齊熱哈塔爾水電站引水隧洞特殊工程地質問題

趙國斌, 高玉生, 屈志勇, 胡相波

(中水北方勘測設計研究有限責任公司 勘察院,天津　300222)

0　引言

深埋長隧洞是水利、水電、交通等領域的關鍵工程,尤其在中國西部地區的長距離調水和引水式發電工程中,超長距離和超埋深的引水隧洞已經起到了主體工程的作用。在深埋長隧洞的定義方面,國際隧道協會把長度為3～5 km的隧道定為長隧道[1];中國水利水電系統將埋深>600 m的隧洞定義為深埋隧洞;鉆爆法施工長度>3 km、TBM法施工長度>10 km的隧洞定義為長隧洞[2]。

齊熱哈塔爾水電站位于中國帕米爾高原喀喇昆侖山區,為高水頭引水式發電站。隧洞具備埋深大,距離長,巖性單一,所處構造單元復雜等特點,施工過程中出現了巖爆、高地溫等一系列特殊的工程地質問題。

1　引水隧洞基本地質條件

1.1　工程概況

齊熱哈塔爾水電站位于新疆喀什地區塔什庫爾干河上,為本河流開發的第二級電站,上一級為已投入正常運行的下坂地水利樞紐,下一級為正在進行前期勘察的巴格澤子水電站。

1.2　構造特征

引水隧洞區域為帕米爾、塔里木盆地和昆侖山三個構造區的交匯地帶,斷裂發育,按其走向可分為北西—南東向和東西或近東西向兩組,其中北西—南東向構造最為發育,斷裂規模宏大,是區域主要控制性構造。區域內主要存在的構造斷裂帶包括喀喇昆侖斷裂、塔什庫爾干斷裂、康西瓦斷裂、布倫口斷裂、安大力塔克斷層、瓦恰斷層、科科什老可斷裂帶等深大斷裂,并且部分斷裂至今仍然是較為活躍的區域斷裂。微觀上來看,巖體內因動力變質作用形成大量片理及片麻理,對巖體強度產生明顯的影響。

引水隧洞通過地段斷層發育,有F2、F3、F4、F11、F12等多條Ⅱ級大型斷層,規模較小的Ⅲ、Ⅳ級斷層發育有31條,按產狀主要分為三組,走向分別為NW330°～350°、NE10°～20°和NE60°～70°。

1.3　地層巖性

1.4　巖石力學特征

巖石室內試驗表明,飽和狀態下單軸壓縮強度σc=76.04～108.45 MPa,為堅硬巖。

三軸壓縮試驗得到的巖石的峰值強度、彈性模量隨圍壓增加而增大,泊松比隨圍巖增加而減小,三者與圍壓均表現出明顯的線性相關,當σ3=20 MPa時,峰值強度σc=393.12 MPa。

巴西劈裂試驗表明,不同埋深巖樣的抗拉強度有所差別,主要受巖石的物質組成和微觀結構影響較大。天然狀態下抗壓強度與抗拉強度比值為σc/σt=12.75～19.57。

現場點荷載試驗得到的巖石單軸抗壓強度為62.2 MPa,小于室內單軸壓縮試驗得到的值。從平行和垂直結構面加載得到的巖石強度指標來看,有明顯的差異,分別為66.32 MPa和107.71 MPa,其各項異性系數為σ⊥/σ∥=1.62,表現出明顯的各項異性特征。

2　引水隧洞特點

2.1　屬超埋深、超長距離引水隧洞

2.2　構造活躍區存在較高的水平地應力

區域內存在著至今仍在活動的多條斷裂構造,且基本為走滑斷裂,地應力測試表明該區域存在較高水平地應力,且最大主應力方向與區域構造走向保持一致。

2.3　工程區域內具有較高的大地熱流背景

據中國科學院地質與地球物理研究所龐忠和研究員的研究資料[3],帕米爾高原大地熱流值[4]為150～350 mW/m2,在中國能與之相比的只有西藏南部和臺灣地區。該區熱流背景值很高,有利于地熱系統的形成。另外引水隧洞通過區域地表有溫泉出露,溫泉水溫2011年11月份測試為67 ℃。

