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。     

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。     

秦岭输水隧洞岭南TBM段岩爆成灾与施工关系研究

以秦岭输水隧道岭南TBM施工为背景，通过分析岩爆类型，总结岩爆与隧道施工期间的灾害破坏情况，对主机系统和皮带传输进行了优化改进，掌握了岩爆成灾与隧洞的施工关系，通过技术改进及管理措施后，大幅降低了高频强岩爆对皮带系统、主机系统造成损坏的频率；在岩爆规模大、频次高岩爆洞段TBM建立了“掘进不支护、支护不掘进”安全施工准则。     

不同开挖方式下深埋隧洞微震特性与岩爆风险分析

在分析钻爆法和TBM法开挖下围岩应力状态的基础上,基于锦屏二级水电站深埋隧洞微震监测数据,对比研究了钻爆法和TBM法开挖条件下深埋隧洞的微震特性及岩爆风险。结果表明:1钻爆法开挖引起的围岩应力集中距洞壁较远,形成的应力梯度较小;而TBM法开挖引起的围岩应力集中临近洞壁,形成的应力梯度较大。2钻爆法开挖时围岩应变能主要集中在爆破后数小时,尤其是在1 h内释放,而TBM法以连续的方式开挖卸载,剧烈的能量释放伴随着施工全过程。3TBM法开挖导致的事件震级及震源破裂尺度均比钻爆法开挖引起的大。4钻爆法开挖时,围岩积聚的应变能大多以岩体破裂的形式耗散,以岩爆形式显现的较少;而TBM法开挖时,围岩应变能常逐次释放,导致事件频繁发生,而且部分应变能以岩爆形式显现,一般地,同一小范围内常多次发生轻微岩爆,高等级岩爆孕育过程中常伴有低等级岩爆,如中等岩爆发生前伴有轻微岩爆,强烈岩爆孕育过程中伴有轻微和(或)中等岩爆,以此类推。综合上述研究结果认为,在具有强岩爆风险的深埋隧洞中,就防治岩爆而言,钻爆法优于TBM法。     

秦岭输水隧洞微震活动特征研究

岩爆是深埋地下岩体工程中面临的世界性难题。针对秦岭输水隧洞岭南工程开挖过程中面临的岩爆问题,本文基于微震监测技术,分析了相邻洞段不同开挖方式、相同开挖方式不同洞段条件下的微震活动特征。结果表明:微震活跃性与岩爆风险高低密切相关,可作为岩爆防治的重要参考依据;埋深与岩性相近条件下,钻爆法比TBM法的微震能量相对更低,岩爆风险相对更低,但TBM法掘进效率更高;微震活跃性与开挖进尺、隧洞埋深不存在明显正相关性,围岩较好、微震活跃性较低时可适当增加掘进速度,提高开挖效率,当围岩变差、微震活跃性较高时宜适当降低掘进速度,延缓或降低岩爆风险。本研究结果可供类似工程岩爆防治和微震监测参考。     

深埋隧洞TBM掘进微震实时监测与特征分析

 针对深埋硬岩隧洞TBM掘进过程中开展微震实时监测存在的困难与不足,对现有微震监测技术进行优化与改进,并在锦屏II级水电站3#引水隧洞TBM施工洞段开展微震实时监测。监测结果表明：(1) TBM施工环境噪音复杂,但主要噪音特征明显,可通过建议的滤波方法有效滤除。(2) 围岩的微震活动和TBM掘进及掘进速率具有明显的关系,TBM掘进速率增加,围岩微震明显活跃;TBM掘进速率降低,围岩的微震活动明显降低;微震平静期发生在TBM检修期间,最活跃期发生在TBM检修后掘进4～6 h。(3) 一些岩爆发生前,微震事件和能量释放在空间上由随机离散状态变得相对集中,在时间上微震事件的数量和能量有一个迅速增加的趋势;视体积有突增趋势,能量指数有突然下降迹象。(4) 在深埋隧洞TBM掘进过程中进行微震实时监测,可以获得岩爆发生前的有效微震信息,获得岩爆发生前微震活动的演化特征与规律,为岩爆的发生提供较为准确的预警信息。因此,通过微震监测预测预报深埋隧洞TBM掘进过程中岩爆的发生是可行的。     

