鈕新強(qiáng), 張傳健

(長江勘測規(guī)劃設(shè)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(nèi)普遍存在且具有不斷加劇的趨勢。另一方面,受季風(fēng)氣候和自然條件影響,中國的經(jīng)濟(jì)布局與水資源分布存在著明顯的區(qū)域矛盾,這進(jìn)一步加劇了局部水資源緊缺的局面。根據(jù)我國水土資源組合狀況和產(chǎn)業(yè)布局態(tài)勢,建設(shè)大型的跨流域調(diào)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(jīng)濟(jì)發(fā)展之間矛盾的重要途徑,也是實(shí)現(xiàn)國家水資源優(yōu)化配置的重大戰(zhàn)略舉措。

國內(nèi)外已建的調(diào)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(diào)水工程較少。但對于近期擬建或新建的大型調(diào)水工程而言,受地形、地質(zhì)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(jù)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(diào)水工程輸水隧洞建設(shè)方面也已取得了舉世矚目的成就,相繼建成了引大濟(jì)湟、引大入秦等跨流域調(diào)水工程。表1示出我國已建和在建的主要大型跨流域調(diào)水工程深埋輸水隧洞,未來10年還將是我國長距離調(diào)水工程輸水隧洞建設(shè)的高峰期。

受選線限制,大量長距離輸水隧洞在建設(shè)過程中,將不可避免地需要穿越具有復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)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(zhì)多發(fā)等不利因素。如在建的滇中引水、引漢濟(jì)渭等長距離調(diào)水工程,隧洞埋深均超千米,穿越多個復(fù)雜地質(zhì)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(yīng)力巖爆、瓦斯地層及地下水等突出的工程地質(zhì)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(shè)難度和運(yùn)營風(fēng)險都將大大增加。針對上述日趨復(fù)雜的外部條件,本文對仍需進(jìn)一步研究的超長深埋隧洞建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)問題及發(fā)展方向進(jìn)行相關(guān)闡述。

表1 我國已建和在建的主要大型跨流域調(diào)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(yàn)及測試技術(shù)

在山嶺隧洞的勘探、試驗(yàn)與測試方面,當(dāng)前采用的技術(shù)手段主要有遙感、地質(zhì)測繪和調(diào)查、地球物理探測、探洞、鉆孔壓水試驗(yàn)、現(xiàn)場原位巖體試驗(yàn)以及施工期超前地質(zhì)探測等[1]。而對于深埋、長距離輸水隧洞工程,現(xiàn)階段無論是工程地質(zhì)分析理論還是勘探、測試技術(shù),都還不夠成熟。在勘察階段,對于千米以上大埋深、高地應(yīng)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(yàn)技術(shù)等均存在較大的局限性,還缺乏適宜的勘探試驗(yàn)技術(shù)及設(shè)備,準(zhǔn)確查明隧洞工程地質(zhì)條件并進(jìn)行有效的工程地質(zhì)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(zhì)的超前預(yù)報和側(cè)向圍巖巖體質(zhì)量的綜合評價理論還不夠完善,異常地質(zhì)體的探測精度難以滿足工程建設(shè)需要,工程地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)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(shù)及方法

在隧洞工程地質(zhì)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(zhì)體的探測以及對可能存在的施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)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(zhì)和水文地質(zhì)復(fù)雜多變,目前物探方法在實(shí)際應(yīng)用中還存在測試采集易受干擾、單一物探預(yù)報具有多解性、復(fù)雜地質(zhì)下綜合物探方法參數(shù)選取難、不良地質(zhì)超前預(yù)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(shè)備對不同異常地質(zhì)體的響應(yīng)特征及精度開展研究,發(fā)展與異常地質(zhì)體相適應(yīng)的地球物理探測方法、儀器設(shè)備及其最佳組合;研究地質(zhì)體的典型地球物理特性,建立不同地質(zhì)體地球物理信息特征庫及典型巖性、斷層、褶皺構(gòu)造、巖溶、含水體等地質(zhì)條件的精細(xì)解譯方法標(biāo)準(zhǔn)和專家系統(tǒng);建立深埋復(fù)雜地質(zhì)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(shí)現(xiàn)方法。

