復雜地質條件下跨流域調水超長深埋隧洞建設需研究的關鍵技術問題

鈕新強, 張傳健

(長江勘測規(guī)劃設計研究院, 湖北 武漢 430010)

0 引言

我國水資源總量為28 124億m3,居世界第6位,但人均水資源占有量僅2 200 m3,為世界平均值的1/3,缺水情況在全國范圍內普遍存在且具有不斷加劇的趨勢。另一方面,受季風氣候和自然條件影響,中國的經濟布局與水資源分布存在著明顯的區(qū)域矛盾,這進一步加劇了局部水資源緊缺的局面。根據我國水土資源組合狀況和產業(yè)布局態(tài)勢,建設大型的跨流域調水系統(tǒng)是解決水資源空間分布與人口、資源、環(huán)境、社會經濟發(fā)展之間矛盾的重要途徑,也是實現國家水資源優(yōu)化配置的重大戰(zhàn)略舉措。

國內外已建的調水工程主要以明渠方式輸水,局部輔以隧洞,而以深埋長隧洞為主要載體的調水工程較少。但對于近期擬建或新建的大型調水工程而言,受地形、地質條件因素影響,往往需要興建大量深埋、長距離輸水隧洞作為工程的主要組成部分。據不完全統(tǒng)計,目前已建成的世界最長輸水隧洞是芬蘭的P?i?nne隧洞,其單洞長120 km,最大埋深130 m;國外埋深最大的輸水隧洞是非洲Lesotho隧洞,單洞長45 km,最大埋深1 200 m。我國在大型調水工程輸水隧洞建設方面也已取得了舉世矚目的成就,相繼建成了引大濟湟、引大入秦等跨流域調水工程。表1示出我國已建和在建的主要大型跨流域調水工程深埋輸水隧洞,未來10年還將是我國長距離調水工程輸水隧洞建設的高峰期。

受選線限制,大量長距離輸水隧洞在建設過程中,將不可避免地需要穿越具有復雜地質構造的山嶺地區(qū),面臨著自然環(huán)境惡劣、地震烈度高、不良地質多發(fā)等不利因素。如在建的滇中引水、引漢濟渭等長距離調水工程,隧洞埋深均超千米,穿越多個復雜地質單元,面臨著斷層破碎帶、巖性不整合接觸帶、局部軟巖、巖溶、高地應力巖爆、瓦斯地層及地下水等突出的工程地質問題。而隨著單洞長、埋深大的輸水隧洞越來越多,其工程建設難度和運營風險都將大大增加。針對上述日趨復雜的外部條件,本文對仍需進一步研究的超長深埋隧洞建設關鍵技術問題及發(fā)展方向進行相關闡述。

表1 我國已建和在建的主要大型跨流域調水工程深埋輸水隧洞Table 1 Deep-buried water tunnels for some major large-scale inter-basin water conveyance projects in China

1 深埋隧洞工程的勘探、試驗及測試技術

在山嶺隧洞的勘探、試驗與測試方面,當前采用的技術手段主要有遙感、地質測繪和調查、地球物理探測、探洞、鉆孔壓水試驗、現場原位巖體試驗以及施工期超前地質探測等[1]。而對于深埋、長距離輸水隧洞工程,現階段無論是工程地質分析理論還是勘探、測試技術,都還不夠成熟。在勘察階段,對于千米以上大埋深、高地應力、高地下水水頭環(huán)境條件,常規(guī)的地球物理勘探手段和巖體試驗技術等均存在較大的局限性,還缺乏適宜的勘探試驗技術及設備,準確查明隧洞工程地質條件并進行有效的工程地質評價十分困難。而在施工階段,針對深埋隧洞掌子面前方不良地質的超前預報和側向圍巖巖體質量的綜合評價理論還不夠完善,異常地質體的探測精度難以滿足工程建設需要,工程地質災害頻發(fā)的現狀還未得到根本性改善。對此,須從以下幾個方面開展深入研究。

