【文章內(nèi)容簡介】 ，找出各種方法在錦屏圍巖分類中存在的優(yōu)缺點，對存在缺陷的部分參數(shù)（高地應(yīng)力、高外水壓力）進(jìn)行修正，建立錦屏的圍巖分類體系，并在輔助洞中進(jìn)行驗證，應(yīng)用于引水隧洞的圍巖分類預(yù)測中 ， 主要特點如下 ： (1) 錦屏深埋隧洞圍巖分類（ JPF）是在常用水電圍巖方法經(jīng)過高地應(yīng)力、高外水壓力修正后的 JPHC 分類為主， JPQ 和 JPRMR 為輔助分類手段，對分類結(jié)果進(jìn)行比較、驗證的體系。該體系充分考慮了高地應(yīng)力、高外水壓力對圍巖類別的影響，適用于高地應(yīng)力、高外水壓力條件下的圍巖分類。 (2) JPHC 分類是在 HC 分類的基礎(chǔ)上建立起來的，引入了地應(yīng)力修正系數(shù)以反映高地應(yīng)力對圍巖類別的影響。并在地下水評分表中增加了高外水壓力的相關(guān)內(nèi)容。 (3) JPQ 系統(tǒng)是結(jié)合錦屏深埋隧洞的特點在 Q 系統(tǒng)的 基礎(chǔ)上建立起來的，其基本參數(shù)的取值與 Q 系統(tǒng)基本相同，對 Jw、 SRF 做了更改、增加。 (4) JPRMR 分類也引入了地應(yīng)力修正系數(shù)，以反映高地應(yīng)力對圍巖類別的影響；并在地下水評分（ R5）表中增加了高外水壓力的相關(guān)內(nèi)容。 (5) JPF 圍巖分類方法的結(jié)果與實際圍巖類別的吻合率均有大幅度的提高， JPHC、JPQ、 JPRMR 在長探洞內(nèi)的分類結(jié)果與實際圍巖類別的相同洞段分別為 85%、 %、%，有較好的適用性，可滿足錦屏深埋隧洞的圍巖分類要求。 圍巖類別 引水隧洞的圍巖分類預(yù)測可利用目前 已開挖的輔助洞洞段的圍巖類別進(jìn)行類比，預(yù)測方法為：以確定 的 輔助洞和引水隧洞地質(zhì)界線為基準(zhǔn)，計算出兩洞各巖性段的比例，按這個比例推算出已開挖的輔助洞洞段對應(yīng)到引水隧洞的相應(yīng)洞段。輔助洞已開挖洞段與引水隧洞對應(yīng)洞段埋深、洞形和洞徑是不同的，但根據(jù)兩洞中各對應(yīng)洞段的切向應(yīng)力相差不大，差值一般在 以內(nèi)，這就說明也可以將輔助洞已開挖洞段的巖爆 段 對應(yīng)到引水隧洞。這樣就可以借助輔助洞的資料 采用 JPF 體系中的 JPHC 分類 法 對部分引水隧洞洞段進(jìn)行定量或半定量的預(yù)測圍巖類別。 對于沒有輔助洞資料可借助的引水隧洞洞段， 只能根據(jù)現(xiàn)有的引水隧洞資料和巖爆預(yù)測資料，先對這些洞段進(jìn)行工程地質(zhì)分段，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行初步圍巖分類。另外由于巖爆的發(fā)生洞段其原圍巖類別應(yīng)為 Ⅰ ~Ⅱ 類，但由于巖爆的影響，對圍巖的穩(wěn)定不利，故應(yīng)根據(jù)巖爆的等級，分別對圍巖進(jìn)行降級處理，如發(fā)生 Ⅱ (中等 )、 Ⅲ (強烈 )、 Ⅳ (極強 )巖爆的洞段的圍巖類別應(yīng)分別降為 Ⅲ b、 Ⅳ b、 Ⅴ b 類圍巖。這種的圍巖類別與原巖 Ⅲ 、Ⅳ 或 Ⅴ 類圍巖的穩(wěn)定性存在一定的差別。 從 圍巖分類情況來看， 1~4引水隧洞已開挖洞段圍巖以 Ⅲ 類為主，約占 %左右；部分為 Ⅱ 類，約占 %；局部為 Ⅳ 類，約占 %；部分洞段因發(fā)生輕微、中等、強烈極強巖爆而降級的圍巖，約占 %。說明引水隧洞具有較好的成洞圍巖條件。 TBM適用性研究 巖石的可鉆性 根據(jù)挪威科技大學(xué)的研究成果，巖石的可鉆性用巖石可鉆性指數(shù) DRI(drilling rate index)來衡量?？