1.2 復(fù)雜地層深孔地應(yīng)力測試技術(shù)與地應(yīng)力場反演方法

在地質(zhì)勘察階段,通過深孔鉆探開展地應(yīng)力測試分析可幫助查明隧址區(qū)地應(yīng)力大小、方向、分布特征,進(jìn)而綜合判斷隧洞圍巖產(chǎn)生高地應(yīng)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(hù)設(shè)計的重要依據(jù)[2]。目前,國內(nèi)水工隧洞工程已實(shí)現(xiàn)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(yīng)力測試中以水壓致裂法應(yīng)用最為廣泛,但其在深埋欠穩(wěn)定巖層中的應(yīng)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(jìn)一步研究并開發(fā)適用于千米級欠穩(wěn)定鉆孔的地應(yīng)力測試方法與儀器。另外,研究復(fù)雜環(huán)境下巖芯地應(yīng)力記憶效應(yīng)的形成機(jī)制和特征規(guī)律,完善基于聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的地應(yīng)力間接測量方法及測量精度亦是當(dāng)前發(fā)展方向之一。在地應(yīng)力場反演分析方面,基于震源機(jī)制解、地質(zhì)觀測資料與實(shí)測地應(yīng)力信息融合的深埋隧洞區(qū)域構(gòu)造應(yīng)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(yīng)力與初始應(yīng)力測量值的區(qū)分識別理論與方法研究,并總結(jié)深埋隧洞工程的復(fù)雜地層及構(gòu)造環(huán)境大范圍三維地應(yīng)力場反演方法。

1.3 深埋隧洞巖體水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及相關(guān)測試技術(shù)

水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成了地下水的賦存空間,控制著地下水的貯存和運(yùn)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(yàn)由于不受孔深、孔徑和水位的限制而應(yīng)用廣泛[3]?，F(xiàn)今,孔深500 m級的高壓壓水試驗(yàn)已見報道[4],而千米級深孔壓水試驗(yàn)還較少見。因此,進(jìn)一步研究深埋隧洞深孔水文地質(zhì)測試技術(shù),開發(fā)適用于深埋隧洞深孔巖體滲透特性的測試技術(shù)與設(shè)備十分必要。另一方面,現(xiàn)行鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程推薦的常規(guī)壓水試驗(yàn)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(yàn)所需的試驗(yàn)壓力(可達(dá)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(yàn)的滲透特性指標(biāo)[5-6]。此外,有必要對已有大埋深隧洞水文地質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)。

1.4 TBM施工的深埋隧洞圍巖特性測試技術(shù)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(yīng)性程度,以及進(jìn)行TBM運(yùn)行策略制定與圍巖支護(hù)設(shè)計的重要依據(jù)。現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)》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(jìn)施工特點(diǎn)的圍巖分類分級體系尚不完善。因此,需進(jìn)一步發(fā)展高地應(yīng)力等復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工圍巖地質(zhì)特征參數(shù)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(zhì)判據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)。另一方面,從TBM掘進(jìn)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(zhì)參數(shù)與TBM掘進(jìn)控制參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型(即巖-機(jī)狀態(tài)預(yù)測模型),提出TBM掘進(jìn)過程中圍巖質(zhì)量的實(shí)時評價方法。

2 深埋隧洞圍巖大變形及巖爆預(yù)測與防控技術(shù)

深埋隧洞建設(shè)過程中,由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變以及當(dāng)前對高地應(yīng)力下不同類型圍巖變形破壞行為規(guī)律認(rèn)識不足,軟弱圍巖大變形及脆性巖石巖爆等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象突出。由軟弱破碎圍巖大變形造成的隧洞巖體欠挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形失效、TBM護(hù)盾卡機(jī)以及硬脆性巖石強(qiáng)烈?guī)r爆活動造成設(shè)備受損與人員傷亡的事故時有發(fā)生[7-12],帶來較大的設(shè)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(yīng)力軟巖大變形發(fā)生機(jī)制與預(yù)測方法

