巖體結(jié)構(gòu)面及高地應(yīng)力對(duì)水工隧洞洞線布置影響的中挪經(jīng)驗(yàn)對(duì)比

茆大煒 鄧命華 許 暉 張 勤

（1 中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 長(zhǎng)沙市 410014；2 湖南省洞庭湖水利工程管理局 長(zhǎng)沙市 410007）

1 概 述

水工隧洞是水利樞紐的重要組成部分之一。在多年工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)形成了較完備的水工隧洞設(shè)計(jì)和施工技術(shù)[1-2]，成功進(jìn)行了多條水工隧洞的建設(shè)。挪威的水電站多采用長(zhǎng)距離引水，建有超過(guò)4 000 km 的水電工程隧洞，其中僅有不超過(guò)4%的長(zhǎng)度進(jìn)行襯砌，在隧洞建設(shè)方面也積累了大量經(jīng)驗(yàn)[3-4]。

隧洞的線路布置作為整個(gè)水工隧洞設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)之一，不僅是隨后水力計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，還關(guān)系到圍巖穩(wěn)定、施工工期、工程造價(jià)和運(yùn)行安全。從地質(zhì)上講，水工隧洞能否安全施工和正常運(yùn)行，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確判斷圍巖穩(wěn)定性并進(jìn)行處理。一般而言，洞線宜選在地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、巖體完整穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件有利的地區(qū)，避免大的地質(zhì)構(gòu)造帶或以盡可能短的距離穿越不良構(gòu)造帶。巖體結(jié)構(gòu)面和高地應(yīng)力也是影響隧洞穩(wěn)定的重要因素，本文就這兩點(diǎn)在洞線布置上的中挪經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。

2 巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)洞線布置的影響

水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[1-2]是國(guó)內(nèi)指導(dǎo)水工隧洞設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。挪威地下工程經(jīng)驗(yàn)在挪威巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的工程地質(zhì)及巖石工程手冊(cè)[5]和挪威科技大學(xué)水電專業(yè)叢書巖石工程部分[6]多有介紹，這些經(jīng)驗(yàn)廣泛地用于包括引水隧洞在內(nèi)的地下工程中。以下雙方可用于評(píng)價(jià)巖石結(jié)構(gòu)面和高地應(yīng)力對(duì)洞線布置影響方面的經(jīng)驗(yàn)介紹主要基于以上文獻(xiàn)，以及筆者與挪威該領(lǐng)域?qū)＜业挠懻摗?/p>

洞線走向與圍巖結(jié)構(gòu)面間的夾角大小是保證圍巖穩(wěn)定、充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力并獲得圍巖最大承載能力的重要考慮因素。國(guó)內(nèi)水工隧洞規(guī)范規(guī)定，洞軸線應(yīng)與巖層層面、主要構(gòu)造斷裂面及軟弱帶的走向之間有較大的夾角。對(duì)整體塊狀結(jié)構(gòu)巖體及厚層并膠結(jié)緊密、巖石堅(jiān)硬完整的巖體，交角不宜小于30°；對(duì)于薄層巖體，特別是層間結(jié)合疏松的高傾角薄巖層，交角不宜小于45°；當(dāng)交角小于上列規(guī)定時(shí)，則必須采取工程措施。對(duì)于層狀巖體這一典型的各向異性介質(zhì)，為保證圍巖穩(wěn)定和獲得最大的承載能力，其洞軸線與巖層走向的理想夾角為90°。

在挪威設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中，從保證圍巖穩(wěn)定性的角度出發(fā)，水工隧洞的最優(yōu)洞軸線應(yīng)為兩組主要結(jié)構(gòu)面夾角的中心方向，同時(shí)避免與其它組結(jié)構(gòu)面走向平行。挪威經(jīng)驗(yàn)還考慮了各組結(jié)構(gòu)面性質(zhì)對(duì)洞軸線布置的影響，如各組結(jié)構(gòu)面的密集程度、傾向和充填特性等。對(duì)于陡傾角光滑面和夾有粘土填充物的結(jié)構(gòu)面，大斷面、長(zhǎng)距離隧洞至少需與結(jié)構(gòu)面保持25°以上的交角。即使是較小斷面的隧洞，當(dāng)洞線與主要結(jié)構(gòu)面交角小于25°～30°時(shí)，巖體的穩(wěn)定性也會(huì)降低。

對(duì)比以上兩國(guó)在洞線布置上的結(jié)構(gòu)面考量，不難發(fā)現(xiàn)洞線需與圍巖結(jié)構(gòu)面保持盡量大的交角是雙方的共識(shí)，國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)于交角大小的要求更加嚴(yán)格，尤其是對(duì)層間結(jié)合疏松的高傾角巖層。挪威經(jīng)驗(yàn)中談到了多組結(jié)構(gòu)面條件下洞線布置的具體操作，也提及了結(jié)構(gòu)面的出現(xiàn)頻率、傾向、摩擦性質(zhì)等要素。