3　高地應力問題

本引水隧洞穿越巖性單一,以堅硬巖為主,因此高地應力主要表現在隧洞開挖過程中出現的巖爆現象。

3.1　巖爆產生的條件

(1)開挖揭露引水隧洞中90%以上圍巖巖性為片麻狀花崗巖和變質閃長巖。該類巖石飽和單軸抗壓強度>60 MPa,由單軸抗壓強度和抗拉強度表示的脆性指數在10～13,由此可見圍巖巖石堅硬、脆性度高。

(2)開挖揭露的多數洞段裂隙不發育,僅見有少量閉合的、延伸不長、隨機分布的許多小微裂隙,且基本處于干燥狀態,Ⅱ、Ⅲ類圍巖類別占全部洞長的80%以上。

(3)高地應力的存在,主要表現為:①工程地處帕米爾高原,區域內活動斷裂發育,由此產生較高的水平地應力。②引水隧洞埋深大,垂直應力高。③引水隧洞多平行河谷布置,且需要穿過兩條區域斷裂和3處溝谷地段,由于地形和構造產生的局部地應力集中現象是存在的。④開挖洞形不規則產生的局部斷面應力集中產生較高地應力。

基于上述分析認為,無論是初始地應力場還是因人為擾動產生的地應力集中導致的高水平應力在本工程中是普遍存在的,可見巖爆問題的發生在齊熱哈塔爾水電站引水隧洞的開挖過程中是不可避免的。

3.2　巖爆的表現形式

施工過程中,在上覆巖體厚度僅為70 m的洞段就發生了“悶雷聲”,表現為無巖體剝落的I級巖爆;部分埋深較小部位發生了洞壁連續片狀剝落的Ⅱ級巖爆;在主洞洞段發生了以右側(臨河谷一側)拱頂部位連續剝落、持續時間長達2年之久的Ⅱ級巖爆;在局部埋深超過500 m的洞段發生了具有輕微彈射和塊狀剝落的較高烈度等級的Ⅲ級巖爆,埋深超過1 500 m時出現了較強烈的Ⅲ級巖爆。

本工程巖爆的主要特征包括:①持續時間長,最長超過2年;②影響深度大,局部影響深度達1.8 m;③空間范圍廣,沿右側拱頂連續長度達150 m;④發生位置規律,巖爆發生和連續發生片狀剝落的位置一般在右側(臨河一側)起拱線和拱頂范圍內;⑤破壞模式受隧洞洞向、最大主應力方向以及巖體內微觀結構面發育情況制約明顯;⑥巖爆發生時普遍有聲響,表現為似玻璃破碎的“噼里啪啦”聲、鞭炮聲、悶雷聲等;⑦巖塊多以剝落的形式與母巖脫落,在掌子面和腰墻部位偶見彈射,且巖塊的脫落往往滯后于施工結束一段時間,因烈度等級不同滯后時間不同。

3.3　巖爆的影響

巖爆作為一種地質災害,對于地下工程的施工安全與運行安全影響重大,主要表現在:

(1)施工過程揭露的巖爆現象表現出時間上的突發性、滯后性以及持續性,因此在巖爆的預測上有很大難度;

(2)巖爆的破壞表現出空間上的連續,巖爆連續發生在斷面的某一位置沿洞向持續一段距離,且在本工程中這一位置具有規律性,而零星巖爆表現出明顯的隨機分布性;

(3)巖爆在斷面同一位置的持續破壞表現出追溯性,破壞持續時間長,影響深度大,因此巖爆破壞對該部位在運行期的穩定影響就成為一個關鍵問題。

雖然國內外對巖爆的研究已經很多,但巖爆理論或者預測與防治方法并不具有普遍的指導意義,因此,施工過程中揭露的巖爆現象也是非常值得總結與研究的。

3.4　巖爆洞段的防護措施

(1)開挖后及時對巖爆部位進行隨機錨桿、系統錨桿、錨桿+鋼筋網片、錨桿+鋼筋網片+噴射混凝土、錨桿+鋼纖維混凝土等措施進行支護,均取得了有效的防護效果,阻止了巖爆部位的持續剝落。

