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锦屏二级水电站不同施工方法引水隧洞围岩稳定性研究

李大鑫  
【摘要】: 二十一世纪,在水利水电建设中,往往需要开挖地下隧洞,其中围岩的稳定性研究具有十分重要的意义。本文的工程实例锦屏二级水电站引水隧洞长约17km,开挖洞径13m,最大埋深为2525m,地应力值达70MPa以上,外水压力大于10MPa,具有埋深大、洞线长、洞径大及高地应力、高外水压力的特征。此外,锦屏电站4条引水隧洞与相邻钻爆法施工的长探洞、辅助洞不同,其中1#和3#引水隧洞采用TBM施工,一次成洞,断面为圆形;2#和4#引水隧洞采用钻爆法施工,分两步开挖,断面为四心圆马蹄形。引水隧洞跨度大,现场量测、观察难度较大,尤其是TBM施工掘进速度快,支护跟进迅速。在锦屏二级水电站引水隧洞设计和施工阶段,准确评价隧洞围岩稳定性是经济合理地进行围岩支护加固设计、快速安全施工及引水隧洞安全运营必不可少的条件,在这种复杂地质条件下,锦屏深埋长引水隧洞的稳定性问题更为突出。因此,针对锦屏引水隧洞的施工开挖过程尽可能的考虑各种影响因素,进行隧洞围岩的稳定性的研究是非常重要的。 进行锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定性研究,本文主要采用常用地质过程机制分析、围岩分类和数值模拟三种方法。首先对引水隧洞线路区工程地质条件进行详细的介绍;其次对引水隧洞围岩条件及不同施工方法围岩变形破坏特征进行统计分析,为论文后续章节不同施工条件下引水隧洞的围岩稳定性研究提供参考;再次采用地质过程机制分析法,从理论上对引水隧洞开挖过程中围岩稳定性进行分析;接着利用锦屏已有围岩分类(JPF)体系,在不同施工条件下引水隧洞已开挖洞段进行适用性分析,探寻不同施工方法导致围岩稳定性差异的所在;最后通过数值模拟分析方法对不同施工条件下引水隧洞围岩稳定性进行研究,总结不同施工过程对围岩稳定性的影响。 综上所述,本文通过地质过程机制分析、围岩分类和数值模拟三种方法,对锦屏二级水电站不同施工条件下引水隧洞围岩稳定性进行分析研究,主要得出以下结论: 首先,地质过程机制分析表明,在工程区地应力作用下,引水隧洞开挖后,最大主应力方向为南侧拱肩至北侧拱脚,最小主应力与之垂直,即北侧拱肩至南侧拱脚。因此,北侧拱肩处压应力集中,而南侧拱肩处拉应力集中,导致变形破坏严重,但表现形式有所差异,其中北侧拱肩易发生岩爆、应力型垮塌等高应力破坏,南侧拱肩则易发生垮塌、掉块等一般性破坏,与现场围岩变形破坏特征统计结果相符。 其次,通过已有锦屏围岩分类(JPF)体系在不同施工条件下引水隧洞的适用性分析可知,JPF围岩分类体系在2#、4#引水隧洞和1#、3#引水隧洞钻爆法开挖洞段的吻合率较高,达80%以上;在1#、3#引水隧洞TBM开挖洞段,吻合率较低,最高70%左右。不同岩性、埋深段,JPF围岩分类体系亦在TBM施工洞段比钻爆施工洞段的吻合率低,且其中JPHC系统分类结果与实际围岩类别吻合率最高,JPQ系统次之,JPRMR系统稍差。因此,已有JPF围岩分类体系适用于钻爆法施工隧洞,而在TBM施工隧洞适用性较差,需要进一步修正完善。 最后,数值模拟分析结果表明,在埋深和围岩类别相同条件下,引水隧洞全断面开挖和分步开挖围岩的应力、位移和塑性区分布等,具有相同的规律,即应力集中和塑性区分布均主要在北侧拱肩和南侧拱脚,而位移分布则主要在南侧拱肩和北侧拱脚。但应力集中程度、位移和塑性区分布范围有所差异,即与2#和4#引水隧洞相比,1#和3#引水隧洞开挖围岩的应力集中程度更高,位移和塑性区分布范围更广。 此外,引水隧洞全断面开挖和分步开挖过程中,掌子面前方均最大主应力在拱顶和底拱部位出现应力集中,最小主应力则降低,并从外向内逐渐增大。掌子面后1倍洞径范围内,掌子面的支撑作用控制了应力集中,在2倍洞径以后,围岩内的最大、最小主应力分布不再发生变化,表明空间效应的消失,应力释放结束,围岩变形接近收敛;埋深相同条件下,隧洞开挖后III类围岩比II类围岩的应力集中程度增大,分布范围有所扩展;围岩类别相同条件下,随着埋深的增加,应力水平提高,致使围岩的应力集中程度越加严重,分布范围不断扩展;不同的开挖方式导致的开挖面空间效应不尽相同,2#和4#引水隧洞上下台阶开挖时,最后顶拱下沉位移比1#和3#引水隧洞全断面开挖时大。综上所述,分步开挖有利于围岩的稳定。


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