深埋隧洞微震活动区与岩爆的相关性研究

基于锦屏二级水电站深埋引水隧洞和排水洞大量微震监测数据及上百个不同等级岩爆实例,研究了深埋隧洞微震活动区与岩爆之间的关系。研究结果表明：（1）微震活动分布范围主要介于掌子面后方3倍洞径至前方1.5倍洞径之间,而岩爆高发区位于掌子面后方3倍洞径以内,表明岩爆高发区与微震事件主要分布范围相吻合;（2）隧洞工程岩爆潜在风险重点关注区域是掌子面后方3倍洞径已开挖范围,以及掌子面前方1.5倍洞径施工范围;（3）微震事件及岩爆分布呈区域性集结特点,其中一部分岩爆发生于微震事件集结区内部,另一部分岩爆发生于微震事件集结区边缘,这是岩体破坏过程中所固有的现象,与微震事件集结区边缘局部应力集中密切相关。     

深埋大理岩力学特性对岩爆发生条件的影响分析

岩爆作为深埋地下工程围岩的一种破坏方式,其发生条件受多种因素的制约。根据在锦屏二级深埋隧洞掘进过程中的岩爆统计结果,即使应力条件和岩体强度达到一定的要求,岩爆发生与否以及剧烈程度还与岩体力学特性有密切的联系。锦屏二级深埋隧洞沿线以大理岩为主,为此开展了大理岩力学特性与岩爆发生关系的相关研究工作。根据大理岩三轴压缩试验结果,验证了大理岩的脆-延-塑转化特性,确定了锦屏白山组大理岩的转化围压和相关的Hoek-Brown强度参数,并利用经验的方法初步评价了锦屏深埋大理岩的岩爆风险。为了进一步明确岩体力学特性对岩爆风险的影响,利用现场实际的岩爆破坏形态,通过考察不同深度处测点的应力路径,校核了现场岩体的力学参数。在此基础上分析了具有岩爆风险的围岩力学状态,分别研究了岩石强度、岩体完整性和岩体脆性特征对岩爆发生条件的影响。研究结果表明,锦屏大理岩岩石强度和脆性特征可以影响到锦屏深埋隧洞围岩岩爆风险程度,但其影响相对较小,而岩体完整性对岩爆风险形成具有比较明显的影响。     

深埋长隧洞地质超前预报技术

国内外已建成的各种不同用途的隧洞在掘进施工过程中常因发生不同程度的塌方、涌水、碎屑流、离地温、高地应力及岩爆、高瓦斯等地质灾害,考虑到我国近期有一系列深埋长隧洞工程,如南水北调西线工程、大伙房调水工程、锦屏二级水电站超深埋引水隧洞等急待建设工程,为避免施工过程中发生不可预见的地质灾害,故在工程施工过程中应加强地质超前预报工作,以减少投资风险．而提高预报的成功率则显得十分重要。     

锦屏二级水电站深埋引水隧洞群允许最小间距研究

锦屏二级水电站引水隧洞群最大的特点是埋藏深、地应力高、外水压力大。这一极端复杂的赋存环境给4条引水隧洞的中心线间距确定带来了很大的挑战。为此,首先通过流-固耦合的数值计算方法,对洞间岩体塑性区贯通与否、隧洞壁面关键点位移曲线拐点、收敛位移是否超出相关规范共3种判别标准进行分析后,得到引水隧洞群最小理论间距值为50 m。进而在类比与引水隧洞本身相邻的辅助洞和国内外几个典型深埋隧洞的洞径、埋深和间距的基础上,综合确定深埋引水隧洞群的最小允许中心线间距为52 m,为当前设计采用60 m洞间距提供了有力的理论支持。     

基于快速应力释放的深埋隧洞岩爆防治对策研究

大型地下工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能而产生岩爆。岩爆作为常见的一类动力失稳地质灾害现象,极大地威胁着现场施工人员和设备的安全。作为雅砻江锦屏二级水电站的主要工程,千米级埋深的引水隧洞也面临高地应力下硬岩岩爆问题。针对锦屏二级引水隧洞岩爆的特点,提出采用快速应力释放的方法防治岩爆,并采用数值模拟的方法优选了倾斜辐射爆破孔方案。数值模拟结果表明：该方法能使岩体内的初始应力快速卸荷,同时使应力集中区向岩体深部转移。通过在锦屏二级引水隧洞工程中的试验与运用,采用声波测试法对实施快速应力释放方案的效果进行检验,验证了快速应力释放方法防治岩爆的有效性。研究成果为解决类似工程岩爆防治问题提供了理论依据和借鉴。     

