水工隧洞工程地質勘察中若干問題應對措施探究

劉殊慧

(齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

技術論壇

水工隧洞工程地質勘察中若干問題應對措施探究

劉殊慧

(齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

長引水隧洞是水利水電工程中較為常見的一種工程形式，其主要特點是線路長、洞室深埋、跨越地貌單元復雜、穿越地層巖性多及地下水位影響大。文章通過供水工程中引水隧洞主要工程地質問題的說明，闡述了引水隧洞工程地質勘察中常見的地質問題，比如巖爆、圍巖變形、突涌水等，提出了合理化的建議和防范措施。

輸水隧洞；地質勘察；引水發電；問題；應對措施

0 前 言

多年來,隨著中國經濟的不斷發展,基礎設施建設不斷完善，輸水隧洞亦顯得越發的重要。目前國內已建成多個大型輸水隧洞工程，極大的緩解了當地工業和民用用水問題。工程的建設也解決了多項難題，產生許多寶貴的工程經驗和成果。但就國內外實際理論研究而言，輸水隧洞的地質勘察技術依舊存在一些難題，尤其是在大埋深長距離隧洞中[1],問題主要包括以下方面:

1)隧洞地形地貌環境復雜，洞線埋深大，大都處于山嶺崎嶇，設備和勘察車輛人員抵達指定位置困難。

2)地質勘察技術和設備與隧洞實際需要脫節，在2000-3000m的大埋深位置和高地應力地下水位蘊藏豐富的區域，現有設備明顯受到技術手段，達不到勘測要求。

3)國內外在相關工程領域可借鑒的工程經驗有限，隨著洞線不斷深入，問題的突發性和復雜性不可預測。

4)理論研究上的不足導致分析手段和評價體系的研究不完善。

5)大多數工程在前期階段地質勘察工作的周期性和費用不足，導致實地勘察的技術設備，勘察方法，工程量受到限制。而國內因地勘工作不足釀成事故的實例眾多。所以，地勘工作在水工隧洞的前期設計工作中顯得及其重要。

水工隧洞不同于樞紐工程中的其他水工建筑物，基本上長度是以km為單位計算，有些隧洞長達幾十公里，工程一般建設在多山地地帶，埋深能達到幾百至上千米。目前水工隧洞地勘方法包括以下幾種：地表地質調查作為傳統勘察地質方式，獲取水工隧洞地質信息較為直接。隨著新理論和新技術的應用，地質雷達法目前成為一種主流方式，在地勘工作得到廣泛應用，但此法局限性很強，要求探測深度不能過大，在適宜距離范圍內能夠獲取準確度較高的巖體結構等地質信息。但當在大埋深長距離輸水隧洞中應用受到限制。中國大部分水工隧洞建設于山嶺地帶，這種情況下彎線地震反射技術的成功推廣，它能夠較好的解決這種復雜地質條件的結構組成，目前在國內多個輸水工程中都得到應用。水工隧洞設計中對于地質構造的了解和地下水位的判斷至關重要，一般通過地質鉆孔的方式來解決，鉆芯取樣能夠真實的反應圍巖情況、地下水流動規律，進而優化洞線，節省工程投資，進一步加快工程施工。在中國西南地區的高海拔、高寒地帶，隧洞出露水較多，對泉水出露位置的掌握，高程的測量獲悉滲流場的分布，進而詳實了解地下水位的分布規律。在大埋深長距離隧洞中，可以采用物探、少量鉆孔的方式，洞軸線附近的地質問題可采用專用勘探平硐法，國內諸多工程采用世界領先技術TBM法進行洞室施工，可以結合隧洞超前地質預報綜合分析方法得到準確的工程地質條件，有效作出判斷和防范措施。

1 勘察方法

地質勘察工作是保證水庫工程順利進行的重要因素之一，需不斷提高先進技術在施工和設計等方面的應用，運用科學合理的勘察方案，保證有限的工程勘察質量。該工程隧洞地面海拔高、埋深大，工程地質條件非常復雜，隧洞線大部分地區人和設備均難以到達，因此勘測工作已地面地質調查為主，在充分分析了地面地質調查成果的基礎上結合自然條件，有針對性的布置了鉆孔和硐探及相應的物探測試工作。地面地質工作采用了以高精度衛星地質遙感為主的方法，重點地段和重點地質現象進行實地測繪。針對高低溫、高地應力、巖爆、放射性、涌突水等特殊問題，采取了勘探、物探測試、經驗類比、數值計算模擬等綜合分析方法[2]。地應力分析中通過實測的方式，建立地應力三維有限元模型進行數值仿真分析，對應力特征和巖爆等問題進行了系統分析，為洞線優化、工程施工提供了重要資料。通過地面伽馬總量，能譜測量、水中氡濃度測量及采樣分析，基本查明了隧洞沿線地段的放射性危害程度。針對隧洞區高地溫問題，采用了地表溫泉調查、鉆孔地溫測井和高溫地下水運移趨勢分析等手段，查明了地溫異常帶的分布。