隧洞軟弱圍巖大變形按照產(chǎn)生機(jī)制的差異可主要分為2類: 一是開挖導(dǎo)致應(yīng)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(yīng)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(nèi)力下發(fā)生結(jié)構(gòu)面滑移、擴(kuò)容變形引起,后者則為以泥質(zhì)巖為主體的低強(qiáng)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(xiàn)為洞室圍巖持續(xù)不斷地發(fā)生側(cè)墻內(nèi)擠、底鼓和冒頂?shù)痊F(xiàn)象。上述力學(xué)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(gòu)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(yīng)力及地質(zhì)條件的復(fù)雜性,以下幾個方面仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn): 1)研究高地應(yīng)力條件下隧洞圍巖擠壓大變形的孕災(zāi)過程,揭示高應(yīng)力軟巖大變形漸進(jìn)破壞特征與演化規(guī)律; 2)研究大變形軟巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化特征與宏觀參量的關(guān)聯(lián)關(guān)系,揭示高應(yīng)力軟巖大變形從孕育到形成的宏細(xì)觀機(jī)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(xì)觀演化機(jī)制的力學(xué)模型; 4)研究基于現(xiàn)場綜合測試和宏細(xì)觀數(shù)值模擬的高應(yīng)力軟巖大變形預(yù)測方法。

2.2 富水地層極軟巖變形失穩(wěn)行為的預(yù)測與控制方法

軟巖遇水之后可出現(xiàn)強(qiáng)度降低或體積增大的現(xiàn)象,發(fā)生軟化、崩解和膨脹變化,其在水的作用下產(chǎn)生的快速物理劣化與強(qiáng)度損傷是許多重大工程地質(zhì)災(zāi)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(xué)和力學(xué)等多過程作用,使其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)松散、單元分離、裂縫擴(kuò)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(zhì)與巖土力學(xué)角度來看,目前國內(nèi)外有關(guān)水巖相互作用的研究主要集中在含水巖石力學(xué)特性、軟巖遇水軟化微觀機(jī)制、水巖化學(xué)作用的力學(xué)影響以及軟巖吸水特性等影響機(jī)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(hù)對策與災(zāi)害防控還缺乏有效的理論指導(dǎo)。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(hù)壓力等隨時間、進(jìn)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(xué)機(jī)制; 研究高應(yīng)力及不同含水率條件下軟巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷破裂特征,揭示深埋隧洞軟巖的水巖作用細(xì)觀機(jī)制; 考慮水巖作用效應(yīng)的深埋隧洞軟巖變形失穩(wěn)分析方法、軟巖強(qiáng)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(xué)行為的數(shù)值分析方法。

2.3 深埋隧洞軟巖大變形控制技術(shù)與評價方法

軟巖的工程地質(zhì)特性使其在隧洞工程中表現(xiàn)出“自穩(wěn)時間短,變形速率快,變形量大,易坍塌”的特點(diǎn),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(yán)重時會造成塌方冒頂?shù)膯栴}。在軟巖隧洞開挖應(yīng)力調(diào)整階段完成后,圍巖在相對穩(wěn)定應(yīng)力作用下發(fā)生持續(xù)蠕變,其累計變形量可達(dá)500 mm。采用普通小變形錨桿支護(hù)時,常因錨桿不能適應(yīng)隧洞圍巖變形而有拉斷失效的風(fēng)險[20]。對此,已有學(xué)者研發(fā)了具有較高恒定支護(hù)力和拉伸變形量、適應(yīng)軟巖隧洞大變形的負(fù)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(gòu)模型分析與物理試驗(yàn)研究[21]。現(xiàn)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(hù)體系作用機(jī)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(qū)動的圍巖大變形特征及變形控制策略;研究適應(yīng)于圍巖大變形的新型錨噴支護(hù)體系成套技術(shù)及其與圍巖的相互作用機(jī)制; 研究不同錨固支護(hù)類型對圍巖大變形的控制效應(yīng),建立圍巖大變形控制措施應(yīng)用效果的量化評價方法。