深埋隧洞极强岩爆段隧道掘进机半导洞掘进岩爆风险研究

深埋隧洞TBM（隧道掘进机）全断面掘进时,在局部超高应力集中的完整硬脆性岩体洞段将直面极强岩爆的风险,设备和人员的安全将遭受极大的威胁。在锦屏II水电站3#引水隧洞极强岩爆段实施了“先半导洞+TBM联合掘进”实验,结合微震实时监测信息对TBM半导洞掘进的岩爆风险开展了研究。监测结果表明,（1）TBM半导洞掘进期间,日平均微震事件数、日平均辐射微震能、微震大事件数及实际岩爆发生次数和强度均远远低于TBM全断面掘进;（2）能量指数对数值和累积视体积的时域演化表明,TBM半导洞掘进强烈岩爆发生的风险远低于TBM全断面掘进,现场实际开挖也证明了这一点;（3）半导洞洞段微震事件的空间集结程度、总数、震级大小与能量辐射均远小于全断面洞段。因此,TBM半导洞掘进的岩爆风险远远低于TBM全断面掘进,在具有施工条件的情况下采用先半导洞预处理,然后TBM半断面掘进极强岩爆段,以期控制岩爆风险的方案是可行的。     

深埋隧道岩爆规模现场快速估算方法

以岩爆破坏的洞壁面积及爆落的岩体体积作为衡量岩爆灾害规模的重要指标,提出一种基于现场测量信息的爆坑几何形态快速建模及岩爆规模估算方法,该方法的重要组成部分包括:爆坑形态类型的概化、爆坑测量断面的选取、控制测点的确定及坐标记录、爆坑纵横断面轮廓线线型的拟合、洞壁破坏面积与爆坑体积估算公式的推导。针对工程中常见的窝型与V型爆坑,分别建立了适用于隧道直线形与拱形洞壁的岩爆规模估算公式,探讨了非典型窝型与V型爆坑,岩爆规模估算的近似处理方法。将所提出的方法应用于我国西南锦屏二级水电站深埋引水隧洞工程的岩爆规模估算,典型案例验证结果表明,利用该估算方法所给出的结果与现场实际的岩爆规模接近一致,估算误差约为15%以内。研究成果能够为岩爆烈度等级划分及严重程度的评定提供重要的基础性指标。     

某水电站长探洞的岩爆特征

从岩爆发生的形式、特征等方面,闸述处于高地应力地区的某水电站长探洞在掘进过程中所发生岩爆问题,并提出对于埋深大、洞径大引水隧洞,由于存在尺寸效应问题,在今后的施工过程中将不可避免地遇到岩爆问题,且发生岩爆的量级将比长探洞要严重,局部洞段可能性发生强烈—极强岩爆,将严重威胁施工设备和作业人员的安全,并制约工程的进展。     

基于矩张量的深埋隧洞岩爆机制分析

以锦屏二级水电站微震监测数据为基础,将矩张量引入到深埋隧洞岩爆机制分析研究中。对分析过程中遇到的2个关键问题提出了针对性的建议：① 隧洞工程为线性工程,传感器布置空间有限,难以形成良性传感器阵列,矩张量分析结果的可靠性受到很大的影响,为此,提出了数值计算过程中的坐标系空间旋转法。该方法按最优路径旋转隧道坐标系,使对于同一个事件的每个传感器,源-传感器射线到新坐标系的3个方向余弦差值在10倍数值范围以内,在数值计算过程中,可以得到较理想的矩张量结果。②针对Ohtsu使用矩张量分解判断岩石破裂类型的方法中,提出的各分量比重计算公式,仅适用于各分量均为受拉的情况。考虑快速掘进条件下隧洞工程受力方向的不确定性,扩展其分量比重计算公式到更一般适用状态。在此基础上,建立了一套完整的岩爆孕育过程矩张量分析方法。利用该方法对锦屏二级水电站典型岩爆微震数据进行分析,结果表明,该方法可以较好地解释岩爆孕育过程岩石破裂演化机制。     

