喜馬拉雅地區隧洞工程地質問題及對策

［印度］H.R.夏爾馬 等

在徑流式水電站中，主要建筑物，如導流洞、沉砂池、沖砂洞，引水洞、廠房、調壓井、壓力井、尾水洞等，均布置在地下。這些地下建筑物的建設對工程師是極大的挑戰，特別是當建筑物位置存在軟弱、易碎巖體和剪切帶時。當洞線通過巖性條件復雜多變、構造帶富水的活動構造帶時，因常出現涌泥、擠出變形、洞壁鼓脹、涌水、高溫和有害氣體等，隧洞掘進會很危險，投資因此而巨大。在喜馬拉雅山這樣新構造活動的山區，隧洞施工中發現，圍巖條件相對較差，受大量褶皺、斷層和逆沖斷層的影響，許多地方地下水豐富。

在喜馬拉雅地區，水利水電工程隧洞掘進過程中，常遇到斷層、逆沖斷層、剪切帶、涌泥、擠出、鼓脹和膨脹、巖爆、涌水、掉塊、地熱、有害氣體等地質問題。本文闡述了這些主要工程地質問題和相應處理措施。

1 斷層、逆沖斷層、剪切帶

大部分的水力發電項目均位于深山峽谷，便于形成較大的庫容和相對較高的發電水頭。在印度，大部分水電資源(約75%)蘊藏在喜馬拉雅地區:喜馬偕爾邦、北阿坎德邦、查謨和克什米爾以及東北部各區。從地質學角度講，喜馬拉雅地區是一個構造活動區，第三紀始新世－漸新世時期由印度板塊和歐亞板塊碰撞產生。碰撞過程中，印度板塊和歐亞板塊的擠壓導致地殼收縮，南北向的強烈擠壓導致構造遷移，并沿喜馬拉雅弧形構造帶形成逆沖斷層。

在喜馬拉雅地區，幾乎每條隧洞都會遇到厚度不等的剪切帶。剪切帶是由褶皺、斷層、逆沖斷層等作用所形成，剪切帶巖體發生過強烈的變形，發育有大量平行裂隙。在隧洞工程中，問題的嚴重程度取決于所遇剪切帶的厚度、分布范圍、性狀及其與隧洞軸線的關系。隧洞掘進遇到剪切帶，會發生掉塊、流泥，并形成地下空洞，對隧洞的掘進非常不利。如果剪切帶中含水(這是經常遇到的)，常常會阻礙隧洞繼續掘進，有時隧洞甚至會遭徹底破壞，這給隧洞掘進帶來了極大的困難。剪切帶陡傾，走向與隧洞軸線斜交，夾角30°～40°，洞線穿過剪切帶水平長度15～20 m。多數情況下，剪切帶含有高水頭承壓水。

如果剪切帶走向與洞軸線正交，其對隧洞施工的負面影響最小。由于隧洞埋深大，依靠鉆探揭露隧洞地質條件存在困難，而且投資大、耗時長，一般根據地表地質填圖，將剪切帶投影到隧洞軸線上。如果由于構造運動導致巖體強烈褶皺，并且斷裂構造發育，特別是在變質巖區，隧洞地質條件可能與地表地質填圖推測的明顯不同。實踐證明，在這樣的情況下，隧洞施工時采用超前孔探查技術確定前方的地質條件是非常有效的。例如:在杜爾哈斯蒂(Dul－Hasti)水電站隧洞施工中，在含承壓水的剪切帶中打深約45 m的超前孔是非常有效的。在馬內瑞(Maneri)二級水電站隧洞施工中，當掘進到裂隙密集帶與隔水巖體交界處時，洞頂和掌子面發生坍塌，并伴有涌水，在掌子面頂拱部位打入75～100 mm直徑的超前孔，下入花管，確定前方是否賦存地下水。

在喜馬拉雅地區，由于地下開挖工程遭遇逆沖斷層(剪切帶)，許多水電項目延期。在塔波文·維什努加德(Tapovan Vishnugad)水電項目中，由于隧洞施工遇到逆沖斷層(剪切帶)，導致頂拱形成空腔，工期推遲約17個月。應急處理措施如下:

