拉洛工程引水隧洞開挖的地質(zhì)條件分析及缺陷處理

周 揚(yáng)，劉春暉

（中國人民武裝警察部隊(duì)水電第三總隊(duì)，610036，成都）

拉洛工程引水隧洞開挖的地質(zhì)條件分析及缺陷處理

周 揚(yáng)，劉春暉

（中國人民武裝警察部隊(duì)水電第三總隊(duì)，610036，成都）

拉洛水利工程位于平均海拔4 000 m以上的青藏高原西部地區(qū)，臨近珠穆朗瑪峰。引水隧洞的開挖受制于地質(zhì)條件，在施工過程中應(yīng)充分了解地質(zhì)條件并加以利用，在合理使用施工技術(shù)的前提條件下處理地質(zhì)缺陷帶來的各類問題，隧洞開挖缺陷處理方式可歸納為三大措施：封閉、排水和預(yù)留保護(hù)層。

德羅引水隧洞；地質(zhì)條件；開挖；地質(zhì)缺陷

拉洛工程中的德羅隧洞全長7.536 km，為無壓洞，進(jìn)出口為城門洞型斷面，洞身標(biāo)準(zhǔn)段為馬蹄形斷面，最大寬度4.2 m，高度4.2 m。隧洞洞身沿山脊西側(cè)延伸，總體走向北西，隧洞沿線地面高程4 300～4 500 m，隧洞一般埋深100～150m，最大埋深213m。

一、地質(zhì)條件分析

1.地形與巖性

德羅隧洞進(jìn)口位于距壩址約6.2 km的加木扎一帶，外臨寬廣平緩的夏布曲河漫灘，高程4 282 m～4 284 m。洞線總體走向330°，沿線地形起伏不平，為剝蝕平緩山丘與侵蝕凹槽地貌。沿線經(jīng)過波炯（山頂高程4 630 m）、波尖（高程4 640 m）、日仁（高程4 825 m）、波日（高程4 815 m）等山脊和凹槽（溝槽底高程4 540 m、4 700 m）。出洞口位于波日北西側(cè)斜坡，高程4 600 m～4 050 m，地形較緩，坡度10°～15°。

沿線附近地層主要為侏羅系，局部有巖漿巖侵入其中，部分地段分布各種成因類型的第四系：

（1）基巖

侏羅系下統(tǒng)日當(dāng)組（J1r）：以黑色頁巖、灰色鈣質(zhì)頁巖為主，局部含灰色細(xì)砂巖、硅質(zhì)、泥質(zhì)條帶、燧石結(jié)核和灰?guī)r團(tuán)塊，主要分布在出洞口一帶。

侏羅系中統(tǒng)遮拉組（J2z）：主要為深灰色、灰色鈣質(zhì)頁巖,含泥質(zhì)、炭質(zhì),夾薄層狀砂巖、極薄層狀板理化細(xì)晶灰?guī)r，局部夾玄武巖及安山巖等，是隧洞所經(jīng)過的主要地層。

侏羅系上統(tǒng)維美組（J3w）：灰色、淺灰色中厚層—巨厚層石英砂巖夾灰黃色、灰黑色粉砂質(zhì)頁巖，含扁豆?fàn)?、球狀硅泥質(zhì)碳酸鹽巖結(jié)核，局部含火山巖，出露于加木扎—日仁—波日一帶山脊。

輝綠巖（βμ）：灰綠色，呈近東西向條帶狀展布，出露于吉隆溝西側(cè)溝坡侏羅系中統(tǒng)遮拉組（J2z）中。

（2）第四系

第四系為洪積（Qpl）、沖洪積（Qal+pl）、洪坡積（Qpl+dl）、崩坡積（Qcol+dl）等不同成因的覆蓋層，巖性主要為碎塊石土，細(xì)粒含量少，碎塊石成分多為石英砂巖，少量石英、頁巖，粒徑一般為10 cm～30 cm，最大的為50 cm～80 cm，含量為50%～70%，多呈次棱角狀。結(jié)構(gòu)松散—密實(shí)，分布于沖溝、斜坡等地段。其中進(jìn)口斜坡處厚度一般為5 m～10 m，出口斜坡處厚度一般10 m～22.4 m，最厚為45.9 m。

