滇中引水紅河段工程地質(zhì)及鉆探問題探討

吳文飛 王太平

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

1 工程概況

滇中引水輸水工程由大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段、紅河段6大段組成。其中紅河段位于紅河州境內(nèi)，起點(diǎn)位于曲江，終點(diǎn)為蒙自新坡背，涉及石屏縣、建水縣、個(gè)舊市、蒙自市。線路全長(zhǎng)108.767 km，設(shè)計(jì)流量20 m3/s。隧洞、倒虹吸、渡槽和暗涵四種建筑物的長(zhǎng)度分別占干線全長(zhǎng)的91.88%、5.63%、0.71%和1.64%。

2 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性

紅河段輸水線路位于云南山字型構(gòu)造前弧與青、藏、滇、緬、印尼歹字型構(gòu)造體系東支中段復(fù)合部位。以建水盆地東緣斷裂為界，先后跨越揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ3）之滇東臺(tái)褶皺帶、華南褶皺系（Ⅱ1）之滇東南褶皺帶2個(gè)二級(jí)大地構(gòu)造單元。線路位于鮮水河-滇東地震帶。沿線 50年超越概率 10%的地震動(dòng)參數(shù)（0.2～0.3）g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期（0.4～0.45）s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ～Ⅷ度。區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性為較差～差區(qū)。

3 輸水隧洞主要工程地質(zhì)問題

（1）活動(dòng)性斷裂與工程抗震及抗剪問題。

工程區(qū)活動(dòng)斷裂發(fā)育，曲江斷裂、建水盆地東緣斷裂為全新世（Q4）活動(dòng)斷裂；小關(guān)-李浩寨斷裂、馬王莊-雨過鋪斷裂（2條分支斷裂）、個(gè)舊斷裂、乍甸斷裂為晩更新世（Q3）活動(dòng)斷裂。

活動(dòng)斷裂對(duì)輸水隧洞等建筑物的的影響主要為兩方面：一是當(dāng)活動(dòng)斷裂發(fā)生7級(jí)強(qiáng)震時(shí)，斷裂沿淺表位移而產(chǎn)生的隧洞抗剪斷及震中區(qū)隧洞襯砌遭受高地震烈度的破壞；二是活動(dòng)斷裂蠕滑而產(chǎn)生的累積位移對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)的剪切破壞?；顒?dòng)斷裂錯(cuò)動(dòng)引起的剪切破壞嚴(yán)重威脅隧洞的穩(wěn)定和安全，且運(yùn)動(dòng)時(shí)間具不確定性和長(zhǎng)期性，與輸水線路相交處對(duì)線路影響較大，需要引起足夠的重視，工程建設(shè)必須進(jìn)行抗斷設(shè)防。

（2）巖溶水文地質(zhì)與隧洞施工對(duì)地下水環(huán)境影響問題。

紅河段巖溶地貌的形成大致經(jīng)歷了兩個(gè)巖溶發(fā)育期：①N 時(shí)代巖溶為“石林期”，高程（1 300～1 550）m，為杞麓湖～建水段的侵蝕基準(zhǔn)排泄面；②Q時(shí)代巖溶為“南盤江期”，高程為（1 190～1 300）m，為建水～乍甸段線路的侵蝕基準(zhǔn)排泄面。紅河段線路直接穿越的巖溶水系統(tǒng)有平諾村巖溶水子系統(tǒng)、畔山-大田山巖溶水系統(tǒng)、普雄-石榴壩巖溶水系統(tǒng)、乍甸河二級(jí)巖溶水系統(tǒng)。穿越巖溶地層隧洞段施工存在一定程度的涌水、疏干、塌陷等巖溶災(zāi)害問題。

對(duì)地下水環(huán)境影響的防治措施研究?jī)?nèi)容主要包括五個(gè)方面：①巖溶水文地質(zhì)勘察研究；②加強(qiáng)氣象水文、巖溶水文地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)；③加強(qiáng)施工管理與地質(zhì)工作、程序化施行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；④針對(duì)巖溶地下水疏干影響的防治措施初步研究；⑤預(yù)防性巖溶疏干補(bǔ)救措施研究。

（3）深埋隧洞主要工程地質(zhì)問題。

①高地應(yīng)力與硬巖巖爆：全線埋深普遍小于300 m，一般為低地應(yīng)力區(qū)，產(chǎn)生巖爆的可能性小，局部硬巖洞段會(huì)產(chǎn)生輕微巖爆。根據(jù)巖爆判別標(biāo)準(zhǔn)，埋深大于300 m的硬巖洞段會(huì)產(chǎn)生輕微巖爆，而產(chǎn)生中等巖爆的可能性小，不具備產(chǎn)生強(qiáng)烈?guī)r爆的條件。紅河段巖爆問題不突出，主要以輕微強(qiáng)度的巖爆為主，施工中主要考慮采用常規(guī)的噴錨支護(hù)措施進(jìn)行防治。

