水利水電工程深埋長(zhǎng)隧洞勘察技術(shù)方法

司富安，賈國(guó)臣，高玉生

（1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，100120，北京；2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，300222，天津）

多年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，水利水電和鐵路、公路等行業(yè)相繼修建了一批深埋長(zhǎng)隧洞工程，如國(guó)內(nèi)已建成的遼寧大伙房輸水隧洞、引黃入晉南干線7號(hào)輸水隧洞、穿越秦嶺的鐵路隧洞、錦屏二級(jí)電站引水發(fā)電洞等。其中遼寧大伙房輸水隧洞長(zhǎng)85 km，是當(dāng)今世界上單洞最長(zhǎng)的水工隧洞，錦屏二級(jí)電站引水發(fā)電洞最大埋深達(dá)2500 m，是我國(guó)目前埋深最大的水工隧洞之一。另外，還有一批深埋長(zhǎng)隧洞工程正在施工或正在規(guī)劃設(shè)計(jì)，如新疆某補(bǔ)水工程穿天山隧洞，陜西引漢濟(jì)渭工程穿秦嶺隧洞，南水北調(diào)西線工程克柯—黃河隧洞、扎洛—克柯隧洞，青海引大濟(jì)湟穿大阪山隧洞等，其中最長(zhǎng)的達(dá)77 km，最大埋深達(dá)2200 m。

無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，深埋長(zhǎng)隧洞的工程地質(zhì)勘察技術(shù)還不成熟，還存在不少困難，是水利水電工程地質(zhì)勘察突出的難點(diǎn)之一，主要表現(xiàn)在：

①地面海拔高，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。

②勘察測(cè)試手段跟不上隧洞工程發(fā)展需要，1000～3000 m的深度以及高應(yīng)力、高水頭條件尚缺乏適宜的勘探試驗(yàn)設(shè)備，現(xiàn)有的勘探試驗(yàn)方法選擇受到限制。

③隨埋深的顯著增加，工程地質(zhì)問題更為復(fù)雜，可借鑒的工程實(shí)例不多。

④有關(guān)理論還不夠完善，分析評(píng)價(jià)方法需要摸索。

⑤采用TBM施工是深埋長(zhǎng)隧洞工程發(fā)展趨勢(shì)，相對(duì)于鉆爆法，TBM對(duì)勘察成果的準(zhǔn)確性有更高的要求，而不是可以簡(jiǎn)化。

⑥勘察經(jīng)費(fèi)和工期不足，勘察工作量布置和勘察方法選擇受到明顯限制。

目前，深埋長(zhǎng)隧洞的工程地質(zhì)勘察還處于探索和積累經(jīng)驗(yàn)階段，不僅需要工程地質(zhì)分析、評(píng)價(jià)理論的豐富與完善，更需要勘察技術(shù)與方法的突破與創(chuàng)新。

一、深埋長(zhǎng)隧洞主要工程地質(zhì)問題

隧洞工程可能存在的工程地質(zhì)問題主要有圍巖變形、塌方、巖爆、高外水壓力、突水、突泥和涌水、高地溫、巖溶、膨脹巖、有害氣體、有害水質(zhì)、放射性危害等。從一些工程實(shí)例來看，深埋長(zhǎng)隧洞工程出現(xiàn)上述問題的概率明顯更高，也更為復(fù)雜。在一個(gè)工程中，一般有2～4個(gè)工程地質(zhì)問題會(huì)比較突出，如錦屏二級(jí)發(fā)電洞主要問題是巖爆和涌水，精伊霍鐵路天山隧洞主要是斷層帶、大溶隙涌水，魚箭口發(fā)電洞主要是溶洞突水、突泥，某達(dá)坂輸水隧洞主要是軟巖變形，奇熱哈塔爾發(fā)電洞主要是巖爆和高地溫等。