特殊地质TBM施工隧洞岩爆释能关键技术研究

抽蓄工程TBM隧洞施工具有岩爆等难题。排水廊道隧洞、探洞、交通中导洞等洞室特殊地质TBM施工隧洞岩爆释能等难点对特殊地质TBM施工隧洞岩爆释能关键技术要求非常高，通过理论研究、数值分析、现场试验和监测反馈等手段，对不同工况岩爆释能参数和效果进行研究分析，形成一套抽蓄工程TBM特殊地质TBM施工隧洞岩爆释能成套技术，并成功应用于浙江衢江抽水蓄能项目、浙江永嘉抽水蓄能项目，形成了一套抽蓄项目抽蓄工程TBM特殊地质TBM施工隧洞岩爆释能的工艺标准和施工方法。     

秦岭隧洞4#支洞微震规律与岩爆预警研究

引汉济渭工程秦岭段4#支洞在开挖过程中多次遭遇岩爆的危害,为尽可能对岩爆风险区域进行有效的预报,减少开挖施工风险,利用微震监测技术对4#支洞进行了连续监测。构建秦岭隧洞4#支洞微震监测系统,实时监测开挖过程中隧洞围岩的微震信息,探究4#支洞围岩微震活动规律及其与岩爆灾害的关系。在此基础上,以岩爆经验预测为基础,提出基于微震前兆信息的岩爆要素综合预测方法,对岩爆的风险、范围、等级进行综合预测。研究结果表明:引汉济渭4#支洞岩爆大多数均存在明显的前兆信息,岩爆区域通常与微震事件的集中区域重合;岩爆发生前夕,高震级事件不断发生,同时b值有减小趋势;采用岩爆要素综合预测方法,在4#支洞测试洞段进行了17次预报,准确率达到76%。     

深埋隧洞TBM掘进微震与岩爆活动规律研究

以锦屏二级水电站TBM开挖的深埋隧洞为工程背景,基于微震监测数据和岩爆实例,研究了深埋隧洞TBM掘进过程中微震与岩爆时空分布特征及岩爆孕育过程微震演化规律。结果表明:(1)微震活跃期和岩爆高发期处于TBM作业时段及停机后的1 h以内;微震活动范围主要介于掌子面后方3倍洞径至前方0.4倍洞径之间,其峰值位于掌子面后方0.8倍洞径附近;而岩爆主要发生在掌子面后方2倍洞径以内,尤其是掌子面后方1倍洞径以内是岩爆高发区;可见,微震与岩爆具有良好的时空相关性。(2)在时间序列上,微震能突增现象,以及累积视体积快速上升而Schmidt数急剧下降的现象均属微震活动异常,属岩爆前兆。(3)在空间序列上,微震事件逐渐向某个区域高度集结且大震级高能量事件不断增多的现象属微震活动异常,预示高岩爆风险,属岩爆前兆。     

TBM施工岩爆微震监测的准确率及适用性研究

深埋隧道岩爆是困扰TBM施工安全和进度的重要因素,为此微震监测系统逐渐引入TBM施工对岩爆进行监测预警。然而,TBM施工微震监测的工程案例还很少,其监测预报的准确性和适用性存在争议。以新疆ABH工程和陕西引汉济渭工程为依托,对岩爆微震监测预报的等级和位置进行现场跟踪验证和分析,将岩爆按风险高低划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个等级,给出了不同风险等级岩爆预测的准确率和适用性。结果表明：岩爆微震监测预报的准确率随着岩爆风险等级的增强而提高,对Ⅰ、Ⅱ级岩爆基本可以实现准确定位;引汉济渭工程Ⅰ级岩爆预测的准确率达到78.4 %,14.0%的Ⅰ级岩爆被预报为Ⅱ级,Ⅱ级岩爆预测准确率为55.2%,26.1%的Ⅱ级岩爆被预报为Ⅰ级;ABH工程Ⅱ级岩爆预测准确率为53.3%,46.7%的Ⅱ级岩爆被预报为Ⅲ级;Ⅲ级岩爆预测等级和定位的准确性都比较低。综合考虑岩爆预测的准确性以及施工安全、施工速度和防控措施的因素,建议：TBM工程仅存在Ⅲ级岩爆风险时,无需引入微震监测;存在Ⅰ级、Ⅱ级岩爆风险时,宜采用微震监测,以确保施工安全。     