②軟巖變形：紅河段軟巖段可能產(chǎn)生變形的為斷層破碎帶、泥巖、頁巖、泥質(zhì)砂巖、泥灰?guī)r、砂礫巖等強(qiáng)度小于10MPa的巖類。其防治措施：加固圍巖，控制變形；施工中應(yīng)全過程對(duì)洞室變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確定最佳初期支護(hù)、永久襯砌時(shí)機(jī)和施工方法，為支護(hù)襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整提供依據(jù)；變形留夠，防侵凈空。

③高外水壓：紅河段高外水壓力 （水壓≥1.0 MPa）主要分布在埋深較大的大坡子隧洞、小燕塘隧洞等洞段。

④高地溫：小關(guān)-李浩寨-利民斷裂（F38）從龍樹隧洞出口通過，為晚更新世活動(dòng)斷裂，具備與地下深處熱水溝通條件。

（4）隧洞涌水與突水突泥問題。

隧洞穿越多套不同巖性的地層，絕大部分位于地下水位以下，存在地下水工程地質(zhì)問題，主要包括巖溶區(qū)、斷裂破碎帶、向斜儲(chǔ)水構(gòu)造、下穿或臨近下穿有水沖溝、河流和水庫等地表水體洞段等的隧洞涌、突水和突泥問題。

（5）隧洞進(jìn)出口邊坡穩(wěn)定問題。

紅河段隧洞進(jìn)出口天然邊坡總體穩(wěn)定，開挖邊坡受巖層產(chǎn)狀、地形地貌、不良物理地質(zhì)現(xiàn)象、巖體結(jié)構(gòu)面組合、風(fēng)化、卸荷等因素影響穩(wěn)定性較差，開挖邊坡不穩(wěn)定的沿線洞臉邊坡需采取邊坡支護(hù)措施。

（6）淺埋隧洞圍巖穩(wěn)定問題。

紅河段部分隧洞進(jìn)出口段和跨越深切沖溝段，埋深普遍較淺，隧洞頂板埋深（5.6～40）m居多，圍巖工程地質(zhì)條件較差，圍巖極不穩(wěn)定～不穩(wěn)定為主，隧洞施工時(shí)極容易塌方冒頂，隧洞施工時(shí)建議加強(qiáng)初期支護(hù)措施。

（7）隧洞軸向與巖層（斷層帶）走向近平行展布段圍巖穩(wěn)定問題。

隧洞施工中，洞軸線與巖層、構(gòu)造走向交角越小，隧洞邊墻圍巖穩(wěn)定性越不差，易順層面坍塌。紅河段隧洞軸向近東西向，與主要構(gòu)造走向大角度相交。

（8）緩傾角巖層隧洞圍巖穩(wěn)定問題。

隧洞施工中，緩傾角巖層（傾角≤30°）洞段對(duì)隧洞頂拱圍巖穩(wěn)定不利，特別是軟弱巖層、破碎巖體、陡傾角裂隙發(fā)育組合切割下的洞段極易產(chǎn)生頂拱掉塊、坍頂及彎折內(nèi)鼓大變形等變形破壞，是對(duì)圍巖的穩(wěn)定性分類的重要決定因素，需加強(qiáng)該類結(jié)構(gòu)隧洞頂拱的支護(hù)處理。

（9）白云巖砂化問題。

白云巖洞段，白云巖風(fēng)化具有強(qiáng)烈砂化的特征，尤其是以微晶、粉細(xì)晶晶粒結(jié)構(gòu)為主的白云巖，在復(fù)雜的區(qū)域構(gòu)造背景下，巖體結(jié)構(gòu)以碎裂散體結(jié)構(gòu)和薄層碎裂結(jié)構(gòu)為主。

（10）特殊巖土工程地質(zhì)問題。

主要為含煤、膨脹巖（土）和膏鹽等特殊巖土工程地質(zhì)問題、地下水腐蝕性問題。

4 地質(zhì)鉆探

在地質(zhì)鉆探中有句俗語 “怕軟怕碎不怕硬”?！败洝眲t會(huì)產(chǎn)生縮徑、超徑等現(xiàn)象，“碎”則會(huì)產(chǎn)生掉塊、卡鉆、垮孔等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生，輕則發(fā)生孔內(nèi)事故導(dǎo)致費(fèi)工費(fèi)時(shí)增加成本，重則報(bào)廢鉆孔。在此次地質(zhì)勘查鉆探中也同樣遇到了此類問題，通過不斷摸索、學(xué)習(xí)，很好地解決了這些突發(fā)問題。以下列舉本標(biāo)段2個(gè)有代表性的鉆孔為例。