勘察分析過程貫徹了充分運用多方案比較分析、新技術新手段、一孔多用、經驗與理論分析相結合、常規分析與數值模擬相結合等系統分析思想，為工程設計提供了豐富可靠的資料。

2 工程實例

2.1 工程概況

某水電站工程效益主要以發電為主，灌溉防洪為輔。水庫正常蓄水位2745m，最大壩高17.2m，總庫容184萬m3，水閘最大泄洪流量745 m3/s。電站設計最大水頭374.25m，總裝機容量205MW，多年平均發電量為7.341億kWh，。引水發電隧洞布置在河流左岸，全線洞長10285m，洞徑6m，引水流量65.3 m3/s。隧洞圍巖以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，約占82%；Ⅳ、Ⅴ類圍巖較少，約占18%[3]。

2.2 工程地質條件

流域地處西昆侖山腹地，地勢陡峻，地貌上主要屬高山區。地面高程2400-4500m。沿線河谷發育，山區廣泛切割，深度約在900-2400m，山體的縱坡度保持在45°-55°，山勢陡峭，陡崖廣泛存在，隧洞洞線位置地表處基巖表面大部分裸露。工程區地處西昆侖山褶皺系上，位于帕米爾高原東部相對穩定的區域。場地方位內未出現活動斷層，也未發現由古地震或歷史地震所造成的地震斷層等現象。洞線區域設計地震烈度為8°，選址區基巖水平向最大動峰值加速度約為0.28g。

引水發電洞穿過的地層依次有：隧洞區受多期構造運動影響，斷裂構造發育，巖漿活動強烈，變質作用復雜，主要分布變質巖、侵入巖兩大類。巖性主要以變砂巖、片麻巖和花崗巖等為主。隧洞沿線發育三條區域性大斷裂，以及35條地區性斷裂，主要走向為北西和北東向。洞沿線地質問題主要包括巖溶、滑坡、不穩定體等，滑坡、不穩定體規模較小，對隧洞影響不大；巖溶主要發育在隧洞里程0+310-1+710及隧洞里程7+210-8+890區域。全風化程度<10m，強風化厚度<12m，弱風化厚度<65m，整體受地形控制，山坡風化卸荷深度大于溝谷底部，局部受構造影響表現出明顯的異常。卸荷裂隙一般到達弱風化的底部就比較少見，位于山梁的鉆孔深度一般≤60m，位于溝底的鉆孔一般≤30m。

2.3 水文地質條件

根據隧洞洞線附近出露的地層巖性及地質構造特征，根據含水介質性質的不同，將地下水分為基巖裂隙水、孔隙水和巖溶水三大類。隧洞圍巖富水性可劃分為強富水區、中等富水區、弱富水區和貧水區4個區，其中強富水區長度699m，約占5.9%，中等富水區長度4551m，約占50.2%，弱富水區長度1309m，約占25.2%，貧水區長度2120m，約占20.7%。預測隧洞正常涌水量約17340m3/d，預測隧洞最大涌水量約26160m3/d。大理巖地層，巖溶水發育，屬強富水區，斷裂帶和軟弱夾層帶地層中地下水較發育，屬中等富水區，其余地段多為弱富水及貧水區。

2.4 主要工程地質問題

2.4.1 巖爆

本工程具備巖爆發生的有利條件表現為：①隧洞工程處于地殼活動強烈的西昆侖山地區，在亞歐板塊的橫向作用下，該地區的應力環境反應較為強烈；②地處板塊交匯帶，該區域地震活動頻發，且強度大破壞性極高；③洞線位置基本處于高山峽谷中，應力集中區域廣泛分布；④隧洞埋深大，最大埋深1640m處最大應力值近25MPa，甚至更高；⑤隧洞穿越的圍巖多為塊狀硬脆性巖石，單軸抗壓強度多大于100MPa；⑥隧洞大部分巖體的完整性較好；⑦隧洞大部分地段為少水，甚至無水。