2.4 高地應(yīng)力下硬巖巖爆的預(yù)測預(yù)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(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象。在巖爆類型劃分方面,馮夏庭等[22-23]基于掌子面推進(jìn)時間與巖爆發(fā)生時間的關(guān)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(jù)巖爆高地應(yīng)力的成因,將巖爆劃分為自重應(yīng)力型、構(gòu)造應(yīng)力型、變異應(yīng)力型和綜合應(yīng)力型。近年來,微震監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展為深埋隧洞建設(shè)過程中面臨的巖爆災(zāi)害預(yù)測預(yù)報提供了新的手段,如文獻(xiàn)[25-26]針對中國錦屏二級水電站深埋隧洞群巖爆風(fēng)險開展了連續(xù)的微震監(jiān)測與分析預(yù)警工作,有效地減少了巖爆災(zāi)害損失。但目前在針對不同類型巖爆發(fā)生的深層次機(jī)制、有效及時的預(yù)測預(yù)報方法以及成體系的災(zāi)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(xiàn)場巖爆模擬試驗(yàn),研究巖爆孕育過程中微裂紋擴(kuò)展、局部應(yīng)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(yīng)變能動態(tài)釋放特征,建立圍巖應(yīng)變能調(diào)整速率及巖爆的應(yīng)變能密度判據(jù),提出巖爆綜合預(yù)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(yīng)力解除爆破技術(shù)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(shù),以及基于TBM 掘進(jìn)速率控制及切縫應(yīng)力解除的巖爆控制技術(shù)。

3 隧洞穿越活斷層圍巖-襯砌災(zāi)變機(jī)制與抗斷技術(shù)

跨流域調(diào)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(nèi)外對活動斷裂的形變場和應(yīng)力場演變特征及規(guī)律認(rèn)識尚不清晰。同時,隧洞穿越活斷層的應(yīng)對措施和設(shè)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(gòu)造穩(wěn)定性研究中的重要部分,其主要研究任務(wù)是對可能引起工程災(zāi)害效應(yīng)的斷裂活動行為、強(qiáng)度、特點(diǎn)進(jìn)行研究并給予評價。雖然近幾十年來許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究,但在活動斷裂的工程活動性分帶及其對應(yīng)的活動模式上迄今尚不能實(shí)現(xiàn)精確的預(yù)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(nèi)構(gòu)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(xué)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(gòu)造巖及圍巖地球化學(xué)成分、礦物學(xué)研究等手段判定; 從力學(xué)角度,可以通過活動斷層工程活動性分帶的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)參數(shù),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(yīng)變速率并為既定工程年限內(nèi)滑動量的計算提供應(yīng)變速率約束。

3.2 不同斷層活動模式下隧洞圍巖-襯砌結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征及分析方法

活動斷層運(yùn)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(yùn)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(dāng)考慮活斷層活動對隧洞的影響時,也應(yīng)該根據(jù)其不同的活動模式進(jìn)行考量,國內(nèi)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(jìn)行分析時,難以區(qū)分不同地質(zhì)成因、不同錯動機(jī)制的斷層,制約了隧洞抗錯斷分析結(jié)果的可信度。因此,建議在對隧洞結(jié)構(gòu)的錯斷破壞分析過程中,針對不同斷層機(jī)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(chǔ),研究不同錯斷條件下隧洞結(jié)構(gòu)破壞的變形機(jī)制、響應(yīng)特征、破壞演化規(guī)律,進(jìn)一步地提出隧洞錯斷破壞的穩(wěn)定性評判標(biāo)準(zhǔn)及服役狀態(tài)評價方法;在現(xiàn)有抗錯斷設(shè)計概念的基礎(chǔ)上,針對不同斷層模式、地質(zhì)條件下的抗錯斷性能提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗斷措施的優(yōu)化方法。

3.3 隧洞穿越活斷層圍巖-襯砌災(zāi)變機(jī)制與抗斷技術(shù)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(yīng)力集中效應(yīng),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(fù)雜。在活動斷層帶圍巖-襯砌相互作用的致災(zāi)機(jī)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(diào)性和破壞機(jī)制認(rèn)識不足。各類圍巖襯砌抗斷技術(shù)旨在減小活動斷層對襯砌結(jié)構(gòu)的破壞作用,其按照設(shè)計理念的不同可分為: 1)“超挖設(shè)計”; 2)“鉸接設(shè)計”,即采用較短的襯砌節(jié)段,在各剛性襯砌階段間設(shè)置變形縫,選擇柔性接頭連接; 3)“隔離消能設(shè)計”,即采用內(nèi)外2層的復(fù)合式襯砌形式,其由初期支護(hù)、二次襯砌及中間的回填柔性材料組成[30]。國內(nèi)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(jī)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(shè)計理論與災(zāi)害防治技術(shù)研究現(xiàn)狀,本文認(rèn)為還存在如下關(guān)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(gòu)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(diào)性和破壞機(jī)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(jī)制,對比隧洞穿越活斷層時各類不同結(jié)構(gòu)形式(帶波紋管鋼管、洞內(nèi)明管穿越與復(fù)合襯砌等)的作用效果,分析既定工程使用年限范圍內(nèi)不同累積位移量級與地震設(shè)防烈度條件下各種穿越形式的適應(yīng)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(yīng)的破壞模式; 5)基于隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的典型破壞特征,研究隧洞襯砌結(jié)構(gòu)穿越活斷層的工程應(yīng)對措施。

