齊熱哈塔爾水電站引水隧洞特殊工程地質(zhì)問題

趙國斌, 高玉生, 屈志勇, 胡相波

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 勘察院,天津　300222)

0　引言

深埋長隧洞是水利、水電、交通等領(lǐng)域的關(guān)鍵工程,尤其在中國西部地區(qū)的長距離調(diào)水和引水式發(fā)電工程中,超長距離和超埋深的引水隧洞已經(jīng)起到了主體工程的作用。在深埋長隧洞的定義方面,國際隧道協(xié)會把長度為3～5 km的隧道定為長隧道[1];中國水利水電系統(tǒng)將埋深>600 m的隧洞定義為深埋隧洞;鉆爆法施工長度>3 km、TBM法施工長度>10 km的隧洞定義為長隧洞[2]。

齊熱哈塔爾水電站位于中國帕米爾高原喀喇昆侖山區(qū),為高水頭引水式發(fā)電站。隧洞具備埋深大,距離長,巖性單一,所處構(gòu)造單元復(fù)雜等特點(diǎn),施工過程中出現(xiàn)了巖爆、高地溫等一系列特殊的工程地質(zhì)問題。

1　引水隧洞基本地質(zhì)條件

1.1　工程概況

齊熱哈塔爾水電站位于新疆喀什地區(qū)塔什庫爾干河上,為本河流開發(fā)的第二級電站,上一級為已投入正常運(yùn)行的下坂地水利樞紐,下一級為正在進(jìn)行前期勘察的巴格澤子水電站。

1.2　構(gòu)造特征

引水隧洞區(qū)域為帕米爾、塔里木盆地和昆侖山三個構(gòu)造區(qū)的交匯地帶,斷裂發(fā)育,按其走向可分為北西—南東向和東西或近東西向兩組,其中北西—南東向構(gòu)造最為發(fā)育,斷裂規(guī)模宏大,是區(qū)域主要控制性構(gòu)造。區(qū)域內(nèi)主要存在的構(gòu)造斷裂帶包括喀喇昆侖斷裂、塔什庫爾干斷裂、康西瓦斷裂、布倫口斷裂、安大力塔克斷層、瓦恰斷層、科科什老可斷裂帶等深大斷裂,并且部分?jǐn)嗔阎两袢匀皇禽^為活躍的區(qū)域斷裂。微觀上來看,巖體內(nèi)因動力變質(zhì)作用形成大量片理及片麻理,對巖體強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響。

引水隧洞通過地段斷層發(fā)育,有F2、F3、F4、F11、F12等多條Ⅱ級大型斷層,規(guī)模較小的Ⅲ、Ⅳ級斷層發(fā)育有31條,按產(chǎn)狀主要分為三組,走向分別為NW330°～350°、NE10°～20°和NE60°～70°。

1.3　地層巖性

1.4　巖石力學(xué)特征

巖石室內(nèi)試驗表明,飽和狀態(tài)下單軸壓縮強(qiáng)度σc=76.04～108.45 MPa,為堅硬巖。

三軸壓縮試驗得到的巖石的峰值強(qiáng)度、彈性模量隨圍壓增加而增大,泊松比隨圍巖增加而減小,三者與圍壓均表現(xiàn)出明顯的線性相關(guān),當(dāng)σ3=20 MPa時,峰值強(qiáng)度σc=393.12 MPa。

巴西劈裂試驗表明,不同埋深巖樣的抗拉強(qiáng)度有所差別,主要受巖石的物質(zhì)組成和微觀結(jié)構(gòu)影響較大。天然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度比值為σc/σt=12.75～19.57。

現(xiàn)場點(diǎn)荷載試驗得到的巖石單軸抗壓強(qiáng)度為62.2 MPa,小于室內(nèi)單軸壓縮試驗得到的值。從平行和垂直結(jié)構(gòu)面加載得到的巖石強(qiáng)度指標(biāo)來看,有明顯的差異,分別為66.32 MPa和107.71 MPa,其各項異性系數(shù)為σ⊥/σ∥=1.62,表現(xiàn)出明顯的各項異性特征。

2　引水隧洞特點(diǎn)

2.1　屬超埋深、超長距離引水隧洞

2.2　構(gòu)造活躍區(qū)存在較高的水平地應(yīng)力

區(qū)域內(nèi)存在著至今仍在活動的多條斷裂構(gòu)造,且基本為走滑斷裂,地應(yīng)力測試表明該區(qū)域存在較高水平地應(yīng)力,且最大主應(yīng)力方向與區(qū)域構(gòu)造走向保持一致。

