锦屏电站4#引水洞不良地质段的安全技术.doc

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特长隧道现场观摩与施工技术交流会交流材料之锦屏引水隧洞不良地质洞段安全施工技术

锦屏引水隧洞不良地质洞段安全施工技术

1.工程概况

锦屏二级水电站利用雅砻江下游河段150km长大河弯的天然落差，通过长约16.67km的引水隧洞，截弯取直，获得水头约310m。

电站总装机容量4800MW，单机容量600MW。

水电站引水系统采用4洞8机布置形式，从进水口至上游调压室的平均洞线长度约为16.67km，中心距60m，洞主轴线方位角为N58°W。

引水隧洞立面为缓坡布置，底坡3.65‰，由进口底板高程1618.00m降至高程1564.70m与上游调压室相接。

引水隧洞洞群沿线上覆岩体一般埋深1500～2000m，最大埋深约为2525m，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点。

由于隧洞的埋深、涌水以及裂隙发育等情况导致隧洞地质复杂，具体不良地质主要表现在以下几个方面：

⑴地下水具有大流量、高水压、强交替、突发性显著特点，最大外水压力达10MPa。

⑵埋深大、高地应力，洞室开挖极易引起岩爆。

⑶岩溶裂隙发育，洞段断层构造带较多，节理裂隙发育易形成塌方和掉块。

2.监控量测和超前地质预报

锦屏工程区内复杂的自然地理条件和水文地质条件使引水隧洞的地质条件变得复杂，设计单位未能完全掌握施工前方的具体地质条件；隧洞深埋地应力较大，洞群施工洞室交叉、另外地下水沿溶蚀裂隙突涌水，隐蔽性强，没有明显的构造异常显示，用常规的水文地质勘探方法难以查明其位置和规律，集中处理的难度相对较大；锦屏地区的监控量测和地质超前预测预报技术是本工程安全施工必不可少的内容。

2.14#引水隧洞监控量测

引水隧洞监测重点为围岩变形、衬砌及支护结构受力情况、外水压力等。

主要监测内容包括以下部分：

⑴围岩变形：

采用全站仪及围岩收敛分析软件，进行施工期全程围岩收敛变形监测；在围岩内钻孔埋设多点变位计，观测围岩松动区，校核围岩灌浆深度。

⑵围岩应力监测：

在围岩内钻孔埋设岩石应力计，观测围岩应力的变化情况。

⑶衬砌及支护结构受力监测：

设置观测锚杆布置锚杆应力计，观测锚杆受力并检验锚杆参数；在喷混凝土衬砌段，在第一次喷混凝土表面设置应变计组，观测喷混凝土应力情况；在钢筋混凝土衬砌内布置钢筋计、应变计，检验混凝土支护设计参数和施工方法。

⑷外水压力监测：

在围岩内钻孔埋设渗压计，钻孔深度深入围岩稳固圈以外。

⑸围岩温度监测：

在围岩不同深度埋设温度计，监测围岩内部温度情况，以便分析温度对监测成果的影响。

⑹隧洞缺陷监测：

采用分布式光纤裂缝传感器实现结构裂缝、岩体裂缝和围岩区域性破坏和大范围连续、定量监测。

⑺围岩松动圈监测：

采用单孔声波测试方法，测定围岩声波速度及其变化趋势，判定隧洞围岩松弛厚度。

⑻巡视检查：

巡视检查是不借助任何测量仪器，而用肉眼凭经验判断围岩、初支、衬砌和隧洞安全性的最直观方法。

其目的是核对地质资料，判断围岩和支护系统的稳定性，为施工管理和工序安排提供依据。

在隧洞每开挖一循环后，细致地观察隧洞内地质条件的变化情况，裂隙的发育和扩展情况，地下水渗漏情况，有无岩爆发生的征兆，观察隧洞侧壁及拱顶有无松动的危石，锚杆有无松动，喷层有无开裂以及衬砌上有无裂隙出现。