4 深埋隧洞圍巖-支護(hù)體系協(xié)同承載機(jī)制與全壽命設(shè)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(chǎn)生2個主要效應(yīng): 一是對周邊巖體形成擾動,使其發(fā)生應(yīng)力重分布,并在應(yīng)力調(diào)整過程中產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(fù)雜多變以及深埋隧洞鉆孔探測的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)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(zhǔn)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(shè)計的主要難點(diǎn)。

4.1 深埋輸水隧洞滲控設(shè)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(gòu)造裂隙水,使襯砌結(jié)構(gòu)承受較高外水壓力。從隧洞襯砌結(jié)構(gòu)安全考慮,為避免其承受較大的外水壓力,現(xiàn)有處理方式實(shí)質(zhì)上是在滲控措施方面解決“排”與“堵”的關(guān)系[31]。以排為主的措施能夠?qū)⑺矶匆r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(chǎn)生負(fù)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(chǎn)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(cè)滲水不斷增大,最終達(dá)到外水水頭,威脅襯砌結(jié)構(gòu)安全。因此,現(xiàn)有高外壓隧洞滲控設(shè)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(dǎo)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(xiàn)行的單一折減系數(shù)確定的設(shè)計外水壓力,往往與實(shí)際情況不相符,但此又成為襯砌設(shè)計的控制因素。因此,在大埋深輸水隧洞圍巖滲控設(shè)計與高外水壓力確定方面,還需應(yīng)用巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流理論,研究高地下水位下深埋隧洞施工、運(yùn)行期的滲流狀態(tài),發(fā)展便于工程設(shè)計操作的外水壓力確定方法;研究灌漿體滲透系數(shù)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(jī)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(shù)。

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

隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)是控制圍巖變形和防止圍巖失穩(wěn)的主要措施,其本質(zhì)作用包括“調(diào)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(xué)性質(zhì),進(jìn)而提高圍巖的自承能力,或通過分擔(dān)地層開挖誘發(fā)的附加荷載協(xié)助圍巖盡快達(dá)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(dān)荷載的主體。從理論上講,支護(hù)作用下的隧洞開挖就是圍巖釋放應(yīng)力在支護(hù)與圍巖結(jié)構(gòu)之間重新分配的過程,圍巖的穩(wěn)定受到圍巖巖性、支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)時機(jī)以及施工過程的影響,因此“支護(hù)-圍巖”相互作用關(guān)系是隧道設(shè)計理論的核心問題[34]。現(xiàn)有研究對于超前支護(hù)、初期支護(hù)、二次襯砌等各階段支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系的認(rèn)識還不夠深入,并未能將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作為一個統(tǒng)一整體,圍巖-支護(hù)體系協(xié)同承載機(jī)制還不明確,對圍巖、初期支護(hù)與二次襯砌荷載分擔(dān)比例問題還存在諸多爭議,造成了工程實(shí)踐中的大量浪費(fèi)。故而,深入研究深埋輸水隧洞圍巖-支護(hù)體系協(xié)同承載機(jī)制,并據(jù)此建立隧洞長期安全控制的全壽命設(shè)計理論將是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