3 高地應(yīng)力對(duì)洞線布置的影響

巖體的初始地應(yīng)力狀態(tài)與圍巖穩(wěn)定關(guān)系十分密切。地應(yīng)力適中有助于圍巖穩(wěn)定；淺層地下洞室由于應(yīng)力較低往往難以有效形成拱效應(yīng)，存在巖體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)；位于高地應(yīng)力地區(qū)的隧洞，則可能導(dǎo)致巖爆或大變形。國(guó)內(nèi)水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范建議，高地應(yīng)力條件下隧洞軸線與最大水平地應(yīng)力方向盡量保持較小的交角，以降低由地應(yīng)力產(chǎn)生的邊墻側(cè)向壓力。二灘水電站探洞的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析及多個(gè)礦山巷道的變形破壞情況觀測(cè)很好的印證了這個(gè)觀點(diǎn)[1-2]。由于地應(yīng)力測(cè)量存在費(fèi)用高、技術(shù)要求和測(cè)點(diǎn)布置較嚴(yán)格等諸多限制條件，一般工程難以大規(guī)模地開展地應(yīng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)工作，但對(duì)于高地應(yīng)力區(qū)重要隧洞的重點(diǎn)洞段，地應(yīng)力測(cè)量是必要的。

挪威經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，在高地應(yīng)力區(qū)，隧洞周邊與最大和第二主應(yīng)力所在平面相切部分是需重點(diǎn)關(guān)注的位置，最有可能破壞失穩(wěn)，應(yīng)通過(guò)調(diào)整洞線方位使隧洞周邊盡可能小的區(qū)域與該平面相切。當(dāng)洞線與最大主應(yīng)力的平面投影夾角在15°～30°之間，巖體往往最為穩(wěn)定，同時(shí)要注意避免和主要結(jié)構(gòu)面平行。在如結(jié)晶片巖和板層砂巖等層狀巖體中，如果主應(yīng)力的方向接近層狀結(jié)構(gòu)面方向，要保持較大的洞線與結(jié)構(gòu)面走向的交角不得低于35°。

對(duì)比洞線布置在高地應(yīng)力區(qū)的兩國(guó)技術(shù)建議，中方強(qiáng)調(diào)洞線應(yīng)與最大水平地應(yīng)力保持盡可能小的交角，挪威經(jīng)驗(yàn)則是基于最大主應(yīng)力的平面投影，建議洞線與最大主應(yīng)力平面投影夾角在15°～30°之間，挪威經(jīng)驗(yàn)還給出了隧洞可能破壞位置與主應(yīng)力平面間的關(guān)系，同時(shí)說(shuō)明了主應(yīng)力和層狀結(jié)構(gòu)面方向接近情況下的注意點(diǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

隧洞設(shè)計(jì)中洞線布置尤為關(guān)鍵，一條合適的洞線需要綜合各種因素分析比較后才能確定。鑒于隧洞賦存地質(zhì)條件對(duì)洞線布置的重要影響，本文對(duì)國(guó)內(nèi)和挪威在巖體結(jié)構(gòu)面和高地應(yīng)力兩個(gè)因素在洞線布置考量上的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。雙方都認(rèn)為洞線需與圍巖結(jié)構(gòu)面保持盡量大交角，但在具體交角大小規(guī)定上略有差異，挪威經(jīng)驗(yàn)中洞線在多組結(jié)構(gòu)面存在情況下如何確定的說(shuō)明具有較好的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義。雙方對(duì)于高地應(yīng)力條件下技術(shù)建議的描述有所不同，國(guó)內(nèi)規(guī)范基于最大水平地應(yīng)力給出指導(dǎo)意見，挪威經(jīng)驗(yàn)根據(jù)最大主應(yīng)力的水平投影給出建議。此外，挪威經(jīng)驗(yàn)還說(shuō)明了可能巖體破壞位置與主應(yīng)力所在面的聯(lián)系，以及主應(yīng)力和層狀結(jié)構(gòu)面方向接近情況下的注意點(diǎn)。對(duì)比說(shuō)明，中國(guó)與其它地下工程經(jīng)驗(yàn)豐富的國(guó)家在技術(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)上不盡相同，可通過(guò)學(xué)習(xí)交流汲取她國(guó)先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，不斷完善我們的技術(shù)規(guī)范，以利更好地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

[1] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL/T 5195-2004. 水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2004.

[2] 水利部.SL 279-2002.水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2002.

[3] Broch E..Underground Hydropower Projects-Lessons learned in Home Country and from Projects Abroad [M].Norwegian Hydropower Tunnelling II. Norwegian Tunnelling Society Publication No. 22，2013.

[4] Berthelsen O. J.Guide to Cavern Engineering[M].Geotechnical EngineeringOffice,CivilEngineeringDepartment，HongKong，1992.

[5] Norwegian Group for Rock Mechanics (NBG). Engineering Geology and Rock Engineering, Handbook No. 2[M].2000.

[6] Nilsen B，Thiderman A. Rock Engineering [J]. Hydropower Development Vol.9，Norwegian Institute of Technology，1993.