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(guó)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(zhǎng)隧洞大量出現(xiàn)，錦屏二級(jí)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(zhǎng)的達(dá)77km，最大埋深達(dá)2200m。深埋長(zhǎng)隧洞在施工過(guò)程遇到的工程地質(zhì)問(wèn)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(shí)深埋水工長(zhǎng)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(guò)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(guó)內(nèi)深埋水工長(zhǎng)隧洞遇到的主要工程地質(zhì)問(wèn)題

2.1 活動(dòng)斷裂抗斷問(wèn)題

引調(diào)水工程線路長(zhǎng)，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(dòng)斷裂，存在活動(dòng)斷裂抗斷問(wèn)題。滇中引水輸水總干渠共穿過(guò)16條工程活動(dòng)性斷裂，其中5條為全新世活動(dòng)斷裂，11條為晚更新世活動(dòng)斷裂，沿活動(dòng)斷裂的突發(fā)地震與位錯(cuò)，對(duì)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(dòng)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(cuò)；潛源最大地震震級(jí)全新世活動(dòng)斷裂為7.5～8.0級(jí)，晚更新世活動(dòng)斷裂為6.0～7.5級(jí)；全新世活動(dòng)斷裂100年位移水平向位錯(cuò)量1.50～2.20m，垂直向位錯(cuò)量值0.26～0.39m；晚更新世活動(dòng)斷裂100年位移水平向位錯(cuò)量值0.06～1.70m，垂直位錯(cuò)量值0.01～0.30m。因此，建筑物穿過(guò)活動(dòng)斷裂段應(yīng)考慮抗斷措施，特別是全新世斷層穿過(guò)硐室時(shí)，巖體破碎洞段按最大位錯(cuò)量采取工程措施設(shè)防，即考慮硐徑、砼襯砌分段長(zhǎng)度、分縫止水材料等。日本熊本大地震就活動(dòng)斷裂曾對(duì)多條隧洞造成破壞。如圖1所示。

圖1 日本熊本大地震活動(dòng)斷層對(duì)隧洞的破壞

2.2 塌方及軟巖變形問(wèn)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(zhǎng)隧洞常遇到的主要工程地質(zhì)問(wèn)題。青海大坂山隧洞2008年TBM施工開(kāi)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(zhǎng)30.69km，其中23.69km為全斷面TBM施工，以泥巖為主，施工過(guò)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(zhǎng)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(lái)深埋長(zhǎng)隧洞的涌水突泥事件屢見(jiàn)不鮮。云南大柱山隧道涌水突泥段長(zhǎng)3.21km，據(jù)稱(chēng)“9年涌出10個(gè)西湖水量”，日涌水量最大12萬(wàn)m3，如圖3所示。北疆調(diào)水隧洞某段發(fā)生過(guò)大于10000m3/d的涌水。秦嶺隧洞發(fā)生過(guò)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(gè)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(kāi)工以來(lái)，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(lái)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(jí)電站輔助洞與引水隧洞發(fā)生高壓涌突水，最大水壓超過(guò)10MPa，流量超過(guò)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(shí)，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(guò)石灰窯斷裂帶時(shí)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(shí)將鋼管擊彎，灌漿堵水困難。

圖6 錦屏二級(jí)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(jí)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(xiǎn)歷時(shí)35天。秦嶺隧洞發(fā)生過(guò)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(wèn)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(wèn)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(zhǎng)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(zhǎng)42km，正在施工。原巖為華力西中期侵入的二長(zhǎng)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(jiàn)原始結(jié)構(gòu)痕跡。遇水快速崩解。相當(dāng)于Ⅴ類(lèi)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(lèi)圍巖，塌方、掉塊；有水時(shí)為Ⅴ類(lèi)。輕蝕變巖石的組織結(jié)構(gòu)基本完整，浸水后基本沒(méi)有巖屑或小的顆粒從巖塊上脫落。相當(dāng)于Ⅲ類(lèi)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(gè)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(wèn)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(zhuān)用設(shè)備對(duì)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(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)多項(xiàng)引調(diào)水工程的深埋長(zhǎng)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(wèn)題。

3 深埋長(zhǎng)隧洞的勘察經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

3.1 資料收集

收集1∶5萬(wàn)和1∶20萬(wàn)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(duì)測(cè)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(guò)航衛(wèi)片解譯。

3.3 地質(zhì)測(cè)繪

地質(zhì)測(cè)繪是深埋長(zhǎng)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(zhǎng)隧洞地質(zhì)測(cè)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(cè)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(cè)深法(CSAMT)。該法具有探測(cè)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(zhǎng)巖洞段大地電磁法電阻率等值線圖

表1 大地電磁測(cè)深法在國(guó)內(nèi)水利深埋長(zhǎng)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(cè)試

一般利用鉆探的深孔開(kāi)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(cè)試、聲波測(cè)井、地溫測(cè)量、防滲性測(cè)量、有害氣體測(cè)量及水位觀測(cè)。

3.6 開(kāi)展必要的專(zhuān)題專(zhuān)項(xiàng)

(1)地震安評(píng)：重要建筑物。

(2)活動(dòng)斷層研究：活動(dòng)性、活動(dòng)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(duì)工程施工和環(huán)境的影響。地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

(4)地應(yīng)力測(cè)試、有害氣體測(cè)試、放射性測(cè)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(cè)地段、方法及工作量。

4 深埋長(zhǎng)隧洞勘察的難點(diǎn)及建議

4.1 勘察的難點(diǎn)

深埋長(zhǎng)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(duì)勘察工作提出了挑戰(zhàn)。

(2)鉆探周期長(zhǎng)，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(wèn)題，做到重大工程地質(zhì)問(wèn)題不遺漏。

(3)物探測(cè)試的地質(zhì)、地球物理?xiàng)l件和邊界特征對(duì)測(cè)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(zhǎng)隧洞地下涌水量在前期勘察工作中只能大致估測(cè)。

(5)目前缺少在大埋深條件下相對(duì)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(zhǎng)隧洞勘察存在的難點(diǎn)及出現(xiàn)的問(wèn)題，提出如下建議：

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

(2)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，地質(zhì)勘察工作貫穿全過(guò)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(kāi)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(wèn)題和現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)反饋給設(shè)計(jì)，為及時(shí)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(shí)開(kāi)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(shí)還要考慮長(zhǎng)、短距離結(jié)合。

(4)進(jìn)行開(kāi)放式技術(shù)研發(fā)。深埋長(zhǎng)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(cè)試技術(shù)與裝備、評(píng)價(jià)理論與標(biāo)準(zhǔn)等。要高度重視技術(shù)創(chuàng)新，建立開(kāi)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(lì)跨行業(yè)、跨專(zhuān)業(yè)開(kāi)展科研和聯(lián)合攻關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

深埋長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)勘察是當(dāng)今人類(lèi)面臨的世界級(jí)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(zhǎng)隧洞，但還沒(méi)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(wèn)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(cè)繪為基礎(chǔ)，廣泛開(kāi)展深部物探探測(cè)，利用深鉆孔和孔內(nèi)綜合測(cè)試，驗(yàn)證或復(fù)核重要地質(zhì)現(xiàn)象，結(jié)合相關(guān)專(zhuān)題、專(zhuān)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(wèn)題；施工階段通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、補(bǔ)充勘察和專(zhuān)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(wèn)題。