喜馬拉雅地區(qū)隧洞工程地質(zhì)問題及對策

［印度］H.R.夏爾馬 等

在徑流式水電站中，主要建筑物，如導(dǎo)流洞、沉砂池、沖砂洞，引水洞、廠房、調(diào)壓井、壓力井、尾水洞等，均布置在地下。這些地下建筑物的建設(shè)對工程師是極大的挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)建筑物位置存在軟弱、易碎巖體和剪切帶時。當(dāng)洞線通過巖性條件復(fù)雜多變、構(gòu)造帶富水的活動構(gòu)造帶時，因常出現(xiàn)涌泥、擠出變形、洞壁鼓脹、涌水、高溫和有害氣體等，隧洞掘進(jìn)會很危險，投資因此而巨大。在喜馬拉雅山這樣新構(gòu)造活動的山區(qū)，隧洞施工中發(fā)現(xiàn)，圍巖條件相對較差，受大量褶皺、斷層和逆沖斷層的影響，許多地方地下水豐富。

在喜馬拉雅地區(qū)，水利水電工程隧洞掘進(jìn)過程中，常遇到斷層、逆沖斷層、剪切帶、涌泥、擠出、鼓脹和膨脹、巖爆、涌水、掉塊、地?zé)?、有害氣體等地質(zhì)問題。本文闡述了這些主要工程地質(zhì)問題和相應(yīng)處理措施。

1 斷層、逆沖斷層、剪切帶

大部分的水力發(fā)電項(xiàng)目均位于深山峽谷，便于形成較大的庫容和相對較高的發(fā)電水頭。在印度，大部分水電資源(約75%)蘊(yùn)藏在喜馬拉雅地區(qū):喜馬偕爾邦、北阿坎德邦、查謨和克什米爾以及東北部各區(qū)。從地質(zhì)學(xué)角度講，喜馬拉雅地區(qū)是一個構(gòu)造活動區(qū)，第三紀(jì)始新世－漸新世時期由印度板塊和歐亞板塊碰撞產(chǎn)生。碰撞過程中，印度板塊和歐亞板塊的擠壓導(dǎo)致地殼收縮，南北向的強(qiáng)烈擠壓導(dǎo)致構(gòu)造遷移，并沿喜馬拉雅弧形構(gòu)造帶形成逆沖斷層。

在喜馬拉雅地區(qū)，幾乎每條隧洞都會遇到厚度不等的剪切帶。剪切帶是由褶皺、斷層、逆沖斷層等作用所形成，剪切帶巖體發(fā)生過強(qiáng)烈的變形，發(fā)育有大量平行裂隙。在隧洞工程中，問題的嚴(yán)重程度取決于所遇剪切帶的厚度、分布范圍、性狀及其與隧洞軸線的關(guān)系。隧洞掘進(jìn)遇到剪切帶，會發(fā)生掉塊、流泥，并形成地下空洞，對隧洞的掘進(jìn)非常不利。如果剪切帶中含水(這是經(jīng)常遇到的)，常常會阻礙隧洞繼續(xù)掘進(jìn)，有時隧洞甚至?xí)鈴氐灼茐模@給隧洞掘進(jìn)帶來了極大的困難。剪切帶陡傾，走向與隧洞軸線斜交，夾角30°～40°，洞線穿過剪切帶水平長度15～20 m。多數(shù)情況下，剪切帶含有高水頭承壓水。

如果剪切帶走向與洞軸線正交，其對隧洞施工的負(fù)面影響最小。由于隧洞埋深大，依靠鉆探揭露隧洞地質(zhì)條件存在困難，而且投資大、耗時長，一般根據(jù)地表地質(zhì)填圖，將剪切帶投影到隧洞軸線上。如果由于構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致巖體強(qiáng)烈褶皺，并且斷裂構(gòu)造發(fā)育，特別是在變質(zhì)巖區(qū)，隧洞地質(zhì)條件可能與地表地質(zhì)填圖推測的明顯不同。實(shí)踐證明，在這樣的情況下，隧洞施工時采用超前孔探查技術(shù)確定前方的地質(zhì)條件是非常有效的。例如:在杜爾哈斯蒂(Dul－Hasti)水電站隧洞施工中，在含承壓水的剪切帶中打深約45 m的超前孔是非常有效的。在馬內(nèi)瑞(Maneri)二級水電站隧洞施工中，當(dāng)掘進(jìn)到裂隙密集帶與隔水巖體交界處時，洞頂和掌子面發(fā)生坍塌，并伴有涌水，在掌子面頂拱部位打入75～100 mm直徑的超前孔，下入花管，確定前方是否賦存地下水。

