探测技术在水利引水隧道施工主洞开挖中的应用.pdf

DOI:1016617/jcnki11-5543/TK20240304施工技术探测技术在水利引水隧道施工主洞开挖中的应用蔡文龙(中铁十八局集团隧道工程有限公司,重庆 400000)【摘 要】文章对探测技术在水利引水隧道施工主洞开挖中的应用进行了研究。利用探测技术计算水利引水隧道的长度,基于探测对象与其他对象的差异性,获取探测波的传播速度与电磁参数之间的相近关系,计算水利引水隧道施工主洞长度。将红外导光器引入隧道施工主洞开挖中,通过施工测量、洞帘开挖以及一次支护,制定了主洞开挖及一次支护施工方案。为了预防主洞开挖过程中出现坍塌等地质灾害,将注浆技术引入到水利引水隧道施工主洞开挖中,根据分段钻孔注浆施工模式,构建水利引水隧道施工主洞开挖的注浆方程式,通过设置防浆墙体的结构和防浆板,计算注浆压力和扩散半径,结合引水隧道主洞注浆孔的布设,完成水利引水隧道施工的主洞开挖。实例结果表明,文中技术在主洞开挖中,能够稳定掌子面和边墙附近不良地质体探测的回波频率,并将隧道边墙的抗毁系数控制在 0 9 以上,根据探测结果进行施工,可以降低施工成本。【关键词】探测技术;主洞开挖;引水隧道中图分类号:TV554 文献标识码:B 文章编号:1673-8241(2024)03-015-06Application of Detection Technology in Main Tunnel Excavation in theConstruction of Water Diversion TunnelCAI Wenlong(China Railway 18TH Bureau Group Co,Ltd,Chongqing 400000,China)收稿日期:2022-10-27作者简介:蔡文龙(1988),男,本科,工程师,从事城市轨道交通建设管理工作。Abstract:This paper studies the application of detection technology in main tunnel excavation of water diversion tunnel.The detection technology is used to calculate the length of water diversion tunnel.Based on the difference between detectionobjects and other objects,the close relationship between detection wave propagation velocity and electromagnetic parametersis obtained,and the length of the main tunnel in the construction of water diversion tunnel is calculated The infrared lightguide is introduced into the excavation of main tunnel construction,and the construction scheme of main tunnel excavationand primary support is formulated through the construction measurement,tunnel curtain excavation and primary support.Inorder to prevent geological disasters such as collapse during the main tunnel excavation,the grouting technology is51introduced into the main tunnel excavation in the construction of water diversion tunnel.According to the construction modeof subsection drilling grouting,the grouting equation of the main tunnel excavation in the construction of water diversiontunnel is constructed By setting the structure of the anti-grouting wall and the anti-grouting plate,the