樂亞水資源配置引水隧洞主要工程地質問題分析

張 超

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 蚌埠 233000)

樂亞水資源配置工程位于海南省中南部,范圍涵蓋五指山市、樂東縣、三亞市,主要建設內容為南巴河水庫及引水隧洞工程、向陽水庫及引水隧洞工程、灌區工程等。本工程引水隧洞分為向大隆水庫引水的主洞及向南木水庫引水的支洞,工程等級為Ⅱ等大(2)型。向大隆水庫引水隧洞共有上壩址東線方案、下壩址東線方案、上壩址西線方案、下壩址西線方案4個方案,總體呈近南北向布置。上壩址東線方案全長約33.84 km,西線方案全長約42.43 km,下壩址東線方案全長約36.77 km,西線方案全長約41.87 km。向南木水庫引水隧洞東線方案全長約15 km,西線方案全長約5.8 km。工程包括的引水隧洞具有“線路長”、“埋深大”的特點,容易產生一系列工程地質問題。

1 引水隧洞主要工程地質問題

1.1 進出口邊坡及洞室圍巖穩定問題

(1) 進出口邊坡。上壩址引水隧洞進口全、強風化層較厚,邊坡高度大于40 m,存在全、強風化巖體的邊坡穩定問題;東線方案引水隧洞出口存在較厚的坡積層粘土夾碎石,下伏基巖上部風化破碎,存在碎石土及風化破碎巖體邊坡的穩定問題。對于存在邊坡穩定問題的地段,建議放緩邊坡并采取相應支護和加固措施。

(2) 洞室圍巖。隧洞洞身穿越地層巖性主要為花崗巖類,部分為板巖、粉砂巖,夾結晶灰巖,無軟巖、膨脹巖等不良巖體,大范圍洞室圍巖穩定問題不突出。局部洞段見有蝕變巖,巖石強度較低,如遇構造影響,地下水滲入,有崩解現象,此類巖石構成的洞室圍巖穩定性較差。另局部斷層發育段,可能存在小范圍的圍巖穩定問題。部分較大規模斷層帶內巖石為灰綠、灰黃色蝕變巖石,具崩解及軟化特征,由其構成的洞室圍巖強度不足,易造成圍巖較大變形。

主洞引水隧洞總體呈近南北向布置,而沿線最為發育的構造方向亦為近南北向,此組構造走向大部分洞段與軸線呈小角度相交或近平行,不利于圍巖穩定,易在邊墻、特別是順傾結構邊墻產生片幫破壞、楔形體、掉塊等圍巖穩定問題。東線方案后段淺變質巖分布區,斷裂構造發育,主要斷裂產狀與洞線交角小,圍巖穩定性差,且局部巖層產狀與洞線近平行,傾角較緩,大部巖體呈薄層狀結構,巖層與陡傾角裂隙組合切割下,對隧洞頂拱圍巖穩定不利,產生頂拱掉塊、坍頂等變形破壞。

1.2 隧洞突、涌水及高外水壓力問題

(1) 突水、涌水。隧洞洞身大部位于花崗巖中,透水率大多較小,為弱～微透水性,洞身穿越的斷層多為壓扭性斷層,帶內大多為膠結較好的角礫巖及碎裂巖,局部為蝕變巖石,張性夾泥破碎帶相對較少,此種性質斷層透水性一般不大。從地表來看,洞身附近較大沖溝大多常年流水,說明沖溝底巖體透水性較小,降水入滲量不大。洞身位置巖體厚度大多在50 m以上,下部巖體一般較完整,透水性小,一般不會有明顯的突水、涌水現象發生,但局部較大斷層帶與兩側巖石接觸部位可能發生小范圍的涌水、突水現象。

東線隧洞后段分布有灰色厚層狀結晶灰巖、白云巖以及板巖夾結晶灰巖透鏡體,地表未見明顯巖溶洼地、巖溶漏斗發育,僅可見小溶溝或小溶洞等溶蝕情況,鉆孔中灰巖未見較大溶洞,僅見有順裂隙溶蝕現象,巖溶發育程度分級為弱發育,洞室一般不會產生順灰巖溶洞的大范圍突、涌水問題。但出口附近順灰巖溶蝕裂隙可能有一定的突、涌水問題。

(2) 高外水壓力。根據山坡沖溝內地表水水位調查及鉆孔的地下水位,推測隧洞較大埋深段地下水水頭一般在550 m以下,最高水頭約在700 m左右。隧洞沿線巖體除表層風化卸荷帶外,下部巖體透水性一般較小。根據隧洞穿越段地下水儲水類型與介質特征及透水性,選擇適當的外水壓力折減系數進行預測后認為,除局部斷層帶附近外,隧洞大部分不存在高外水壓力(≥1.0 MPa)問題。