摄@性指數(shù) DRI反映了完整巖石的可鉆性，由巖石的表面硬度和脆性值共同決定，是巖石脆性與小鉆試驗結(jié)果的綜合反應(yīng)，也是巖石抗切割與形成巖石碎片能力的間接表達(dá)。通過不同種類巖石的多次試驗對比，巖石可鉆性與抗壓強度具有負(fù)相關(guān) 關(guān)系。 錦屏砂巖的單軸抗壓強度為 80～ 180MPa，對應(yīng) DRI =45～ 65；大理巖單軸抗壓強度為 70～ 160MPa，對應(yīng) DRI = 60～ 80，根據(jù) TBM施工經(jīng)驗屬可鉆性好～較好的巖石，適于 TBM施工。 巖石的耐磨性 巖石的耐磨性是評價是否適于 TBM施工的另一種重要指標(biāo)，主要由刀具的壽命指數(shù)(CLI)和硬礦物含量 CAI值來表示， CLI值越大或 CAI值越小表示越適宜應(yīng)用 TBM掘進(jìn)，一般 CLI＞ 50表示該巖石對刀具的磨損性較小，適于 TBM掘進(jìn)。 CLI評價模型采用挪威科技大學(xué)發(fā)展的 NTNU預(yù)測模型 ，其模型的理論基礎(chǔ)基于刀具壽命與 CLI關(guān)系曲線 (見圖， D為滾刀直徑 )。 圖 刀具壽命與 CLI關(guān)系曲線 根據(jù)實驗結(jié)果，錦屏大理巖的 CLI = 70～ 100，砂巖的 CLI = 62～ 95，適于 TBM 施工。 圍巖變形適應(yīng)性 在深埋隧洞施工中，隨著新開挖面的出現(xiàn)，在高地應(yīng)力作用下圍巖都會發(fā)生不同程度的變形，包括初期的卸荷回彈、塑性變形，甚至?xí)霈F(xiàn)圍巖流變，表現(xiàn)出底板鼓脹、邊墻縮徑及巖爆等現(xiàn)象，其程度將直接對 TBM掘進(jìn)產(chǎn)生影響。 TBM 刀盤、護(hù)盾與巖壁之間一般有 5cm的間隙，特殊情況 可以擴大至 20cm，如果圍巖變形過大、過快，將卡住TBM設(shè)備，影響 TBM掘進(jìn)。 由于輔助洞相同洞段的圍巖性質(zhì)和地應(yīng)力水平與引水隧洞基本一致，圍巖變形程度也大體相當(dāng)，因此輔助洞施工中的變形觀測資料能較好地反映引水隧洞的變形量。為此，在輔助洞 TBM施工相應(yīng)洞段多個斷面安裝了收斂位移計 (代表性洞段測線布置見圖 )，對圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測。收斂監(jiān)測結(jié)果表明圍巖變形趨于穩(wěn)定時，其測線 DE的收斂變形累計量一般為 15～ 30mm，部分?jǐn)嗝孀畲笾禐?。 圖 收斂位移計測線布置 另外通過數(shù)值分析的方法對 輔助洞大理巖和砂巖洞段圍巖進(jìn)行長期變形分析，如圖， 。現(xiàn)有的輔助洞圍巖變形觀測成果及數(shù)值分析結(jié)果表明：在洞壁 15m以外圍巖無明顯變形，變形主要出現(xiàn)在距洞壁 6m以內(nèi)的范圍， 42d累計變形小于 25mm。加上開挖瞬時變形，最大收斂變形約為 80mm，遠(yuǎn)小于 100mm 的 TBM徑向間隙，進(jìn)行 TBM施工不足以造成卡住 TBM刀盤從而影響正常掘進(jìn)的情況，因此大理巖和砂巖洞段用TBM施工是可行的。 圖 A8+750斷面開挖后 42d位移等值線圖 圖 A8+750斷面數(shù)值計算位移與監(jiān)測位移對 比圖 圍巖 分類及巖體完整性 如上文所述，引水隧洞圍巖以 III、 II 類為主，因巖爆引起圍巖類別降級 IIb、 IIIb、IVb、 Vb所占的比例 約為 %，圍巖穩(wěn)定性較好，有利于 TBM施工。 圍巖體破碎程度通過巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度來評價，包括結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、間距及洞軸線的夾角等來確定，破碎度共 5類，劃分為 0～ 4級。