(1)為保證掌子面和頂拱穩定，進行超前灌漿;

(2)洞頂用管棚支撐，多孔無縫鋼管直徑114 mm，長15 m，間距0.3 m，確保頂拱穩定;

(3)在適當的部位打排水孔，孔徑76 mm，孔深5.0 m，控制地下水滲流;

(4)采用分部開挖法施工;

(5)一次掘進控制在1.0 m;

(6)鋼拱架(ISMB 250)支護，間距0.6 m。

另一個實例是奇布羅－霍德里(Chibro－Khodri)水電站，霍德里引水隧洞長5.6 km，直徑7 m，穿過Nahan沉積巖，Subathu組和Mandhali組地層被Nahan和Krol逆斷層分割開。隧洞上游側巖石為砂巖、粉砂巖，下游側為石英巖、板巖。在 Nahan和Krol逆斷層之間，兩巖層接觸帶發育一條寬約1 000 m的逆沖斷層帶，逆沖斷層帶分布有紅色頁巖剪切形成的“Sabathu”黏土。實際開挖過程中，在逆沖斷層帶多次遇到紅色頁巖層，由于巖體失穩，發生了很多問題，導致工期延長了近6 a。最終決定在逆沖斷層帶內將直徑7 m的隧洞拆分為3個小直徑隧洞(5 m)施工。

為了處理在剪切帶內遇到的地質問題，建議采用以下補救措施:

(1)布置超前孔;

(2)必要時，在掌子面布置取芯鉆探，確定剪切帶的準確位置;

(3)在隧洞周邊布置排水孔;

(4)超前管棚支護;

(5)預注漿/注漿;

(6)減少裸挖長度;

(7)采用分步開挖法減少隧洞跨度;

(8)掘進時同步支撐，必要時回填混凝土。

2 涌泥

涌泥是被地下水浸泡軟化的破碎巖體，像泥漿一樣沒有強度，在壓力作用下涌入隧洞，在細顆粒為主的物質中多含有較大的巖塊。過去，這種現象被稱為“游動”，恰如其分地描述了地下水在其中所起的重要作用和強度的缺失。涌泥產生的初始壓力可能很高，足以摧毀牢固的支撐。涌泥往往發生在斷層帶、厚的剪切帶、逆沖斷層和地下生物化石層等，在喜馬拉雅地區的多個項目中都遇到過，比如杜爾哈斯蒂水電站、納斯帕－杰克里(Nathpa－Jhakri)水電站和塔波萬－維什努加德(Tapovan－Vishnugad)水電站。

要解決在地下水壓力作用下的涌泥問題，需對掌子面前方的巖體進行排水和加固。在納斯帕－杰克里水電站，遇到涌泥問題，大量的地下水與約40 m厚剪切帶中的非常松軟的巖石一道涌入隧洞。另一個例子是不丹塔拉(Tala)水電站的一條直徑6.8 m的引水隧洞，因涌泥問題致使工期大幅延遲。

針對涌泥問題，“DRESS”技術(排水、加固、開挖與支護方案)得到了廣泛應用，并已發展成一項成熟的技術，在納斯帕－杰克里電站和塔拉電站已得到成功應用，操作程序如下:

(1)對掌子面前方巖體進行排水;

(2)用灌漿花管超前支護來加固巖體，掌子面噴混凝土;

(3)分部開挖巖體(分部開挖法);

(4)支護(主要是鋼拱架)。

在阿蘭杜漢甘(Allain Duhangan)水電站直徑4.0 m的引水隧洞工程中，由于剪切帶走向幾乎平行于隧洞軸線，開挖過程中遇到了嚴重的涌泥問題，掌子面涌水量達到200～300 L/s。為此采取了以下措施:

(1)在洞頂拱周邊，打深15 m、Ф89 mm的減壓排水孔;

(2)開挖面用沙袋封堵，并在表面干噴厚層水泥;

(3)管棚支撐采用長10～12 m、Ф89 mm的無縫多孔鋼管;

(4)再次開挖之前，先打先導孔進行探查;

(5)利用先導孔進行分段預注漿;

(6)采用分部開挖法施工;

