論文摘要：南水北調西線隧洞最大鉆孔深度為470m;精伊霍鐵路北天山隧洞最大鉆孔深度約733m,平均鉆孔間距約2~3km;北天山某水工隧洞鉆孔最大深度886m,平均鉆孔間距達到3~5km;安康鐵路秦嶺隧洞鉆孔深度210~603m,孔間距約2km;引黃入晉工程隧洞鉆孔深度350m,平均間距約1km。
引言
多年來,隨著我國經濟社會發展的需要,水利水電和鐵路、公路等行業相繼修建了一批深埋長隧洞工程,如國內已建成的遼寧大伙房輸水隧洞、引黃入晉南干線7號輸水隧洞、穿越秦嶺的鐵路隧洞、錦屏二級電站引水發電洞等。
其中遼寧大伙房輸水隧洞長85km,是當今世界上單洞最長的水工隧洞,錦屏二級電站引水發電洞最大埋深達2500m,是我國目前埋深最大的水工隧洞之一。
另外,還有一批深埋長隧洞工程正在施工或正在規劃設計,如新疆某補水工程穿天山隧洞,陜西引漢濟渭工程穿秦嶺隧洞,南水北調西線工程克柯—黃河隧洞、扎洛—克柯隧洞,青海引大濟湟穿大阪山隧洞等,其中最長的達77km,最大埋深達2200m。
無論是國內還是國外,深埋長隧洞的工程地質勘察技術還不成熟,還存在不少困難,是水利水電工程地質勘察突出的難點之一,主要表現在:①地面海拔高,交通困難,勘探設備甚至技術人員難以到達洞線位置。
②勘察測試手段跟不上隧洞工程發展需要,1000~3000m的深度以及高應力、高水頭條件尚缺乏適宜的勘探試驗設備,現有的勘探試驗方法選擇受到限制。
③隨埋深的顯著增加,工程地質問題更為復雜,可借鑒的工程實例不多。
④有關理論還不夠完善,分析評價方法需要摸索。
⑤采用TBM施工是深埋長隧洞工程發展趨勢,相對于鉆爆法,TBM對勘察成果的準確性有更高的要求,而不是可以簡化。⑥勘察經費和工期不足,勘察工作量布置和勘察方法選擇受到明顯限制。
目前,深埋長隧洞的工程地質勘察還處于探索和積累經驗階段,不僅需要工程地質分析、評價理論的豐富與完善,更需要勘察技術與方法的突破與創新。
一、深埋長隧洞主要工程地質問題隧洞工程可能存在的工程地質問題主要有圍巖變形、塌方、巖爆、高外水壓力、突水、突泥和涌水、高地溫、巖溶、膨脹巖、有害氣體、有害水質、放射性危害等。
從一些工程實例來看,深埋長隧洞工程出現上述問題的概率明顯更高,也更為復雜。
在一個工程中,一般有2~4個工程地質問題會比較突出,如錦屏二級發電洞主要問題是巖爆和涌水,精伊霍鐵路天山隧洞主要是斷層帶、大溶隙涌水,魚箭口發電洞主要是溶洞突水、突泥,某達坂輸水隧洞主要是軟巖變形,奇熱哈塔爾發電洞主要是巖爆和高地溫等。突涌水、高應力條件下的巖爆、軟弱破碎圍巖大變形和高地溫是深埋長隧洞出現概率比較高的工程地質問題,對工程影響也較大。國內如遼寧大伙房水庫輸水隧洞、野三關公路隧洞、精伊霍鐵路天山隧洞、錦屏二級發電洞等工程在施工期間曾因大量突水、突泥、巖爆、塌方而出現過人身傷亡和設備事故,并造成投資增加、工期延誤等不良影響。
特別需要提出的是,在極高應力條件下,某些中硬巖也存在發生塑性變形的可能。
瑞士圣格達鐵路隧洞圍巖中存在一種糖粒狀砂巖,在高圍壓下發生塑性收斂變形達70cm以上,曾造成TBM卡機事故。新疆某達坂引水隧洞埋深不超過300m,但地應力高,巖石以泥巖與砂巖為主,因圍巖擠壓和膨脹變形造成數十次TBM卡機事故。穿過煤系地層的隧洞,有害氣體和大變形問題最為突出,比較典型的工程有廣渝高速公路華鎣山隧道和南昆鐵路家竹箐隧道。家竹箐隧道實測瓦斯壓力最大達到1.585MPa,高壓力瓦斯、大變形和大涌水給該隧洞施工造成了很大困難。廣渝高速公路華鎣山隧道不僅有煤層瓦斯,還遭遇了天然氣、二次生化氣及H2S等有害氣體,問題更為復雜。
