水利水電工程中深埋長隧洞勘察技術(shù)方法思考

梁榮斌

（廣西壯族自治區(qū)河池水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院 廣西河池 547000）

水利水電工程中深埋長隧洞勘察技術(shù)方法思考

梁榮斌

（廣西壯族自治區(qū)河池水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院 廣西河池 547000）

本文從水利水電工程中深埋長隧洞的含義入手，介紹了工程中存在的主要工程地質(zhì)問題，并分析了水利水電工程中深埋長隧洞的勘察技術(shù)方法，為水利水電工程中深埋長隧洞的施工提供參考。

水利水電工程；深埋長隧洞；勘察技術(shù)

1 引言

改革開放以來，隨著經(jīng)濟(jì)、科技的迅速發(fā)展及社會用電量的不斷增加，我國水利水電工程迅速建設(shè)起來。在這期間，為滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要，一批深埋長隧洞工程在水利、水電工程建設(shè)中相繼修建起來，并蓬勃發(fā)展，同時(shí)取得了舉世矚目的成就。如20世紀(jì)70年代末到80年代的四川漁子溪一期引水發(fā)電隧洞和天津市引灤入津輸水隧洞，首次采用了“長洞短打”的鉆爆法及“新奧法”，使水工隧洞的長度和埋深都大大增大，為深埋長隧洞的發(fā)展起到了重要的借鑒作用；20世紀(jì)80年代末至21世紀(jì)初的引大入秦輸水工程、遼寧大伙房輸水隧洞和萬家寨的引黃入晉輸水工程，引進(jìn)了TBM掘進(jìn)機(jī)，并采用TBM或TBM與鉆爆法混合施工，針對巖爆、巖溶、大變形黃土、涌水膨脹性巖土、有害水質(zhì)及有害氣體等不良工程地質(zhì)問題進(jìn)行了探討研究，積累了大量創(chuàng)新性的經(jīng)驗(yàn)，為我國深埋長隧洞的勘測設(shè)計(jì)起到了借鑒與指導(dǎo)作用，標(biāo)志著我國水利水電深埋長隧洞工程進(jìn)入到一個(gè)新的歷史階段；21世紀(jì)以來，青海引大濟(jì)煌輸水隧洞及在建的南水北調(diào)西線工程，隧洞長度達(dá)數(shù)十千米甚至百余千米，其難度已達(dá)到世界最高的水平。

雖然我國水利水電深埋長隧洞工程的建設(shè)已經(jīng)取得了舉世矚目的成就，但是隨著地形地質(zhì)條件的復(fù)雜化及人類對很多未知領(lǐng)域的了解很少，使得工程難度和風(fēng)險(xiǎn)性日益增大。因此，不良工程地質(zhì)問題已成為工程的重要制約因素，而如何勘察、認(rèn)識與評價(jià)這些不良工程地質(zhì)問題，并采取正確的工程對策是今后水利水電深埋長隧洞工程建設(shè)的關(guān)鍵所在。

2 水利水電工程中深埋長隧洞及其主要工程地質(zhì)問題

2.1 水利水電工程中深埋長隧洞的含義

隨著深埋長隧洞工程難度和風(fēng)險(xiǎn)性的日益增大，深埋長隧洞工程地質(zhì)已成為工程地質(zhì)學(xué)科中一門新近興起的分支，因此探討其含義是必要的。而《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL299-2002）并沒有對深埋長隧洞賦予明確的定義。從隧洞長度埋藏深度兩方面來講，并結(jié)合工程地質(zhì)條件和施工方法及難度方面，工程上將隧洞單洞長度大于等于10km和埋藏深度大于300m的隧洞定義為深埋長隧洞。

水利水電工程中深埋長隧洞的建設(shè)中，往往涉及到“水工隧洞”建設(shè)，水工隧道根據(jù)其作用不同又分為防水隧道和泄水隧道兩種。而水利水電工程隧洞按功能與作用的不同，也可以分為導(dǎo)流、泄洪隧洞，引水、輸水隧洞，排沙隧洞和尾水隧洞四種。其具體的功能與作用如表1所示。