1.1 深埋隧洞工程地球物理探測技術及方法

在隧洞工程地質勘察和施工階段,各類地球物理探測手段的采用對開展隧洞沿線或掌子面前方不良地質體的探測以及對可能存在的施工地質災害預報預警具有重要作用。但深埋隧洞是一種典型的線狀地下隱蔽工程,其巖體工程地質和水文地質復雜多變,目前物探方法在實際應用中還存在測試采集易受干擾、單一物探預報具有多解性、復雜地質下綜合物探方法參數選取難、不良地質超前預報可靠性和精度不足等問題[1]。因此,迫切需要用于地表和隧洞掌子面探測的各類探測方法和儀器設備對不同異常地質體的響應特征及精度開展研究,發(fā)展與異常地質體相適應的地球物理探測方法、儀器設備及其最佳組合;研究地質體的典型地球物理特性,建立不同地質體地球物理信息特征庫及典型巖性、斷層、褶皺構造、巖溶、含水體等地質條件的精細解譯方法標準和專家系統(tǒng);建立深埋復雜地質條件下的隧洞地球物理特性模型,研究三維地球物理信息建模實現方法。

1.2 復雜地層深孔地應力測試技術與地應力場反演方法

在地質勘察階段,通過深孔鉆探開展地應力測試分析可幫助查明隧址區(qū)地應力大小、方向、分布特征,進而綜合判斷隧洞圍巖產生高地應力巖爆或軟巖大變形的可能,是隧洞線路規(guī)劃、施工方式選取及支護設計的重要依據[2]。目前,國內水工隧洞工程已實現較大深度的深孔鉆探,如白龍江引水工程最深鉆孔905 m、滇中引水工程最深鉆孔950 m、新疆某大埋深隧洞最深鉆孔1 020 m。深孔地應力測試中以水壓致裂法應用最為廣泛,但其在深埋欠穩(wěn)定巖層中的應用還較為困難,存在塌孔和止水失效的問題。針對長距離深埋隧洞工程常見的軟巖或軟硬相間地層,還需進一步研究并開發(fā)適用于千米級欠穩(wěn)定鉆孔的地應力測試方法與儀器。另外,研究復雜環(huán)境下巖芯地應力記憶效應的形成機制和特征規(guī)律,完善基于聲發(fā)射Kaiser效應的地應力間接測量方法及測量精度亦是當前發(fā)展方向之一。在地應力場反演分析方面,基于震源機制解、地質觀測資料與實測地應力信息融合的深埋隧洞區(qū)域構造應力場反演方法亟待研究。同時,還需開展巖體開挖擾動后重分布應力與初始應力測量值的區(qū)分識別理論與方法研究,并總結深埋隧洞工程的復雜地層及構造環(huán)境大范圍三維地應力場反演方法。

1.3 深埋隧洞巖體水文地質結構及相關測試技術

水文地質結構構成了地下水的賦存空間,控制著地下水的貯存和運移。在各類深孔裂隙巖體滲透特性測定方法中,鉆孔壓水試驗由于不受孔深、孔徑和水位的限制而應用廣泛[3]。現今,孔深500 m級的高壓壓水試驗已見報道[4],而千米級深孔壓水試驗還較少見。因此,進一步研究深埋隧洞深孔水文地質測試技術,開發(fā)適用于深埋隧洞深孔巖體滲透特性的測試技術與設備十分必要。另一方面,現行鉆孔壓水試驗規(guī)程推薦的常規(guī)壓水試驗方法最大壓力為1.0 MPa,相比于深埋隧洞深孔高壓壓水試驗所需的試驗壓力(可達6.0 MPa)較低。高水壓條件下裂隙巖體的滲透特性與低壓條件下具有較大差異,故需開展高滲壓條件下的裂隙巖體滲透特性研究,并提出基于高壓壓水試驗的滲透特性指標[5-6]。此外,有必要對已有大埋深隧洞水文地質勘察成果開展綜合分析,研究深埋隧洞巖體滲透隨埋深變化規(guī)律,提出新的裂隙巖體滲透特性分類標準。