2.地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)褶皺構(gòu)造主要為吉定—直崗復(fù)式向斜。德羅隧洞波炯一帶分布一向斜構(gòu)造，南側(cè)巖層傾向近東、傾角30°左右，北側(cè)巖層傾向南東，傾角40°～60°，褶皺樞紐往西揚(yáng)起。在日仁與波日之間亦分布一小褶皺，南側(cè)巖層傾向NNE，傾角為40°左右，北側(cè)巖層傾向SSE，傾角為60°。在洞身及出口段等部位頁巖與砂巖薄層相間巖層揉皺擠壓劇烈，在數(shù)十米范圍見多個(gè)褶曲分布。

區(qū)域性斷裂申格孜—拉洛斷裂（F10-1）位于工程區(qū)西側(cè)，該斷裂全長約75 km，走向NW～NNW，在夏布曲右岸分水嶺以北順吉隆溝展布，經(jīng)拉屯拉埡口，過勒朵村旁，橫穿夏布曲至左岸順支流塔曲延伸。斷裂多被第四系覆蓋，在夏拉夏瓦北西約1.3 km的吉隆溝右側(cè)，破碎帶寬約30 m；在勒朵村旁，破碎帶寬約15 m；斷面陡傾向東，破碎帶物質(zhì)主要為塊裂巖、碎裂巖，充填石英巖脈，結(jié)構(gòu)較密實(shí)。

隧洞沿線經(jīng)過斷層規(guī)模一般較小，破碎帶寬度不大。砂巖、頁巖巖性軟弱相間，揉皺擠壓強(qiáng)烈，接觸帶巖體結(jié)構(gòu)一般較破碎，寬窄不一；根據(jù)平洞揭示，進(jìn)洞口處J2z和J3w接觸部位擠壓破碎帶寬度大于100 m。

3.水文地質(zhì)

（1）地下水和地表水

工程區(qū)山地沖溝發(fā)育，多為季節(jié)性沖溝，沖溝兩岸植被條件較差，松散堆積物較豐富，旱季（10月—次年5月）一般無流水，雨季（6月—9月）則常有山洪、泥石流。除隧洞中部的夏拉夏瓦附近沖溝有常年流水外，其余沖溝均為季節(jié)性干溝。

地下水總體不豐，主要受大氣降水、冰雪融水補(bǔ)給，向所在流域的河流排泄。根據(jù)賦存條件，可分為第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水?；鶐r裂隙水主要賦存在砂巖等裂隙及斷層帶中，根據(jù)地表出露和物探資料，向斜核部可能賦存較豐富的裂隙水。

地表測繪可見隧洞中部斜坡及出口附近斜坡出露較多泉水，多為第四系松散覆蓋層中上層滯水。

（2）巖土體滲透性

第四系松散堆積物一般具中等透水性，滲透系數(shù)為10-4～10-3cm/s量級(jí)；侏羅系弱風(fēng)化頁巖一般具中等—弱透水性，微新頁巖一般具弱—微透水性。

（3）水化學(xué)分析

根據(jù)水化學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果，沖溝水對(duì)混凝土無腐蝕性，對(duì)混凝土中的鋼筋無腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

4.物理地質(zhì)現(xiàn)象

工程區(qū)主要不良地質(zhì)現(xiàn)象有巖體風(fēng)化、凍融、泥石流等。

（1）巖體風(fēng)化

侏羅系鈣質(zhì)頁巖巖性軟弱，抗風(fēng)化作用能力差，且受構(gòu)造等影響，差異風(fēng)化明顯，局部呈帶狀風(fēng)化。據(jù)鉆孔揭露，強(qiáng)風(fēng)化厚度一般為10～20 m，中等風(fēng)化厚度為2～5 m，一般微新頁巖柱狀巖心曝曬2～3周后就會(huì)基本解體。