grouting pressure anddiffusion radius are calculated and combined with the layout of the grouting hole in the main tunnel,the construction ofmain tunnel excavation in water diversion tunnel is completed The example results show that the proposed technique canstabilize the echo frequency of poor geological body detection near the face and side wall during the excavation of the maintunnel,and control the damage resistance coefficient of the side wall of the tunnel to more than 0 9.Construction accordingto the detection results can reduce the construction cost.Key words:detection technology;main tunnel excavation;water diversion tunnel 水利工程建设中,引水隧道施工最为常见,如出现重大突泥突水情况,直接影响到水电站的顺利开发1。目前,针对隧道工程中出现的大量突泥突水问题,国内外尚无有效的防治措施。引水隧道是引、调工程中常用的重要输水坝,它在长距离、地形复杂地质条件下应用较多2。该输水方式可在施工中跨越厚山岭、开挖困难、交通不便的区域应用,减少大面积的土石开挖,从而减少了工程量和蒸发量,有效地提高了输水效率3。肖尧等4利用自适应 DSVM 技术建立了隧道施工模拟参数的动态修正模型,利用自适应比例系数和混沌原理,对传统算法中的差分进化算法进行优化,提出了更加精准的隧道施工差分进化论计算法,建立了一种基于 ACDE 的施工模拟参数预报模型,并将其与传统模拟法和 Bayes 更新法进行比较,经过仿真试验证明了 ACDE-SVM 具有良好的相似性和优势。经过实际的工程实例证明了该方法可以提高水利工程引水隧道施工过程中动态仿真数据的准确性。景茂贵等5针对隧道施工过程中因复杂特殊的地质环境造成的施工困难问题,通过运营阶段有压隧道利用混凝土浇筑技术解决施工难的问题,以向家坝工程为例,结合有关文献资料,分析了精细化爆破震动控制下,特殊地质环境的管理措施,结合实际工程模拟案例,证明了隧道开挖结束后,特殊地质环境下的地质变化平稳,不存在相应的安全隐患,说明了该方法的有效性和实用性。基于以上研究背景,本文将探测技术应用到水利引水隧道施工的主洞开挖中,从而保证施工效果。1 水利引水隧道施工主洞开挖技术1 1 基于探测技术计算水利引水隧道施工主洞长度 探测技术是利用发射器的发射天线,将频率为(1 n)106MHz 的电磁波发射的过程6,其传播路径、电磁场强度和波形会随着水利引水隧道施工介质参数 的改变而产生反射,并被接收端的反射波回收到主机上。因而,利用所收到的双程走时、振幅及波形数据,通过对探测影像的处理与解析,可以推测出地下接口或引水隧道施工主洞的空间方位及长度。根据水利引水隧道地下介质的电磁波速度 vi,发射器接收反射波的双程走时 ti,由式(1)可计算水利引水隧道的长度:Hi=12v2it2i-d2(1)式中 Hi 水利引水隧道的施工长度;d 发射器天线和接收天线的距离。探测技术是基于探测对象与其他对象存在明显差异性的7,那么发射器雷达波的传播速度 vi与电磁参数之间的相近关系如下:vicx/x(2)式中 c 发射器在真空中的速度,取值为 3108m/s;x 传播介质系数;x 传播介质的发射率。在实际工作中,应根据需要探测的水利引水隧道61施工技术Construction Technology的不同深度,选择不同中心频率的天线,更换更加合适的观测点。1 2 主洞开挖及一次支护施工方案1 2 1 施工测量水利引水隧道施工过程中,隧道测量分为隧道外部和隧道内部的控制性测量。隧道外部控制性测量工作,主要是校验由设计者提供的外孔中心线、长度、基准高等,利用全站仪器进行校验8;将红外导光器引入隧道施工主洞开挖中,指导隧道开挖及隧道外形曲线的施工。为了保证隧道的施工质量,需要先安排精测组进行隧道的贯通控制,必须做到洞内横截面的全部测量,防止过量超挖和欠挖9,保证隧道的设计尺寸。