(fā)展,tbm施工的應(yīng)用技術(shù)也越來(lái)越成熟。面對(duì)水電工程復(fù)雜的地質(zhì)情況,對(duì)長(zhǎng)引水隧洞施工方案選擇就尤為重要。本文就tbm在長(zhǎng)引水隧洞中施工方案研究,對(duì)tbm施工在楞古水電站引水隧洞的應(yīng)用進(jìn)行探討。

在現(xiàn)場(chǎng)施工地質(zhì)編錄的基礎(chǔ)上,通過(guò)挪威的barton、lien和lunde等人的q法及bieniawsk的rmb法隧洞巖體質(zhì)量分類(lèi)方法,對(duì)巴貢水電站的8條引水隧洞圍巖進(jìn)行分類(lèi),通過(guò)分類(lèi)對(duì)前期隧洞圍巖類(lèi)別進(jìn)行修正,根據(jù)不同類(lèi)別的圍巖采取相應(yīng)的臨時(shí)及永久支護(hù)措施,為設(shè)計(jì)及施工提供地質(zhì)依據(jù)。

在引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中,巖體圍巖分類(lèi)是一項(xiàng)重要指標(biāo)和依據(jù),通過(guò)對(duì)圍巖分類(lèi)進(jìn)一步細(xì)化,可以及時(shí)提出施工技術(shù)措施,有效地控制隧洞開(kāi)挖質(zhì)量,提高開(kāi)挖進(jìn)度。

安城水電站引水系統(tǒng)中設(shè)無(wú)壓隧洞2座，總長(zhǎng)809m。采用水電地下工程圍巖分類(lèi)法對(duì)2座引水隧洞圍巖進(jìn)行分類(lèi)，其中ⅱ類(lèi)圍巖300m，ⅲ類(lèi)圍巖407m，ⅳ類(lèi)圍巖102m。根據(jù)不同圍巖級(jí)別，采用噴混凝土、掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土和混凝土襯砌三種支護(hù)措施，效果良好。

某水電站引水隧洞布置于大通河右岸,引水隧洞方案一線(xiàn)路全長(zhǎng)約2.71km,其中基巖段隧洞長(zhǎng)2.28km,為無(wú)壓城門(mén)洞形,隧洞高×寬=8.78m×6.00m。文中根據(jù)試驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果,并參照sl55-2005《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》,采用工程類(lèi)比的方法對(duì)引水隧洞圍巖進(jìn)行了分類(lèi),提出了圍巖主要物理力學(xué)參數(shù)建議值,評(píng)價(jià)了引水線(xiàn)路的工程地質(zhì)條件。

本文針對(duì)tbm施工隧洞中的圍巖分類(lèi)問(wèn)題,通過(guò)分析研究國(guó)內(nèi)外大量tbm施工實(shí)例和一些現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,指出tbm施工條件下的隧洞圍巖分類(lèi)應(yīng)針對(duì)圍巖的可鉆掘性,充分考慮影響tbm掘進(jìn)效率的主要工程地質(zhì)因素,提出了在《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》圍巖穩(wěn)定性基本分級(jí)的基礎(chǔ)上,依據(jù)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、巖石的耐磨性和巖體的完整性將tbm施工條件下的隧洞圍巖分為a(好)、b(一般)、c(差)3個(gè)級(jí)別的圍巖分類(lèi)新方法,并將該方法應(yīng)用于掌鳩河引水供水工程tbm施工段工程實(shí)踐,取得了良好的效果。

tbm施工過(guò)程中,為防止軟巖變形導(dǎo)致卡機(jī)事故的發(fā)生,需要對(duì)圍巖變形進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。以巴基斯坦n-j水電站為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反演分析,得到其蠕變參數(shù),并采用反演得到的蠕變參數(shù)對(duì)大埋深洞段的圍巖變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明,tbm在軟巖段掘進(jìn)過(guò)程中,圍巖除了產(chǎn)生明顯的彈塑性變形外還會(huì)出現(xiàn)明顯的蠕變變形,且蠕變變形在tbm在開(kāi)挖后的幾小時(shí)內(nèi)會(huì)迅速增加,增大了tbm卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。建議tbm在軟巖段掘進(jìn)過(guò)程中,在保證安全的前提下盡可能快速通過(guò)。