在喜馬拉雅地區(qū)，由于地下開挖工程遭遇逆沖斷層(剪切帶)，許多水電項(xiàng)目延期。在塔波文·維什努加德(Tapovan Vishnugad)水電項(xiàng)目中，由于隧洞施工遇到逆沖斷層(剪切帶)，導(dǎo)致頂拱形成空腔，工期推遲約17個月。應(yīng)急處理措施如下:

(1)為保證掌子面和頂拱穩(wěn)定，進(jìn)行超前灌漿;

(2)洞頂用管棚支撐，多孔無縫鋼管直徑114 mm，長15 m，間距0.3 m，確保頂拱穩(wěn)定;

(3)在適當(dāng)?shù)牟课淮蚺潘?，孔?6 mm，孔深5.0 m，控制地下水滲流;

(4)采用分部開挖法施工;

(5)一次掘進(jìn)控制在1.0 m;

(6)鋼拱架(ISMB 250)支護(hù)，間距0.6 m。

另一個實(shí)例是奇布羅－霍德里(Chibro－Khodri)水電站，霍德里引水隧洞長5.6 km，直徑7 m，穿過Nahan沉積巖，Subathu組和Mandhali組地層被Nahan和Krol逆斷層分割開。隧洞上游側(cè)巖石為砂巖、粉砂巖，下游側(cè)為石英巖、板巖。在 Nahan和Krol逆斷層之間，兩巖層接觸帶發(fā)育一條寬約1 000 m的逆沖斷層帶，逆沖斷層帶分布有紅色頁巖剪切形成的“Sabathu”黏土。實(shí)際開挖過程中，在逆沖斷層帶多次遇到紅色頁巖層，由于巖體失穩(wěn)，發(fā)生了很多問題，導(dǎo)致工期延長了近6 a。最終決定在逆沖斷層帶內(nèi)將直徑7 m的隧洞拆分為3個小直徑隧洞(5 m)施工。

為了處理在剪切帶內(nèi)遇到的地質(zhì)問題，建議采用以下補(bǔ)救措施:

(1)布置超前孔;

(2)必要時，在掌子面布置取芯鉆探，確定剪切帶的準(zhǔn)確位置;

(3)在隧洞周邊布置排水孔;

(4)超前管棚支護(hù);

(5)預(yù)注漿/注漿;

(6)減少裸挖長度;

(7)采用分步開挖法減少隧洞跨度;

(8)掘進(jìn)時同步支撐，必要時回填混凝土。

2 涌泥

涌泥是被地下水浸泡軟化的破碎巖體，像泥漿一樣沒有強(qiáng)度，在壓力作用下涌入隧洞，在細(xì)顆粒為主的物質(zhì)中多含有較大的巖塊。過去，這種現(xiàn)象被稱為“游動”，恰如其分地描述了地下水在其中所起的重要作用和強(qiáng)度的缺失。涌泥產(chǎn)生的初始壓力可能很高，足以摧毀牢固的支撐。涌泥往往發(fā)生在斷層帶、厚的剪切帶、逆沖斷層和地下生物化石層等，在喜馬拉雅地區(qū)的多個項(xiàng)目中都遇到過，比如杜爾哈斯蒂水電站、納斯帕－杰克里(Nathpa－Jhakri)水電站和塔波萬－維什努加德(Tapovan－Vishnugad)水電站。

要解決在地下水壓力作用下的涌泥問題，需對掌子面前方的巖體進(jìn)行排水和加固。在納斯帕－杰克里水電站，遇到涌泥問題，大量的地下水與約40 m厚剪切帶中的非常松軟的巖石一道涌入隧洞。另一個例子是不丹塔拉(Tala)水電站的一條直徑6.8 m的引水隧洞，因涌泥問題致使工期大幅延遲。