突涌水、高應(yīng)力條件下的巖爆、軟弱破碎圍巖大變形和高地溫是深埋長(zhǎng)隧洞出現(xiàn)概率比較高的工程地質(zhì)問題，對(duì)工程影響也較大。國(guó)內(nèi)如遼寧大伙房水庫(kù)輸水隧洞、野三關(guān)公路隧洞、精伊霍鐵路天山隧洞、錦屏二級(jí)發(fā)電洞等工程在施工期間曾因大量突水、突泥、巖爆、塌方而出現(xiàn)過人身傷亡和設(shè)備事故，并造成投資增加、工期延誤等不良影響。特別需要提出的是，在極高應(yīng)力條件下，某些中硬巖也存在發(fā)生塑性變形的可能。瑞士圣格達(dá)鐵路隧洞圍巖中存在一種糖粒狀砂巖，在高圍壓下發(fā)生塑性收斂變形達(dá)70 cm以上，曾造成TBM卡機(jī)事故。新疆某達(dá)坂引水隧洞埋深不超過300 m，但地應(yīng)力高，巖石以泥巖與砂巖為主，因圍巖擠壓和膨脹變形造成數(shù)十次TBM卡機(jī)事故。

穿過煤系地層的隧洞，有害氣體和大變形問題最為突出，比較典型的工程有廣渝高速公路華鎣山隧道和南昆鐵路家竹箐隧道。家竹箐隧道實(shí)測(cè)瓦斯壓力最大達(dá)到1.585 MPa，高壓力瓦斯、大變形和大涌水給該隧洞施工造成了很大困難。廣渝高速公路華鎣山隧道不僅有煤層瓦斯，還遭遇了天然氣、二次生化氣及H2S等有害氣體，問題更為復(fù)雜。比較而言，這方面的問題在水利水電工程中較為少見。

隧洞活斷層工程抗斷的已建工程實(shí)例尚未見到，規(guī)劃中的南水北調(diào)西線等幾個(gè)長(zhǎng)大隧洞工程，已將斷裂活動(dòng)性問題作為主要工程地質(zhì)問題之一進(jìn)行研究?？紤]到強(qiáng)烈的破壞性，短時(shí)間內(nèi)形成較大錯(cuò)距的區(qū)域性活斷層應(yīng)盡力繞避，而以緩慢蠕變變形為主的活斷層在工程技術(shù)上是可以克服的。

新疆某隧洞曾因放射性危害造成停工和方案改變，但是總的來說，出現(xiàn)嚴(yán)重放射性危害的工程實(shí)例較少見。大范圍的侵入巖、煤系地層是放射性礦物易于積聚之地，如在工程中遇到此類地層應(yīng)進(jìn)行必要的勘察研究工作。大伙房輸水隧洞等工程勘察期間曾委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行放射性勘探。線路上如存在大范圍放射性礦物，對(duì)施工、水資源危害較大，難以有效處理，應(yīng)首先考慮繞避。

二、深埋長(zhǎng)隧洞工程勘察技術(shù)

1.遙感、地質(zhì)測(cè)繪和調(diào)查

地面地質(zhì)工作仍是隧洞工程的主要勘察手段之一。對(duì)于深埋長(zhǎng)隧洞工程，地質(zhì)調(diào)查和測(cè)繪的內(nèi)容、要求與常規(guī)隧洞工程有所不同。在隧洞埋深達(dá)2000 m甚至更深的情況下，洞線兩側(cè)2 km甚至更遠(yuǎn)的巖體、斷裂都有可能會(huì)出現(xiàn)在隧洞圍巖中，因此測(cè)繪范圍宜擴(kuò)大到隧洞兩側(cè)各2 km以上，有時(shí)為了追蹤重要的地質(zhì)現(xiàn)象，需要擴(kuò)大地質(zhì)測(cè)繪的范圍。