深埋长引水隧洞对电站下游水温的影响

引水式水电站深埋长引水隧洞对电站下游水温的影响直接关系到下游水生物生境.采用k-ε模型,结合能量传输方程建立了引水隧洞三维水温预测模型,并在利用原型观测资料验证模型的基础上,对拟建的锦屏二级引水隧洞的水温进行了预测.预测结果表明,由于雅砻江上拟建的锦屏二级隧洞洞径与过流量较大,水流在隧洞内滞流时间短,水温升高不明显.由于模型采用隧洞实际空间布置数据,建立包括混凝土衬砌区域在内的三维空间计算域,同时考虑温度场与流场的相互影响,实现了对温度场的精确模拟,从而可为水电站设计和水生物保护提供科学依据.     

深埋长大隧洞围岩非线性蠕变模型研究

针对锦屏二级水电站深埋长大隧洞（埋深为2 525 m,长为19 km,宽为13 m）围岩在开挖过程中呈现明显的流变劣化特征,采用CSS-283双向万能伺服试验机,对洞室围岩（软弱板岩）进行单轴压缩蠕变试验和剪切蠕变试验,引入流变参数是时间函数与强化函数,建立岩石非定常参数剪切蠕变模型和单轴压缩蠕变模型,并推广到三轴非线性流变模型,与试验结果对比基本吻合。最后,结合锦屏二级水电站深埋长大隧洞进行数值计算,得到该隧洞190 d开挖运行变形规律,以期为工程建设提供理论指导。     

岩爆的动力断裂判据——D判据

本文应用脆性断裂力学中的自持续断裂概念和能量原理，建立了地下洞室岩爆的脆性断裂判据－Ｄ判据，分析和具体列静水应力场中园形洞室的岩爆判据表达式，并将其应用于锦屏水电站引水隧洞的岩爆分析中。     

锦屏二级水电站引水隧洞岩溶水防治思想的演变

锦屏二级水电站引水隧洞是一座高外水压力、大涌水量的岩溶越岭长隧。建设中遇到了隧道岩溶水防治世界级难题。目前引水隧洞施工在即。本文对40多年来锦屏引水隧洞涌水预测、施工地质预报、治水三方面成果和思路的演变进行了总结。强调锦屏防治水思路的历史演变是在工作中不断实践-认识-再实践-再认识的一个健康发展过程,既及时吸取了国内岩溶区越岭深隧建设的成功经验,也为我国岩溶地区隧洞施工防治水技术开发和不断发展做出了贡献。基于当前最新认识,认为只要在建设中认真开展信息化动态设计和施工,引水隧洞的顺利施工是有充分技术准备和保证的。     

锦屏二级水电站深埋隧洞外水压力研究

对于富水区深埋隧洞来说,外水压力是一项重要荷载,是隧洞设计及施工中需重点研究的问题,国内外已有众多学者对此展开研究,但对高外水作用下的隧洞围岩稳定及支护结构设计依然是个难题。本文采用考虑降雨入渗渗流场分析的有限单元方法,对锦屏二级水电站深埋引水隧洞的外水压力进行了研究,提出富水区深埋隧洞渗流控制"以堵为主,堵排结合"。通过对围岩高压固结灌浆,封堵地下水,利用灌浆圈围岩和隧洞衬砌支护联合承载。     

锦屏二级水电站引水隧洞末端岩溶处理的实践研究

锦屏二级水电站引水隧洞为国内典型的高埋深、长大引水隧洞。电站位于青藏高原向四川盆地过渡的斜坡地带,区内碳酸盐类地层分布广泛,岩溶水文地质条件异常特殊且十分复杂。引水隧洞末端在施工过程中揭露多处厅堂式岩溶,并针对性采取了加强处理的措施。本文对该水电站一处岩溶处理的实施过程与重点关注问题进行研究,以期为类似工程提供借鉴。     