比較而言,這方面的問題在水利水電工程中較為少見。
隧洞活斷層工程抗斷的已建工程實例尚未見到,規劃中的南水北調西線等幾個長大隧洞工程,已將斷裂活動性問題作為主要工程地質問題之一進行研究。考慮到強烈的破壞性,短時間內形成較大錯距的區域性活斷層應盡力繞避,而以緩慢蠕變變形為主的活斷層在工程技術上是可以克服的。新疆某隧洞曾因放射性危害造成停工和方案改變,但是總的來說,出現嚴重放射性危害的工程實例較少見。
大范圍的侵入巖、煤系地層是放射性礦物易于積聚之地,如在工程中遇到此類地層應進行必要的勘察研究工作。大伙房輸水隧洞等工程勘察期間曾委托專業機構進行放射性勘探。
線路上如存在大范圍放射性礦物,對施工、水資源危害較大,難以有效處理,應首先考慮繞避。
二、深埋長隧洞工程勘察技術1.遙感、地質測繪和調查地面地質工作仍是隧洞工程的主要勘察手段之一。
對于深埋長隧洞工程,地質調查和測繪的內容、要求與常規隧洞工程有所不同。
在隧洞埋深達2000m甚至更深的情況下,洞線兩側2km甚至更遠的巖體、斷裂都有可能會出現在隧洞圍巖中,因此測繪范圍宜擴大到隧洞兩側各2km以上,有時為了追蹤重要的地質現象,需要擴大地質測繪的范圍。
對于水文地質條件的調查要充分重視,必要時應進行專門的水文地質、巖溶調查。
洞線附近的小流域與隧洞涌水問題的評價有直接關系,應納入調查與測繪范圍。
高山區的溪流、泉水往往沒有觀測資料,測繪過程中應對地表水體的范圍、水量、水位進行調查,應選擇多個斷面采用簡易儀器估測溪流流量,對泉水應進行重點調查與觀測。
高山區氣溫、降雨量、蒸發量和降雨入滲規律與山下存在顯著不同,更缺乏直接的觀測資料,這些資料對于預測隧洞涌水量、地溫都是必要的,因此有條件時應在洞線附近分高程設置專門的觀測站點。
深埋長隧洞工程勘察范圍大、交通困難,并缺乏基礎地質資料,地面調查與測繪工作是非常艱難的。
而遙感地質測繪技術具有宏觀性、周期性、信息量豐富、快捷及成本低等優點,已成為深埋長隧洞工程地質勘察的一個重要手段。
如遼寧大伙房水庫輸水隧洞工程進行了面積2100km2的1∶50000遙感地質解譯工作,通過航片、衛片解譯及野外驗證,確定了80余條斷裂構造,初步確定了巖土體范圍、地質界線、地質構造等;南水北調西線工程選擇了ETM、SPOT和SAR等衛星遙感數據為主要信息源,重點對30000km2范圍內的斷裂構造進行了解譯。
2.綜合物探除常規物探方法外,為了探測深部地質體和地質現象,近年使用較多的是可控源音頻大地電磁測深法(CSAMT)和高頻人文大地電磁測深法(EH4)。
如南水北調西線工程、陜西引漢濟渭穿秦嶺隧洞工程、新疆某補水工程穿天山隧洞等。
可控源音頻大地電磁法是根據不同頻率電磁波具有不同穿透深度的特點,利用人工可控源產生音頻電磁信號,探測地面電磁場的頻率響應從而獲得不同深度介質電阻率分布信息和目的體分布特征,其理論測深可達1500m,有效測深1100m。
與可控源音頻大地電磁法不同,高頻人文大地電磁測深法利用天然電磁波信號進行探測,其電磁波頻率相對較高,探測深度也相對淺一些,其理論測深為1000m,有效測深600~800m。
該方法雖然探測深度大,地形適應性強,但是精度還需要進一步提高。
由于各種物探方法都有其優缺點,深埋長隧洞物探勘察適宜采用綜合手段,不同方法之間相互補充和驗證,采取點、線、面結合,定性與半定量結合的勘探布置和分析原則。
3.深鉆孔通過鉆探能夠直接了解深部地層巖性、地質構造、地下水水位與水質、巖溶等基本地質條件,了解巖體放射性及有害氣體的賦存特征;通過巖芯觀察判斷隧洞圍巖類別,分析巖__爆的可能性;通過鉆孔可以取樣或在鉆孔內進行試驗與測試工作,獲得深部巖體物理力學參數等。