2 引水隧洞地應力、巖爆、有毒氣體及放射性分析

2.1 地應力及巖爆穩定性分析

(1) 地應力分析。主洞東線方案穿越山體最高高程980 m,最大埋深約780 m,東線方案南木支線前段穿越山體最高高程1 080 m,最大埋深約900 m,均存在一定比例的大于600 m的深埋隧洞。深埋隧洞段巖性主要為花崗巖類,巖質硬脆,完整性較好。海南島及周邊海域區域構造應力場研究成果表明，在水平分布上,海南島的最大主應力方向整體呈弧形變曲,為自西向東由NNW向漸變為NW向,在斜穿海南島的NE向潭爺斷裂帶處傾角較陡,兩側傾角近水平。垂直分布為,除潭爺斷裂帶外,在小于200 m深度內,最大水平主應力(σH)>上覆巖體計算垂向主應力(σV)>最小水平主應力(σh),大于200 m深度內,σH>σh>σV?？傮w上,應力場特征以水平主應力為主,為垂向主應力的1.1～1.2倍。

根據地應力測試結果,引水隧洞東線DK6孔在82.6 m～242.2 m測深范圍,最大水平主應力為4.6～10.0 MPa,最小水平主應力為4.0～7.3 MPa,鉛直應力為2.2～6.4 MPa。

(2) 巖爆分析。針對引水隧洞可能發生巖爆的完整硬質脆性圍巖(主要為花崗巖,最大埋深900 m),依據試驗結果取巖石飽和單軸抗壓強度Rc=120 MPa,巖體重度γ取26.4 kN/m3,判斷:隧洞埋深小于460 m時,施工期不會發生巖爆;埋深為460 m～900 m時,可能發生輕微巖爆。另外引水隧洞最大水平主應力方向與隧洞軸線方向夾角較大,不利于隧洞圍巖穩定。

2.2 地溫及有毒有害氣體分析

(1) 地溫。樂東縣年均溫24.1 ℃～25.1 ℃,1月平均氣溫18.8 ℃,7月均溫28.1 ℃～29.5 ℃,極端最高氣溫為39.5 ℃。地熱增溫率一般為3 ℃/100 m。在部分鉆孔中進行了地溫測試,孔內溫度為22 ℃～29 ℃,地溫較正常。

(2) 有毒有害氣體評價。隧洞沿線的淺變質巖主要巖性為粉砂質板巖、千枚巖、粉砂巖等,局部夾灰巖透鏡體,無煤層或炭質巖性分布,不具備有毒有害氣體的產生條件,根據地質測繪及現場訪問,未見有地表冒氣、自燃,河流、水井、水塘也未見經常性冒泡、冒水等現象,鉆探過程中也未發現有氣體溢出。部分鉆孔有毒有害氣體測試結果為:一氧化碳CO濃度為0.25～5 mg/m3,二氧化硫SO2濃度為0.1 mg/m3,二氧化氮NO2濃度為0.1 mg/m3。隧洞沿線有毒有害氣體濃度均不超過最大允許濃度。

2.3 放射性分析

在花崗巖類巖石分布區部分鉆孔中進行了放射性元素氡及釷氣檢測,結果表明,各孔中平衡當量氡濃度一般為18～73Bq/m3,僅南木支線閘門井處NK5孔放射性物質較高,平衡當量氡濃度為267Bq/m3,西線方案附近XK8孔放射性物質亦較高,平衡當量氡濃度為117Bq/m3。NK5孔放射性物質已經超過地下硐室放射性物質標準含量。

3 TBM施工適宜性評價

引水隧洞所經地形大多為崇山峻嶺,施工支洞布置不便,擬采用TBM施工。隧洞前段分布的花崗巖類巖石,飽和單軸抗壓強度一般在100～150 MPa之間,局部大于150 MPa。圍巖類別以Ⅱ類為主,局部Ⅲ類,少量Ⅳ～Ⅴ類,巖體一般較完整,少量為較破碎巖體。TBM施工適宜性大部分為一般～較差,適宜性分級為基本適宜(B)～適宜性差(C),局部為適宜(A)。隧洞后段分布的淺變質巖巖性較雜,各類巖石性質差異性較大。綜合考慮,石英巖及礫巖分布洞段TBM施工適宜性較差,適宜性分級為適宜性差(C);結晶灰巖分布洞段TBM施工適宜性好,適宜性分級為適宜(A);板巖及粉砂巖分布洞段TBM施工適宜性一般或不適宜,適宜性分級為基本適宜(B)或適宜性差(C)。

值得注意的是引水隧洞沿線大部都是花崗巖地層,隧道施工時,隨著隧道截面增大,放射性物質濃度會相對增加,建議施工中一定要加強對放射性物質含量的監測,采取通風和預防措施,減少每班次人員施工時間,盡量減少人體裸露部分,減少人員與放射性物質接觸時間。

4 結束語

與普通隧洞相比,深埋長隧洞由于“埋深大”和“線路長”往往引起許多特殊的工程地質問題,例如巖爆問題、涌水問題、高地溫問題等,必須給予高度重視并做好充分的預案準備,保證工程施工及運行的安全。