2.3　工程區(qū)域內(nèi)具有較高的大地?zé)崃鞅尘?/h3>

據(jù)中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所龐忠和研究員的研究資料[3],帕米爾高原大地?zé)崃髦礫4]為150～350 mW/m2,在中國能與之相比的只有西藏南部和臺灣地區(qū)。該區(qū)熱流背景值很高,有利于地?zé)嵯到y(tǒng)的形成。另外引水隧洞通過區(qū)域地表有溫泉出露,溫泉水溫2011年11月份測試為67 ℃。

3　高地應(yīng)力問題

本引水隧洞穿越巖性單一,以堅硬巖為主,因此高地應(yīng)力主要表現(xiàn)在隧洞開挖過程中出現(xiàn)的巖爆現(xiàn)象。

3.1　巖爆產(chǎn)生的條件

(1)開挖揭露引水隧洞中90%以上圍巖巖性為片麻狀花崗巖和變質(zhì)閃長巖。該類巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度>60 MPa,由單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度表示的脆性指數(shù)在10～13,由此可見圍巖巖石堅硬、脆性度高。

(2)開挖揭露的多數(shù)洞段裂隙不發(fā)育,僅見有少量閉合的、延伸不長、隨機(jī)分布的許多小微裂隙,且基本處于干燥狀態(tài),Ⅱ、Ⅲ類圍巖類別占全部洞長的80%以上。

(3)高地應(yīng)力的存在,主要表現(xiàn)為:①工程地處帕米爾高原,區(qū)域內(nèi)活動斷裂發(fā)育,由此產(chǎn)生較高的水平地應(yīng)力。②引水隧洞埋深大,垂直應(yīng)力高。③引水隧洞多平行河谷布置,且需要穿過兩條區(qū)域斷裂和3處溝谷地段,由于地形和構(gòu)造產(chǎn)生的局部地應(yīng)力集中現(xiàn)象是存在的。④開挖洞形不規(guī)則產(chǎn)生的局部斷面應(yīng)力集中產(chǎn)生較高地應(yīng)力。

基于上述分析認(rèn)為,無論是初始地應(yīng)力場還是因人為擾動產(chǎn)生的地應(yīng)力集中導(dǎo)致的高水平應(yīng)力在本工程中是普遍存在的,可見巖爆問題的發(fā)生在齊熱哈塔爾水電站引水隧洞的開挖過程中是不可避免的。

3.2　巖爆的表現(xiàn)形式

施工過程中,在上覆巖體厚度僅為70 m的洞段就發(fā)生了“悶雷聲”,表現(xiàn)為無巖體剝落的I級巖爆;部分埋深較小部位發(fā)生了洞壁連續(xù)片狀剝落的Ⅱ級巖爆;在主洞洞段發(fā)生了以右側(cè)(臨河谷一側(cè))拱頂部位連續(xù)剝落、持續(xù)時間長達(dá)2年之久的Ⅱ級巖爆;在局部埋深超過500 m的洞段發(fā)生了具有輕微彈射和塊狀剝落的較高烈度等級的Ⅲ級巖爆,埋深超過1 500 m時出現(xiàn)了較強(qiáng)烈的Ⅲ級巖爆。

本工程巖爆的主要特征包括:①持續(xù)時間長,最長超過2年;②影響深度大,局部影響深度達(dá)1.8 m;③空間范圍廣,沿右側(cè)拱頂連續(xù)長度達(dá)150 m;④發(fā)生位置規(guī)律,巖爆發(fā)生和連續(xù)發(fā)生片狀剝落的位置一般在右側(cè)(臨河一側(cè))起拱線和拱頂范圍內(nèi);⑤破壞模式受隧洞洞向、最大主應(yīng)力方向以及巖體內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況制約明顯;⑥巖爆發(fā)生時普遍有聲響,表現(xiàn)為似玻璃破碎的“噼里啪啦”聲、鞭炮聲、悶雷聲等;⑦巖塊多以剝落的形式與母巖脫落,在掌子面和腰墻部位偶見彈射,且?guī)r塊的脫落往往滯后于施工結(jié)束一段時間,因烈度等級不同滯后時間不同。

3.3　巖爆的影響

巖爆作為一種地質(zhì)災(zāi)害,對于地下工程的施工安全與運(yùn)行安全影響重大,主要表現(xiàn)在:

(1)施工過程揭露的巖爆現(xiàn)象表現(xiàn)出時間上的突發(fā)性、滯后性以及持續(xù)性,因此在巖爆的預(yù)測上有很大難度;

(2)巖爆的破壞表現(xiàn)出空間上的連續(xù),巖爆連續(xù)發(fā)生在斷面的某一位置沿洞向持續(xù)一段距離,且在本工程中這一位置具有規(guī)律性,而零星巖爆表現(xiàn)出明顯的隨機(jī)分布性;

(3)巖爆在斷面同一位置的持續(xù)破壞表現(xiàn)出追溯性,破壞持續(xù)時間長,影響深度大,因此巖爆破壞對該部位在運(yùn)行期的穩(wěn)定影響就成為一個關(guān)鍵問題。

