深埋水工長隧洞主要工程地質(zhì)問題與勘察經(jīng)驗(yàn)

張小寶，司富安，段世委，李 坤

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

1 概述

隨著我國大型引調(diào)水工程和西南地區(qū)水電事業(yè)的發(fā)展，深埋長隧洞大量出現(xiàn)，錦屏二級電站引水發(fā)電洞最大埋深2500m，雅礱江支流木里河上的俄公堡水電站引水隧洞最大埋深2100m，新疆某補(bǔ)水工程穿天山隧洞、陜西引漢濟(jì)渭工程穿秦嶺隧洞、青海引大濟(jì)湟穿大阪山隧洞、滇中引水香爐山隧洞等，其中最長的達(dá)77km，最大埋深達(dá)2200m。深埋長隧洞在施工過程遇到的工程地質(zhì)問題復(fù)雜多樣，輕則延誤工期，重則導(dǎo)致TBM卡機(jī)，砸毀、掩埋設(shè)備，造成人員傷亡。因此，客觀認(rèn)識深埋水工長隧洞工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性、現(xiàn)有技術(shù)水平和勘察手段的局限性，將勘察工作貫穿于前期和施工的全過程，加強(qiáng)施工期的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是十分必要的。

2 國內(nèi)深埋水工長隧洞遇到的主要工程地質(zhì)問題

2.1 活動斷裂抗斷問題

引調(diào)水工程線路長，涉及的地層巖性眾多，地貌單元多樣，難以避免地需要跨越活動斷裂，存在活動斷裂抗斷問題。滇中引水輸水總干渠共穿過16條工程活動性斷裂，其中5條為全新世活動斷裂，11條為晚更新世活動斷裂，沿活動斷裂的突發(fā)地震與位錯，對穿越斷裂的輸水建筑物影響較大。根據(jù)相關(guān)研究資料表明：活動斷裂一般存在0.90～3.8mm/a水平位移和0.13～0.5mm/a垂直位錯；潛源最大地震震級全新世活動斷裂為7.5～8.0級，晚更新世活動斷裂為6.0～7.5級；全新世活動斷裂100年位移水平向位錯量1.50～2.20m，垂直向位錯量值0.26～0.39m；晚更新世活動斷裂100年位移水平向位錯量值0.06～1.70m，垂直位錯量值0.01～0.30m。因此，建筑物穿過活動斷裂段應(yīng)考慮抗斷措施，特別是全新世斷層穿過硐室時，巖體破碎洞段按最大位錯量采取工程措施設(shè)防，即考慮硐徑、砼襯砌分段長度、分縫止水材料等。日本熊本大地震就活動斷裂曾對多條隧洞造成破壞。如圖1所示。

圖1 日本熊本大地震活動斷層對隧洞的破壞

2.2 塌方及軟巖變形問題

斷層帶、破碎帶及裂隙密集帶的圍巖塌方及軟巖變形是深埋長隧洞常遇到的主要工程地質(zhì)問題。青海大坂山隧洞2008年TBM施工開始遇到F4、F5斷層(總寬度約1100m)，共發(fā)生10余次施工受阻和卡機(jī)，至2013年11月僅掘進(jìn)452m，直到2015年6月隧洞才貫通，如圖2所示。新疆八十一達(dá)坂隧洞長30.69km，其中23.69km為全斷面TBM施工，以泥巖為主，施工過程中共發(fā)生比較嚴(yán)重的卡機(jī)48次，嚴(yán)重制約了TBM施工進(jìn)度，使八十一達(dá)坂隧洞工期延長1年。