1.4 TBM施工的深埋隧洞圍巖特性測試技術與綜合評價方法

深埋隧洞圍巖分類分級是判斷TBM對地層的可掘性、適應性程度,以及進行TBM運行策略制定與圍巖支護設計的重要依據?，F階段圍巖分類方法包括Q系統(tǒng)、RMR系統(tǒng)以及《工程巖體分級標準》的BQ分級等,主要針對鉆爆法施工條件下隧洞圍巖穩(wěn)定,考慮TBM掘進施工特點的圍巖分類分級體系尚不完善。因此,需進一步發(fā)展高地應力等復雜地質條件下TBM施工圍巖地質特征參數信息采集方法,并提出適宜TBM隧洞圍巖等級劃分的綜合地質判據及標準。另一方面,從TBM掘進狀態(tài)智能控制與優(yōu)化決策需求出發(fā),還需建立圍巖地質參數與TBM掘進控制參數間的數學關系模型(即巖-機狀態(tài)預測模型),提出TBM掘進過程中圍巖質量的實時評價方法。

2 深埋隧洞圍巖大變形及巖爆預測與防控技術

深埋隧洞建設過程中,由于地質條件復雜多變以及當前對高地應力下不同類型圍巖變形破壞行為規(guī)律認識不足,軟弱圍巖大變形及脆性巖石巖爆等地質災害現象突出。由軟弱破碎圍巖大變形造成的隧洞巖體欠挖、支護結構變形失效、TBM護盾卡機以及硬脆性巖石強烈?guī)r爆活動造成設備受損與人員傷亡的事故時有發(fā)生[7-12],帶來較大的設計、施工困難及安全挑戰(zhàn)。對此,有必要開展如下針對性的研究。

2.1 深埋隧洞高應力軟巖大變形發(fā)生機制與預測方法

隧洞軟弱圍巖大變形按照產生機制的差異可主要分為2類: 一是開挖導致應力重分布而發(fā)生的圍巖擠壓變形; 二是巖石中膨脹性礦物和水反應而發(fā)生的膨脹變形[13]。前者主要由節(jié)理化巖體在不平衡內力下發(fā)生結構面滑移、擴容變形引起,后者則為以泥質巖為主體的低強度工程巖體吸水膨脹作用引起。擠壓變形的不斷發(fā)展,可表現為洞室圍巖持續(xù)不斷地發(fā)生側墻內擠、底鼓和冒頂等現象。上述力學過程更容易發(fā)生于泥巖、頁巖、千枚巖、泥灰?guī)r、煤層以及受到構造作用影響的薄層砂巖、灰?guī)r和片巖等巖層。由于深埋隧洞地應力及地質條件的復雜性,以下幾個方面仍是當前研究的重點: 1)研究高地應力條件下隧洞圍巖擠壓大變形的孕災過程,揭示高應力軟巖大變形漸進破壞特征與演化規(guī)律; 2)研究大變形軟巖細觀結構的演化特征與宏觀參量的關聯(lián)關系,揭示高應力軟巖大變形從孕育到形成的宏細觀機制; 3)建立考慮卸荷過程的損傷動態(tài)演化方程,以及反映軟巖宏細觀演化機制的力學模型; 4)研究基于現場綜合測試和宏細觀數值模擬的高應力軟巖大變形預測方法。

2.2 富水地層極軟巖變形失穩(wěn)行為的預測與控制方法

軟巖遇水之后可出現強度降低或體積增大的現象,發(fā)生軟化、崩解和膨脹變化,其在水的作用下產生的快速物理劣化與強度損傷是許多重大工程地質災害的主要原因。研究指出,在水溶液作用下,軟巖可發(fā)生物理、化學和力學等多過程作用,使其產生結構松散、單元分離、裂縫擴展與叢集,承載力較大幅度的降低,從而發(fā)生破壞[14-15]。從工程地質與巖土力學角度來看,目前國內外有關水巖相互作用的研究主要集中在含水巖石力學特性、軟巖遇水軟化微觀機制、水巖化學作用的力學影響以及軟巖吸水特性等影響機制理論研究方面[16-19],針對深埋隧洞工程軟巖遇水后的變形失穩(wěn)與控制方法研究尚不充分,特別是對高外水壓力與極軟巖共存的不利工況下圍巖的支護對策與災害防控還缺乏有效的理論指導。因此,還需開展的研究包括: 研究水巖作用影響下深埋軟巖隧洞圍巖變形、襯砌支護壓力等隨時間、進尺的時空演化規(guī)律,揭示水巖作用條件下深埋隧洞軟巖變形失穩(wěn)的宏觀力學機制; 研究高應力及不同含水率條件下軟巖細觀結構損傷破裂特征,揭示深埋隧洞軟巖的水巖作用細觀機制; 考慮水巖作用效應的深埋隧洞軟巖變形失穩(wěn)分析方法、軟巖強度的測試分析方法以及反映深埋隧洞軟巖卸荷后瞬態(tài)與長期力學行為的數值分析方法。