基于深埋輸水隧洞圍巖-支護(hù)體系承載安全控制的研究現(xiàn)狀和工程建設(shè)的迫切需求,建議重點(diǎn)開展以下研究: 1)分析復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和荷載作用下隧洞圍巖-支護(hù)體系受力的性狀演化規(guī)律,揭示隧洞圍巖-支護(hù)體系協(xié)同承載性狀演化的宏細(xì)觀力學(xué)機(jī)制; 2)研究復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和荷載作用下隧洞圍巖和支護(hù)體系受力的各自承載比例,揭示隧洞圍巖和支護(hù)體系承載轉(zhuǎn)移規(guī)律和時效演化特征,并進(jìn)一步建立復(fù)雜地層條件下隧洞圍巖-支護(hù)體系協(xié)同承載的安全控制標(biāo)準(zhǔn); 3)研究隧洞圍巖-支護(hù)體系協(xié)同承載性狀演化的時變可靠度設(shè)計方法,提出與之相適應(yīng)的隧洞全壽命周期設(shè)計準(zhǔn)則,并進(jìn)一步構(gòu)建深埋輸水隧洞圍巖-支護(hù)體系長期安全控制的全壽命設(shè)計理論。

5 高壓水害等不良地質(zhì)條件下深埋長隧洞施工災(zāi)害處治技術(shù)

高壓突涌水等不良地質(zhì)的超前預(yù)報及TBM穿越富水和復(fù)雜地層的災(zāi)害控制一直是困擾深埋長隧洞施工的技術(shù)難題,目前,國內(nèi)外隧道超前預(yù)報在含水構(gòu)造的定量預(yù)報、中小構(gòu)造識別定位等方面的研究尚處于初步階段。研究不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確定量探測方法及其誘發(fā)災(zāi)害的快速處置技術(shù)、實(shí)現(xiàn)TBM卡機(jī)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(guān)鍵技術(shù)問題亟待研究解決。

5.1 深埋長隧洞施工過程災(zāi)害水源等不良地質(zhì)的超前定量探測及預(yù)報

現(xiàn)有隧洞巖溶裂隙水與不良地質(zhì)的超前地質(zhì)預(yù)報方法按原理可分為地質(zhì)分析類、超前鉆探類、地震反射類(如地震反射負(fù)視速度法、TSP法和TRT法)、電磁類(如地質(zhì)雷達(dá)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(shù)方法有其相應(yīng)的適用范圍、敏感特性和優(yōu)缺點(diǎn)[35]。其中,對含水體響應(yīng)較敏感的物探方法主要有地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、激發(fā)極化法和電阻率法等,但由于物探結(jié)果具有多解性,單一預(yù)報方法準(zhǔn)確度存疑,有效探測距離也有顯著差異,存在局限性,如地質(zhì)雷達(dá)便存在探查距離較短(＜30 m)、數(shù)據(jù)資料解譯困難、預(yù)報精度易受干擾等不足。瞬變電磁法探測距離較長(可達(dá)40～60 m或更遠(yuǎn)),但目前尚未解決精確定位的計算問題,缺乏試驗(yàn)研究[36]。

大量隧洞工程災(zāi)害案例表明,現(xiàn)有超前地質(zhì)預(yù)報方法無法解決隧洞較長距離災(zāi)害水源的準(zhǔn)確探測,往往造成巖溶涌水、突泥等重大災(zāi)害,還需深入開展以下研究: 1)研究用于構(gòu)造探測和巖體質(zhì)量評價的三維地震超前預(yù)報技術(shù),用于災(zāi)害水源三維成像、水量估算的前向激發(fā)極化和陣列雷達(dá)技術(shù),以及用于巖體結(jié)構(gòu)精細(xì)識別的隨鉆探測技術(shù); 2)研發(fā)基于云計算和大數(shù)據(jù)的多元預(yù)報信息的聯(lián)合反演、實(shí)時解譯和虛擬現(xiàn)實(shí)平臺,實(shí)現(xiàn)不良地質(zhì)的快速識別、三維成像及巖體力學(xué)信息的準(zhǔn)確評價; 3)研究四維廣域?qū)崟r感知監(jiān)測理論和技術(shù)(全波形微震、電阻率成像和分布式光纖),突破突涌水災(zāi)害的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)挖掘、前兆預(yù)測和臨災(zāi)預(yù)警等難題; 4)針對TBM環(huán)境超前地質(zhì)預(yù)報難題,研究震電聯(lián)合反演實(shí)時超前預(yù)報技術(shù)和裝備。

5.2 深埋長隧洞強(qiáng)富水地層超高壓預(yù)注漿和高壓突/涌水快速處治技術(shù)