對(duì)于水文地質(zhì)條件的調(diào)查要充分重視，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行專門的水文地質(zhì)、巖溶調(diào)查。洞線附近的小流域與隧洞涌水問題的評(píng)價(jià)有直接關(guān)系，應(yīng)納入調(diào)查與測(cè)繪范圍。高山區(qū)的溪流、泉水往往沒有觀測(cè)資料，測(cè)繪過程中應(yīng)對(duì)地表水體的范圍、水量、水位進(jìn)行調(diào)查，應(yīng)選擇多個(gè)斷面采用簡(jiǎn)易儀器估測(cè)溪流流量，對(duì)泉水應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查與觀測(cè)。高山區(qū)氣溫、降雨量、蒸發(fā)量和降雨入滲規(guī)律與山下存在顯著不同，更缺乏直接的觀測(cè)資料，這些資料對(duì)于預(yù)測(cè)隧洞涌水量、地溫都是必要的，因此有條件時(shí)應(yīng)在洞線附近分高程設(shè)置專門的觀測(cè)站點(diǎn)。

深埋長(zhǎng)隧洞工程勘察范圍大、交通困難，并缺乏基礎(chǔ)地質(zhì)資料，地面調(diào)查與測(cè)繪工作是非常艱難的。而遙感地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)具有宏觀性、周期性、信息量豐富、快捷及成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為深埋長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)勘察的一個(gè)重要手段。如遼寧大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程進(jìn)行了面積2100 km2的1∶50000遙感地質(zhì)解譯工作，通過航片、衛(wèi)片解譯及野外驗(yàn)證，確定了80余條斷裂構(gòu)造，初步確定了巖土體范圍、地質(zhì)界線、地質(zhì)構(gòu)造等；南水北調(diào)西線工程選擇了 ETM、SPOT和SAR等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為主要信息源，重點(diǎn)對(duì)30000 km2范圍內(nèi)的斷裂構(gòu)造進(jìn)行了解譯。

2.綜合物探

除常規(guī)物探方法外，為了探測(cè)深部地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象，近年使用較多的是可控源音頻大地電磁測(cè)深法（CSAMT）和高頻人文大地電磁測(cè)深法（EH4）。如南水北調(diào)西線工程、陜西引漢濟(jì)渭穿秦嶺隧洞工程、新疆某補(bǔ)水工程穿天山隧洞等。

可控源音頻大地電磁法是根據(jù)不同頻率電磁波具有不同穿透深度的特點(diǎn)，利用人工可控源產(chǎn)生音頻電磁信號(hào)，探測(cè)地面電磁場(chǎng)的頻率響應(yīng)從而獲得不同深度介質(zhì)電阻率分布信息和目的體分布特征，其理論測(cè)深可達(dá)1500 m，有效測(cè)深1100 m。與可控源音頻大地電磁法不同，高頻人文大地電磁測(cè)深法利用天然電磁波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，其電磁波頻率相對(duì)較高，探測(cè)深度也相對(duì)淺一些，其理論測(cè)深為1000 m，有效測(cè)深600～800 m。該方法雖然探測(cè)深度大，地形適應(yīng)性強(qiáng)，但是精度還需要進(jìn)一步提高。

由于各種物探方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，深埋長(zhǎng)隧洞物探勘察適宜采用綜合手段，不同方法之間相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，采取點(diǎn)、線、面結(jié)合，定性與半定量結(jié)合的勘探布置和分析原則。

3.深鉆孔

通過鉆探能夠直接了解深部地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水水位與水質(zhì)、巖溶等基本地質(zhì)條件，了解巖體放射性及有害氣體的賦存特征；通過巖芯觀察判斷隧洞圍巖類別，分析巖爆的可能性；通過鉆孔可以取樣或在鉆孔內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)與測(cè)試工作，獲得深部巖體物理力學(xué)參數(shù)等。因此，對(duì)于深埋隧洞工程，鉆探仍是不可替代的主要勘察手段之一。