2.3 深埋隧洞軟巖大變形控制技術與評價方法

軟巖的工程地質特性使其在隧洞工程中表現出“自穩(wěn)時間短,變形速率快,變形量大,易坍塌”的特點,拱角失穩(wěn)、錨噴層開裂剝落、底部上拱和變形侵入建筑界限等,是大變形的幾種常見形式,嚴重時會造成塌方冒頂的問題。在軟巖隧洞開挖應力調整階段完成后,圍巖在相對穩(wěn)定應力作用下發(fā)生持續(xù)蠕變,其累計變形量可達500 mm。采用普通小變形錨桿支護時,常因錨桿不能適應隧洞圍巖變形而有拉斷失效的風險[20]。對此,已有學者研發(fā)了具有較高恒定支護力和拉伸變形量、適應軟巖隧洞大變形的負泊松比NPR材料新型錨桿(索),并開展了其與巖體相互作用的本構模型分析與物理試驗研究[21]。現有隧洞軟弱圍巖大變形控制研究對于不同成因大變形分類治理、新型支護體系作用機制的研究尚不充分。為降低軟弱圍巖的不利影響,還需研究基于不同誘因驅動的圍巖大變形特征及變形控制策略;研究適應于圍巖大變形的新型錨噴支護體系成套技術及其與圍巖的相互作用機制; 研究不同錨固支護類型對圍巖大變形的控制效應,建立圍巖大變形控制措施應用效果的量化評價方法。

2.4 高地應力下硬巖巖爆的預測預報及防治方法

巖爆是巖體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下突然猛烈釋放,導致巖石爆裂并彈射出來的現象。在巖爆類型劃分方面,馮夏庭等[22-23]基于掌子面推進時間與巖爆發(fā)生時間的關系,將巖爆分為“即時型”與“時滯型”2種類型; 徐林生等[24]則根據巖爆高地應力的成因,將巖爆劃分為自重應力型、構造應力型、變異應力型和綜合應力型。近年來,微震監(jiān)測技術的發(fā)展為深埋隧洞建設過程中面臨的巖爆災害預測預報提供了新的手段,如文獻[25-26]針對中國錦屏二級水電站深埋隧洞群巖爆風險開展了連續(xù)的微震監(jiān)測與分析預警工作,有效地減少了巖爆災害損失。但目前在針對不同類型巖爆發(fā)生的深層次機制、有效及時的預測預報方法以及成體系的災害多級工程處置方案研究上仍有不足。今后的主要研究方向有: 基于理論分析和現場巖爆模擬試驗,研究巖爆孕育過程中微裂紋擴展、局部應變能釋放誘發(fā)微震信號的能量及頻率特性、巖爆孕育及發(fā)生過程中巖體應變能動態(tài)釋放特征,建立圍巖應變能調整速率及巖爆的應變能密度判據,提出巖爆綜合預測方法; 研究基于控制爆破理論的巖爆主動防治方法,提出局部應力解除爆破技術和基于爆破開挖擾動控制的巖爆防治方法;提出基于光面爆破效果控制和考慮多因素的巖爆主動控制技術,以及基于TBM 掘進速率控制及切縫應力解除的巖爆控制技術。

3 隧洞穿越活斷層圍巖-襯砌災變機制與抗斷技術

跨流域調水工程深埋隧洞線路極長,往往需穿越區(qū)域活動性斷層。目前,國內外對活動斷裂的形變場和應力場演變特征及規(guī)律認識尚不清晰。同時,隧洞穿越活斷層的應對措施和設計方法研究也亟待開展。