依據水力發電工程地質勘察規范，將圍巖強度應力比S值作為對圍巖發生巖爆強度等級的判定標準[4]，結果見表1。

隧洞通過地段地應力主要受控于地形地貌，大部分洞段最大應力為垂直應力，初步判斷，巖爆類型以垂直應力型為主。在深切溝谷極有可能出現應力集中，其應力方向復雜，量值較大，巖爆類型以混合應力型為主。綜合分析，大部分洞段無巖爆或輕微巖爆，約占全長的75%，部分洞段具備中等巖爆條件，預測約占全長的25%。發生強巖爆的可能不大或比例極少。對可能發生洞段采取噴水等工程措施，并對施工設備、人員進行必要防護。

2.4.2 圍巖變形

依據規范要求，在壓力集中部位的S<4時，(Ⅱ類圍巖)應力將超過限值，區域圍巖會產生塑性變化，達不到穩定要求，穩定性較差；當圍巖強度S<2時，(Ⅲ、Ⅳ類圍巖)，圍巖發生變形，數值較大，此時極度不穩定[5]。隧洞圍巖主要物理參數見表2。

據S值估算成果分析，引水發電隧洞洞段約25%洞段圍巖(S)可能<4，圍巖穩定性差，預計圍巖變形主要發生在斷層及影響帶、節理裂隙密集帶和局部軟弱礦物含量較多的部位。

表1 引水發電洞圍巖巖爆預測結果

表2 引水發電隧洞圍巖主要物理力學參數表

2.4.3 突涌水及外水壓力

根據水文、氣象等條件初步判斷，隧洞區地下水較貧乏。隧洞圍巖以塊狀或次塊狀結構的變質巖、侵入巖為主，巖體總體上富水性較差，主要富水地段為巖體淺部和斷層帶，巖體淺部由于受卸荷影響滲透性較強，并直接接受降雨及冰雪融水補給，富水性較深部好。斷層破碎帶由于具有良好的儲水和導水性能，并且沿斷層多有溝谷分布，利于地表和地下水匯集，易于形成不同形式的富水帶。

從鉆孔壓水試驗成果看，占隧洞主要部分的Ⅱ、Ⅲ類圍巖滲透性較差，透水率僅為0-0.09Lu，屬于極微透水性。從物質組成判斷，斷層破碎帶一般具有中等-強透水性，是地下水的主要活動通道。由于巖體滲透性小，在水平、垂直方向滲透性差異明顯，因此難以形成統一的地下水位，隧洞沿地下水位變化較大。鑒于地下水補給不足，預計隧洞涌水初期較大，其后將逐漸減小。

最大涌水量計算公式一般采用古德曼經驗式，國內的經驗法公式為：q=1000×(0.0255+1.9224KH)。穩定涌水量計算公式Q=1000KHL(0.676-0.06K)。采用參數及初步估算見表3(部分洞段)。

表3 隧洞單位最大涌水量及穩定涌水量計算成果表

本隧洞地下水蘊藏較少，洞壁以線狀流水、滴水為主，局部可能產生一般集中涌水；其余洞段為貧水段，地下水對施工影響不大。全洞單位長度最大涌水量平均值約285m3/d·km，單位長度穩定涌水量平均值在92m3/d·km。在斷層破碎帶、軟弱夾層處應特別關注突涌水問題。

2.4.4 高地溫

本隧洞地溫問題主要包括洞線區域海拔較高，空氣稀薄，地面平均氣溫較低，溝谷發育，地勢陡峭，利于熱量散失。但溫泉發育，隧洞埋深大，降雨少，地溫梯度較高，巖體滲透性差，不利于地表水下降降溫。勘測階段對本洞段QZK12、QZK42、QZK65、QZK76、QZK965等個鉆孔進行物探地溫測井見表4。

表4 隧洞鉆孔物探地溫測井成果表

其中QZK42、QZK12兩孔地溫梯度較大，隨深度增加而逐漸減小的趨勢。QZK65、QZK76、QZK92兩孔地溫梯度在合理范圍內。結合結構面發育情況，推斷樁號6+750-10+250存在高地溫問題，可能存在60℃甚至更高的地溫。