（2）凍融問題

據(jù)氣象資料，工程區(qū)冬季極端最低氣溫為-23.9℃，隧洞進(jìn)、出口淺埋段洞室溫度受外界大氣影響較大，圍巖和邊坡受凍融、冰劈、凍脹作用易破壞。

進(jìn)口分布第四系崩坡積碎石土和軟弱破碎頁巖，水庫蓄水后，巖土處于飽和狀態(tài)。出口段附近地形平緩，分布第四系崩坡積碎石土，因局部土體隔水，上層滯水出露成泉。進(jìn)、出口段巖土受凍融作用，對(duì)圍巖及邊坡穩(wěn)定不利，所以采取相應(yīng)處理措施。

二、主要工程地質(zhì)問題

1.地應(yīng)力

德羅隧洞區(qū)域構(gòu)造總體呈東西向分布，初步分析區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向與之垂直。根據(jù)鄰近區(qū)域地震震源機(jī)制解，P軸 （最大主應(yīng)力）方位介于162°～186°之間，為近南北向，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向基本一致。

本階段采用水壓致裂法在鉆孔DL9進(jìn)行了地應(yīng)力測量，鉆孔DL9巖體為灰色鈣質(zhì)頁巖,含碳質(zhì)，夾薄層砂巖和極薄層狀片理化灰?guī)r，在測深83.3～160.6 m范圍的最大水平主應(yīng)力2.3～7.5 MPa，最小水平主應(yīng)力2.1～5.1 MPa，鉛直應(yīng)力σz 2.1～4.0 MPa。測孔最大水平主應(yīng)力方向的側(cè)壓系數(shù)σH/ σz范圍1.1～1.9。下部測點(diǎn)（孔深130～160 m）巖體側(cè)壓系數(shù)1.5～1.9，應(yīng)力量值具有σH＞σh≈σz特征，說明測點(diǎn)地應(yīng)力場水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用。上部測點(diǎn)（孔深80～130 m）部位側(cè)壓系數(shù)1.1～1.3，相較于深部測點(diǎn)水平應(yīng)力有所釋放。

德羅隧洞最大埋深213 m，估算最大水平地應(yīng)力9.1 MPa、最小水平地應(yīng)力6.4 MPa、自重應(yīng)力5.3 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)?1°～37°（平均25°）。圍巖主要為侏羅系遮拉組為深灰色、灰色鈣質(zhì)頁巖,含泥質(zhì)、炭質(zhì),夾薄層狀砂巖、極薄層狀板理化細(xì)晶灰?guī)r。鈣質(zhì)頁巖巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度均值為5.9 MPa，屬于軟巖，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比0.9～2.8（多大于1.0），三個(gè)主應(yīng)力接近(或小于)巖石強(qiáng)度。隧洞走向與最大水平主應(yīng)力方向夾角主要為56°、6°，當(dāng)夾角較小時(shí) （小于15°），對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定有利；與洞壁夾角較大，不利于隧洞兩側(cè)圍巖的穩(wěn)定。巖層總體傾向NE～SE，隧洞軸線與巖層走向交角1°～63°，總體較小。洞壁與層面交角較小，在地應(yīng)力作用下易出現(xiàn)順層理面松弛。當(dāng)?shù)貞?yīng)力相對(duì)較高且有地下水參與條件下，開挖后軟巖洞壁圍巖位移較大，持續(xù)時(shí)間較長，甚至出現(xiàn)不收斂變形，并使初期一般支護(hù)開裂或破損較嚴(yán)重，對(duì)施工安全及工程運(yùn)行等造成影響。

2.涌水及外水壓力

隧洞巖性主要為含碳泥質(zhì)鈣質(zhì)頁巖夾少量薄層砂巖、極薄層狀灰?guī)r，巖溶現(xiàn)象部發(fā)育、局部有巖漿巖（輝綠巖）侵入。地表常年流水沖溝為夏拉夏瓦附近沖溝，其余沖溝流量小或?yàn)榧竟?jié)性流水。