3.1 活動斷裂工程活動性分帶及其活動模式

傳統(tǒng)上,評價工程場址鄰近區(qū)域活動斷裂活動性及活動模式是區(qū)域構造穩(wěn)定性研究中的重要部分,其主要研究任務是對可能引起工程災害效應的斷裂活動行為、強度、特點進行研究并給予評價。雖然近幾十年來許多學者對此進行了大量研究,但在活動斷裂的工程活動性分帶及其對應的活動模式上迄今尚不能實現精確的預測[27]。針對這一問題,一些新穎的研究思路可以采用且具備解決問題的潛力,如可通過斷層帶內構造巖分帶特征、斷層滑動面特征來確定滑動面的可能位置和變形帶范圍;從地球化學的角度亦可對這一問題開展研究,如滑動面位置和變形帶寬度可通過構造巖及圍巖地球化學成分、礦物學研究等手段判定; 從力學角度,可以通過活動斷層工程活動性分帶的力學性質和力學參數,研究最新活動軟弱帶(即最新變形帶位置); 而通過分析斷層監(jiān)測資料,也可以確定工程活動性分帶應變速率并為既定工程年限內滑動量的計算提供應變速率約束。

3.2 不同斷層活動模式下隧洞圍巖-襯砌結構響應特征及分析方法

活動斷層運動模式是影響工程穩(wěn)定性與安全性的重要因素。隧洞穿越活動斷層時,既可能遭遇地震時斷層快速破裂的黏滑錯動所引起的破壞(抗震問題),也可能面臨無震條件下斷層上下盤巖體持續(xù)性蠕滑錯動引起的破壞(抗斷問題)[28]。而按照斷層巖體相對運動方式,活動斷層又可分為走滑斷層(規(guī)模巨大的平移斷層)和傾滑型斷層(包括正斷層和逆斷層)[27]。當考慮活斷層活動對隧洞的影響時,也應該根據其不同的活動模式進行考量,國內外針對這一問題尚缺少深入討論,使得在對斷層錯動問題進行分析時,難以區(qū)分不同地質成因、不同錯動機制的斷層,制約了隧洞抗錯斷分析結果的可信度。因此,建議在對隧洞結構的錯斷破壞分析過程中,針對不同斷層機制,研究斷層的錯動條件,建立斷層位錯或滑動理論模型。以此為基礎,研究不同錯斷條件下隧洞結構破壞的變形機制、響應特征、破壞演化規(guī)律,進一步地提出隧洞錯斷破壞的穩(wěn)定性評判標準及服役狀態(tài)評價方法;在現有抗錯斷設計概念的基礎上,針對不同斷層模式、地質條件下的抗錯斷性能提出相應的結構抗斷措施的優(yōu)化方法。

3.3 隧洞穿越活斷層圍巖-襯砌災變機制與抗斷技術研究

對于穿越活動斷層的深埋隧洞,其與斷層相交處附近的巖體存在應力集中效應,而受斷層活動性影響,局部圍巖與襯砌之間的相互作用變得更為復雜。在活動斷層帶圍巖-襯砌相互作用的致災機制方面,有研究指出,斷層錯動可引起隧洞二次襯砌受到張拉、剪切與擠壓的組合作用[29]。又由于斷層活動模式及其與隧洞所成交角的不同,襯砌破壞形式包括縱向開裂、環(huán)向開裂、斜向開裂、底板裂紋以及襯砌剪切錯位等。已有研究中,較少考慮圍巖-襯砌整體體系,對其變形協(xié)調性和破壞機制認識不足。各類圍巖襯砌抗斷技術旨在減小活動斷層對襯砌結構的破壞作用,其按照設計理念的不同可分為: 1)“超挖設計”; 2)“鉸接設計”,即采用較短的襯砌節(jié)段,在各剛性襯砌階段間設置變形縫,選擇柔性接頭連接; 3)“隔離消能設計”,即采用內外2層的復合式襯砌形式,其由初期支護、二次襯砌及中間的回填柔性材料組成[30]。國內外對于在特定工程案例下隧道抗錯斷措施的效果研究較多,但缺少基于各種斷層錯斷機制下抗錯斷措施的適用性分析成果。