在左岸河邊發現一處溫泉，水溫62℃，高程2575m，低于洞線約120m，距洞軸線約1.5km。溫泉沿一組裂隙出露，其結構面產狀為Nm345°傾∠71°。

根據出露點附近發育F3斷裂及f17等次一級斷層等地質條件，判斷泉水的走向基本位置處于Nm332°-355°結構面，走向NE25°-50°。根據泉點位置，結合QZK14孔、QZK45孔的地溫資料，推測泉水與該兩組結構面連通的可能性不大，是造成樁號6+750-10+250存在高地溫的主要因素。

2.4.5 有害氣體及放射性危害

隧洞通過地段鐳、釷、鉀元素放射性活度平均值分別為45.22Bq/m3，78.21Bq/m3，1056.23q/m3,為隨意使用的A類石材，在大部分區域內，其鐳、釷、鉀元素不會造成人體損害，處于可接受范圍之內。隧洞通過地段的鐳含量較低，鐳元素最高活度為130.25 Bq/m3,遠低于管理目標限值，可不考慮鐳引起的輻射環境影響。

根據能譜測量結果，2150個測點中，鉀含量超過國家規定限值6%的點數有8個，所占比例0.4%。等值圖的鉀異常以異常點的形式出現，分布零散，規模較小。異常僅具有統計意義，不代表該地區存在鉀元素富集的現象，且鉀元素一般不作為評價元素。

隧洞通過地段鈾含量平均值為5.52×10-6，最高為23.5×10-6，采樣分析鈾的平均含量為3.43×10-6，異常最大值雖達到作為放射性固體廢物的鈾含量標準，但仍<天然鈾含量估算管理目標限值，且異常比例極小，絕大部分的測點鈾含量處于正常值范圍之內，綜合考慮隧洞通過地段平均2.24%的極低的鈾浸出率指標，可以斷定評價去鈾含量不會造成人體危害，不會對輸水工程的水質造成損害。

隧洞通過地段內索取水樣氡濃度遠<平均值19.8BAq/L。水中鈾核素含量均小于國家標準50μg/L，平均5.42μg/L,水樣分析結果表明評價區放射性核素含量不高。

在隧洞施工過程中，不排除存在放射性核素增高或異常的可能性，應用核素專用測量儀器在隧洞施工的同時進行隧洞路線調查，若遇到放射性核素增高或異常，應對隧洞四壁做放射性編錄，確定高值區，進行必要的防護處理。

3 結 論

引水發電隧洞海拔高、埋深大，勘探難度高，采用超前預測手段，加強施工地質工作，在施工期間利用開挖面，針對深埋的引水隧洞進行巖爆、圍巖變形、突涌水、高地溫等問題進行研究，并與工程實測進行對比，所得結論對類似工程設計施工具有一定指導意義。

[1]張有天.水工隧洞建設的經驗和教訓[J].四川水利，2001,26(04)：76-84.

[2]丁恩保，凌榮華，馬繼平.隧洞工程地質預報方法探討[J].水工隧洞地質，1995(01)：7.

[3]石明生，張永雨.電測深法和鉆探相結合在山區地質勘察中的應用[J].地質與勘探，2005,41(05)：92-95.

[4]任佳，胡國忠，職曉陽，等.雞公山隧道水文地質勘察分析及涌水量預測[J].重慶大學學報，2007，30(04)：52-55.

[5]白龍飛，史穎鴿，王寒芳.水利工程地質勘察問題探討[J].河南科技，2014,6(14):153-156.

CountermeasuresagainstProblemsaboutHydraulicTunnelProjectGeologicalInvestigation

LIU Shu-hui

(Qiqihaer Urban Water Conservancy Investigation and Design Institute,Qiqihaer 161006,China)

Long water diversion tunnel is a common engineering type of water conservancy and hydropower projects, its major characters are: rout is long; carven is buried deeply; spanning the geomorphic unit is complex; there are many layers of rock and groundwater level impacts greatly. By stating the common hydrogeological problems about water delivery tunnel in water supply project, this paper described common problems existing in geological investigation for water diversion tunnel engineering, as rockburst, deformation of coffer rock, water gushing, putting forth the reasonable suggestion and protective measures.

water diversion tunnel; geological investigation; water diversion and power generation; problem; countermeasure

TV672.1

B

1007-7596(2017)09-0140-03

文章編號：1007-7596(2017)09-0059-03

2017-08-19

劉殊慧(1965-)，女，山東肥城人，工程師，從事水利工程地質勘查工作。