目前，深鉆孔在國(guó)內(nèi)隧洞工程勘察中的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到較高水平。南水北調(diào)西線隧洞最大鉆孔深度為470 m；精伊霍鐵路北天山隧洞最大鉆孔深度約733 m，平均鉆孔間距約2～3 km；北天山某水工隧洞鉆孔最大深度886 m，平均鉆孔間距達(dá)到3～5 km；安康鐵路秦嶺隧洞鉆孔深度210～603 m，孔間距約2 km；引黃入晉工程隧洞鉆孔深度350 m，平均間距約1 km。國(guó)外也在深埋長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)勘察中使用深鉆孔，如意大利與法國(guó)之間穿越阿爾卑斯山麓的鐵路隧道，長(zhǎng)約54 km，有3.5 km以上洞段埋深超過2000 m，布置了20個(gè)鉆孔，其中有3個(gè)深度超過1000 m，平均鉆孔間距小于3 km；瑞士圣戈達(dá)快速鐵路隧洞和伯倫納鐵路隧洞也都布置深鉆孔，甚至在深孔底部又打水平孔?？梢?，國(guó)內(nèi)外隧洞工程對(duì)鉆探的應(yīng)用都非常重視，并沒有因埋深大、地面工作條件惡劣而減少鉆孔。但限于經(jīng)費(fèi)和設(shè)備能力，不少鉆孔是“懸掛”的，沒有達(dá)到洞身位置。

深鉆孔成本高昂，必須精心設(shè)計(jì)，用于關(guān)鍵部位，并盡量一孔多用，除取芯外，常常利用鉆孔開展物探綜合測(cè)井、地應(yīng)力測(cè)量、孔內(nèi)變形試驗(yàn)、孔內(nèi)電視錄像以及地溫、放射性測(cè)量等試驗(yàn)測(cè)試工作。

4.鉆孔壓水試驗(yàn)

常規(guī)的單管頂壓試驗(yàn)方法在大深度和高壓力下不適用。一方面埋深很大時(shí)巖體吸水量小，常規(guī)橡皮栓塞的密封性能不能滿足要求；另一方面栓塞壓力難以控制，可能會(huì)被“壓翻”導(dǎo)致試驗(yàn)難以成功，并可能造成嚴(yán)重井內(nèi)事故。雙栓塞法技術(shù)可靠并具有高試驗(yàn)精度，中水北方公司在600～850 m深度成功完成多段壓水試驗(yàn)。

關(guān)于試驗(yàn)段長(zhǎng)度，由于深部巖體滲透性較差，試驗(yàn)段長(zhǎng)度不能太短，在吸水量小的情況下適當(dāng)加大試驗(yàn)段長(zhǎng)度反而能降低試驗(yàn)誤差，還可以提高工作效率，如10～20 m一段。

關(guān)于試驗(yàn)壓力，中水北方公司在某工程中采用雙栓塞方法進(jìn)行了常規(guī)壓水和高壓壓水對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示3 MPa和1 MPa試驗(yàn)的透水率相近，顯示常規(guī)水頭壓水試驗(yàn)方法對(duì)于深埋隧洞仍是基本適宜的。

5.長(zhǎng)探洞

錦屏二級(jí)引水發(fā)電洞實(shí)施了超過10 km的勘探洞，獲得了大量難得的技術(shù)資料。黃河大柳樹水利樞紐工程右岸發(fā)電洞也實(shí)施了1.2 km的勘探洞，對(duì)發(fā)電洞成洞條件的論證起到了重要作用。瑞士圣戈達(dá)隧洞為了解皮奧拉（Piora）地層的地質(zhì)條件，開鑿了長(zhǎng)度約為5.5 km的隧洞。瑞士的伯倫納隧洞也采取了類似的勘探方式，在阿爾卑斯山主峰附近開鑿了約1 km長(zhǎng)的探洞。