各监测项目测次见表1。

表1各监测项目测次表

序号

监测项目

施工期

首次充水期

充水运行初期

1

收敛变形

1次/天

/

/

2

深部变形

1次/天～1次/周

1次/天

2次/旬～1次/旬

3

接缝监测

1次/天～1次/周

1次/天～1次/旬

2次/旬～1次/月

4

应力、应变

1次/周～1次/旬

1次/天～2次/旬

1次/旬～1次/月

5

外水压力

1次/周～1次/旬

1次/天～2次/旬

1次/旬～1次/月

6

裂缝监测

1次/天～1次/周

1次/天～1次/旬

2次/旬～1次/月

7

压应力监测

1次/天～1次/周

1次/天～1次/旬

2次/旬～1次/月

2.24#引水隧洞超前地质预报

在钻爆法施工的引水隧洞的施工过程中有可能会遇到涌水、围岩稳定、岩爆、岩溶、有害气体、高地温等多方面的地质问题。

施工过程中主要采用了TSP预报系统、HSP预报系统、地质雷达、红外探水、孔内摄影、单孔和跨孔CT测试等多种手段进行综合预报。

⑴地质超前预报需采用多种预报探测手段，进行综合的地质预报，同时在现场施工过程中还需长期配备一名跟班作业的地质人员，通过已揭露的地质情况和掘进出的石渣进行综合分析，预报前方的地质条件。

⑵原始数据的好坏直接决定了预报的准确性，在原始数据的采集过程中，尽量排除干扰。

如地质雷达作超前预报时使用非屏蔽天线，如果在天线附近有较多钢结构，就会对采集数据产生干扰；TSP预测时应停止附近的放炮作业，避免地震波的重叠等等，只有数据准确才能进行准确的分析。

⑶TSP在对隧道进行长距离探测中，宏观准确性较高，一般TSP探测的距离在150m左右效果最佳，过短的TSP探测长度会造成不必要的一次性耗材的浪费，而过长的TSP探测长度会使探测精度下降，造成误判或错判。

⑷地质雷达在短距离的地质探测中，有很优异的表现，使用地质雷达与TSP相互论证，得到的结论一般就比较准确了，即使在不良地质条件下，对大型地质异常体的判断准确率也会在90%以上，对一般性地质异常体的判断准确率也可以达到70%。

⑸红外探水仪重量轻，操作简便，可以有效地分析出前方围岩是否存在含水体，在围岩较好且无地质异常体的情况下，使用该设备进行常规探测即可，效果良好，可节省大量的人力物力。

⑹超前水平钻探，可以对TSP和地质雷达都无法解释的地质异常体进行补充探测。

但在实际操作中，采用超前水平钻探需要停止掌子面的掘进作业，超前水平钻孔预测需要的时间较长，对隧道施工的干扰大。

⑺采用多种勘探手段进行综合预报，预测的准确性最佳，如何合理综合利用各种勘探手段，使之发挥最大的效率，得到最准确的预报成果，要根据地质情况和预测经验的积累逐步调整。

⑻超前地质预测预报技术的勘探手段是建立在对探测仪器采集数据的分析上，不同的人员对数据的判释结果也可能不同，因此，地质预测预报人员的业务水平也是影响预测准确性的关键因素，需要逐步积累经验加强学习，提高判释的准确性。

2.2.1钻爆法施工采用的超前地质预报的方法、内容和手段

⑴超前地质预报的预报方法

钻爆法施工引水隧洞施工过程中的地质预报采用多种预报手段相结合的综合预报方法，建立宏观超前地质预报（工程地质法）、长期（长距离、50m～200m）超前地质预报（工程地质法、TSP探测及超前钻探）、短期（短距离、0～50m）超前地质预报（HSP测试技术、地质雷达、红外探水、CT测试、超前钻探、超前导洞及经验法等）三级预报预警机制，构成引水隧洞施工的地质综合预报体系，进行不良地质体的超前预报。

预报成果应在工程地质分析的基础上，结合仪器测试解译结果，进行综合分析后提出。

在施工期间，通过现场三级预报信息反馈，以提高信息解译精度，经综合判断提交相应的地质超前预报报告。

施工过程中严格执行“先探后掘”的原则，以避免地质灾害的发生，确保引水隧洞的安全施工。

⑵超前地质预报的预报内容和手段

针对钻爆法施工引水隧洞的工程地质特点、主要的潜在地质灾害及地质问题，施工超前地质预报主要为不良地质预报及灾害地质预报，其内容和方法见表2。

表2钻爆法施工超前地质预报的内容和手段表

序号

不良地

质现象

预报内容

预报手段

1

突（涌）水、突泥

预报掌子面前方一定范围内有无突（涌）水、突泥，并查明其范围、规模、性质，预测突（涌）水量的大小及其变化规律，并评价其对施工的影响。

拟采用宏观预报法预测全洞段的突（涌）水、突泥位置及规模，采用TSP测试法进行突（涌）水长期预报，重点采用CT法、地质雷达法、红外探水法进行短期预报，采用超前钻探及经验法，准确预测突（涌）水、突泥位置和规模。