根據(jù)錦屏輔助洞所揭示的圍巖特征，引水隧洞圍巖的破碎程度類別總體為 1～ 2級，屬中等，較適應(yīng) TBM開挖。 總之，無論是巖石可鉆性、耐磨性、巖體的完整程度、還是圍巖表現(xiàn)出的變形特征，錦屏二級 水電站大理巖和砂巖自身特性都是比較適合 TBM法施工。 TBM施工 基本參數(shù)確定 可研階段確定四條引水隧洞均采用鉆爆法施工，進(jìn)入招標(biāo)階段后 ，圍繞深埋長大隧洞的施工技術(shù)、施工方案、施工排水等關(guān)鍵問題，設(shè)計 根據(jù) 可研審查意見和項目核準(zhǔn)評估意見，結(jié)合輔助洞開挖進(jìn)展情況，針對引水隧洞特長、深埋、地質(zhì)條件，特別是地下突涌水條件復(fù)雜的特點，本著盡可能化解施工風(fēng)險、工期可靠性高的原則，對引水隧洞施工方案進(jìn)行了進(jìn)一步比較論證。對采用全斷面巖石掘進(jìn)機施工的可行性進(jìn)行了全面論證研究，通過動能經(jīng)濟(jì)比較初擬了掘進(jìn)機的直徑，對掘 進(jìn)機與鉆爆法相結(jié)合的施工方法進(jìn)行了重點比較論證，并提出了降低施工風(fēng)險的保障措施。 經(jīng)過比較和論證后我院提出《錦屏二級水電站招標(biāo)設(shè)計階段引水隧洞施工方案專題報告》 ，報告主要提出了 引水隧洞東端 推薦 采用掘進(jìn)機法和鉆爆法相結(jié)合的施工方案。 TBM開挖洞徑 可研階段推薦 的 引水隧洞經(jīng)濟(jì)流速為 ，即引水隧洞直徑（內(nèi)徑）為 ，鉆爆法 開挖 的 洞徑為 。招標(biāo)階段確定 3引水隧洞東端采用 TBM 向西端掘進(jìn)開挖，引水隧洞西端和 TBM 設(shè)備沒有到場之前的東端 隧洞 部分，仍采用鉆爆法施工。在電 站水能參數(shù)和機組引用流量、設(shè)計水頭等參數(shù)選定的前提下， 4引水隧洞及 3引水隧洞采用鉆爆法開挖洞段 的 洞徑仍采用 可研階段選定的 ， 3引水隧洞東端采用 TBM 開挖洞段的洞徑需經(jīng)動能經(jīng)濟(jì)比較后重新選擇。 TBM 開挖隧洞要確定洞徑主要是要確定 TBM 直徑， TBM 的直徑主要與水頭損失有關(guān)，鑒于工程現(xiàn)場的實際情況和施工方案， 招標(biāo) 階段暫時還無法確定引水隧洞采用TBM 開挖的確切長度，其長度會根據(jù)東西端 鉆爆法 掘進(jìn) 的 情況進(jìn)行調(diào)整 ，而 且根據(jù)引水隧洞地質(zhì)條件， 大部分 TBM 開挖洞段可能采用噴錨支護(hù)，但其長度也 還是無法準(zhǔn)確確定，加之引水隧洞的開挖方式、斷面形式、襯砌方式、糙率系數(shù)等因素都會引起不同的水頭損失。因此要在 招標(biāo) 階段確定 TBM 的直徑，一是根據(jù)現(xiàn)有的輔助洞地質(zhì)情況、施工現(xiàn)狀，引水隧洞工程地質(zhì)條件以及基本確定的施工方案，確定必要的邊界條件，如西端鉆爆法洞段長度、斷面形式、開挖洞徑， TBM 洞段的噴錨襯砌長度、襯砌糙率系數(shù)等；二是考慮采用 TBM 施工的引水隧洞均采用等內(nèi)徑圓形斷面，全長鋼筋混凝土襯砌，以消除大部分不確定因素，引水隧洞 TBM 開挖洞長可根據(jù)將來東西端實際掘進(jìn)長度確定；若 TBM 開挖段揭露的地質(zhì)條件優(yōu)越，可 采用噴錨襯砌，并能夠通過調(diào)整該洞段的噴錨襯砌長度來控制總水頭損失。所有可能的洞徑組合方案均應(yīng)確保引水發(fā)電系統(tǒng)的總水頭損失值在可研審定的基礎(chǔ)上不發(fā)生大的變化，并符合可研設(shè)計的原則和成果要求。 可行性研究階段，引水系統(tǒng)綜合最大水頭損失約為 ，由此選定的機組額定水頭 288m，額定流量 1860m3/s。在此額定水頭下，錦屏二級水電站在死水位附近運行時可以基本不受阻。