圖2 青海大坂山隧洞塌方情況

2.3 突水涌泥

巖溶區(qū)、斷層破碎帶、擠壓破碎帶、地層巖性接觸帶的風(fēng)化殼等部位都是突水涌泥事故的高發(fā)區(qū)，近年來深埋長隧洞的涌水突泥事件屢見不鮮。云南大柱山隧道涌水突泥段長3.21km，據(jù)稱“9年涌出10個西湖水量”，日涌水量最大12萬m3，如圖3所示。北疆調(diào)水隧洞某段發(fā)生過大于10000m3/d的涌水。秦嶺隧洞發(fā)生過69次滲涌水，6次較大的集中涌水，單點(diǎn)單次涌水量20000m3/d。2013年4月青海大坂山隧洞左側(cè)旁通洞發(fā)生突泥，方量巨大，如圖4所示。2020年8月，滇中引水香爐山隧洞玄武巖中的凝灰?guī)r夾層發(fā)生了較大的涌水突泥現(xiàn)象，并在多個凝灰?guī)r夾層中出現(xiàn)突水現(xiàn)象。目前正在施工的香爐山5#施工支洞，自開工以來，進(jìn)尺500m內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了5次涌水突泥事件，給施工進(jìn)度帶來了較大的影響，如圖5所示。

圖3 大柱山隧洞涌水突泥情況

圖4 青海大坂山隧洞突泥情況

圖5 香爐山隧洞涌水突泥情況

2.4 高外水壓力

錦屏二級電站輔助洞與引水隧洞發(fā)生高壓涌突水，最大水壓超過10MPa，流量超過7m3/s，如圖6所示；新疆某隧洞埋深500m左右，地表鉆孔鉆到300m左右時，遇到承壓水，水頭噴出地表100多m，估算隧洞頂板處水壓力高達(dá)6MPa左右；目前正在施工的香爐山5#支洞，穿過石灰窯斷裂帶時遇到高承壓水，碎裂狀玄武巖內(nèi)地下水豐富，水頭大，從鉆孔內(nèi)沖出的地下水可瞬時將鋼管擊彎，灌漿堵水困難。

圖6 錦屏二級電站高外水壓力

2.5 高地應(yīng)力巖爆

高地應(yīng)力是發(fā)生巖爆的必要條件之一，與巖體所經(jīng)受的應(yīng)力歷史、巖體強(qiáng)度、彈性模量、節(jié)理裂隙發(fā)育程度及水文地質(zhì)條件等諸多因素有關(guān)。錦屏二級引水發(fā)電洞曾發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆和塌方，曾造成TBM嚴(yán)重受損，7人死亡，1人受傷，搶險歷時35天。秦嶺隧洞發(fā)生過中等-強(qiáng)巖爆，影響施工，甚至直接砸壞TBM結(jié)構(gòu)件和支護(hù)體系如圖7所示。

圖7 引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞強(qiáng)巖爆

2.6 超硬巖問題

秦嶺隧洞以石英巖、花崗巖為主。平均石英含量為74%；抗壓強(qiáng)度最高315MPa；耐磨值4.65～5.71，平均耐磨值5.26。大坂山隧洞2km左右洞段為抗壓強(qiáng)度200MPa左右的花崗巖、石英巖等，裂隙不發(fā)育，完整性非常好，石英含量極高，導(dǎo)致掘進(jìn)速度慢，且刀具磨耗嚴(yán)重，換刀數(shù)量大、頻繁，如圖8—9所示。

圖8 引漢濟(jì)渭超硬花崗巖

圖9 秦嶺隧洞TBM刀具磨損情況

2.7 高地溫問題

秦嶺隧洞作業(yè)區(qū)溫度最高達(dá)39℃，濕度達(dá)90%。齊熱哈塔爾引水隧洞有2km，空氣溫度40℃以上，裂隙噴出的氣體達(dá)170℃。云南大柱山隧洞高溫洞段長3.5km，一年四季在37℃～38℃。

2.8 蝕變巖、砂化白云巖

穿越天山隧洞，長42km，正在施工。原巖為華力西中期侵入的二長花崗巖。強(qiáng)蝕變巖石的組織結(jié)構(gòu)完全破壞或殘留少量心石，可見原始結(jié)構(gòu)痕跡。遇水快速崩解。相當(dāng)于Ⅴ類圍巖，塌方、兩側(cè)擠壓、溜渣等。中蝕變巖石的組織結(jié)構(gòu)部分或大部分破壞，部分巖石呈不連續(xù)的骨架或心石。遇水部分崩解。相當(dāng)于Ⅳ類圍巖，塌方、掉塊；有水時為Ⅴ類。輕蝕變巖石的組織結(jié)構(gòu)基本完整，浸水后基本沒有巖屑或小的顆粒從巖塊上脫落。相當(dāng)于Ⅲ類圍巖，頂拱局部掉塊。嚴(yán)重影響了TBM的施工，2017年2月—2018年10月，18個月共掘進(jìn)790m。