針對強(qiáng)富水地層條件下,深埋長隧洞的預(yù)注漿封堵及涌水處置已有大量工程實(shí)踐研究,如孫振川等[37]為解決引漢濟(jì)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(shù),配合新型注漿材料,實(shí)現(xiàn)了對高壓富水裂隙出水的有效封堵; 譚忠盛等[38]針對關(guān)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(shù),并采用地表導(dǎo)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(xiàn)階段突涌水災(zāi)害治理研究主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn),還存在理論落后實(shí)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(shù)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(yùn)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(yīng)規(guī)律的預(yù)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(jié)構(gòu)灌漿封堵加固機(jī)制; 3)研發(fā)超高壓灌漿設(shè)備,研究灌漿施工工藝,形成超高壓預(yù)注漿成套技術(shù); 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(shù)和膜袋封閉等技術(shù),形成涌突水快速灌漿處理技術(shù)。

5.3 不良地質(zhì)條件造成TBM卡機(jī)的高效脫困處置技術(shù)

TBM用于隧洞施工具有施工安全、成洞質(zhì)量好、掘進(jìn)速度快、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn),但TBM也存在設(shè)備龐大、在機(jī)頭段無法及時開展圍巖支護(hù)、對斷層破碎帶等不良地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差等不足,易發(fā)生卡機(jī)事故[39-40]。各類卡機(jī)事故按成因可分為卡刀盤、卡護(hù)盾和姿態(tài)偏差造成卡機(jī),而工程實(shí)踐中采用的TBM卡機(jī)脫困技術(shù)主要有側(cè)導(dǎo)坑法、超前化學(xué)灌漿法、輔助坑道法、設(shè)備技術(shù)改造法以及設(shè)備后退法等[41]?，F(xiàn)有基于工程實(shí)踐的TBM卡機(jī)脫困研究主要關(guān)注卡機(jī)災(zāi)害發(fā)生后的處置對策,對TBM卡機(jī)災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)制及風(fēng)險預(yù)測研究不足,未能形成針對不同不良地質(zhì)類型下卡機(jī)事故的系統(tǒng)性處置技術(shù)。因此,還需深入開展如下研究: 1)研究TBM在不同地質(zhì)條件下的卡機(jī)致災(zāi)機(jī)制及防控對策; 2)研究結(jié)合圍巖變形實(shí)時監(jiān)測與超前地質(zhì)預(yù)報的卡機(jī)預(yù)測方法,提出基于超前支護(hù)、圍巖加固和非支護(hù)措施的卡機(jī)防控綜合技術(shù)方案; 3)研究TBM卡機(jī)后的脫困技術(shù)和圍巖支護(hù)措施,提出不同地質(zhì)條件下不同類型TBM卡機(jī)脫困的針對性預(yù)案,形成富水、軟巖和破碎帶等不良地質(zhì)條件下TBM卡機(jī)脫困成套處理技術(shù); 4)研究TBM掘進(jìn)信息化智能控制關(guān)鍵技術(shù),提出TBM掘進(jìn)參數(shù)與圍巖支護(hù)方案優(yōu)化決策方法,實(shí)現(xiàn)TBM隧洞的長距離安全高效掘進(jìn); 5)開展多風(fēng)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(shù)研究。

6 結(jié)語

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展,將有越來越多的跨流域輸水工程建設(shè)進(jìn)入規(guī)劃實(shí)施,需要開展持續(xù)的科技攻關(guān)和技術(shù)創(chuàng)新。本文具體闡述了復(fù)雜地質(zhì)條件下跨流域調(diào)水深埋長距離輸水隧洞建設(shè)實(shí)踐中面臨的一些“瓶頸”問題和關(guān)鍵技術(shù), 包括深埋隧洞工程的勘探、試驗(yàn)及測試技術(shù),深埋隧洞圍巖大變形及巖爆預(yù)測與防控技術(shù),隧洞穿越活斷層圍巖-襯砌災(zāi)變機(jī)制與抗斷技術(shù),深埋隧洞圍巖-支護(hù)體系協(xié)同承載機(jī)制與全壽命設(shè)計理論和方法以及高壓水害等不良地質(zhì)條件下深埋長隧洞施工災(zāi)害處治技術(shù)5個方面,指出了當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵工程科學(xué)技術(shù)問題及其發(fā)展方向,可為今后超長深埋隧洞工程建設(shè)提供一些參考。