深部地下实验室扩挖岩爆监测与动态防控技术研究

中国锦屏地下实验室二期(CJPL-Ⅱ)扩挖工程建设潜在高等级岩爆风险。为此,建立了深部地下实验室相邻同向短洞室固定式和单侧相向扩挖移动式微震传感器阵列优化布置方法,构建了基于岩爆风险程度的岩爆预警频次优化原则,提出了针对性的CJPL-Ⅱ扩挖岩爆防控措施,实现了CJPL-Ⅱ扩挖过程岩爆实时监测、动态预警与防控,岩爆预警与实际情况吻合良好,保障了CJPL-Ⅱ扩挖顺利完成。分析了CJPL-Ⅱ扩挖各洞段开挖过程微破裂时空演化规律及其差,研究结果表明新增通道微震活动较扩挖段更为活跃,岩爆风险亦更高,扩挖微震活动活跃程度与空间集聚特征受扩挖断面尺寸,扩挖深度以及结构面影响。研究成果可为类似深埋工程安全建设提供借鉴。     

锦屏二级水电站交叉隧洞围岩稳定性分析

锦屏二级水电站引水隧洞具有埋深大等复杂的地质情况,因此在已有隧洞的基础上开挖与之相交的主隧洞,主隧洞（特别是在交叉部处）围岩性质弱化并且围岩自身稳定性降低。因此结合高地应力区深埋隧洞工程,通过3D弹塑性有限元数值仿真模拟,并且通过模型试验,分析围岩在开挖中的应力释放及应力分布规律,为深埋隧洞交叉段监控量测系统的设计、施工方案优化及安全控制提供依据。     

深埋隧洞不同开挖方式下即时型岩爆微震信息特征及能量分形研究

基于锦屏二级水电站深埋隧洞钻爆法及隧道掘进机（TBM）开挖过程中大量微震监测数据及不同等级的岩爆案例,对不同开挖方式下即时型岩爆的孕育及发生过程的能量释放展开研究,并运用分形几何原理研究微震能量分布的变化规律,得到以下结论：（1）即时型岩爆的孕育及发生过程中,岩爆区围岩岩体处于破坏加速集聚并不断扩展的过程;（2）钻爆法开挖过程中储存在岩体内的弹性应变能消耗于岩体破裂过程大于TBM开挖,而转化为岩体动能小于TBM开挖;（3）钻爆法开挖微震能量分形维度在即时型岩爆的孕育过程不断增加,岩爆临近前会增加到某个临界值以上;（4）TBM开挖即时型高等级岩爆能量分形维度值大于钻爆法开挖,并且其分形维度值可以反映低等级岩爆伴随发生的特征。     

雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞关键技术问题研究

雅砻江锦屏大河弯,是中国著名的＂三大河弯＂之一,从上世纪60年代开始,锦屏大河弯的开发,已经进行了四十余年的研究.作为四川省境内装机规模最大的水电工程,锦屏二级水电站以其引水隧洞埋藏深、洞线长、洞径大、水文地质条件复杂、施工难度大而闻名于世,可以说是目前世界上规模最大、难度最大的水工隧洞工程.电站已经于2007年1月30日正式开工建设.     

基于微震信息的硬岩新生破裂面方位特征矩张量分析

为了更清晰直观地了解高应力下硬岩破坏（岩爆、片帮、应力型塌方等）孕育过程中岩石破裂演化过程,根据岩石破裂面的特点,依据微震监测数据的矩张量结果,推导并得到了岩体破裂面空间方位计算方法,在此基础上给出了根据运动夹角? 来判断岩石破裂类型的确定方法。借助此方法,在实例研究中进一步证明了深埋隧洞矩张量分解判断破裂类型分析方法的可靠性。依托锦屏二级水电站深埋引水隧洞这一典型工程,依据破裂面的方位角、倾角特征和岩爆宏观破坏情况,初步探究了即时性应变-结构面滑移型岩爆的孕育过程：在岩爆孕育初期,以张拉破裂为主,由于硬性结构面的存在,在开挖扰动应力调整初期,破裂面由岩体浅层往岩体较深层硬性结构面扩展,张拉破裂面尖端接近硬性结构面时,硬性结构面上发生剪切滑移,若较深层岩体内部还有其他硬性结构面存在,则在该硬性结构面尖端,除随着岩体浅层切向应力的持续增大,往开挖面扩展外,继续以张拉破裂面型式往深层扩展,至较深层硬性结构面上剪切破裂产生,最终以剪切滑移面为破坏面边界往开挖面发展,并最终将岩体抛掷而出。