長(zhǎng)距離、大埋深引水隧洞特殊工程地質(zhì)問題研究

■鐘輝師邑

（1中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 云南 昆明6500512；2中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司陜西西安710075）

長(zhǎng)距離、大埋深引水隧洞特殊工程地質(zhì)問題研究

■鐘輝1師邑2

（1中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 云南 昆明6500512；2中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司陜西西安710075）

在引水式水電開發(fā)方案中，尤其是長(zhǎng)距離引水發(fā)電工程，引水隧洞工程無疑是至關(guān)重要的。長(zhǎng)距離、大埋深的引水隧洞工程，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，常常存在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、高地應(yīng)力及巖爆、高外水壓力及涌水等特殊工程地質(zhì)問題。針對(duì)典型的特殊工程地質(zhì)問題，初步探討解決對(duì)策，用以指導(dǎo)勘測(cè)設(shè)計(jì)及施工。

引水隧洞特殊工程地質(zhì)問題對(duì)策

1 長(zhǎng)距離、大埋深引水隧洞相關(guān)特點(diǎn)概述

在長(zhǎng)距離、大埋深的引水隧洞工程中，常常存在以下幾個(gè)方面的特殊工程地質(zhì)問題。

首先，較易揭露地質(zhì)構(gòu)造帶。雖然隧洞埋深較大，洞室圍巖一般多處于弱風(fēng)化甚至新鮮巖體中，圍巖質(zhì)量一般較好，小規(guī)模的地質(zhì)構(gòu)造一般不發(fā)育。但是，由于引水線路較長(zhǎng)，有的工程甚至是跨流域的引水方案，使得引水隧洞在施工過程中更易揭露斷層甚至較大規(guī)模的斷裂帶等地質(zhì)構(gòu)造。

其次，大埋深引水隧洞洞室圍巖巖體具有更復(fù)雜的力學(xué)條件。埋深大的工程部位，尤其是在高地應(yīng)力地區(qū)，巖爆是施工過程中較易遇到的工程地質(zhì)問題。巖體的最大主應(yīng)力方向往往與區(qū)域構(gòu)造走向趨同，在部分洞段的開挖過程中，常常會(huì)發(fā)生巖爆現(xiàn)象，增加了施工難度。

最后，具有更復(fù)雜的水文地質(zhì)條件。長(zhǎng)距離、深埋藏的引水隧洞常具高外水壓水，增加了涌水的可能性。同時(shí)，大埋深存在大地?zé)崃鞅尘?，這種環(huán)境容易形成良好的地?zé)嵯到y(tǒng)，因此，在埋深特大的引水隧洞施工區(qū)域會(huì)出現(xiàn)溫泉現(xiàn)象。

2 存在的特殊工程地質(zhì)問題

2.1 構(gòu)造發(fā)育問題

在水電站引水隧洞施工中，往往會(huì)遇到一些地質(zhì)構(gòu)造分布的問題，尤其在長(zhǎng)距離、大埋深的引水隧洞中出現(xiàn)大規(guī)模構(gòu)造的可能性更大。

引水隧洞工程一般呈線性分布，地域跨度較大，尤其是長(zhǎng)距離引水工程，不可避免地會(huì)穿越地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)集中區(qū)域，甚至穿越區(qū)域性構(gòu)造帶。地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)集中或大規(guī)模構(gòu)造帶分布區(qū)域，受構(gòu)造影響，巖體完整性極差，多呈碎裂結(jié)構(gòu)或散體結(jié)構(gòu)，富水性較強(qiáng)，圍巖體的整體穩(wěn)定性差，在地下水豐富地帶，還可能形成集中滲水通道，給地下洞室工程帶來隱患，如不能及時(shí)、準(zhǔn)確地采取合理的施工處理措施，將嚴(yán)重影響工程安全、成本及工期。

2.2 高地應(yīng)力及巖爆問題

在引水隧洞施工過程中，隨著埋設(shè)深度的不斷加深，工程部位的地應(yīng)力會(huì)增大，在埋深600m～3000m洞段范圍內(nèi)，最大主應(yīng)力方向往往會(huì)由平行岸坡方向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕c岸坡垂直的方向，也就是說，地應(yīng)力已經(jīng)由水平為主的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成了垂直為主的狀態(tài)。同時(shí)，在大多數(shù)水電開發(fā)方案中，引水隧洞的布置多與河谷呈近平行狀態(tài)，有的還會(huì)從斷裂區(qū)或溝谷區(qū)域穿越而過，導(dǎo)致區(qū)域局部地應(yīng)力更加集中。

同時(shí)，由于施工過程中實(shí)際開挖的洞型不規(guī)則，往往造成洞室局部地應(yīng)力過于集中，引起巖爆現(xiàn)象的發(fā)生。巖爆問題存在以下特點(diǎn)：一，在施工過程中巖爆現(xiàn)象的發(fā)生往往事先沒有任何征兆，必然條件下的偶發(fā)性較大，預(yù)測(cè)起來相當(dāng)有難度；二，巖爆在空間上具有破壞連續(xù)的特點(diǎn)，這種破壞往往會(huì)從斷面的某一位置開始，沿隧洞軸線方向有一定的發(fā)展空間；其三，在發(fā)生巖爆的斷面位置，巖爆還具有一定的時(shí)間延續(xù)性，自發(fā)生巖爆開始至自然穩(wěn)定，往往需要一定的時(shí)間范圍。

2.3 高外水壓以及涌水的問題

在大埋深的洞段，整體圍巖巖體質(zhì)量一般較好，但是在構(gòu)造發(fā)育洞段或可溶巖分布洞段，地下水流通性較好，在開挖完成初期，開挖面的水頭壓力較大，易發(fā)生涌水現(xiàn)象。在涌水初期，由于水頭壓力大，涌水量較大，隨時(shí)間推移，水頭壓力逐步降低，涌水量會(huì)逐漸趨于平穩(wěn)。