滇中引水玉溪、紅河段的白云巖風(fēng)化具有強(qiáng)烈砂化的特征，尤其是以晶粒結(jié)構(gòu)為主的砂質(zhì)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)和碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)為主。白云巖砂化導(dǎo)致巖體質(zhì)量、強(qiáng)度顯著降低，在地下水位以下的隧洞施工可能產(chǎn)生涌水、涌砂問題，成洞較困難，如圖10所示。

2.9 有害氣體

夾巖總干渠水大橋隧洞：二疊系龍?zhí)督M煤系地層，瓦斯含量最高達(dá)38.06m3/t，壓力0.83MPa。通風(fēng)及專用設(shè)備對工程投資影響很大。正在抽排施工。滇中引水大理2段白堊系昌普組地層，H2S=180ppm，超標(biāo)25倍。秦嶺隧洞：K47+919，變質(zhì)砂巖，CH4=11%，CO大于1000ppm；K47+939，變質(zhì)砂巖，H2S=10ppm。

2.10 其它工程地質(zhì)問題

目前國內(nèi)多項(xiàng)引調(diào)水工程的深埋長隧洞正在施工中，根據(jù)前期勘察成果分析，還存在軟巖大變形、復(fù)雜巖溶以及疏干巖溶地下水等環(huán)境地質(zhì)問題。

3 深埋長隧洞的勘察經(jīng)驗(yàn)與體會

3.1 資料收集

收集1∶5萬和1∶20萬區(qū)域地質(zhì)圖、大地構(gòu)造綱要圖、地震震中分布圖，以及各種比例尺的地形圖。

3.2 航片、衛(wèi)片解譯

航片、衛(wèi)片解譯具有宏觀性、信息量豐富、快捷及成本低等優(yōu)點(diǎn)。對測繪與勘察工作有指導(dǎo)作用，可以提供一些線性構(gòu)造影像，但植被覆蓋地區(qū)效果不好。遼西北供水、大伙房供水、吉林中部供水、北疆調(diào)水等工程都做過航衛(wèi)片解譯。

3.3 地質(zhì)測繪

地質(zhì)測繪是深埋長隧洞的重要勘察手段之一，由于隧洞埋深較大，洞線兩側(cè)一定范圍內(nèi)的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造均有可能在隧洞圍巖中出現(xiàn)，因此深埋長隧洞地質(zhì)測繪擴(kuò)展到洞線兩側(cè)以外一定范圍內(nèi)是十分必要的。

3.4 綜合物探

為了探測深部(鉆孔不能及的范圍)的地質(zhì)情況，較普遍地使用了可控源大地電磁測深法(CSAMT)。該法具有探測深度大、抗干擾能力能、工作效率高和分辯率高等優(yōu)點(diǎn)，如表1及圖11所示。

圖11 某隧洞華里西期閃長巖洞段大地電磁法電阻率等值線圖

表1 大地電磁測深法在國內(nèi)水利深埋長隧洞的使用情況統(tǒng)計(jì)表

3.5 利用深鉆孔進(jìn)行取心和綜合測試

一般利用鉆探的深孔開展以下試驗(yàn)工作：取樣試驗(yàn)、巖心編、孔內(nèi)電視、壓水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)、地應(yīng)力測試、聲波測井、地溫測量、防滲性測量、有害氣體測量及水位觀測。

3.6 開展必要的專題專項(xiàng)

(1)地震安評：重要建筑物。

(2)活動斷層研究：活動性、活動方式、100年位移建議值。

(3)巖溶及地下水環(huán)境調(diào)查：巖溶分布規(guī)律、巖溶系統(tǒng)劃分、對工程施工和環(huán)境的影響。地下水環(huán)境影響評價。

(4)地應(yīng)力測試、有害氣體測試、放射性測試。

(5)特殊巖土體(膨脹巖、軟巖、蝕變巖)工程地質(zhì)特性。

(6)地質(zhì)預(yù)報(bào)方法研究：實(shí)測地段、方法及工作量。

4 深埋長隧洞勘察的難點(diǎn)及建議

4.1 勘察的難點(diǎn)