(7)鋼拱架提供垂直支撐，間距0～0.5 m。

3 擠出、隆起和鼓包

隧洞的開挖改變了深部巖體內部的應力狀態，隨著時間推移應力調整到一個新的平衡狀態，只要巖體應力水平低于巖體強度，就不會出現隧洞圍巖穩定問題。然而，當應力超過巖體強度，隧洞圍巖就會逐漸出現破壞，巖體破壞常伴有體脹。隧洞圍巖在應力作用下發生破壞，破壞巖體向隧洞內移動，稱為擠出破壞，擠出破壞與巖體變形和強度特性差有關。

根據觀測，擠出破壞產生的位移和作用在支撐上的壓力是很高的，常導致鋼拱架的彎曲變形。多數情況下，必須擴挖，才能滿足設計隧洞斷面的要求。

隧洞圍巖吸水和吸附水導致其體積發生膨脹，膨脹壓力也作用在隧洞支撐上。

隧洞圍巖的擠出變形可以根據隧洞直徑的收縮率來評價。

(1)輕微擠出變形。隧洞直徑收縮率1%～3%。

(2)中等擠出變形。隧洞直徑收縮率3%～5%。

(3)強烈擠出變形。隧洞直徑收縮率＞5%。

在奇布羅－霍德里電站、馬內里－帕利(Maneri－Bhali)電站、烏里Ⅰ(Uri－Ⅰ)電站和納斯帕－杰克里電站，隧洞開挖斷面的17%發生擠出變形。

如前所述，由于擠出變形，亞穆納河二期5.6 km長的奇布羅－霍德里隧洞在開挖和支護過程中遇到了嚴重的問題。最終，不得不將直徑7 m的隧洞分為3個直徑5 m的隧洞。

馬內里－帕利二級水電站隧洞直徑6 m，在長40 m的洞段發生了嚴重的擠出破壞。在基性巖和石英巖之間發現了厚層擠壓破碎帶，這一擠壓破碎帶含承壓水，承壓水頭高。由于地應力高，基性巖應變大，為了克服這一問題，隧洞斷面由馬蹄形改為圓形。為了監測圍巖擠出變形情況，中心礦山研究站(CMRS)在擠壓破碎帶中安裝了監測設備。

在納斯帕－杰克里引水隧洞，圍巖為石英云母片巖，巖層走向與洞軸線基本平行，在高地應力作用下發生強烈收斂變形，致使噴護混凝土產生裂縫，鋼支撐彎曲變形，隧洞斷面縮小300～500 mm。通過對隧洞進行超挖，并用適當的鋼支撐進行支護，解決了這一問題。

在隧洞通過高地應力區，為了解決巖體擠出變形問題，行之有效的措施如下。

(1)柔性支護。巖體擠出問題的解決方案之一是采用柔性支護，柔性支護上的柔性節點可以錯動，以適應現場圍巖條件。當圍巖變形接近允許值時，應在支護間的空隙噴射混凝土，阻止支撐鋼擠在一起。在含黏土或硬石膏膨脹巖的情況下，圍巖擠出問題源于此類巖石具有的吸水膨脹特性，從而導致隧洞底板隆起。在這種情況下，可以設計一種襯砌方法，使在不違反操作要求的前提下，允許底板發生一定量的隆起。在圍巖和仰拱之間墊一層高強度、高壓縮性材料是一個令人滿意的解決方案。設置有滑動節點和柔性構件的鋼支撐插在噴護混凝土襯砌上，這樣，襯砌能夠提供足夠的圍巖支護(所謂的襯砌強度)，同時圍巖的收斂變形可減少作用在最終襯砌上的山巖壓力。

(2)減壓孔。孔隙水壓力的分布和水頭影響著巖體的應力－應變特性。排水措施降低了水頭，抑制了圍巖變形的發展。

在存在圍巖擠出變形問題的地層中，要順利進行隧洞開挖，需要開發一種可靠、簡便易行的預測方法，來預報地質條件并確定柔性支護措施。預測圍巖擠出變形的經驗公式如下:

式中H為隧洞埋深(上覆巖體厚度)，m;a為隧洞半徑，m;N為巖體系數，即隧洞開挖質量指標Q=(RQD/Jn)(Jr/JA)Jw/SRF，其中，RQD為巖石質量指標，Jn為節理組數，Jr為節理粗糙度系數，JA為節理修正系數，Jw為裂隙水折減系數，SRF為應力折減系數(假設1)。

另外，還必須確定預期的支撐壓力和圍巖擠出變形值，來確定有效的處理措施。頂拱襯砌永久壓力Proof根據Q值按下列公式計算:

式中Proof為頂拱襯砌壓力;Q為隧洞開挖質量指標;Jn為節理組數;Jr為節理粗糙度系數。

已知預期的隧洞擠出變形量，就可以通過設計柔性支護來與之適應，并據此適當增大開挖斷面，避免二次開挖。

4 巖爆、剝落與片幫

巖爆是脆性、塊狀巖體在超高地應力作用下產生的，往往發生在深度超過1 000 m的隧洞工程開挖過程中。在埋深較淺的隧洞工程中，如果水平應力高或應力作用具有強烈的各向異性，也可以發生巖爆。

據報道，在卡達姆巴萊(Kadamparai)電站和帕爾伯蒂(Parbati)二期電站以及納斯帕－杰克里電站的一些隧洞，發生過巖爆破壞。

帕爾伯蒂二期引水隧洞圍巖為黑云母片巖、碳質千枚巖、石英巖和片狀花崗片麻巖。石英巖性脆且為塊狀結構，隧洞開挖過程中，在石英巖洞段發生了連續強烈的、一輪接一輪巖爆。

通過減壓爆破的方法，可以避免、限制或控制巖爆的發生。實踐證明，薄噴襯砌技術在防止巖爆發生上具有顯著的效果，薄噴襯砌技術是將襯砌材料噴射到洞壁圍巖上，可以單獨使用，也可以與常規支護措施相結合使用，借以達到穩定圍巖的作用。與裸洞相比，經薄噴襯砌技術處理過的隧洞，洞壁圍巖發生巖爆破壞明顯減少。

5 楔形體/塊體

埋深較淺的隧洞，在穿越裂隙性巖體時，常見的圍巖穩定問題是楔形體產生的洞頂掉塊或洞壁滑塌。楔形體是由于各種結構面相互交叉切割形成的，如層理面和節理面，這些結構面將巖體分割成不連續而又相互接觸的塊體。如果結構面是連續的，或者不連續結構面上的巖橋破壞解體，一個或多個楔形體將會從開挖面掉落或滑出。

在塊狀巖體中，楔形體破壞的一個特點是，破壞前巖體產生的位移很小。這說明，圍巖中的楔形體沿結構面的位移必須被限制到最小才能保證圍巖的穩定，因此支護系統必須具有足夠的剛度，來抵制圍巖的移動。這意味著，機械式錨桿需要被張拉，而注漿錨桿或其他耦合裝置可以不張拉，在圍巖發生移動之前，也就是在楔形體周邊輪廓未完全暴露之前，錨桿應安裝到位。可以選擇帶面板的機械錨桿、全注漿錨桿或者錨索。此外，可以在開挖面噴射混凝土層，這對楔形體的穩定起著至關重要的作用。

在塊狀圍巖中，噴射混凝土對楔形體起著額外支護作用，如果運用得當，是非常有效的。這是因為楔形體的周界較長，因此即使噴射混凝土層較薄，在楔形體破壞之前，要切穿橫截面積較大的噴射混凝土層是很難的。例如，在隧洞頂板噴射10 cm厚的混凝土層，抗剪強度取200 t/m2，安全系數將從1.40增加到8.5(在有錨桿支護的情況下)。

6 涌水

在隧洞施工中，涌水是常遇問題，突然涌入的地下水可能造成隧洞坍塌，嚴重影響施工進度，甚至導致停工。在裂隙和節理發育巖體與阻水巖體交界帶，洞頂和掌子面坍塌都與涌水相關。