基于目前隧洞穿越活動斷層的設計理論與災害防治技術研究現狀,本文認為還存在如下關鍵難題亟待研究: 1)匯總典型活動斷層帶的安全性評價成果,研究活斷層的錯動與變位模式; 2)構建活斷層影響下的隧洞圍巖-襯砌體系整體模型,研究圍巖-襯砌間的變形協(xié)調性和破壞機制; 3)研究隧洞襯砌外圍隔離消能回填材料的地震波吸收機制,對比隧洞穿越活斷層時各類不同結構形式(帶波紋管鋼管、洞內明管穿越與復合襯砌等)的作用效果,分析既定工程使用年限范圍內不同累積位移量級與地震設防烈度條件下各種穿越形式的適應性; 4)研究隧洞襯砌穿越活斷層段的柔性接頭變形規(guī)律和對應的破壞模式; 5)基于隧洞襯砌結構的典型破壞特征,研究隧洞襯砌結構穿越活斷層的工程應對措施。

4 深埋隧洞圍巖-支護體系協(xié)同承載機制與全壽命設計理論及方法

隧洞開挖會破壞圍巖巖體原有平衡狀態(tài),產生2個主要效應: 一是對周邊巖體形成擾動,使其發(fā)生應力重分布,并在應力調整過程中產生圍巖位移、破裂和失穩(wěn);二是改變地下水水流路徑和平衡狀態(tài)。對于深埋隧洞,其襯砌結構所受主要荷載一般為外部水荷載與圍巖壓力。由于地層條件復雜多變以及深埋隧洞鉆孔探測的經濟性與實施難度,勘察階段難以對洞室周邊地下水及圍巖穩(wěn)定情況有較準確的掌握。所以,高外水壓力影響及圍巖長期安全穩(wěn)定控制是深埋輸水隧洞設計的主要難點。

4.1 深埋輸水隧洞滲控設計與高外水壓力確定

深埋隧洞常面臨深層穩(wěn)定的下部構造裂隙水,使襯砌結構承受較高外水壓力。從隧洞襯砌結構安全考慮,為避免其承受較大的外水壓力,現有處理方式實質上是在滲控措施方面解決“排”與“堵”的關系[31]。以排為主的措施能夠將隧洞襯砌周圍滲水有效排除,降低甚至消除襯砌外水壓力,但大量排水又會對環(huán)境產生負面影響,可能會造成地下水位的降低和地表水的枯竭,甚至產生地表沉降、巖溶塌陷等不良后果[32]。而采用全封堵的方式,襯砌外側滲水不斷增大,最終達到外水水頭,威脅襯砌結構安全。因此,現有高外壓隧洞滲控設計的一般原則為“以堵為主,限量排放”,對地下水采用既封堵又疏導的方式。

對于隧洞外水壓力的確定,特別是對深埋輸水隧洞,外水壓力很大,用現行的單一折減系數確定的設計外水壓力,往往與實際情況不相符,但此又成為襯砌設計的控制因素。因此,在大埋深輸水隧洞圍巖滲控設計與高外水壓力確定方面,還需應用巖體裂隙網絡滲流理論,研究高地下水位下深埋隧洞施工、運行期的滲流狀態(tài),發(fā)展便于工程設計操作的外水壓力確定方法;研究灌漿體滲透系數及厚度、排水孔孔徑及布置等對襯砌外水壓力的影響,揭示襯砌外水壓力減壓機制,從而提出深埋輸水隧洞高外水壓力作用下的襯砌減壓技術。

4.2 大埋深輸水隧洞圍巖-支護體系協(xié)同承載機制與長期安全控制的全壽命設計理論

隧洞支護結構是控制圍巖變形和防止圍巖失穩(wěn)的主要措施,其本質作用包括“調動圍巖承載”和“協(xié)助圍巖承載”,即通過加固來改善圍巖的力學性質,進而提高圍巖的自承能力,或通過分擔地層開挖誘發(fā)的附加荷載協(xié)助圍巖盡快達到新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)[33]。其中,圍巖既作為荷載的來源,又是承擔荷載的主體。從理論上講,支護作用下的隧洞開挖就是圍巖釋放應力在支護與圍巖結構之間重新分配的過程,圍巖的穩(wěn)定受到圍巖巖性、支護強度、支護時機以及施工過程的影響,因此“支護-圍巖”相互作用關系是隧道設計理論的核心問題[34]?，F有研究對于超前支護、初期支護、二次襯砌等各階段支護結構之間的相互作用關系的認識還不夠深入,并未能將支護結構與圍巖作為一個統(tǒng)一整體,圍巖-支護體系協(xié)同承載機制還不明確,對圍巖、初期支護與二次襯砌荷載分擔比例問題還存在諸多爭議,造成了工程實踐中的大量浪費。故而,深入研究深埋輸水隧洞圍巖-支護體系協(xié)同承載機制,并據此建立隧洞長期安全控制的全壽命設計理論將是當前研究的重點。