目前，國(guó)內(nèi)深埋長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)勘察中采用長(zhǎng)探洞的實(shí)例還不多，但在工程建設(shè)初期，結(jié)合施工支洞的施工進(jìn)行一些試驗(yàn)、測(cè)試是必要的。如陜西引漢濟(jì)渭穿秦嶺隧洞，勘察單位就利用施工支洞進(jìn)行了深部巖體變形、物理力學(xué)特性等方面的測(cè)試和試驗(yàn)工作。

6.巖石（巖體）試驗(yàn)

斷層破碎帶等巖體以及泥巖等軟巖，在高應(yīng)力下會(huì)發(fā)生擠壓變形，膨脹巖在水環(huán)境改變時(shí)會(huì)發(fā)生脹縮變形，一些中硬巖甚至硬巖在高應(yīng)力下也存在快速蠕變的可能。在大深度、高應(yīng)力條件下，巖體中的空隙被壓密，巖體與巖石的強(qiáng)度特性較為接近，因此可以通過巖石的不同圍壓三軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M圍巖巖體的工作環(huán)境，了解巖體蠕變條件和特征，解決施工期哪些圍巖在什么條件下會(huì)發(fā)生快速蠕變變形問題，為施工方法選擇、掘進(jìn)機(jī)選型提供基礎(chǔ)資料。

郭志通過試驗(yàn)證實(shí)，溫度在數(shù)十度至百度時(shí)，巖石的力學(xué)性質(zhì)與常溫時(shí)差異不大，可以不考慮高地溫對(duì)圍巖力學(xué)性質(zhì)的影響。但在高圍壓或卸荷條件下，圍巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度差異較大。如某工程圍巖為淺變質(zhì)泥質(zhì)砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度約70 MPa，在30 MPa圍壓下其長(zhǎng)期強(qiáng)度（抗剪強(qiáng)度）僅為峰值強(qiáng)度的一半。因此，對(duì)于大埋深隧洞應(yīng)考慮進(jìn)行巖石（巖體）的高圍壓蠕變?cè)囼?yàn)，以確定巖體的長(zhǎng)期強(qiáng)度，為工程永久支護(hù)提供強(qiáng)度參數(shù)。

針對(duì)掘進(jìn)機(jī)工效的試驗(yàn)研究不容忽視，實(shí)際上刀具選擇不當(dāng)會(huì)明顯影響掘進(jìn)效率，維護(hù)費(fèi)用也大大提高，與此有關(guān)的試驗(yàn)主要有巖石抗壓強(qiáng)度、石英含量、硬度和研磨性等。

三、幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

1.循序漸進(jìn)，逐步深入，重視施工階段的超前勘探

鑒于深埋長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)勘察工作難度較大，存在的工程地質(zhì)問題復(fù)雜，大量的勘探工期較長(zhǎng)，費(fèi)用較高，因此深埋長(zhǎng)隧洞工程宜采取整體構(gòu)思、逐步加深的勘察方式。超前勘探是深埋長(zhǎng)隧洞工程技施階段必不可少的超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手段，對(duì)工程安全施工至關(guān)重要，應(yīng)納入施工工序，并應(yīng)作為技施階段勘察單位的重要勘察任務(wù)。

2.勘探布置應(yīng)抓住重點(diǎn)

隧洞存在的主要工程地質(zhì)問題是前期勘探的重點(diǎn)所在。錦屏二級(jí)發(fā)電洞針對(duì)巖溶涌水問題曾進(jìn)行了全面系統(tǒng)的巖溶調(diào)查和超長(zhǎng)探洞勘探，奇熱哈塔爾發(fā)電洞針對(duì)地?zé)崛鸬母叩販貑栴}進(jìn)行了鉆孔地溫測(cè)量和大范圍泉水調(diào)查。