發現可能存在地下水的最好方法是在可能的富水區進行超前鉆探，有時還可利用超前鉆孔進行灌漿。超前探測是預防涌水的最好方法，直徑75 mm、深約50 m的超前探孔，就可以提供有價值的資料，據此確定涌水問題的嚴重程度。層析成像和地質雷達等物探手段在隧洞超前預報中正得到越來越廣泛的應用，但相對昂貴。有時，采用壓力灌漿和化學灌漿的方法控制地下水滲流。

在阿蘭杜漢甘引水隧洞施工中，當開挖到軟弱巖層(剪切帶)冰川堆積物和古冰川沉積物之間時，發生了嚴重涌水問題，涌水量達到6 000 L/min。涌水的處理措施如下。

(1)用沙袋封堵開挖面，在其上噴射混凝土，防止泥漿從開挖面流出，便于設置排水孔。

(2)設置直徑89 mm、長15 m的減壓孔/排水孔。

(3)進行深孔分段注漿，注漿材料先用OPC，然后采用微細水泥、超細水泥或硅膠，并添加硅粉和其他化學添加劑。

(4)有些部位，掌子面上覆滿泥漿，水泥灌漿不成功，采用聚氨酯化學灌漿加固隧洞掌子面。

7 地熱

據報道，在喜馬拉雅中部的珀珀爾(Bhabha)水電項目，直徑3.2 m的引水洞施工中遇到了非常嚴重的超高溫地熱問題，溫度高達390～400℃。該項目位于大、小喜馬拉雅帶內，沿該帶分布有許多溫泉。地下水、圍巖和洞內潮濕的空氣溫度超過320℃，導致洞內工作環境非常惡劣。要在溫度超過320℃隧洞里進行施工作業，就需要配置制冷系統或快速通風系統。

在喜馬拉雅中部納斯帕－杰克里項目隧洞施工中，也遇到了同樣的地熱問題，涌入隧洞的熱水溫度高達660℃。

解決地熱問題的措施有:

(1)有效的通風換氣;

(2)將爆破進尺減少到每天1～1.2 m;

(3)施工施行短時輪班制。

8 有害氣體

隧洞施工中遇到的有害氣體有二氧化碳、甲烷、二氧化硫、硫化氫等。在吉里巴塔(Giri Bata)隧洞開挖期間，遇到可燃氣體，很多工人被嚴重燒傷。另一個例子是在喜馬拉雅東北部的印度曼尼普爾邦洛格德格(Loktak)電站，在沉積巖層中開挖隧洞，遇到大量的甲烷(沼氣)，掌子面附近發生爆炸和火災，15人死亡，許多人被嚴重燒傷。在同一地區，蘭加納迪(Ranganadi)水電站發生了同樣的事情，在烏里Ⅰ水電站尾水洞開挖中遇到甲烷氣體，但氣體量值遠低于致災界限值。

9 結語

在喜馬拉雅地區，區域構造穩定性差，地質條件復雜多變，褶皺、斷層、逆沖斷層和剪切帶等廣泛分布，因而不可避免地存在各種地質問題。然而，通過適當的地質調查，并在施工過程中采取一定的預防措施，如超前孔、超前支護、預注漿、布設排水孔和分步開挖法等，可以弱化地質問題的嚴重程度，并減輕地質問題造成的損失。

(1)在剪切帶和存在涌泥問題的洞段，采取諸如在掌子面進行巖心鉆探確定剪切帶的準確位置、縮短單次掘進長度、與開挖同步支護并回填混凝土、自鉆式注漿錨桿支護等，證明是非常成功的。

(2)通過采用柔性支撐，布置減壓孔并安裝儀器監測圍巖擠出變形情況，可以成功地解決擠出問題。

(3)在地應力集中的脆性塊狀巖體中，通過減壓爆破可以避免、限制或控制巖爆的發生。

(4)錨桿可以預防或減輕楔形體破壞，如果運用適當，在塊狀巖體上噴射混凝土作為輔助支護是非常有效的。

(5)為有效解決地下水問題，可在可能的富水地帶打超前孔，壓力灌漿和化學灌漿可以控制地下水的滲流，在合適的位置布置減壓孔/排水孔，并設置適當的排水通道。

(6)隧洞掘進中的高地溫和有害氣體問題可以通過有效的通風換氣、減少每次爆破的進尺、工人采取短時輪班制避免過勞等措施加以解決。