对于圆拱直壁式截面,二次衬砌后截面为 2 1m2 5m,外加 0 3m 的现浇钢筋混凝土,开挖尺寸为2 7m3 1m,并结合围岩体的变形情况,最后选定了2m3 2m 的主孔。对于类似马蹄形截面,二次衬砌后截面为 2 02m2 58m,外加 0 3m 的现浇钢筋混凝土,开挖尺寸为2 62m3 18m,并根据围岩体的变形情况,最后选定了 2 9m3 3m 的主洞。采用经纬仪、水准仪、钢尺等精确地测量和绘制引水隧道施工主洞开挖边界线,并设置相应的控制点。保证隧道中线处的控制桩与开挖平面不超过50m,水平标高处的位置不得超过 100m,每一次测量,都要复查上一周期的开挖轮廓和高程,如有误差,要立即纠正。1 2 2 洞帘开挖引水隧道施工中主洞洞帘开挖前,应按实际地貌绘制斜坡顶部的排水沟槽布局,并在施工中预先设置好排水槽的施工地点10。在洪峰期间,要做好对隧道的日常养护,防止因雨水汇聚进洞,或因排水不良造成的洞壁崩塌。隧道施工中主洞洞帘土方开挖由 1m3挖掘机挖、卸料,人工配合修筑,采用自顶向下的分段施工方法11,在开挖过程中,首先要挖掘出水渠,以保证开挖面在持续的干燥状态,避免因开凿方法不当造成崩塌和滑坡灾害。1 2 3 洞身开挖及一次支护隧道洞身开挖及一次支护由钻孔爆破组、出渣工作组和初期支护组三个作业组完成12,在不影响施工的前提下,出渣作业组和初期支护组可以并行工作,最大限度地减少施工周期(见图 1)。图 1 洞身开挖及一次支护工艺流程通过施工测量12、洞帘开挖以及一次支护,制定了主洞开挖及一次支护施工方案,为水利引水隧道施工主洞开挖提供了基础施工支撑。1 3 水利引水隧道施工主洞开挖注浆技术水利引水隧道施工主洞开挖断面注浆设置在 T65断层破碎带地段,为了预防主洞开挖过程中出现坍塌等地质灾害,将注浆起始地段设置为 0+306,以 0+306 为中心,确定注浆区域,计算公式为=+Ka(3)式中 注浆过程中的渗透系数;主洞开挖角度;主洞土体参数;Ka 隧道主洞的边墙抗压值;注浆角度数值。为了保证工作台上的施工安全,先进行 1 0m 厚的絮凝剂主体挡泥板浇筑,然后进行分段注浆13,间隔为 15m,每 10m 掘进 10m,以这样的方法进行。为了确保主洞开挖注浆的质量,采取推进式分段注浆工艺(见图 2)。根据分段钻孔注浆施工模式14,构建水利引水71施工技术Construction Technology(1)(2)(n)图 2 分段钻孔注浆施工模式隧道施工主洞开挖注浆方程式:f=Ls+-Zj(4)式中 主洞开挖注浆参数;主洞开挖过程中进行注浆操作的区域面积;Ls 引水隧道施工主洞的开挖参数;主洞的高度;主洞的深度;Zj 注浆量。根据水利引水隧道施工主洞开挖注浆方程式,设计了水利引水隧道施工主洞开挖注浆技术,具体步骤如下:a 防浆墙体的结构和防浆板的设置。T65断裂是一个压力较大的地层,为避免不注浆区内的地下水冲入工作面或灌浆过程中发生冲蚀,在每次预注浆之前,先浇一次 C20 水泥砂浆,其深度达到 100m15。在每次注浆完成后,留出 5m 的位置,以做下一步的注浆。b 注浆压力和扩散半径的计算。在断裂区,注浆压力以劈裂式注浆为主,注浆压力不能太大,以免对地层造成太大的扰动,超过止浆壁和止浆板的承载力,故建议在断裂区处灌浆压力为 2 6MPa,并将注浆半径控制在 2m。c 引水隧道主洞注浆孔的布设。在引水隧道中,每个周期有预注泥浆孔 86 个,其中 1 23 号钻孔深度10m,24 43 号钻孔深度12m,44 86 号钻孔深度16 5m;在注浆孔的前端安设了 894mm 的孔口管,孔口管长度为 3 5m(见图 3)。123456789101112323130292834353637606162646566787776424041395557565813141516171819202122232425262733384344456768694670477148724950517352745354 755963图 3 引水隧道施工主洞开挖断面预注浆孔位布置对水利引水隧道施工主洞开挖注浆问题进行分析,如果注浆压力及扩展半径不能满足隧道施工主洞的要求,应先注入泥浆,泥浆注入原来注浆量的 2 倍或更多时,才能结束注浆作业。通过对注浆效果的周期性检验和施工判定,确定注浆范围,判定注浆部位在规定范围之内,并对注浆压力和注浆流量进行及时跟踪,保证注浆工艺指标在一个较好的范围之内,在注浆质量满足要求后,就可以进行引水隧道施工主洞的开挖了。2 实例分析2 1 工程概况为了验证文中技术在水利引水隧道施工主洞开挖中的效果,选择观景口项目水利引水隧道工程为研究对象,该引水隧道工程的地质条件比较复杂,具有较大施工难度。该水利引水隧道总长 2800m,区域内有很多落水洞和漏斗等形式的岩溶现象,并具有比较高的岩溶发81施工技术Construction Technology育程度。