小浪底引黃工程深埋隧洞地應(yīng)力及地溫問題分析

李修選

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原030024）

隧洞常用于大型引水工程、地下工程、鐵路、公路等領(lǐng)域中，伴隨隧洞埋深增加，隧洞的圍巖應(yīng)力及溫度也會相對升高，當圍巖應(yīng)力及地溫達到一定程度，對隧洞的施工有著較大影響，因此對隧洞的圍巖應(yīng)力及地溫問題進行分析對隧洞的設(shè)計及施工具有重要意義。

1 工程概況

小浪底引黃工程2#隧洞為引黃河入涑水河控制性工程之一，起止樁號為6＋403～59＋594，全長約53.2km。隧洞一般埋深小于400 m，樁號33＋000～47＋150段洞線通過中條山山脈，其為涑水河與板澗河的地形分水嶺，隧洞沿線地形起伏較大，其中樁號33＋000～38＋200段地面高程為850～1330 m，地形逐漸增高，洞頂圍巖厚度410～840 m（隧洞設(shè)計底高程在485.2m）。樁號38＋200～47＋150段地面高程為1330～630 m，地形逐漸降低，洞頂圍巖厚度140～840 m。其中樁號37＋900～39＋000段為整個洞線埋深最大段，隧洞埋深770～840 m。

該段隧洞位于尖山向斜的北西翼，主要為單斜巖層，巖層總體傾向南東，傾向隧洞進口方向（后川河河谷）。該段隧洞主要通過涑水群衛(wèi)家?guī)X組（Asw）及小嶺組（Asx）地層，巖性為變質(zhì)巖，主要為混合巖化黑云斜長（二長）片麻巖、斜長角閃巖、磁鐵石英巖、大理巖、混合花崗巖、斜長角閃巖夾白云片巖等，巖性較硬～堅硬，多屬堅硬巖。巖層及片麻理產(chǎn)狀為N6～35°WNE∠33～56°。本段巖層經(jīng)歷過強烈的區(qū)域變質(zhì)及混合巖化作用，因此巖性較為復(fù)雜。巖層、片麻理走向與洞軸線夾角25～30°。

2 隧洞圍巖地應(yīng)力及巖爆分析

巖爆是巖體中聚積的彈性變形能在地下硐室開挖中突然猛烈釋放，使巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象，是一種施工地質(zhì)災(zāi)害。巖爆的發(fā)生是一種復(fù)雜的非線性動力學(xué)現(xiàn)象，其控制和影響因素較多，成因機制復(fù)雜。主要有兩大影響因素：一是巖石的性質(zhì)；二是圍巖的應(yīng)力。該段隧洞通過地層巖性為堅硬脆性的變質(zhì)巖，巖體較完整，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育少。有強度高的巖體，具備儲存高能量的環(huán)境；隧洞埋深400～800 m，具備高地應(yīng)力條件。當隧洞開挖時使巖體中聚積的彈性變形能有空間釋放出來，因此可能會產(chǎn)生巖爆問題。

為了對本段深埋隧洞巖爆分級進行分析評價，必須對隧洞圍巖應(yīng)力進行分析研究。ZK12d-8號鉆孔位于洞線樁號36＋260處，位于深埋隧洞段的中間部位，對ZK12d-8號鉆孔采用水壓致裂法進行地應(yīng)力測試，具較好代表性，地應(yīng)力測試結(jié)果見表1。各測段水平最大主應(yīng)力（SH）值為13.54～20.05MPa，各測段水平最小主應(yīng)力（Sh）值為7.00～9.52MPa。估算出的各測段的垂直應(yīng)力（Sv）值為4.29～9.91MPa；工程區(qū)范圍內(nèi)以構(gòu)造應(yīng)力為主，且SH＞Sh＞Sv。在洞線高程附近最大主應(yīng)力方向為N27°～32°E，與洞軸線夾角85°左右，對隧洞邊墻圍巖穩(wěn)定不利。在水壓致裂測試過程中獲得孔壁巖石的原地抗張強度值為2.08～4.91MPa。

表1 ZK12d-8號孔水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)果

根據(jù)鉆孔內(nèi)最大、最小主應(yīng)力實測值進行線性回歸計算，得出最大、最小主應(yīng)力值與埋深（h）的線性回歸關(guān)系表達式為：SH=（h＋239.5）/39，Sh=（h-98.8）/37.26。根據(jù)線性回歸關(guān)系表達式推算埋深在550～800 m間的水平最大主應(yīng)力值為20.24～27.68MPa。依據(jù)現(xiàn)行《工程巖體分級標準》(GB50218-98)和《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)附錄Q進行巖爆判別。推算結(jié)果及巖爆分級成果見表2。