2

岩爆

预报掌子面前方一定范围内有无岩爆，并查明其范围、规模、强度等级。

拟采用宏观预报法预测全洞段的岩爆位置和等级，在潜在岩爆洞段，采用TSP法进行长期预报，采用工程地质法、HSP法进行岩爆短期预报，采用超前钻探、实验分析法、工程对比法及经验法准确预测岩爆位置和等级。

3

断层及破碎带

预报断层的位置、宽度、产状、性质、充填物的状态，是否为充水断层，并判断其稳定性。

拟采用宏观预报法预测全洞段的断层及破碎带位置及规模，主要采用TSP测试法进行长期预报，辅助采用HSP法、CT法、地质雷达法进行断层及破碎带的短期预报，采用超前钻探及经验法准确预测断层及破碎带位置和规模。

4

岩溶

预报掌子面前方一定范围内有无岩溶体，并查明其范围、规模、性状。

拟采用宏观预报法预测全洞段的岩溶位置及规模，采用TSP法进行长期预报，采用HSP法、CT法、地质雷达法进行岩溶短期预报，采用超前钻探及经验法准确预测岩溶位置及规模。

5

围岩类别及其稳定性

预报掌子面前方的围岩类别，判断其稳定性，随时提供修改设计、调整支护类型、确定二次衬砌时间的建议等。

拟采用宏观预报法预测全洞段的围岩的类别及桩号，采用TSP法进行长期预报，采用HSP、CT法进行围岩类别短期预报，采用超前钻探及经验法准确预测围岩类别及桩号。

6

高地温

预测隧洞内高地温范围、温度及湿度。

拟采用宏观预报法预测全洞段的地温，采用超前钻探、经验法及温度计、湿度计准确预测洞室地温及湿度。

7

有害气体

预测隧洞内有害气体含量、成分及动态变化。

拟采用宏观预报法预测全洞段的有害气体可能出现的洞段，采用超前钻探、经验法及气体检测仪准确预测洞内有害气体含量、成分及动态变化。

2.3超前地质预报的实施程序

超前地质预报综合预报法实施程序见图1。

图1综合预报法的实施程序图

3不良地质段的安全施工技术

3.1对于软岩和节理裂隙发育易挤压破碎带的施工

锦屏电站地质以三叠纪围岩为主，节理裂隙的走向与隧道的轴线垂直，这在设计选线时确定的隧道走向从受力角度来讲有利于隧道的稳定。

岩性主要为盐塘组的中薄层泥质灰岩和黑色结晶大理岩（T2y6）、白色臭大理岩、花斑状或条带状大理岩灰～灰黑色大理岩（T2y5）、云母条带状大理岩（T2y4）；和白山组白山组（T2b）的灰白色大理岩。

盐塘组（T2y）主要分布在大水沟一带及老庄子背斜核部，主要由大理岩、泥质灰岩组成受地质构造影响节理裂隙发育岩性变化频繁有大量的挤压破碎带和破碎松弛区受地应力影响出现较大的塌方和掉块。

白山组大理岩（T2b）主要分布于工程区中部，形成锦屏山系的主体山脉，该层岩相稳定，结构致密、质纯，全层厚750～2270m，岩石坚硬整体性好埋深较大在地应力作用下会有较大的岩爆。

4#洞现开挖段为盐塘组围岩，岩性变化频繁节理裂隙发育在多条节理面交汇处出现不稳定块体有较大的岩块滑落，节理裂隙发为三叠纪围岩的特性，三条以上节理面交汇形成较大的不稳定块体为锦屏山的特点，在遇到多条节理面相交的块体和隧道轮廓形成的四面临孔现象在地应力的作用下很难保持稳，定势必会滑落，在岩性变化处岩石软弱，出现塌方和涌水出现。

3.1.1针对软岩和破碎带开挖采取以下安全措施和技术措施

⑴开挖出渣结束后，项目地质和技术人员进入工地后，应首先观察工作面岩石状况节理面的走向等看是否处于安全状态，如发现问题，应及时报告，采取必要的措施。

当发现支护变异或损坏时，应立即修正加固；如发现有塌方迹象时，应在危险地段设立明显标志及派专人监守，情况严重时，应立即将全部人员撤离危险地段。

点人数，其次清理主要机具设备；并详细记入施工日记，分析塌方的原因，吸取教训；同时拟定切实可行的清方、支护、掘进、安全等措施后方可继续施工。

⑵应采取短开挖、浅钻孔、弱爆破、强支护、小循环施工方法。

根据地质情况，支护