因此,對于深埋隧洞工程,鉆探仍是不可替代的主要勘察手段之一。
目前,深鉆孔在國內隧洞工程勘察中的應用已經達到較高水平。
南水北調西線隧洞最大鉆孔深度為470m;精伊霍鐵路北天山隧洞最大鉆孔深度約733m,平均鉆孔間距約2~3km;北天山某水工隧洞鉆孔最大深度886m,平均鉆孔間距達到3~5km;安康鐵路秦嶺隧洞鉆孔深度210~603m,孔間距約2km;引黃入晉工程隧洞鉆孔深度350m,平均間距約1km。
國外也在深埋長隧洞工程地質勘察中使用深鉆孔,如意大利與法國之間穿越阿爾卑斯山麓的鐵路隧道,長約54km,有3.5km以上洞段埋深超過2000m,布置了20個鉆孔,其中有3個深度超過1000m,平均鉆孔間距小于3km;瑞士圣戈達快速鐵路隧洞和伯倫納鐵路隧洞也都布置深鉆孔,甚至在深孔底部又打水平孔。
可見,國內外隧洞工程對鉆探的應用都非常重視,并沒有因埋深大、地面工作條件惡劣而減少鉆孔。
但限于經費和設備能力,不少鉆孔是“懸掛”的,沒有達到洞身位置。
深鉆孔成本高昂,必須精心設計,用于關鍵部位,并盡量一孔多用,除取芯外,常常利用鉆孔開展物探綜合測井、地應力測量、孔內變形試驗、孔內電視錄像以及地溫、放射性測量等試驗測試工作。
4.鉆孔壓水試驗常規的單管頂壓試驗方法在大深度和高壓力下不適用。
一方面埋深很大時巖體吸水量小,常規橡皮栓塞的密封性能不能滿足要求;另一方面栓塞壓力難以控制,可能會被“壓翻”導致試驗難以成功,并可能造成嚴重井內事故。
雙栓塞法技術可靠并具有高試驗精度,中水北方公司在600~850m深度成功完成多段壓水試驗。關于試驗段長度,由于深部巖體滲透性較差,試驗段長度不能太短,在吸水量小的情況下適當加大試驗段長度反而能降低試驗誤差,還可以提高工作效率,如10~20m一段。
關于試驗壓力,中水北方公司在某工程中采用雙栓塞方法進行了常規壓水和高壓壓水對比試驗,結果顯示3MPa和1MPa試驗的透水率相近,顯示常規水頭壓水試驗方法對于深埋隧洞仍是基本適宜的。
5.長探洞錦屏二級引水發電洞實施了超過10km的勘探洞,獲得了大量難得的技術資料。 黃河大柳樹水利樞紐工程右岸發電洞也實施了1.2km的勘探洞,對發電洞成洞條件的論證起到了重要作用。
瑞士圣戈達隧洞為了解皮奧拉(Piora)地層的地質條件,開鑿了長度約為5.5km的隧洞。
瑞士的伯倫納隧洞也采取了類似的勘探方式,在阿爾卑斯山主峰附近開鑿了約1km長的探洞。
目前,國內深埋長隧洞工程地質勘察中采用長探洞的實例還不多,但在工程建設初期,結合施工支洞的施工進行一些試驗、測試是必要的。
如陜西引漢濟渭穿秦嶺隧洞,勘察單位就利用施工支洞進行了深部巖體變形、物理力學特性等方面的測試和試驗工作。
6.巖石(巖體)試驗斷層破碎帶等巖體以及泥巖等軟巖,在高應力下會發生擠壓變形,膨脹巖在水環境改變時會發生脹縮變形,一些中硬巖甚至硬巖在高應力下也存在快速蠕變的可能。
在大深度、高應力條件下,巖體中的空隙被壓密,巖體與巖石的強度特性較為接近,因此可以通過巖石的不同圍壓三軸壓縮試驗模擬圍巖巖體的工作環境,了解巖體蠕變條件和特征,解決施工期哪些圍巖在什么條件下會發生快速蠕變變形問題,為施工方法選擇、掘進機選型提供基礎資料。
郭志通過試驗證實,溫度在數十度至百度時,巖石的力學性質與常溫時差異不大,可以不考慮高地溫對圍巖力學性質的影響。但在高圍壓或卸荷條件下,圍巖的長期強度與峰值強度差異較大。