表1 水利水電工程隧洞分類及其功能與作用

2.2 深埋長隧洞存在的主要工程地質(zhì)問題

近年來，我國水利水電工程隧洞向深長發(fā)展，施工方法由鉆爆法發(fā)展到TBM法，取得輝煌成就的同時(shí)也遇到了很多亟待研究解決的不良工程地質(zhì)問題。

深埋長隧洞工程可能存在的工程地質(zhì)問題主要有以下幾個(gè)方面：有害氣體問題，巖爆問題，突水突泥問題，放射性危害問題等。

2.2.1 有害氣體問題

有害氣體主要包括：一氧化碳、二氧化碳、瓦斯、天然氣、二次生化氣、硫化氫等，如廣渝高速公路華鎣山隧道和南昆鐵路家竹答隧道，在修建過程中遇到了高壓力瓦斯和硫化氫等有毒氣體，這些賦存于源巖和巖體的孔隙裂隙中或溶于地下水中的天然形成的有害氣體會在地下洞室的開挖過程中釋放出來，從而增加工程的風(fēng)險(xiǎn)性。

2.2.2 巖爆問題

巖爆是深埋地下工程在施工過程中常見的動力破壞現(xiàn)象，由于瞬間圍巖壓力集中，使得巖體中聚積的高彈性應(yīng)變能大于巖石破壞所消耗的能量，從而破壞了巖體結(jié)構(gòu)的平衡，而多余的能量導(dǎo)致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出。巖爆危害嚴(yán)重，其往往會造成開挖工作面的嚴(yán)重破壞、設(shè)備損壞和人員傷亡，一旦發(fā)生，便會給工程帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因此，巖爆已成為深埋長隧洞工程中的世界性的難題。

2.2.3 突水突泥問題

突水突泥是在硐室、巷道施工過程中，穿過溶洞發(fā)育的地段、厚層含水砂礫石層等，突然大量涌水、大量泥砂涌入的現(xiàn)象，除造成人員傷亡外，常會堵塞排水系統(tǒng)，并常伴生地面塌陷，對深埋長隧洞的施工危害極大。如遼寧大伙房水庫輸水隧洞等工程出現(xiàn)了突水突泥的不良工程地質(zhì)問題，造成了人身傷亡和設(shè)備事故等嚴(yán)重后果。

2.2.4 放射性危害問題

在放射性元素含量高的地方修建深埋長隧洞常會出現(xiàn)放射性危害問題，例如在大范圍的侵入巖、煤系地層積聚及放射性礦層及富集的地區(qū)。線路上如果存在大范圍放射性礦物，會對施工人員、輸水水質(zhì)及周圍環(huán)境危害大，難處理，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行專門性的勘察研究工作。

3 水利水電工程中深埋長隧洞勘查技術(shù)方法

隨著我國水利水電工程的蓬勃發(fā)展，不良地質(zhì)問題的增多，水利水電工程中深埋長隧洞的建設(shè)也對工程地質(zhì)勘測相應(yīng)的提出了更高的要求。很多傳統(tǒng)的工程地質(zhì)勘測方法及技術(shù)已無法滿足現(xiàn)代工程的需要，所以更需要勘察方法與技術(shù)的突破和創(chuàng)新。

3.1 深鉆孔和長探洞

在我國，鉆探在水利水電工程勘察中起著重要的作用，尤其是深鉆孔和長探洞技術(shù)已經(jīng)達(dá)到較高水平，并在工程上廣泛應(yīng)用，日益受到重視，如在南水北調(diào)西線隧洞、秦嶺隧道（雙線）、引黃入晉工程隧洞等工程中得到了廣泛應(yīng)用，縮短了勘察周期，節(jié)省了工期，保證了勘察成果質(zhì)量。

通過深鉆孔和長探洞，可以了解深部地層巖性及巖體狀況，了解巖體放射性及有害氣體的賦存特征，取樣獲得深部巖體物理力學(xué)參數(shù)，了解分析巖爆的可能性等，從而對某個(gè)不良工程地質(zhì)問題認(rèn)識明確，為在建工程打下良好的基礎(chǔ)。

3.2 物探

物探全程為地球物理勘探，主要有重力場勘探、地面物理探測和綜合物理測井、磁場勘探、電法勘探和地震波勘探等，其中電法勘探在水利水電工程地質(zhì)勘察中應(yīng)用較多。