針對涌泥問題，“DRESS”技術(shù)(排水、加固、開挖與支護(hù)方案)得到了廣泛應(yīng)用，并已發(fā)展成一項(xiàng)成熟的技術(shù)，在納斯帕－杰克里電站和塔拉電站已得到成功應(yīng)用，操作程序如下:

(1)對掌子面前方巖體進(jìn)行排水;

(2)用灌漿花管超前支護(hù)來加固巖體，掌子面噴混凝土;

(3)分部開挖巖體(分部開挖法);

(4)支護(hù)(主要是鋼拱架)。

在阿蘭杜漢甘(Allain Duhangan)水電站直徑4.0 m的引水隧洞工程中，由于剪切帶走向幾乎平行于隧洞軸線，開挖過程中遇到了嚴(yán)重的涌泥問題，掌子面涌水量達(dá)到200～300 L/s。為此采取了以下措施:

(1)在洞頂拱周邊，打深15 m、Ф89 mm的減壓排水孔;

(2)開挖面用沙袋封堵，并在表面干噴厚層水泥;

(3)管棚支撐采用長10～12 m、Ф89 mm的無縫多孔鋼管;

(4)再次開挖之前，先打先導(dǎo)孔進(jìn)行探查;

(5)利用先導(dǎo)孔進(jìn)行分段預(yù)注漿;

(6)采用分部開挖法施工;

(7)鋼拱架提供垂直支撐，間距0～0.5 m。

3 擠出、隆起和鼓包

隧洞的開挖改變了深部巖體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，隨著時間推移應(yīng)力調(diào)整到一個新的平衡狀態(tài)，只要巖體應(yīng)力水平低于巖體強(qiáng)度，就不會出現(xiàn)隧洞圍巖穩(wěn)定問題。然而，當(dāng)應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度，隧洞圍巖就會逐漸出現(xiàn)破壞，巖體破壞常伴有體脹。隧洞圍巖在應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，破壞巖體向隧洞內(nèi)移動，稱為擠出破壞，擠出破壞與巖體變形和強(qiáng)度特性差有關(guān)。

根據(jù)觀測，擠出破壞產(chǎn)生的位移和作用在支撐上的壓力是很高的，常導(dǎo)致鋼拱架的彎曲變形。多數(shù)情況下，必須擴(kuò)挖，才能滿足設(shè)計(jì)隧洞斷面的要求。

隧洞圍巖吸水和吸附水導(dǎo)致其體積發(fā)生膨脹，膨脹壓力也作用在隧洞支撐上。

隧洞圍巖的擠出變形可以根據(jù)隧洞直徑的收縮率來評價。

(1)輕微擠出變形。隧洞直徑收縮率1%～3%。

(2)中等擠出變形。隧洞直徑收縮率3%～5%。

(3)強(qiáng)烈擠出變形。隧洞直徑收縮率＞5%。

在奇布羅－霍德里電站、馬內(nèi)里－帕利(Maneri－Bhali)電站、烏里Ⅰ(Uri－Ⅰ)電站和納斯帕－杰克里電站，隧洞開挖斷面的17%發(fā)生擠出變形。

如前所述，由于擠出變形，亞穆納河二期5.6 km長的奇布羅－霍德里隧洞在開挖和支護(hù)過程中遇到了嚴(yán)重的問題。最終，不得不將直徑7 m的隧洞分為3個直徑5 m的隧洞。

馬內(nèi)里－帕利二級水電站隧洞直徑6 m，在長40 m的洞段發(fā)生了嚴(yán)重的擠出破壞。在基性巖和石英巖之間發(fā)現(xiàn)了厚層擠壓破碎帶，這一擠壓破碎帶含承壓水，承壓水頭高。由于地應(yīng)力高，基性巖應(yīng)變大，為了克服這一問題，隧洞斷面由馬蹄形改為圓形。為了監(jiān)測圍巖擠出變形情況，中心礦山研究站(CMRS)在擠壓破碎帶中安裝了監(jiān)測設(shè)備。