基于深埋輸水隧洞圍巖-支護體系承載安全控制的研究現狀和工程建設的迫切需求,建議重點開展以下研究: 1)分析復雜地質環(huán)境和荷載作用下隧洞圍巖-支護體系受力的性狀演化規(guī)律,揭示隧洞圍巖-支護體系協(xié)同承載性狀演化的宏細觀力學機制; 2)研究復雜地質環(huán)境和荷載作用下隧洞圍巖和支護體系受力的各自承載比例,揭示隧洞圍巖和支護體系承載轉移規(guī)律和時效演化特征,并進一步建立復雜地層條件下隧洞圍巖-支護體系協(xié)同承載的安全控制標準; 3)研究隧洞圍巖-支護體系協(xié)同承載性狀演化的時變可靠度設計方法,提出與之相適應的隧洞全壽命周期設計準則,并進一步構建深埋輸水隧洞圍巖-支護體系長期安全控制的全壽命設計理論。

5 高壓水害等不良地質條件下深埋長隧洞施工災害處治技術

高壓突涌水等不良地質的超前預報及TBM穿越富水和復雜地層的災害控制一直是困擾深埋長隧洞施工的技術難題,目前,國內外隧道超前預報在含水構造的定量預報、中小構造識別定位等方面的研究尚處于初步階段。研究不良地質體的準確定量探測方法及其誘發(fā)災害的快速處置技術、實現TBM卡機的有效防控等是未來深埋長隧洞施工的發(fā)展方向,存在如下關鍵技術問題亟待研究解決。

5.1 深埋長隧洞施工過程災害水源等不良地質的超前定量探測及預報

現有隧洞巖溶裂隙水與不良地質的超前地質預報方法按原理可分為地質分析類、超前鉆探類、地震反射類(如地震反射負視速度法、TSP法和TRT法)、電磁類(如地質雷達法、瞬變電磁法)、直流電法類(如激發(fā)極化法、電阻率法)以及其他方法(如核磁共振法、紅外探水法),不同技術方法有其相應的適用范圍、敏感特性和優(yōu)缺點[35]。其中,對含水體響應較敏感的物探方法主要有地質雷達法、瞬變電磁法、激發(fā)極化法和電阻率法等,但由于物探結果具有多解性,單一預報方法準確度存疑,有效探測距離也有顯著差異,存在局限性,如地質雷達便存在探查距離較短(＜30 m)、數據資料解譯困難、預報精度易受干擾等不足。瞬變電磁法探測距離較長(可達40～60 m或更遠),但目前尚未解決精確定位的計算問題,缺乏試驗研究[36]。

大量隧洞工程災害案例表明,現有超前地質預報方法無法解決隧洞較長距離災害水源的準確探測,往往造成巖溶涌水、突泥等重大災害,還需深入開展以下研究: 1)研究用于構造探測和巖體質量評價的三維地震超前預報技術,用于災害水源三維成像、水量估算的前向激發(fā)極化和陣列雷達技術,以及用于巖體結構精細識別的隨鉆探測技術; 2)研發(fā)基于云計算和大數據的多元預報信息的聯(lián)合反演、實時解譯和虛擬現實平臺,實現不良地質的快速識別、三維成像及巖體力學信息的準確評價; 3)研究四維廣域實時感知監(jiān)測理論和技術(全波形微震、電阻率成像和分布式光纖),突破突涌水災害的多源異構數據挖掘、前兆預測和臨災預警等難題; 4)針對TBM環(huán)境超前地質預報難題,研究震電聯(lián)合反演實時超前預報技術和裝備。