地下水作用使隧洞圍巖性狀逐漸惡化，特別是破碎帶、軟巖遇水后軟化、崩解，易引起圍巖大變形與坍塌，對(duì)施工亦有影響。

3.斷層破碎帶部位圍巖穩(wěn)定

德羅隧洞線路通過的斷層規(guī)模較小、一般為裂隙性斷層（如f9、f10、f11、f12、f13等），破碎帶寬度數(shù)十厘米，未見區(qū)域性斷裂分布。地層接觸帶（如巖漿巖與侏羅系）、軟硬巖間擠壓帶（如砂巖與頁巖）形成破碎帶巖性軟弱，結(jié)構(gòu)極破碎，并可能貯存地下水，圍巖穩(wěn)定性差，在埋深較大的部位容易出現(xiàn)大變形，在埋深較小的洞段容易引起塌方。上述洞段圍巖穩(wěn)定問題較突出。

4.其他地質(zhì)問題

（1）有害氣體與放射性

隧道圍巖主要為 J3w砂巖、頁巖，J2z鈣質(zhì)頁巖,含泥質(zhì)、炭質(zhì),夾薄層狀砂巖、極薄層狀板理化細(xì)晶灰?guī)r，J1r鈣質(zhì)頁巖及侵入的輝綠巖等；折線方案隧道圍巖主要J2z、J1r鈣質(zhì)頁巖,含泥質(zhì)、炭質(zhì),夾薄層狀砂巖、極薄層狀板理化細(xì)晶灰?guī)r。實(shí)測德羅隧洞附近大氣壓力在617 hPa左右，僅為 1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 （1 013 hPa）的60%，大氣濕度一般低于40%，施工環(huán)境較為惡劣?，F(xiàn)場測試最大氧氣含量為17.7%～19.4%。二氧化碳等有害氣體含量未超過標(biāo)準(zhǔn)值。

德羅隧洞地處青藏高原高海拔地區(qū)，氣壓低，氧氣稀薄。隧洞洞線長，埋深較大，洞徑較小，洞內(nèi)氧氣含量低，施工過程中二氧化碳等有害氣體含量可能超過標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）放射性

在巖體輻射強(qiáng)度測試中，各種巖體輻射強(qiáng)度較低，依據(jù)實(shí)測資料，估算生活該地的居民由γ輻射所造成的劑量當(dāng)量約為0.6 mSv，略高于全球平均天然輻射對(duì)人類造成的照射水平0.5 mSv。施工人員在施工區(qū)域正常生活與工作，不會(huì)超過《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18871—2002）的規(guī)定（年有效劑量不超過1 mSv）。

（3）地溫問題

德羅隧洞地表起伏較大，無活動(dòng)斷層，未發(fā)現(xiàn)溫泉，根據(jù)區(qū)域水文資料，工程區(qū)不屬于溫泉地?zé)岙惓^(qū)。實(shí)測地溫恒溫帶深度位于孔深45 m左右，恒溫層溫度為7.5℃。

三、缺陷處理

根據(jù)地質(zhì)條件分析，隧洞在施工過程中比較容易遇到以下幾種問題，為此提出相應(yīng)的解決方案。

1.巖石風(fēng)化問題的缺陷處理

在隧洞開挖過程中，我們遇到的巖石多數(shù)為抗風(fēng)化能力較差的巖石，一般暴露在空氣中不超過一周時(shí)間就會(huì)崩解或者受潮，再由重機(jī)反復(fù)碾壓之后就會(huì)成為泥漿。由于洞徑較小，施工過程中積攢的泥漿會(huì)嚴(yán)重影響施工的正常進(jìn)行，所以在開挖后不久將會(huì)采取封閉措施來保證巖石不受潮和不加速風(fēng)化。長期暴露的巖面會(huì)進(jìn)一步風(fēng)化崩解，導(dǎo)致洞內(nèi)出現(xiàn)大面積的掉塊甚至坍塌。