影响水利引水隧道工程的地下水主要为重力渗入水,当工程区域出现强降雨时,隧道内部就会出现季节性丰水,由于气候影响,引水隧道内的水位不稳定。2 2 布置测线测点通过分析水利引水隧道工程的地质条件,采用探测技术对施工过程中的不良地质体进行探测,以水利引水隧道工程 MK53+320 MK53+360 段为例,采用雷达探测技术探测并识别水利引水隧道施工过程中的不良地质体。隧道施工的掌子面桩号为 MK53+320,其周围岩石的风化程度属于中等风化,整体为薄中层构造,干燥的围岩结构使得工程的稳定性一般。将点测试与线测试结合一起,在掌子面和边墙同时布置测线和测点(见图 4)。图 4 测线测点布置形式水利引水隧道工程中,采用探测频率为 100MHz和 300MHz 的屏蔽双体式天线,识别边墙位置是否有不良地质体。2 3 设置探测参数当测线和测点布置在水利引水隧道的掌子面内部时,设置了如下参数:探测天线的移动速度:10cm/s;采样点数:1000 个;每个测点之间的间距:30cm;探测扫描率:40 次/s;时窗:500ns。当测线和测点布置在引水隧道的边墙时,设置了如下参数:采样点数:500;测点间距离:30cm;探测扫描率:40 次/s;时窗:500ns。2 4 结果分析根据上述实验准备,利用文中技术分别在掌子面和边墙附近识别不良地质体,得到不良地质体探测的回波频率(见图 5)。50 100 150 200 250 300 350 400 450 50050 100 150 200 250 300 350 400 450 50000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0(a)(b)00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0/MHz/ns/ns/MHz图 5 不良地质体探测的回波频率91施工技术Construction Technology由图 5 的结果可知,采用基于探测技术的水利引水隧道施工主洞开挖技术探测掌子面和边墙附近不良地质体时,探测的回波频率都比较稳定,分别为 0 30 6MHz 和 0 2 0 5MHz,然而边墙附近不良地质体探测的回波频率比掌子面附近偏低,原因是主洞开挖施工时,对引水隧道边墙的性能和探测波的质量要求较高,影响了边墙附近不良地质体探测的回波频率,但是仍然可以保证回波频率的稳定性。在满足掌子面和边墙附近不良地质体探测稳定性的基础上,还需要保证隧道边墙具有更大的抗毁性能(见图 6)。00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0MK53+320MK53+330MK53+330MK53+340MK53+340MK53+350MK53+350MK53+360图 6 水利引水隧道施工中边墙的抗毁系数图 6 的结果显示,采用文中技术时,在水利引水隧道工程 MK53+320 MK53+360 段,边墙的抗毁系数在 0 9 以上,说明文中技术可以保证隧道边墙的支撑能力,适用于水利引水隧道施工的主洞开挖。3 结 语本文将探测技术应用到了水利引水隧道施工的主洞开挖中,通过实例分析发现,文中技术能够有效探测主洞开挖中的不良地质体,并能够防止隧道边墙毁坏。但是本文的研究还存在很多不足,在今后研究中,希望可以加强地质雷达等探测装置的应用,避免出现施工资源浪费现象。参考文献1 陆岸典,肖惠,沈翔,等.狮子洋输水隧洞泥水盾构设计及施工技术分析J.现代隧道技术,2020,57(5):226-231.2 朱忠荣,李新哲,陈述.引水工程深埋长隧洞施工中通风特性数值模拟J.哈尔滨工程大学学报,2019,40(7):1304-1310.3 孙钧,钦亚洲,李宁.软岩隧道挤压型大变形非线性流变属性及其锚固整治技术研究J.隧道建设(中英文),2019,39(3):337-347.4 肖尧,钟登华,王栋,等.基于 ACDE-SVM 的引水隧洞施工仿真参数动态更新J.水力发电学报,2019,38(4):234-245.5 景茂贵,刘益勇,车公义,等.向家坝灌区南北总干渠首部长引水隧洞施工关键技术J.水力发电,2019,45(3):77-84.6 李俊杰,张红纲,何建设,等.综合物探技术在方解石隧洞段涌水预报中的应用J.地球物理学进展,2019,34(2):737-744.7 刘拥华,杨玢,张东山.寒区大断面软岩隧道冻胀渗漏水处治施工技术J.施工技术,2019,48(13):87-89.8 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