錦屏二級(jí)水電站不同施工方法引水隧洞圍巖穩(wěn)定性研究.pdf

1、二十一世紀(jì)，在水利水電建設(shè)中，往往需要開挖地下隧洞，其中圍巖的穩(wěn)定性研究具有十分重要的意義。本文的工程實(shí)例錦屏二級(jí)水電站引水隧洞長(zhǎng)約17km，開挖洞徑13m，最大埋深為2525m，地應(yīng)力值達(dá)70MPa 以上，外水壓力大于10MPa，具有埋深大、洞線長(zhǎng)、洞徑大及高地應(yīng)力、高外水壓力的特征。此外，錦屏電站4 條引水隧洞與相鄰鉆爆法施工的長(zhǎng)探洞、輔助洞不同，其中1＃和3＃引水隧洞采用TBM 施工，一次成洞，斷面為圓形；2＃和4＃引水隧洞采用鉆

2、爆法施工，分兩步開挖，斷面為四心圓馬蹄形。
　　 引水隧洞跨度大，現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)、觀察難度較大，尤其是TBM 施工掘進(jìn)速度快，支護(hù)跟進(jìn)迅速。在錦屏二級(jí)水電站引水隧洞設(shè)計(jì)和施工階段，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)隧洞圍巖穩(wěn)定性是經(jīng)濟(jì)合理地進(jìn)行圍巖支護(hù)加固設(shè)計(jì)、快速安全施工及引水隧洞安全運(yùn)營(yíng)必不可少的條件，在這種復(fù)雜地質(zhì)條件下，錦屏深埋長(zhǎng)引水隧洞的穩(wěn)定性問(wèn)題更為突出。因此，針對(duì)錦屏引水隧洞的施工開挖過(guò)程盡可能的考慮各種影響因素，進(jìn)行隧洞圍巖的穩(wěn)定性的研究是非常

3、重要的。
　　 進(jìn)行錦屏二級(jí)水電站引水隧洞圍巖穩(wěn)定性研究，本文主要采用常用地質(zhì)過(guò)程機(jī)制分析、圍巖分類和數(shù)值模擬三種方法。首先對(duì)引水隧洞線路區(qū)工程地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)的介紹；其次對(duì)引水隧洞圍巖條件及不同施工方法圍巖變形破壞特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為論文后續(xù)章節(jié)不同施工條件下引水隧洞的圍巖穩(wěn)定性研究提供參考；再次采用地質(zhì)過(guò)程機(jī)制分析法，從理論上對(duì)引水隧洞開挖過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析；接著利用錦屏已有圍巖分類(JPF)體系，在不同施工條件下引水

4、隧洞已開挖洞段進(jìn)行適用性分析，探尋不同施工方法導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性差異的所在；最后通過(guò)數(shù)值模擬分析方法對(duì)不同施工條件下引水隧洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究，總結(jié)不同施工過(guò)程對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。
　　 綜上所述，本文通過(guò)地質(zhì)過(guò)程機(jī)制分析、圍巖分類和數(shù)值模擬三種方法，對(duì)錦屏二級(jí)水電站不同施工條件下引水隧洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，主要得出以下結(jié)論：
　　 首先，地質(zhì)過(guò)程機(jī)制分析表明，在工程區(qū)地應(yīng)力作用下，引水隧洞開挖后，最大主應(yīng)力方向?yàn)槟蟼?cè)拱

5、肩至北側(cè)拱腳，最小主應(yīng)力與之垂直，即北側(cè)拱肩至南側(cè)拱腳。因此，北側(cè)拱肩處壓應(yīng)力集中，而南側(cè)拱肩處拉應(yīng)力集中，導(dǎo)致變形破壞嚴(yán)重，但表現(xiàn)形式有所差異，其中北側(cè)拱肩易發(fā)生巖爆、應(yīng)力型垮塌等高應(yīng)力破壞，南側(cè)拱肩則易發(fā)生垮塌、掉塊等一般性破壞，與現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形破壞特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果相符。
　　 其次，通過(guò)已有錦屏圍巖分類（JPF）體系在不同施工條件下引水隧洞的適用性分析可知，JPF 圍巖分類體系在2＃、4＃引水隧洞和1＃、3＃引水隧洞鉆爆法開挖洞

6、段的吻合率較高，達(dá)80％以上；在1＃、3＃引水隧洞TBM 開挖洞段，吻合率較低，最高70％左右。
　　 不同巖性、埋深段，JPF 圍巖分類體系亦在TBM 施工洞段比鉆爆施工洞段的吻合率低，且其中JPHC系統(tǒng)分類結(jié)果與實(shí)際圍巖類別吻合率最高，JPQ系統(tǒng)次之，JPRMR系統(tǒng)稍差。因此，已有JPF 圍巖分類體系適用于鉆爆法施工隧洞，而在TBM 施工隧洞適用性較差，需要進(jìn)一步修正完善。
　　 最后，數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，在埋深和

7、圍巖類別相同條件下，引水隧洞全斷面開挖和分步開挖圍巖的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布等，具有相同的規(guī)律，即應(yīng)力集中和塑性區(qū)分布均主要在北側(cè)拱肩和南側(cè)拱腳，而位移分布則主要在南側(cè)拱肩和北側(cè)拱腳。但應(yīng)力集中程度、位移和塑性區(qū)分布范圍有所差異，即與2＃和4＃引水隧洞相比，1＃和3＃引水隧洞開挖圍巖的應(yīng)力集中程度更高，位移和塑性區(qū)分布范圍更廣。
　　 此外，引水隧洞全斷面開挖和分步開挖過(guò)程中，掌子面前方均最大主應(yīng)力在拱頂和底拱部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，

8、最小主應(yīng)力則降低，并從外向內(nèi)逐漸增大。掌子面后1 倍洞徑范圍內(nèi)，掌子面的支撐作用控制了應(yīng)力集中，在2 倍洞徑以后，圍巖內(nèi)的最大、最小主應(yīng)力分布不再發(fā)生變化，表明空間效應(yīng)的消失，應(yīng)力釋放結(jié)束，圍巖變形接近收斂；埋深相同條件下，隧洞開挖后III類圍巖比II類圍巖的應(yīng)力集中程度增大，分布范圍有所擴(kuò)展；圍巖類別相同條件下，隨著埋深的增加，應(yīng)力水平提高，致使圍巖的應(yīng)力集中程度越加嚴(yán)重，分布范圍不斷擴(kuò)展；不同的開挖方式導(dǎo)致的開挖面空間效應(yīng)不盡相同，