在納斯帕－杰克里引水隧洞，圍巖為石英云母片巖，巖層走向與洞軸線基本平行，在高地應(yīng)力作用下發(fā)生強(qiáng)烈收斂變形，致使噴護(hù)混凝土產(chǎn)生裂縫，鋼支撐彎曲變形，隧洞斷面縮小300～500 mm。通過對隧洞進(jìn)行超挖，并用適當(dāng)?shù)匿撝芜M(jìn)行支護(hù)，解決了這一問題。

在隧洞通過高地應(yīng)力區(qū)，為了解決巖體擠出變形問題，行之有效的措施如下。

(1)柔性支護(hù)。巖體擠出問題的解決方案之一是采用柔性支護(hù)，柔性支護(hù)上的柔性節(jié)點(diǎn)可以錯動，以適應(yīng)現(xiàn)場圍巖條件。當(dāng)圍巖變形接近允許值時，應(yīng)在支護(hù)間的空隙噴射混凝土，阻止支撐鋼擠在一起。在含黏土或硬石膏膨脹巖的情況下，圍巖擠出問題源于此類巖石具有的吸水膨脹特性，從而導(dǎo)致隧洞底板隆起。在這種情況下，可以設(shè)計(jì)一種襯砌方法，使在不違反操作要求的前提下，允許底板發(fā)生一定量的隆起。在圍巖和仰拱之間墊一層高強(qiáng)度、高壓縮性材料是一個令人滿意的解決方案。設(shè)置有滑動節(jié)點(diǎn)和柔性構(gòu)件的鋼支撐插在噴護(hù)混凝土襯砌上，這樣，襯砌能夠提供足夠的圍巖支護(hù)(所謂的襯砌強(qiáng)度)，同時圍巖的收斂變形可減少作用在最終襯砌上的山巖壓力。

(2)減壓孔?？紫端畨毫Φ姆植己退^影響著巖體的應(yīng)力－應(yīng)變特性。排水措施降低了水頭，抑制了圍巖變形的發(fā)展。

在存在圍巖擠出變形問題的地層中，要順利進(jìn)行隧洞開挖，需要開發(fā)一種可靠、簡便易行的預(yù)測方法，來預(yù)報地質(zhì)條件并確定柔性支護(hù)措施。預(yù)測圍巖擠出變形的經(jīng)驗(yàn)公式如下:

式中H為隧洞埋深(上覆巖體厚度)，m;a為隧洞半徑，m;N為巖體系數(shù)，即隧洞開挖質(zhì)量指標(biāo)Q=(RQD/Jn)(Jr/JA)Jw/SRF，其中，RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)，Jn為節(jié)理組數(shù)，Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù)，JA為節(jié)理修正系數(shù)，Jw為裂隙水折減系數(shù)，SRF為應(yīng)力折減系數(shù)(假設(shè)1)。

另外，還必須確定預(yù)期的支撐壓力和圍巖擠出變形值，來確定有效的處理措施。頂拱襯砌永久壓力Proof根據(jù)Q值按下列公式計(jì)算:

式中Proof為頂拱襯砌壓力;Q為隧洞開挖質(zhì)量指標(biāo);Jn為節(jié)理組數(shù);Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù)。

已知預(yù)期的隧洞擠出變形量，就可以通過設(shè)計(jì)柔性支護(hù)來與之適應(yīng)，并據(jù)此適當(dāng)增大開挖斷面，避免二次開挖。

4 巖爆、剝落與片幫

巖爆是脆性、塊狀巖體在超高地應(yīng)力作用下產(chǎn)生的，往往發(fā)生在深度超過1 000 m的隧洞工程開挖過程中。在埋深較淺的隧洞工程中，如果水平應(yīng)力高或應(yīng)力作用具有強(qiáng)烈的各向異性，也可以發(fā)生巖爆。

據(jù)報道，在卡達(dá)姆巴萊(Kadamparai)電站和帕爾伯蒂(Parbati)二期電站以及納斯帕－杰克里電站的一些隧洞，發(fā)生過巖爆破壞。

帕爾伯蒂二期引水隧洞圍巖為黑云母片巖、碳質(zhì)千枚巖、石英巖和片狀花崗片麻巖。石英巖性脆且為塊狀結(jié)構(gòu)，隧洞開挖過程中，在石英巖洞段發(fā)生了連續(xù)強(qiáng)烈的、一輪接一輪巖爆。