（1）洞身封閉

隧洞斷面 （除了底板基巖面）采取混凝土噴護(hù)的方式。由于巖石條件不穩(wěn)定，先在洞身周圍間距1 m，排距也是1 m處布滿長3 m的砂漿錨桿，遇到巖層破碎帶加密。然后每隔3 m以相同的間排距布置3 m的排水孔。后用@20的Φ8的鋼筋襯滿洞身，與外露10 cm的錨桿焊接。最后噴護(hù)10 cm厚的混凝土來達(dá)到封閉的效果。在巖石結(jié)構(gòu)普遍不穩(wěn)定的地方，將使用Ι 14的工字鋼與錨桿和網(wǎng)片相連，后噴護(hù)混凝土至覆蓋工字鋼。一般來說，采取短進(jìn)尺的方式，巖層條件好時(shí)進(jìn)尺不超過20 m，巖層條件差時(shí)不超過5 m就會(huì)及時(shí)支護(hù)。

（2）底板基巖面封閉

底板基巖面預(yù)先澆筑30～50 cm的常態(tài)混凝土，防止重機(jī)碾壓、風(fēng)化和涌水等原因造成的超挖。后期混凝土不清除，作為二次襯砌的一部分保留。這要求我們?cè)跐仓炷林皩?duì)底板進(jìn)行徹底清理。在施工過程中，預(yù)留30 cm保護(hù)層以防止超挖。

2.凍融處理和洞內(nèi)排水

青藏高原受凍融現(xiàn)象影響較為嚴(yán)重，為了防止這類地質(zhì)災(zāi)害給工程施工帶來影響，在進(jìn)出口及每個(gè)施工支洞的洞臉邊坡都采取了相應(yīng)措施。

（1）加強(qiáng)支護(hù)

洞臉邊坡采取錨噴支護(hù)的形式來封閉巖石，方式同洞內(nèi)。此外，加強(qiáng)排水和定期巡查也是必不可少的。

對(duì)于洞身暴露在外界氣溫干擾的地方，采取超前管棚技術(shù)，對(duì)這一段的洞身進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，一方面防止洞臉邊坡坍塌，一方面也可有效降低凍融現(xiàn)象對(duì)洞口段的影響。

（2）洞內(nèi)排水

洞內(nèi)排水結(jié)合支護(hù)時(shí)預(yù)留的排水孔，在底板澆筑的工程中于混凝土兩側(cè)預(yù)留排水溝，澆筑底板過程中在不影響施工的前提下輕微放坡，并在錯(cuò)車道內(nèi)設(shè)置集水井，定期清理積水。

這個(gè)過程中有一個(gè)問題不容忽視，那就是一定要及時(shí)將積水清理干凈，如果底板上殘留的水過多，那么開挖過程中出渣車所掉落的渣土石塊會(huì)很快受潮崩解，形成淤泥并且堵塞排水溝和集水井，給施工造成不便。

3.洞內(nèi)通氣保證

每個(gè)施工洞的外部都設(shè)置風(fēng)機(jī)引氣入洞。對(duì)于洞內(nèi)進(jìn)尺較長的地方，在洞內(nèi)較寬的地方增設(shè)一臺(tái)風(fēng)機(jī)來保證洞內(nèi)空氣流通。由于采用的施工方式為光面爆破，所以每次爆破之后都要通風(fēng)直到滿足施工條件。

[1]李延棟.青藏高原地質(zhì)科學(xué)研究新的進(jìn)展[J].地質(zhì)通報(bào)，2002（21）.

[2]張瑞江.青藏高原冰川演變與地質(zhì)災(zāi)害[J].國土資源遙感，2010（S1）.

[3]潘桂堂.青藏高原區(qū)域地質(zhì)調(diào)查重要新進(jìn)展[J].地質(zhì)通報(bào)，2002（11）.

[4]張雪花.隧洞開挖中斷層和透水層的處理方法[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2013（21）.

責(zé)任編輯 楊 軼

Evaluation of geological conditions for tunnel excavation in highland and treatment of geologic defects of Laluo Project/

Zhou Yang，Liu Chunhui

Tunnel excavation is subject to geological conditions.During the construction of diversion tunnel,more information should be collected in this regard so as to properly deal with problems caused by geological defects on the premise of rational utilization of construction technologies.

Deluo Diversion Tunnel;geological condition;excavation;geologic defect

TV554

B

1000-1123（2016）20-0075-03

2016-10-18

周揚(yáng)，助理工程師，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作。