锦屏二级水电站TBM施工引水隧洞围岩分类及支护措施研究

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TBM施工方法是一种新兴的钻掘技术,在深埋长大隧道中较钻爆法具有很大的优势,因为在隧洞埋藏较深、长度较长、洞径较大时,采用TBM法施工工期较短,同时面对速度、效益、环保、安全等问题,TBM都是使用首选。锦屏二级水电站引水隧洞具有埋深大、洞线长、洞径大及高地应力、高外水压力的特征,锦屏电站4条引水隧洞,其中1#和3#引水隧洞采用TBM施工,2#和4#引水隧洞采用钻爆法施工。TBM施工的隧洞与相同地质条件下钻爆法施工的洞室具有不同的破坏特征,包括围岩面的光滑度,节理的揭露、延伸、张开状况等,故常规的围岩分类方法和支护措施在TBM施工的洞室不适合。目前尚没有一套成熟的适用于TBM钻掘条件下的围岩分类体系,利用传统的钻爆法围岩分类方法不能满足现场的施工要求。针对这一问题、建立适用于工程区TBM开挖隧洞的围岩分类体系并提出对应的支护措施非常重要。本文通过地质资料调查、理论分析及数值模拟的手段,主要从以下几个方面进行研究:(1)分别用地质资料分析和数值模拟的手段研究TBM施工条件下变形破坏特点,为围岩分类和支护措施研究提供理论依据。在地质资料分析中,对结构面的宏观和微观特征分别进行了对比分析,从对比分析中可以看出,原JPHC体系中的结构面条件、结构面产状这两个平分因子在两种不同的施工工艺下差别较大,若在TBM开挖的洞室仍用所收集的结构面作为影响洞室围岩稳定的因素,将带来较大的误差;根据建立的本构模型用软件对TBM施工段围岩进行模拟计算、得出TBM施工条件下围岩不同部位的变形破坏特征。围岩开挖时塑性区亦主要分布在顶拱、北侧边墙、南侧边墙和拱底,边墙位置应力更为集中,塑性区深度增大较为明显。岩爆段相同的围岩评分分值下应力量值、位移量值、塑性区深度都有所增加。通过对TBM施工隧洞变形破坏特征的分析为以后的章节做了理论准备。(2)对重要的因子:赋存环境(包括地应力和地下水两个因素)、地质因素(包括岩石饱和单轴抗压强度、岩体完整性系数和岩体结构三个因素),运用层次分析法进行权重分析从而建立了JPHC_T系统并进行适用性分析。适用性分析得到的结果在88%以上,能够满足工程要求。在高地应力破坏较为明显的洞段进行了高地应力的折减,JPHC_T适用性同样良好。(3)TBM施工方法对结构面的节理组数,节理间距等揭露不充分,用RQD/Jn来反映岩石完整程度修正原有的JPQ系统从而建立了JPQT系统并进行适用性分析。适用性分析得到的结果在85%以上,能够满足工程要求。在高地应力破坏较为明显的洞段进行了高地应力的折减,JPQT适用性同样良好。(4)根据数值模拟结果对TBM施工段围岩支护措施进行优化设计。锦屏围岩不同部位松动圈厚度不同,在南北两侧拱肩和拱脚的松动圈厚度明显大于拱顶和拱底,现场施工时拱顶、拱肩、边墙等部位采用的锚杆长度应比拱顶和拱底长0.5m左右。锚杆的长度在穿过塑性区的基础上根据现场实际进行调整。对于岩爆等高地应力破坏段围岩,应对支护强度和密度应引起重视,特别是北侧拱肩和南侧拱脚位置。
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