已有不少專(zhuān)家在tbm施工圍巖級(jí)別劃分方面進(jìn)行過(guò)有益探索,為后來(lái)的工作提供了很好思路。目前的問(wèn)題是,所提出的分級(jí)指標(biāo)難以獲取、離散性較大、有一些與施工直接相關(guān)的指標(biāo)的定量化問(wèn)題未能解決,尚未形成明顯共識(shí)的分級(jí)系統(tǒng)或方法。為此,有必要針對(duì)水工隧洞tbm施工圍巖類(lèi)別劃分進(jìn)行詳細(xì)探討。本文提出以現(xiàn)行《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中水工隧洞圍巖分級(jí)方法為基礎(chǔ),參考秦嶺隧道tbm施工圍巖分級(jí)方法,根據(jù)tbm施工的工作效率、碴料特征和涌水狀況進(jìn)行分級(jí)修正,建立適合于tbm施工的水工隧洞圍巖分級(jí)修正模型,實(shí)現(xiàn)tbm施工水工隧洞的圍巖分級(jí),并以2個(gè)實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

錦屏一級(jí)水電站所處的區(qū)域地形陡峻,河谷狹窄,地質(zhì)條件差。為完善和建立場(chǎng)內(nèi)交通,左右岸分別布置有四個(gè)高程的公路,場(chǎng)內(nèi)公路全長(zhǎng)38.5km,其中隧道總長(zhǎng)26.6km,為全長(zhǎng)的70.2%。在隧洞施工過(guò)程中,存在掉塊塌方,成洞困難,部分臨時(shí)支護(hù)損壞等現(xiàn)象,從而影響了工程的順利進(jìn)行。通過(guò)對(duì)所出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害情況進(jìn)行調(diào)查分析確認(rèn),隧洞圍巖的類(lèi)別需要調(diào)整,同時(shí)調(diào)整臨時(shí)支護(hù)措施,從而保證工程安全和工程的進(jìn)度。

地下隧洞建筑物的圍巖分類(lèi)方法在世界范圍內(nèi)種類(lèi)很多,其主要目的是應(yīng)結(jié)合實(shí)際掌握的地質(zhì)資料對(duì)圍巖進(jìn)行量化定量分類(lèi),并能提供施工及襯砌處理措施。高橋水電站引水隧洞圍巖采用巴頓q系統(tǒng)分類(lèi)方法的運(yùn)用,在對(duì)圍巖工程地質(zhì)特征分析及量化評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,提出了各類(lèi)巖體的物理力學(xué)參數(shù)及襯砌處理措施,為隧洞的設(shè)計(jì)方案提供了準(zhǔn)確而真實(shí)的地質(zhì)資料,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

為加快水電工程開(kāi)發(fā),對(duì)水電工程中地下洞室群圍巖分類(lèi)研究甚為重要.為此目的,本文結(jié)合瀑布溝水電站地下洞室圍巖特點(diǎn),詳細(xì)研究了地下洞室圍巖的分類(lèi),并進(jìn)行了圍巖的工程地質(zhì)綜合評(píng)定。

以錦屏二級(jí)水電站3#引水隧洞為例,總結(jié)了tbm在施工過(guò)程中巖爆預(yù)防與處理的經(jīng)驗(yàn)方法,可供同類(lèi)工程參考。

西大河二級(jí)水電站位于西大河中上游的干流上,是西大河梯級(jí)電站之一,引水線(xiàn)路共布置2條隧洞,總長(zhǎng)約9km,地質(zhì)條件比較復(fù)雜,根據(jù)中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)sl55-2005《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中圍巖工程地質(zhì)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2#隧洞圍巖進(jìn)行了分類(lèi),從而可以判別圍巖的自穩(wěn)能力和變形特性,提出支護(hù)、襯砌的方法。

以廟林水電站引水隧洞工程施工中的圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)為例,系統(tǒng)地闡述了小斷面引水隧洞施工中圍巖監(jiān)測(cè)技術(shù)的量測(cè)方法、注意事項(xiàng)、量測(cè)數(shù)據(jù)的處理,以及圍巖穩(wěn)定性的判別方法。通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)掌握圍巖和支護(hù)系統(tǒng)在施工期間的變形情況及穩(wěn)定程度。

本文以某水電站引水隧洞工程為例,分析影響洞群圍巖變形的主要因素,介紹了該工程洞群圍巖變形量測(cè)的原理和方法。現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)資料表明:該工程灰?guī)r收斂變形曲線(xiàn)呈“s”形,而灰頁(yè)巖互層段收斂變形曲線(xiàn)呈雙曲線(xiàn)形?，F(xiàn)場(chǎng)收斂變形量測(cè)與有限元法計(jì)算的洞周邊位移比較,兩者基本一致。

深埋長(zhǎng)隧洞是水電工程設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的建筑物形式,在整個(gè)工程的設(shè)計(jì)及施工中占據(jù)重要的地位,在勘察工作中,關(guān)于隧洞相關(guān)地質(zhì)參數(shù)的正確選取關(guān)系到能夠進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì)以及施工階段順利組織施工.以巴基斯坦某水電站深埋長(zhǎng)隧洞為例,根據(jù)室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù),使用霍克—布朗準(zhǔn)則推求巖體力學(xué)參數(shù),并結(jié)合臨近n-j水電站工程隧洞段所采用的圍巖地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,綜合確定適用于擬建工程的圍巖地質(zhì)參數(shù).