通過減壓爆破的方法，可以避免、限制或控制巖爆的發(fā)生。實(shí)踐證明，薄噴襯砌技術(shù)在防止巖爆發(fā)生上具有顯著的效果，薄噴襯砌技術(shù)是將襯砌材料噴射到洞壁圍巖上，可以單獨(dú)使用，也可以與常規(guī)支護(hù)措施相結(jié)合使用，借以達(dá)到穩(wěn)定圍巖的作用。與裸洞相比，經(jīng)薄噴襯砌技術(shù)處理過的隧洞，洞壁圍巖發(fā)生巖爆破壞明顯減少。

5 楔形體/塊體

埋深較淺的隧洞，在穿越裂隙性巖體時，常見的圍巖穩(wěn)定問題是楔形體產(chǎn)生的洞頂?shù)魤K或洞壁滑塌。楔形體是由于各種結(jié)構(gòu)面相互交叉切割形成的，如層理面和節(jié)理面，這些結(jié)構(gòu)面將巖體分割成不連續(xù)而又相互接觸的塊體。如果結(jié)構(gòu)面是連續(xù)的，或者不連續(xù)結(jié)構(gòu)面上的巖橋破壞解體，一個或多個楔形體將會從開挖面掉落或滑出。

在塊狀巖體中，楔形體破壞的一個特點(diǎn)是，破壞前巖體產(chǎn)生的位移很小。這說明，圍巖中的楔形體沿結(jié)構(gòu)面的位移必須被限制到最小才能保證圍巖的穩(wěn)定，因此支護(hù)系統(tǒng)必須具有足夠的剛度，來抵制圍巖的移動。這意味著，機(jī)械式錨桿需要被張拉，而注漿錨桿或其他耦合裝置可以不張拉，在圍巖發(fā)生移動之前，也就是在楔形體周邊輪廓未完全暴露之前，錨桿應(yīng)安裝到位?？梢赃x擇帶面板的機(jī)械錨桿、全注漿錨桿或者錨索。此外，可以在開挖面噴射混凝土層，這對楔形體的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。

在塊狀圍巖中，噴射混凝土對楔形體起著額外支護(hù)作用，如果運(yùn)用得當(dāng)，是非常有效的。這是因?yàn)樾ㄐ误w的周界較長，因此即使噴射混凝土層較薄，在楔形體破壞之前，要切穿橫截面積較大的噴射混凝土層是很難的。例如，在隧洞頂板噴射10 cm厚的混凝土層，抗剪強(qiáng)度取200 t/m2，安全系數(shù)將從1.40增加到8.5(在有錨桿支護(hù)的情況下)。

6 涌水

在隧洞施工中，涌水是常遇問題，突然涌入的地下水可能造成隧洞坍塌，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，甚至導(dǎo)致停工。在裂隙和節(jié)理發(fā)育巖體與阻水巖體交界帶，洞頂和掌子面坍塌都與涌水相關(guān)。

發(fā)現(xiàn)可能存在地下水的最好方法是在可能的富水區(qū)進(jìn)行超前鉆探，有時還可利用超前鉆孔進(jìn)行灌漿。超前探測是預(yù)防涌水的最好方法，直徑75 mm、深約50 m的超前探孔，就可以提供有價值的資料，據(jù)此確定涌水問題的嚴(yán)重程度。層析成像和地質(zhì)雷達(dá)等物探手段在隧洞超前預(yù)報中正得到越來越廣泛的應(yīng)用，但相對昂貴。有時，采用壓力灌漿和化學(xué)灌漿的方法控制地下水滲流。

在阿蘭杜漢甘引水隧洞施工中，當(dāng)開挖到軟弱巖層(剪切帶)冰川堆積物和古冰川沉積物之間時，發(fā)生了嚴(yán)重涌水問題，涌水量達(dá)到6 000 L/min。涌水的處理措施如下。