在某些大埋深、地下水流通性極好的洞段，涌水點(diǎn)的水頭壓力巨大，對(duì)后期的襯砌混凝土結(jié)構(gòu)影響較大。對(duì)于集中涌水點(diǎn)的外水壓力過大，當(dāng)外部地下水位波動(dòng)引起涌水點(diǎn)外水壓力大幅增加時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)需要承受巨大的壓力差，常規(guī)的襯砌結(jié)構(gòu)很可能無法承受外水壓力，給后期安全運(yùn)行帶來隱患，所以在前期開挖襯砌過程中應(yīng)采取合適的特殊措施。

3 特殊工程地質(zhì)問題解決對(duì)策探討

3.1 構(gòu)造發(fā)育問題的解決

對(duì)于長(zhǎng)距離、大埋深引水隧洞工程的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育問題，提前查清構(gòu)造帶的具體分布位置、性狀及規(guī)模等參數(shù)是準(zhǔn)確解決該問題的關(guān)鍵因素。在前期地質(zhì)勘測(cè)工作時(shí)，應(yīng)沿引水隧洞軸線一定范圍內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)工程地質(zhì)測(cè)繪，復(fù)核區(qū)域性構(gòu)造帶，對(duì)沿線出露的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查、分析，重要工程部位須配以勘探工作予以查證。施工過程中，對(duì)可能分布大規(guī)模構(gòu)造或構(gòu)造集中的洞段，應(yīng)開展超前預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)工作，用以指導(dǎo)開挖施工采取合適的開挖工藝及爆破參數(shù)。

施工處理措施必須要有針對(duì)性、及時(shí)性。對(duì)于前期工作或超前預(yù)防工作中已發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育洞段，應(yīng)充分分析該工程部位構(gòu)造發(fā)育的規(guī)模、產(chǎn)狀、影響厚度、地下水等主要指標(biāo)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)估，及時(shí)調(diào)整開挖、支護(hù)、地下水處理方案。對(duì)于圍巖極不穩(wěn)定、有可能發(fā)生大規(guī)模塌方現(xiàn)象的洞段，應(yīng)采取預(yù)固結(jié)等超前支護(hù)措施，待構(gòu)造影響帶加固后再進(jìn)行開挖；對(duì)于圍巖穩(wěn)定性差，但不致發(fā)生大規(guī)模塌方現(xiàn)象的洞段，可采取短進(jìn)尺、弱爆破的開挖方式，并及時(shí)完成一次支護(hù)措施。

3.2 巖爆問題的解決

首先，根據(jù)巖爆級(jí)別的不同采取針對(duì)性的解決辦法。如果巖爆問題不大，可以采取向工作面以及隧道揭露面噴水的方式，使圍巖得以軟化，釋放部分應(yīng)力，使巖爆現(xiàn)象得以有效控制；如果是中等強(qiáng)度的巖爆情況，則需要暫時(shí)停止施工，施工人員撤退至50m～150m以外，并采取遠(yuǎn)距離噴水的方式向巖爆位置進(jìn)行噴水，待巖爆情況有所緩解后，及時(shí)對(duì)已經(jīng)松裂的巖塊進(jìn)行清理，并采取加固處理措施；如果是高強(qiáng)度的巖爆現(xiàn)象，則應(yīng)立即停止施工，施工人員撤退至200m～300m以外，待洞室基本穩(wěn)定后，在機(jī)械設(shè)備的幫助下完成找頂操作，及時(shí)對(duì)已經(jīng)松裂的巖塊進(jìn)行清理，并采取鋼筋混凝土進(jìn)行加固。

其次，在高地應(yīng)力，易發(fā)生巖爆現(xiàn)象的地下洞室進(jìn)行開挖施工時(shí)，應(yīng)采取合適的爆破、開挖方式。在這些地區(qū)的引水隧洞開挖時(shí)，應(yīng)盡量按照全斷面、短進(jìn)尺的開挖方式，嚴(yán)格控制每個(gè)開挖循環(huán)的爆破進(jìn)尺，一般以2m左右為宜。

最后，盡管巖爆問題的發(fā)生常常具有突然性和不可預(yù)測(cè)性，但是在勘測(cè)設(shè)計(jì)階段應(yīng)有針對(duì)性地查清工程區(qū)圍巖體的工程地質(zhì)條件，尤其是對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行針對(duì)性或?qū)ｉT性分析；在開挖施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)巖爆現(xiàn)象的預(yù)測(cè)、預(yù)防工作，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)及時(shí)采取相關(guān)工程處理措施。

3.3 高外水壓力及涌水問題的解決

在引水隧洞工程實(shí)踐中，常采用提前預(yù)注漿封堵（見圖1）和良好排水措施相結(jié)合的施工方式。采用這種施工方式主要有兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，一是對(duì)圍巖進(jìn)行提前灌漿后，地下水通道得以封堵，其流通性將得到較大程序的抑制，圍巖巖體整體性得以改善，洞室圍巖整體穩(wěn)定性將會(huì)大大提高，同時(shí)圍巖巖體的承載及阻水能力隨之提高，這是解決引水隧洞嚴(yán)重涌水問題的關(guān)鍵舉措；二是良好的排水措施布置，處理方便，費(fèi)時(shí)較少，在常年外水壓力大于內(nèi)水壓水的洞段，還可考慮利用排水措施將外水引入洞內(nèi)，增加電站的引用流量。

P642[文獻(xiàn)碼]A

1000-405X（2016）-12-69-1

鐘輝（1983～），男，苗族，碩士，工程師，研究方向?yàn)樗姽こ痰刭|(zhì)，巖土工程。