引水隧洞工期是固滴水電站關(guān)鍵線(xiàn)路,投資占總投資比例較大.對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化研究是有必要的.固滴水電站引水隧洞總長(zhǎng)10852.32m,其中ⅳ類(lèi)偏好圍巖洞段約占全洞長(zhǎng)20%,具備襯砌設(shè)計(jì)優(yōu)化的可行性.通過(guò)固結(jié)灌漿能夠提高引水隧洞圍巖力學(xué)參數(shù),使襯砌與圍巖形成承載圈,從而達(dá)到加固引水隧洞圍巖的作用,同時(shí)也可提高引水隧洞圍巖防滲性能.本文研究思路及技術(shù)路線(xiàn)可為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供參考.

錦屏二級(jí)水電站1#、3#引水隧洞具有埋深大、洞線(xiàn)長(zhǎng)、洞徑大的特點(diǎn),地質(zhì)條件復(fù)雜,巖爆問(wèn)題突出,最終采用大直徑tbm進(jìn)行掘進(jìn)施工。作為一種完全不同于鉆爆法的tbm隧洞施工系統(tǒng),由于其施工系統(tǒng)的復(fù)雜性和施工方法具有的特點(diǎn),加之該工程tbm設(shè)備采用由業(yè)主采購(gòu)提供給承包商使用的模式,給監(jiān)理工作帶來(lái)了新的認(rèn)識(shí)和更高的要求。介紹了tbm施工監(jiān)理對(duì)設(shè)備管理、質(zhì)量控制、進(jìn)度管理、巖爆段的安全管理及其信息管理采取的控制措施。

錦屏二級(jí)水電站引水隧洞是我國(guó)目前規(guī)模最大的水工隧洞群,特點(diǎn)是洞線(xiàn)長(zhǎng)、埋深大、技術(shù)難度大,且沿線(xiàn)突水、巖爆、塌方各種地質(zhì)災(zāi)害十分突出,為確保工程施工的安全與按期順利發(fā)電,有必要選擇安全快速的掘進(jìn)方式,為此針對(duì)tbm工法,進(jìn)行大量的調(diào)查研究與分析論證,研究結(jié)果表明:無(wú)論是從巖石的可鉆性、耐磨性,還是從巖石的變形、破壞特性,tbm施工都是可行的,對(duì)可能遇到的地下水、巖爆、圍巖大變形等不良地質(zhì)條件的處理,較傳統(tǒng)的鉆爆法有一定的優(yōu)勢(shì),對(duì)人員設(shè)備的安全具有更好的保護(hù)作用。結(jié)合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和施工中不斷改進(jìn)的施工工藝和支護(hù)手段,可以較好地解決施工過(guò)程中可能遇到的一些工程難題。

傳統(tǒng)圍巖分級(jí)方法側(cè)重于圍巖的穩(wěn)定性,對(duì)于tbm施工隧道工程,圍巖與tbm均扮演重要角色,有必要建立一套服務(wù)于tbm隧道工程的圍巖分級(jí)新方法。依托引漢濟(jì)渭引水隧洞工程的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),對(duì)場(chǎng)切深指數(shù)fpi與地質(zhì)參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行分析,建立tbm隧道的圍巖可掘性分級(jí);對(duì)影響tbm利用率的主要地質(zhì)因素進(jìn)行分析,建立tbm隧道的適應(yīng)性分級(jí)。綜合考慮工程的圍巖可掘性及tbm適應(yīng)性,以施工速度為指標(biāo),建立基于掘進(jìn)性能的tbm施工圍巖綜合分級(jí)。分級(jí)選取巖石強(qiáng)度、巖體完整性、地下水狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)、隧道軸線(xiàn)與主要軟弱結(jié)構(gòu)面夾角等5方面因素指標(biāo),對(duì)tbm推力、貫入度、利用率和施工速度進(jìn)行影響關(guān)系綜合分析。結(jié)果表明,新建立的tbm施工圍巖綜合分級(jí)方法可以進(jìn)行tbm掘進(jìn)性能預(yù)測(cè)與工期、成本分析,有效解決開(kāi)敞式tbm工程實(shí)用圍巖分級(jí)問(wèn)題。