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。     

深部高应力隧道TBM护盾长度和推力计算方法研究

岩石隧道掘进机(TBM)法开挖长隧道是一种安全、快速、有效的隧道开挖方法,但TBM复杂高应力隧道掘进时易发生卡机事故,因此,TBM在设计之初应尽可能考虑地质环境的影响,降低TBM的卡机风险。通过分析高应力常规地层和高应力软弱破碎地层对TBM的影响,提出了高应力常规地层和高应力软弱破碎地层TBM卡机的两个判据。根据两个判据提出了考虑围岩力学参数的高应力隧道TBM护盾长度设计和推力设计理论计算方法,并给出了参数选取依据。最后依据西南地区某高应力隧道的实际围岩地质参数,计算分析了现有TBM设计的合理性。本研究可为TBM的盾体长度和推力设计计算提供围岩力学参数依据。     

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。     

Energy release process of surrounding rocks of deep tunnels with two excavation methods

Numerical analysis of the total energy release of surrounding rocks excavated by drill-and-blast(D&B) method and tunnel boring machine(TBM) method is presented in the paper.The stability of deep tunnels during excavation in terms of energy release is also discussed.The simulation results reveal that energy release during blasting excavation is a dynamic process.An intense dynamic effect is captured at large excavation footage.The magnitude of energy release during full-face excavation with D&B method is higher than that with TBM method under the same conditions.The energy release rate(ERR) and speed(ERS) also have similar trends.Therefore,the rockbursts in tunnels excavated by D&B method are frequently encountered and more intensive than those by TBM method.Since the space after tunnel face is occupied by the backup system of TBM,prevention and control of rockbursts are more difficult.Thus,rockbursts in tunnels excavated by TBM method with the same intensity are more harmful than those in tunnels by D&B method.Reducing tunneling rate of TBM seems to be a good means to decrease ERR and risk of rockburst.The rockbursts observed during excavation of headrace tunnels at Jinping II hydropower station in West China confirm the analytical results obtained in this paper.     

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。     

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。     

岩爆物理模拟试验研究现状及思考

 岩爆受岩性、应力条件、开采条件等因素影响,发生机制极其复杂,而物理模拟试验研究岩爆具有独特优势。在总结前人研究成果的基础上,从岩爆物理模拟研究的试验仪器、相似材料、加载、开挖、支护和监测测量方法等方面,详细论述当前岩爆物理模拟研究存在的不足和未来的发展方向。主要得到以下结论：建立适合于岩爆的脆性相似判据并研制“低强度、高脆性”的相似材料,是岩爆物理模拟试验成功的基础;分别在理论上和试验方法上解决硬性结构面的相似性判别方法和制作工艺,是研究结构面型岩爆的关键;在保证加载的准确性和受力的均匀性基础上,研制大吨位的加载装置和可考虑复杂岩–机相互作用的TBM掘进机及钻爆法施工工艺,是研究不同岩爆影响因素的保证;开发能够与“硬岩”岩爆以开裂为主的典型变形破坏特征相适应的多元信息监测和测试系统,是成功解译岩爆孕育演化特征和规律的先决条件。研究结论将有助于改进岩爆的物理模拟试验研究现状,为建立岩爆风险的合理评估、准确预测及防控方法提供科学依据。