5.2 深埋長隧洞強富水地層超高壓預注漿和高壓突/涌水快速處治技術

針對強富水地層條件下,深埋長隧洞的預注漿封堵及涌水處置已有大量工程實踐研究,如孫振川等[37]為解決引漢濟渭工程嶺南隧洞大量出水問題,提出了“鉆孔分流+表面嵌縫+淺層封堵+深層加固”的裂隙徑向注漿堵水處理技術,配合新型注漿材料,實現了對高壓富水裂隙出水的有效封堵; 譚忠盛等[38]針對關角隧道高壓突涌水下的注漿、排水困難,研發(fā)了頂水注漿技術,并采用地表導流方法與長距離反坡排水方法,有效地解決了隧洞高壓突涌水難題。然而,現階段突涌水災害治理研究主要依賴于工程經驗,還存在理論落后實踐、動水封堵的注漿材料類型較少、缺乏突涌水系統(tǒng)治理技術等不足,需從以下幾方面開展深入研究: 1)研究自然條件下隧洞地下水分布與運動變化規(guī)律及適合長距離輸水隧洞涌水量和地下水響應規(guī)律的預測方法; 2)對不同漿液特性開展系統(tǒng)研究,提出不同地層結構灌漿封堵加固機制; 3)研發(fā)超高壓灌漿設備,研究灌漿施工工藝,形成超高壓預注漿成套技術; 4)研究不同材料漿液可控性灌漿工藝,超高壓灌漿孔口封閉技術和膜袋封閉等技術,形成涌突水快速灌漿處理技術。

5.3 不良地質條件造成TBM卡機的高效脫困處置技術

TBM用于隧洞施工具有施工安全、成洞質量好、掘進速度快、綜合效益高等優(yōu)點,但TBM也存在設備龐大、在機頭段無法及時開展圍巖支護、對斷層破碎帶等不良地質條件的適應性較差等不足,易發(fā)生卡機事故[39-40]。各類卡機事故按成因可分為卡刀盤、卡護盾和姿態(tài)偏差造成卡機,而工程實踐中采用的TBM卡機脫困技術主要有側導坑法、超前化學灌漿法、輔助坑道法、設備技術改造法以及設備后退法等[41]。現有基于工程實踐的TBM卡機脫困研究主要關注卡機災害發(fā)生后的處置對策,對TBM卡機災害的致災機制及風險預測研究不足,未能形成針對不同不良地質類型下卡機事故的系統(tǒng)性處置技術。因此,還需深入開展如下研究: 1)研究TBM在不同地質條件下的卡機致災機制及防控對策; 2)研究結合圍巖變形實時監(jiān)測與超前地質預報的卡機預測方法,提出基于超前支護、圍巖加固和非支護措施的卡機防控綜合技術方案; 3)研究TBM卡機后的脫困技術和圍巖支護措施,提出不同地質條件下不同類型TBM卡機脫困的針對性預案,形成富水、軟巖和破碎帶等不良地質條件下TBM卡機脫困成套處理技術; 4)研究TBM掘進信息化智能控制關鍵技術,提出TBM掘進參數與圍巖支護方案優(yōu)化決策方法,實現TBM隧洞的長距離安全高效掘進; 5)開展多風險因素耦合作用下深埋長隧洞施工過程智能仿真與信息集成技術研究。

6 結語

隨著我國國民經濟發(fā)展,將有越來越多的跨流域輸水工程建設進入規(guī)劃實施,需要開展持續(xù)的科技攻關和技術創(chuàng)新。本文具體闡述了復雜地質條件下跨流域調水深埋長距離輸水隧洞建設實踐中面臨的一些“瓶頸”問題和關鍵技術, 包括深埋隧洞工程的勘探、試驗及測試技術,深埋隧洞圍巖大變形及巖爆預測與防控技術,隧洞穿越活斷層圍巖-襯砌災變機制與抗斷技術,深埋隧洞圍巖-支護體系協(xié)同承載機制與全壽命設計理論和方法以及高壓水害等不良地質條件下深埋長隧洞施工災害處治技術5個方面,指出了當前需要解決的關鍵工程科學技術問題及其發(fā)展方向,可為今后超長深埋隧洞工程建設提供一些參考。