（1） ZK221。

鉆孔概況：鉆孔孔深287 m，終孔直徑不小于75 mm，繩索取芯工藝。大致地層為泥質(zhì)粉砂巖、煤系地層、泥巖頁巖互層地層。該孔在第一次施工時(shí)，采取清水鉆進(jìn)，鉆至38 m時(shí)，鉆孔嚴(yán)重超徑。

原因分析：泥質(zhì)粉砂巖為強(qiáng)水敏地層，不能用清水鉆進(jìn)。清水鉆進(jìn)，會(huì)造成地層遇水嚴(yán)重水化，加上機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)，引起嚴(yán)重括徑。應(yīng)采用降失水循環(huán)液鉆進(jìn)。

應(yīng)對(duì)方法：吸取教訓(xùn)，第二次施工中配制了降失水泥漿（清水+少量膨潤(rùn)土+降失水劑）護(hù)孔，依此方法快速鉆穿泥質(zhì)粉砂巖地層。

鉆至煤系地層時(shí)，遇到了因鉆孔環(huán)狀間隙小鉆渣排出不通暢而造成的憋泵、不進(jìn)尺，因鉆桿柱抽吸作用產(chǎn)生輕微垮孔。

分析認(rèn)為煤系地層及下部泥巖頁巖互層地層都會(huì)遇到這種情況，并有可能發(fā)生掉塊卡鉆等現(xiàn)象。

應(yīng)對(duì)方法：①加大鉆頭直徑為78 mm，增大鉆孔環(huán)狀間隙，保證排渣通暢。②配制降失水、穩(wěn)定孔壁、改善孔壁泥皮質(zhì)量、減少孔壁摩擦阻力的泥漿 （清水+少量膨潤(rùn)土+降失水劑+低粘纖維素+潤(rùn)滑劑）。

純鉆時(shí)間歷時(shí)5天，順利終孔。

（2） ZK299。

鉆孔概況：鉆孔孔深230 m，不小于75 mm終孔。繩索取芯工藝。大致地層為白云巖、石灰?guī)r地層。該孔施工時(shí)，采用110 mm直徑開孔，清水鉆進(jìn)。表部為2.2 m粉質(zhì)粘土層，下為強(qiáng)風(fēng)化白云巖，該地層松散、破碎，有輕微垮孔現(xiàn)象，改用泥漿循環(huán)液（清水+泥粉+低粘纖維素）鉆進(jìn)，順利鉆至15 m，達(dá)到完整地層，下入108套管，改用直徑91 mm金剛石鉆進(jìn)至20 m，下入89套管（保護(hù)75繩索取芯鉆桿），改為75繩索鉆進(jìn)。考慮到鉆孔地層已較為完整，為提高鉆探速度，減少摩阻，提高潤(rùn)滑，提高排渣性能，循環(huán)液改為聚丙烯酰胺沖洗液（清水+聚丙烯酰胺）。30 m左右見灰?guī)r地層，發(fā)現(xiàn)巖芯較破碎,有水溶蝕現(xiàn)象，孔內(nèi)漏漿嚴(yán)重，因鉆渣不能排出孔外，鉆機(jī)負(fù)荷明顯增大，進(jìn)尺困難。

應(yīng)對(duì)方法：①針對(duì)巖芯破碎，巖芯堵塞內(nèi)管造成進(jìn)尺慢，采用“少打勤撈內(nèi)管”的方法。②針對(duì)漏漿、負(fù)荷大的問題。配制堵漏、穩(wěn)定孔壁、改善孔壁泥皮質(zhì)量、減少孔壁摩擦阻力的泥漿。（清水+少量膨潤(rùn)土+隨鉆堵漏劑+低粘纖維素+潤(rùn)滑劑）。③針對(duì)個(gè)別漏漿相當(dāng)嚴(yán)重的孔段，在循環(huán)液中添加適當(dāng)?shù)呐蛎浶远侣┎牧希绺射從净?、干黃豆等。

ZK299孔根據(jù)以上方法歷時(shí)9 d，順利終孔。

5 結(jié)語

滇中引水工程紅河段90%以上為隧洞，輸水線路穿越不同的工程地質(zhì)單元，其工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，可能遇到各種工程地質(zhì)問題，在查明隧洞工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上采取可行的工程防治措施可解決各種工程地質(zhì)問題，保證隧洞工程的安全及正常運(yùn)行。

[1]鄒成杰.水利水電巖溶工程地質(zhì)[M].北京：水利電力出版社，1994.

[2]中華人民共和國(guó)水利部.SL 373-2007.水利水電工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利出版社，2007.

[3]GB 50487-2008.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].