國(guó)外也是這樣，為了查明關(guān)鍵地質(zhì)問題不惜代價(jià)。如瑞士圣戈達(dá)快速鐵路隧洞，為查明北面圣哥達(dá)“地塊”和南面Pennine片麻巖帶之間皮奧拉地層特征，布置了長(zhǎng)度超過1000 m的定向鉆孔，并在探洞內(nèi)布置了深300 m的垂直孔；瑞士伯倫納鐵路隧洞，為了解一段復(fù)雜洞段的地質(zhì)條件，首先在主峰附近開鑿了一個(gè)長(zhǎng)900 m的勘探洞，洞內(nèi)布置了深800 m的垂直勘探孔，達(dá)到隧洞高程后沿洞線水平方向各延伸了約450 m。

大變形、塌方、突涌水、高外水壓力、巖溶、有害氣體等，往往與斷層有直接或間接的關(guān)聯(lián)，是勘探重點(diǎn)。如引黃入晉工程、精伊霍鐵路天山隧洞、大伙房輸水隧洞等工程主要斷層均布置有鉆孔或探洞進(jìn)行控制。

3.充分利用高科技勘探手段

鑒于深埋長(zhǎng)隧洞的特點(diǎn)，常規(guī)勘察方法已無能為力，必須采用重型勘探設(shè)備和高科技手段。如航空航天遙感、超深鉆孔及孔內(nèi)測(cè)試、大深度地面綜合物探以及“三高”環(huán)境下的巖體力學(xué)試驗(yàn)等。

4.著重針對(duì)基本地質(zhì)條件的勘察，采用多種勘察方法互相補(bǔ)充驗(yàn)證

對(duì)于深埋長(zhǎng)隧洞來說，無論是工程地質(zhì)分析理論還是勘察技術(shù)方法，都還不成熟，認(rèn)識(shí)深部地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象都還比較困難，因此要想在前期勘察設(shè)計(jì)階段完全查明工程地質(zhì)條件是不現(xiàn)實(shí)的，應(yīng)把工作重點(diǎn)放在對(duì)地層分布、巖組劃分、構(gòu)造形態(tài)與特征、水文地質(zhì)條件等基本地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)上，對(duì)于重要地質(zhì)現(xiàn)象、關(guān)鍵地質(zhì)問題的勘察有必要采用多種方法和手段，以互相補(bǔ)充和驗(yàn)證。

5.勘察評(píng)價(jià)內(nèi)容具有針對(duì)性，并與施工方法相適應(yīng)

采用鉆爆法、TBM法結(jié)合方式是深埋隧洞常用的施工解決方案。以鉆爆法突破復(fù)雜洞段，發(fā)揮鉆爆法適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)；條件簡(jiǎn)單洞段采用TBM法，發(fā)揮其掘進(jìn)速度快、效率高的優(yōu)勢(shì)。掘進(jìn)機(jī)只有在地質(zhì)條件適合的范圍才能充分發(fā)揮快速高效的優(yōu)勢(shì)，而不同類型的掘進(jìn)機(jī)又有不同的特點(diǎn)，圍巖類別、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征、巖石的研磨特性等直接影響掘進(jìn)機(jī)效率和運(yùn)行成本。這就要求勘察工作對(duì)圍巖性質(zhì)、大變形等問題有較為充分的認(rèn)識(shí)，勘察深度、提供資料的內(nèi)容必須滿足施工方法選擇需要，與施工方法相適應(yīng)。

6.勘察評(píng)價(jià)注重安全性

現(xiàn)階段對(duì)于深埋長(zhǎng)隧洞主要工程地質(zhì)問題的認(rèn)識(shí)以分析、推測(cè)為主，重點(diǎn)集中在判斷是否存在某些地質(zhì)問題，“查明”是非常困難的。因此對(duì)于涌突水、大變形等關(guān)鍵問題的評(píng)價(jià)應(yīng)注重安全性并留有余地，在TBM選型、工期安排以及支護(hù)、排水等工程措施方面考慮充分，以保證工程施工和運(yùn)行的安全、順利。

[1]宋岳，等.水利水電深埋長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)條件復(fù)雜性的分級(jí)與分類[J].水利水電工程設(shè)計(jì)，2008（4）.

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