錦屏二級水電站建成之后將參與 “ 川電外送 ” 及 “ 西電東送 ” ，供電川渝及華東電網(wǎng)。由于電站水頭高且變幅較小，水頭變幅主要由水頭損失引起?？紤]到錦屏二級 水電站的水頭特性及其所承擔(dān)的任務(wù)，電站應(yīng)該保證在中高水位區(qū)域運行時機組出力不受阻，因此在機組額定水頭已選定 288m 的前提下，電站引水系統(tǒng)的最大水頭損失不宜超過 22m。 根據(jù)可研階段的水力過渡過程計算成果，引水系統(tǒng)水頭損失越大其波動收斂的越快，而水頭損失越小則波動收斂的越慢甚至可能出現(xiàn)發(fā)散情況。根據(jù)計算，只要引水隧洞的水頭損失值大于 ，引水系統(tǒng)總水頭損失值大于 ，系統(tǒng)小波動穩(wěn)定是能保證的。 因此，從電站系統(tǒng)小波動穩(wěn)定性要求和電站最優(yōu)運行條件來看，引水隧洞各 TBM直徑方案的引水系統(tǒng)總水頭損失最 好控制在 ～ 22m 之間。 根據(jù)以上思路，在總水頭損失許可的范圍內(nèi)， 招標(biāo) 階段擬定了 6 個 TBM 直徑方案和 3 個襯砌厚度比較方案，見表 ~2。針對 6 個 TBM 直徑方案及其不同長度、襯砌和斷面形式、糙率系數(shù)等因素的組合，通過敏感性分析和經(jīng)濟(jì)比較，以及單位長度內(nèi)混凝土襯砌替換成噴混凝土的水頭損失的對等性分析，認(rèn)為在工程投資增加不大的情況下，應(yīng)考慮采用略大的 TBM 直徑和 60cm 的混凝土襯砌厚度，給將來控制水頭損失不至于過大留有足夠的余地，利于引水隧洞中部最大限度的采用噴錨支護(hù)，加快施工進(jìn)度。 因此 ， 招標(biāo)階段推薦在 引水隧洞中部 5km 洞長采用噴錨支護(hù)的前提下， TBM 直徑采用 ，西端鉆爆法段采用 的馬蹄形斷面，東端 3鉆爆法洞段采用 圓形斷面。 引水隧洞 TBM直徑比選方案 表 方案 編號 開挖 方式 洞段 長度 （ m） 斷面 形式 （ m） 開挖 直徑 （ m） 襯砌型式 襯后直徑 (m) TBM 直徑（ m） 1 西端 Damp。B 4600 圓形 全斷面砼襯砌 中部 TBM 8550 圓形 全斷面砼襯砌 東端 Damp。B 3400 圓形 全斷面砼襯砌 2 西端 Damp。B 4600 圓形 全斷面砼襯砌 中部 TBM 8550 圓形 全斷面砼襯砌 東端 Damp。B 3400 圓形 全斷面砼襯砌 3 西端 Damp。B 4600 圓形 全斷面砼襯砌 中部 TBM 8550 圓形 全斷面砼襯砌 東端 Damp。B 3400 圓形 全斷面砼襯砌 4 西端 Damp。B 4600 馬蹄形 全斷面 砼襯砌 中部 TBM 8550 圓形 全斷面砼襯砌 東端 Damp。B 3400 圓形 全斷面砼襯砌 5 西端 Damp。B 4600 馬蹄形 全斷面砼襯砌 中部 TBM 8550 圓形 全斷面砼襯砌 東端 Damp。B 3400 圓形 全斷面砼襯砌 6 西端 Damp。B 4600 馬蹄形 全斷面砼襯砌 中部 TBM 8550 圓形 全斷面砼襯 砌 東端 Damp。B 3400 圓形 全斷面砼襯砌 引水隧洞混凝土襯砌厚度比較表 表 方案 編號 組號 襯砌形式及厚度 開挖洞徑 （ m） 襯后洞徑 （ m） 單位洞長水頭損失 (Q2) 水頭損失差值 4 (TBM直徑） Ⅰ 45cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 Ⅱ 50cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 Ⅲ 60cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 2 (TBM直徑） Ⅰ 45cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 Ⅱ 50cm 混凝土