(2)對有彈射的部位采用及時封閉的措施保證施工安全,具體為當掌子面發生彈射時,采用5～10 cm的素混凝土對掌子面進行封閉,然后再進行開挖。

4　高地溫問題

齊熱哈塔爾水電站引水隧洞開挖過程中有超過3 km的洞段出現了高地溫現象。

4.1　高地溫的表現形式

引水隧洞開挖過程中出現了高溫帶壓氣體噴出、洞壁干熱的高地溫現象,具體表現為:

(1)超過170 ℃的高溫氣體沿裂隙和鉆孔噴出,且有一定壓力,隨時間的推移,壓力降低直到零;

(2)干熱的洞壁巖體,爆破孔鉆孔過程中掌子面巖體溫度瞬間達到119 ℃,保持90 ℃以上的洞段長度超過500 m;

(3)在上述兩種熱源的影響下,隧洞內空氣溫度保持在50 ℃以上的洞段超過1 km。

4.2　高地溫產生的條件

4.2.1高的大地熱流背景值

勘察期鉆孔中進行的地溫量測表明:

(1)該區域內存在8～11 ℃/100 m的地溫梯度;

(2)距本工程直線距離100 m的布倫口—公格爾水電站引水隧洞施工過程中也出現了高地溫現象。

上述現象均表明工程區域內存在的高的大地熱流背景值可能會產生高地溫問題。

4.2.2溫泉的出露

與引水隧洞垂直距離2 km的塔什庫爾干河河谷堆積物中有溫泉涌出。2011年11月溫泉水溫達67 ℃,且出露高程低于隧洞底板高程分布約100 m。

4.2.3不利于熱量消散的巖體條件

(1)隧洞沿線巖體完整,呈微—新鮮狀,且為微—極微透水條件;

(2)裂隙和斷層構造不發育,不利于外界水源的補給;

(3)完整巖體使得巖體中儲存的熱量不能消散,因此巖體內積聚了大量的熱量,開挖過程中隨之釋放,由此造成高地溫問題。

綜上所述,引水隧洞施工過程遇到高地溫現象是不可避免的。

4.3　高地溫的影響

(1)施工難度增大,嚴重影響施工人員生命安全和施工進度;

(2)影響支護措施的實施,在高溫環境下,普通混凝土的強度及其與洞壁的粘結效果會受到極大影響;

(3)二次襯砌混凝土的施工與強度保證措施幾乎不可能實現;

(4)外冷里熱(水溫10 ℃以下,巖壁溫度60 ℃以上)的環境條件下影響混凝土耐久性和洞壁巖體穩定。

4.4　高地溫的應對措施[5]

在高地溫洞段,采用通風、冰塊降溫和縮短工人工作時間等方式艱難地開挖,最終實現了高地溫洞段的貫通。

5　其他工程地質問題

除巖爆和高地溫問題之外,洞段穿過區域斷裂時的穩定問題，隧洞涌水的預測和涌水斷裂帶的外水壓力問題也是本工程需要研究的工程地質問題。相對而言,這些問題較為常見。

參考文獻:

[1]范文田.世界鐵路特長隧道長度的排位問題[G]//鐵路工程建設科技動態報告文集(鐵路隧道與地下工程分冊).成都:西南交通大學出版社,1995.

[2]GB50487—2008，水利水電工程地質勘察規范[S].

[3]龐忠和,楊峰田,袁利娟,等.新疆塔縣盆地地熱顯示與熱儲溫度預測[J].地質論評,2011,57(1):86-88.

[4]Hu Shengbiao,He Lijuan and Wang Jiyang.Heat flow in the continental area of China:a new data set[J].Earth and Planetary Science Letters,2000,179(2):407-419.

[5]趙國斌,程向民,孫旭寧.齊熱哈塔爾水電站引水隧洞高地溫表現與對策[J].資源環境與工程,2013,27(4):566-567,591.