雖然國內(nèi)外對巖爆的研究已經(jīng)很多,但巖爆理論或者預(yù)測與防治方法并不具有普遍的指導(dǎo)意義,因此,施工過程中揭露的巖爆現(xiàn)象也是非常值得總結(jié)與研究的。

3.4　巖爆洞段的防護(hù)措施

(1)開挖后及時對巖爆部位進(jìn)行隨機(jī)錨桿、系統(tǒng)錨桿、錨桿+鋼筋網(wǎng)片、錨桿+鋼筋網(wǎng)片+噴射混凝土、錨桿+鋼纖維混凝土等措施進(jìn)行支護(hù),均取得了有效的防護(hù)效果,阻止了巖爆部位的持續(xù)剝落。

(2)對有彈射的部位采用及時封閉的措施保證施工安全,具體為當(dāng)掌子面發(fā)生彈射時,采用5～10 cm的素混凝土對掌子面進(jìn)行封閉,然后再進(jìn)行開挖。

4　高地溫問題

齊熱哈塔爾水電站引水隧洞開挖過程中有超過3 km的洞段出現(xiàn)了高地溫現(xiàn)象。

4.1　高地溫的表現(xiàn)形式

引水隧洞開挖過程中出現(xiàn)了高溫帶壓氣體噴出、洞壁干熱的高地溫現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為:

(1)超過170 ℃的高溫氣體沿裂隙和鉆孔噴出,且有一定壓力,隨時間的推移,壓力降低直到零;

(2)干熱的洞壁巖體,爆破孔鉆孔過程中掌子面巖體溫度瞬間達(dá)到119 ℃,保持90 ℃以上的洞段長度超過500 m;

(3)在上述兩種熱源的影響下,隧洞內(nèi)空氣溫度保持在50 ℃以上的洞段超過1 km。

4.2　高地溫產(chǎn)生的條件

4.2.1高的大地?zé)崃鞅尘爸?/p>

勘察期鉆孔中進(jìn)行的地溫量測表明:

(1)該區(qū)域內(nèi)存在8～11 ℃/100 m的地溫梯度;

(2)距本工程直線距離100 m的布倫口—公格爾水電站引水隧洞施工過程中也出現(xiàn)了高地溫現(xiàn)象。

上述現(xiàn)象均表明工程區(qū)域內(nèi)存在的高的大地?zé)崃鞅尘爸悼赡軙a(chǎn)生高地溫問題。

4.2.2溫泉的出露

與引水隧洞垂直距離2 km的塔什庫爾干河河谷堆積物中有溫泉涌出。2011年11月溫泉水溫達(dá)67 ℃,且出露高程低于隧洞底板高程分布約100 m。

4.2.3不利于熱量消散的巖體條件

(1)隧洞沿線巖體完整,呈微—新鮮狀,且為微—極微透水條件;

(2)裂隙和斷層構(gòu)造不發(fā)育,不利于外界水源的補(bǔ)給;

(3)完整巖體使得巖體中儲存的熱量不能消散,因此巖體內(nèi)積聚了大量的熱量,開挖過程中隨之釋放,由此造成高地溫問題。

綜上所述,引水隧洞施工過程遇到高地溫現(xiàn)象是不可避免的。

4.3　高地溫的影響

(1)施工難度增大,嚴(yán)重影響施工人員生命安全和施工進(jìn)度;

(2)影響支護(hù)措施的實施,在高溫環(huán)境下,普通混凝土的強(qiáng)度及其與洞壁的粘結(jié)效果會受到極大影響;

(3)二次襯砌混凝土的施工與強(qiáng)度保證措施幾乎不可能實現(xiàn);

(4)外冷里熱(水溫10 ℃以下,巖壁溫度60 ℃以上)的環(huán)境條件下影響混凝土耐久性和洞壁巖體穩(wěn)定。

4.4　高地溫的應(yīng)對措施[5]

在高地溫洞段,采用通風(fēng)、冰塊降溫和縮短工人工作時間等方式艱難地開挖,最終實現(xiàn)了高地溫洞段的貫通。

5　其他工程地質(zhì)問題

除巖爆和高地溫問題之外,洞段穿過區(qū)域斷裂時的穩(wěn)定問題，隧洞涌水的預(yù)測和涌水?dāng)嗔褞У耐馑畨毫栴}也是本工程需要研究的工程地質(zhì)問題。相對而言,這些問題較為常見。

參考文獻(xiàn):

[1]范文田.世界鐵路特長隧道長度的排位問題[G]//鐵路工程建設(shè)科技動態(tài)報告文集(鐵路隧道與地下工程分冊).成都:西南交通大學(xué)出版社,1995.

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