深埋長隧洞勘察目前正處于探索和積累經(jīng)驗(yàn)階段，尚未形成成熟的經(jīng)驗(yàn)理論，勘察工作主要存在以下難點(diǎn)：

(1)山高坡陡，交通困難，勘探設(shè)備甚至技術(shù)人員難以到達(dá)洞線位置。西南地區(qū)某些隧洞地表海拔較高，高寒缺氧，甚至終年積雪覆蓋，更是對勘察工作提出了挑戰(zhàn)。

(2)鉆探周期長，鉆孔一般選擇典型位置布置，如隧洞進(jìn)出口、斷層破碎帶、地層巖性分界線、溝谷等位置，前期勘察只能基本查明主要工程地質(zhì)問題，做到重大工程地質(zhì)問題不遺漏。

(3)物探測試的地質(zhì)、地球物理?xiàng)l件和邊界特征對測試成果具有較大影響，這些方法均存在著一定的條件性和技術(shù)性。

(4)由于節(jié)理裂隙的隨機(jī)性，深埋長隧洞地下涌水量在前期勘察工作中只能大致估測。

(5)目前缺少在大埋深條件下相對成熟的工程地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)與勘察方法，缺少深部巖石力學(xué)等基礎(chǔ)理論。

4.2 建議

根據(jù)目前深埋長隧洞勘察存在的難點(diǎn)及出現(xiàn)的問題，提出如下建議：

(1)對于深埋長隧洞選線，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件和隧洞長度發(fā)生沖突時，可優(yōu)先考慮地質(zhì)條件好、長度大的方案。

(2)動態(tài)設(shè)計(jì)，地質(zhì)勘察工作貫穿全過程，施工為地質(zhì)工作提供了前期勘察所不具備的條件。施工期間，利用掌子面和已施工隧洞開展必要的補(bǔ)充勘察工作，進(jìn)一步摸清前方可能遇到的地質(zhì)問題和現(xiàn)象，動態(tài)反饋給設(shè)計(jì)，為及時調(diào)整支護(hù)、處理措施和保障施工安全，提供基礎(chǔ)支撐。

(3)重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，必要時開展超前水平鉆探。選擇的預(yù)報(bào)方法要能適應(yīng) TBM施工或鉆爆法的特點(diǎn)，同時還要考慮長、短距離結(jié)合。

(4)進(jìn)行開放式技術(shù)研發(fā)。深埋長隧洞工程地質(zhì)還存在很多技術(shù)難題需要攻克，如勘察手段與方法、測試技術(shù)與裝備、評價理論與標(biāo)準(zhǔn)等。要高度重視技術(shù)創(chuàng)新，建立開放式研發(fā)體系，盡可能創(chuàng)造條件引進(jìn)高水平團(tuán)隊(duì)，鼓勵跨行業(yè)、跨專業(yè)開展科研和聯(lián)合攻關(guān)。

5 結(jié)語

深埋長隧洞工程地質(zhì)勘察是當(dāng)今人類面臨的世界級難題，目前還處于理論探索和經(jīng)驗(yàn)積累階段。雖然已經(jīng)建成了相當(dāng)數(shù)量的深埋長隧洞，但還沒有形成一整套完整的理論和技術(shù)方法。要想在前期勘察階段解決所有地質(zhì)問題是不現(xiàn)實(shí)的。因此，前期工程地質(zhì)勘察的總體思路是以收集資料、航衛(wèi)片解譯及工程地質(zhì)測繪為基礎(chǔ)，廣泛開展深部物探探測，利用深鉆孔和孔內(nèi)綜合測試，驗(yàn)證或復(fù)核重要地質(zhì)現(xiàn)象，結(jié)合相關(guān)專題、專項(xiàng)研究，基本摸清主要地質(zhì)條件，不遺漏重大工程技術(shù)問題；施工階段通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、補(bǔ)充勘察和專題研究等，復(fù)核前期勘察成果，解決施工中遇到的地質(zhì)問題。