(1)用沙袋封堵開挖面，在其上噴射混凝土，防止泥漿從開挖面流出，便于設(shè)置排水孔。

(2)設(shè)置直徑89 mm、長15 m的減壓孔/排水孔。

(3)進(jìn)行深孔分段注漿，注漿材料先用OPC，然后采用微細(xì)水泥、超細(xì)水泥或硅膠，并添加硅粉和其他化學(xué)添加劑。

(4)有些部位，掌子面上覆滿泥漿，水泥灌漿不成功，采用聚氨酯化學(xué)灌漿加固隧洞掌子面。

7 地?zé)?/h2>

據(jù)報道，在喜馬拉雅中部的珀珀?duì)?Bhabha)水電項(xiàng)目，直徑3.2 m的引水洞施工中遇到了非常嚴(yán)重的超高溫地?zé)釂栴}，溫度高達(dá)390～400℃。該項(xiàng)目位于大、小喜馬拉雅帶內(nèi)，沿該帶分布有許多溫泉。地下水、圍巖和洞內(nèi)潮濕的空氣溫度超過320℃，導(dǎo)致洞內(nèi)工作環(huán)境非常惡劣。要在溫度超過320℃隧洞里進(jìn)行施工作業(yè)，就需要配置制冷系統(tǒng)或快速通風(fēng)系統(tǒng)。

在喜馬拉雅中部納斯帕－杰克里項(xiàng)目隧洞施工中，也遇到了同樣的地?zé)釂栴}，涌入隧洞的熱水溫度高達(dá)660℃。

解決地?zé)釂栴}的措施有:

(1)有效的通風(fēng)換氣;

(2)將爆破進(jìn)尺減少到每天1～1.2 m;

(3)施工施行短時輪班制。

8 有害氣體

隧洞施工中遇到的有害氣體有二氧化碳、甲烷、二氧化硫、硫化氫等。在吉里巴塔(Giri Bata)隧洞開挖期間，遇到可燃?xì)怏w，很多工人被嚴(yán)重?zé)齻?。另一個例子是在喜馬拉雅東北部的印度曼尼普爾邦洛格德格(Loktak)電站，在沉積巖層中開挖隧洞，遇到大量的甲烷(沼氣)，掌子面附近發(fā)生爆炸和火災(zāi)，15人死亡，許多人被嚴(yán)重?zé)齻?。在同一地區(qū)，蘭加納迪(Ranganadi)水電站發(fā)生了同樣的事情，在烏里Ⅰ水電站尾水洞開挖中遇到甲烷氣體，但氣體量值遠(yuǎn)低于致災(zāi)界限值。

9 結(jié)語

在喜馬拉雅地區(qū)，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，褶皺、斷層、逆沖斷層和剪切帶等廣泛分布，因而不可避免地存在各種地質(zhì)問題。然而，通過適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)調(diào)查，并在施工過程中采取一定的預(yù)防措施，如超前孔、超前支護(hù)、預(yù)注漿、布設(shè)排水孔和分步開挖法等，可以弱化地質(zhì)問題的嚴(yán)重程度，并減輕地質(zhì)問題造成的損失。

(1)在剪切帶和存在涌泥問題的洞段，采取諸如在掌子面進(jìn)行巖心鉆探確定剪切帶的準(zhǔn)確位置、縮短單次掘進(jìn)長度、與開挖同步支護(hù)并回填混凝土、自鉆式注漿錨桿支護(hù)等，證明是非常成功的。

(2)通過采用柔性支撐，布置減壓孔并安裝儀器監(jiān)測圍巖擠出變形情況，可以成功地解決擠出問題。

(3)在地應(yīng)力集中的脆性塊狀巖體中，通過減壓爆破可以避免、限制或控制巖爆的發(fā)生。

(4)錨桿可以預(yù)防或減輕楔形體破壞，如果運(yùn)用適當(dāng)，在塊狀巖體上噴射混凝土作為輔助支護(hù)是非常有效的。

(5)為有效解決地下水問題，可在可能的富水地帶打超前孔，壓力灌漿和化學(xué)灌漿可以控制地下水的滲流，在合適的位置布置減壓孔/排水孔，并設(shè)置適當(dāng)?shù)呐潘ǖ馈?/p>

(6)隧洞掘進(jìn)中的高地溫和有害氣體問題可以通過有效的通風(fēng)換氣、減少每次爆破的進(jìn)尺、工人采取短時輪班制避免過勞等措施加以解決。