表2 推算結(jié)果及巖爆（分級成果）預(yù)測

由表2知樁號33＋100～42＋500段洞頂圍巖厚度在470～840 m，據(jù)實測及推算結(jié)果可知隧洞巖體處于極高應(yīng)力狀態(tài)，在隧洞開挖過程中有可能產(chǎn)生中等巖爆，在設(shè)計施工應(yīng)采取相應(yīng)的防護措施。特別是樁號37＋900～39＋000段洞頂圍巖厚度可達750～840 m，推算水平最大主應(yīng)力值為25.37～27.68MPa，隧洞圍巖有較強的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在隧洞設(shè)計施工時應(yīng)特別注意?？刹捎脩?yīng)力解除法、注水軟化法和使用錨栓＋鋼絲網(wǎng)＋混凝土支護等方法預(yù)防巖爆。

3 隧洞地溫分析

高地溫可以造成隧洞空氣溫度升高，惡化施工作業(yè)環(huán)境，降低人員及機械設(shè)備工作效率，甚至威脅施工人員的健康和安全；高地溫影響施工及建筑材料的選取，應(yīng)選用適合高溫下的材料；高地溫影響隧洞的支護和襯砌，可能引起襯砌的開裂，對襯砌結(jié)構(gòu)安全及耐久性不利。

為分析地溫對施工的影響，對本段洞線上ZK12d-9、8、33號深孔中進行了地溫測試。其中ZK12d-9、8、33鉆孔分別位于隧洞樁號32＋610、36＋26039＋570處，位于隧洞最大埋深段兩側(cè)。地溫測試采取中國科學(xué)院地球物理研究所研制的87-1型數(shù)字測溫儀，測試成果曲線圖見圖1。

圖1 地溫測試成果曲線圖

從地溫測試成果曲線可知，孔口附近受氣溫影響較明顯，ZK12d-9、33號孔中溫度隨深度的加深呈現(xiàn)正常的地熱增溫。孔中溫度基本以0.1～0.4℃/10 m的速率增加。在本段隧洞埋深400～540 m段，洞線高程附近孔內(nèi)溫度在17.7～24.6℃。按0.3℃/10 m的增加速率，推算隧洞埋深650 m溫度達到28.0℃。樁號37＋400～39＋200段隧洞埋深650～840 m處溫度在28.0～33.6℃左右。

另外，據(jù)ZK12d-8號鉆孔資料，在孔深260 m和孔深400 m段分布承壓水?？咨?60段承壓水孔口涌水量在35m3/h左右，孔深400 m以上段孔口涌水量在60 m3/h左右。受承壓地下水的影響，ZK12d-8號孔內(nèi)實測溫度一般在33.3～37.7℃，在孔深260 m段溫度最高達37.7℃，在孔深400 m、440 m段溫度分別為35.3℃、36.3℃。

綜上可知，隧洞埋深400～650 m洞段地溫在17.7～28.0℃左右，推算樁號37＋400～39＋200段隧洞高程附近溫度在28.0～33.6℃左右，樁號36＋260段由于承壓地下水的影響，孔內(nèi)溫度在33.3～37.7℃。依據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》（SL303-2004），規(guī)定硐室內(nèi)平均溫度不應(yīng)超過28℃，而樁號36＋200～39＋200段隧洞高程附近溫度超過28.0℃，最高實測地溫達到37.7℃。故該段隧洞施工存在高地溫問題，建議設(shè)計施工時采取降溫措施。

4 結(jié)語

1）本段深埋隧洞巖體處于高、極高應(yīng)力狀態(tài)，可能產(chǎn)生輕微～中等巖爆。樁號37＋900～39＋000段隧洞圍巖有較強的應(yīng)力集中現(xiàn)象，施工過程中應(yīng)特別注意。可采用應(yīng)力解除法、注水軟化法和使用錨栓＋鋼絲網(wǎng)＋混凝土支護等方法預(yù)防巖爆。

2）樁號36＋200～39＋200段隧洞高程附近溫度超過28.0～37.7℃，最高實測地溫達到37.7℃，隧洞施工存在高地溫問題，建議采取施工降溫措施。

3）隧洞最大埋深段的地應(yīng)力、巖爆等級及地溫為推測結(jié)果，施工開挖過程中應(yīng)進行監(jiān)測，提前預(yù)防，保證施工的順利進行。