如某工程圍巖為淺變質泥質砂巖,單軸抗壓強度約70MPa,在30MPa圍壓下其長期強度(抗剪強度)僅為峰值強度的一半。因此,對于大埋深隧洞應考慮進行巖石(巖體)的高圍壓蠕變試驗,以確定巖體的長期強度,為工程永久支護提供強度參數。針對掘進機工效的試驗研究不容忽視,實際上刀具選擇不當會明顯影響掘進效率,維護費用也大大提高,與此有關的試驗主要有巖石抗壓強度、石英含量、硬度和研磨性等。
三、幾點經驗與體會
1.循序漸進,逐步深入,重視施工階段的超前勘探鑒于深埋長隧洞工程地質勘察工作難度較大,存在的工程地質問題復雜,大量的勘探工期較長,費用較高,因此深埋長隧洞工程宜采取整體構思、逐步加深的勘察方式。
超前勘探是深埋長隧洞工程技施階段必不可少的超前預測預報手段,對工程安全施工至關重要,應納入施工工序,并應作為技施階段勘察單位的重要勘察任務。
2.勘探布置應抓住重點隧洞存在的主要工程地質問題是前期勘探的重點所在。
錦屏二級發電洞針對巖溶涌水問題曾進行了全面系統的巖溶調查和超長探洞勘探,奇熱哈塔爾發電洞針對地熱泉引起的高地溫問題進行了鉆孔地溫測量和大范圍泉水調查。國外也是這樣,為了查明關鍵地質問題不惜代價。如瑞士圣戈達快速鐵路隧洞,為查明北面圣哥達“地塊”和南面Pennine片麻巖帶之間皮奧拉地層特征,布置了長度超過1000m的定向鉆孔,并在探洞內布置了深300m的垂直孔;瑞士伯倫納鐵路隧洞,為了解一段復雜洞段的地質條件,首先在主峰附近開鑿了一個長900m的勘探洞,洞內布置了深800m的垂直勘探孔,達到隧洞高程后沿洞線水平方向各延伸了約450m。
大變形、塌方、突涌水、高外水壓力、巖溶、有害氣體等,往往與斷層有直接或間接的關聯,是勘探重點。
如引黃入晉工程、精伊霍鐵路天山隧洞、大伙房輸水隧洞等工程主要斷層均布置有鉆孔或探洞進行控制。
3.充分利用高科技勘探手段鑒于深埋長隧洞的特點,常規勘察方法已無能為力,必須采用重型勘探設備和高科技手段。如航空航天遙感、超深鉆孔及孔內測試、大深度地面綜合物探以及“三高”環境下的巖體力學試驗等。
4.著重針對基本地質條件的勘察,采用多種勘察方法互相補充驗證對于深埋長隧洞來說,無論是工程地質分析理論還是勘察技術方法,都還不成熟,認識深部地質體和地質現象都還比較困難,因此要想在前期勘察設計階段完全查明工程地質條件是不現實的,應把工作重點放在對地層分布、巖組劃分、構造形態與特征、水文地質條件等基本地質條件的認識上,對于重要地質現象、關鍵地質問題的勘察有必要采用多種方法和手段,以互相補充和驗證。
5.勘察評價內容具有針對性,并與施工方法相適應采用鉆爆法、TBM法結合方式是深埋隧洞常用的施工解決方案。以鉆爆法突破復雜洞段,發揮鉆爆法適應性強的特點;條件簡單洞段采用TBM法,發揮其掘進速度快、效率高的優勢。掘進機只有在地質條件適合的范圍才能充分發揮快速高效的優勢,而不同類型的掘進機又有不同的特點,圍巖類別、結構面發育特征、巖石的研磨特性等直接影響掘進機效率和運行成本。這就要求勘察工作對圍巖性質、大變形等問題有較為充分的認識,勘察深度、提供資料的內容必須滿足施工方法選擇需要,與施工方法相適應。
6.勘察評價注重安全性現階段對于深埋長隧洞主要工程地質問題的認識以分析、推測為主,重點集中在判斷是否存在某些地質問題,“查明”是非常困難的。
因此對于涌突水、大變形等關鍵問題的評價應注重安全性并留有余地,在TBM選型、工期安排以及支護、排水等工程措施方面考慮充分,以保證工程施工和運行的安全、順利
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