通過物探，可以對深埋長隧洞巖體質(zhì)量做出定性評價(jià)，可以預(yù)測隧洞圍巖介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征和破碎帶，可以了解分析巖爆的可能性等。不同的物探方法適用于不同工程地質(zhì)條件的隧洞工程，勘查時(shí)應(yīng)采取點(diǎn)、線、而結(jié)合的方法，多源、多點(diǎn)、多線的測量，從而發(fā)揮出物探的最大作用。

3.3 地質(zhì)調(diào)查和測繪

地質(zhì)調(diào)查和測繪是水利水電深埋長隧洞工程建設(shè)中地質(zhì)勘察的主要手段之一。通過初步的地質(zhì)勘查，可以有效的了解地形、地貌特征，地質(zhì)構(gòu)造和不良地質(zhì)問題等，從而節(jié)約時(shí)間和資源，縮短工期。同時(shí)，應(yīng)對重大不良地質(zhì)問題進(jìn)行專門性的勘察試驗(yàn)研究，以便較好地解決深埋長隧洞工程建設(shè)中將要遇到的問題，為工程打下良好的基礎(chǔ)。

3.4 3S技術(shù)

3S技術(shù)現(xiàn)已成為水利水電深埋長隧洞工程建設(shè)中地質(zhì)勘察的一個(gè)非常重要手段，特別是在交通不便、地勢險(xiǎn)要的地區(qū)尤為重要。

3S技術(shù)是遙感（RS）技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)和全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的集成和總稱，它將這三者有機(jī)的組合，是一個(gè)可視的、動態(tài)的、不斷更新的、三維立體的、通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸?shù)?、不同地域和層次都可以使用的系統(tǒng)。其中遙感技術(shù)是3S技術(shù)的基礎(chǔ)，提供主要的遙感信息源；GPS技術(shù)用于遙感信息的精確定位；GIS技術(shù)通過提供輔助信息和專家思維來獲取遙感信息，并對所提取的各種信息進(jìn)行管理和分析，同時(shí)具有制圖功能。

遙感（RS）技術(shù)具有信息量豐富、宏觀性、快捷性及成本低等優(yōu)點(diǎn)，能真實(shí)、有效地反映勘察地區(qū)的地層巖性、水文地質(zhì)、新構(gòu)造、泥石流、巖溶等工程地質(zhì)現(xiàn)象。全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)觀測時(shí)間短、定位測量精度高、操作簡單，應(yīng)用越來越廣泛。地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)主要用于工程地質(zhì)信息管理和制圖輸出，使勘察結(jié)果更加直觀，大大的提高了效率。

4 結(jié)論與建議

在水利水電工程中深埋長隧洞工程的建設(shè)之前，掌握科學(xué)的勘查技術(shù)方法，對工程建設(shè)有著重要的意義。

（1）我國水利水電深埋長隧洞工程的建設(shè)已取得了一定的成就，但仍存在著很多待解決的不良工程地質(zhì)問題。

（2）我國已積累了鉆探（深鉆孔和長探洞）、物探和地質(zhì)調(diào)查和測繪等比較豐富的深埋長隧洞勘察的技術(shù)，并在勘察中得到廣泛應(yīng)用。

（3）隨著工程建設(shè)的要求越來越高及工程中不良地質(zhì)問題的增多，需要勘察方法與技術(shù)的突破和創(chuàng)新。

（4）3S技術(shù)等更為先進(jìn)的地質(zhì)勘測新方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法中的不足，現(xiàn)已成為水利水電深埋長隧洞工程建設(shè)中地質(zhì)勘察的一個(gè)非常重要的手段。

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，必定會涌現(xiàn)出更多的地質(zhì)勘測新方法。如何科學(xué)、合理及綜合的選擇勘查技術(shù)，也必將成為我國水利水電工程建設(shè)人員所需要重點(diǎn)研究的問題。

[1]宋岳，等.水利水電深埋長隧洞工程地質(zhì)條件復(fù)雜性的分級與分類[J].水利水電工程設(shè)訓(xùn)，2008（4）：30～33.

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TV554

A

1004-7344（2016）08-0177-02

2016-2-29

梁榮斌（1989-），男，助理工程師，大學(xué)本科，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察、巖土工程勘察、地災(zāi)危險(xiǎn)性評估工作。