長距離、大埋深引水隧洞特殊工程地質問題研究

■鐘輝師邑

（1中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司 云南 昆明6500512；2中交第一公路勘察設計研究院有限公司陜西西安710075）

長距離、大埋深引水隧洞特殊工程地質問題研究

■鐘輝1師邑2

（1中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司 云南 昆明6500512；2中交第一公路勘察設計研究院有限公司陜西西安710075）

在引水式水電開發方案中，尤其是長距離引水發電工程，引水隧洞工程無疑是至關重要的。長距離、大埋深的引水隧洞工程，工程地質條件復雜，常常存在地質構造發育、高地應力及巖爆、高外水壓力及涌水等特殊工程地質問題。針對典型的特殊工程地質問題，初步探討解決對策，用以指導勘測設計及施工。

引水隧洞特殊工程地質問題對策

1 長距離、大埋深引水隧洞相關特點概述

在長距離、大埋深的引水隧洞工程中，常常存在以下幾個方面的特殊工程地質問題。

首先，較易揭露地質構造帶。雖然隧洞埋深較大，洞室圍巖一般多處于弱風化甚至新鮮巖體中，圍巖質量一般較好，小規模的地質構造一般不發育。但是，由于引水線路較長，有的工程甚至是跨流域的引水方案，使得引水隧洞在施工過程中更易揭露斷層甚至較大規模的斷裂帶等地質構造。

其次，大埋深引水隧洞洞室圍巖巖體具有更復雜的力學條件。埋深大的工程部位，尤其是在高地應力地區，巖爆是施工過程中較易遇到的工程地質問題。巖體的最大主應力方向往往與區域構造走向趨同，在部分洞段的開挖過程中，常常會發生巖爆現象，增加了施工難度。

最后，具有更復雜的水文地質條件。長距離、深埋藏的引水隧洞常具高外水壓水，增加了涌水的可能性。同時，大埋深存在大地熱流背景，這種環境容易形成良好的地熱系統，因此，在埋深特大的引水隧洞施工區域會出現溫泉現象。

2 存在的特殊工程地質問題

2.1 構造發育問題

在水電站引水隧洞施工中，往往會遇到一些地質構造分布的問題，尤其在長距離、大埋深的引水隧洞中出現大規模構造的可能性更大。

引水隧洞工程一般呈線性分布，地域跨度較大，尤其是長距離引水工程，不可避免地會穿越地質構造相對集中區域，甚至穿越區域性構造帶。地質構造相對集中或大規模構造帶分布區域，受構造影響，巖體完整性極差，多呈碎裂結構或散體結構，富水性較強，圍巖體的整體穩定性差，在地下水豐富地帶，還可能形成集中滲水通道，給地下洞室工程帶來隱患，如不能及時、準確地采取合理的施工處理措施，將嚴重影響工程安全、成本及工期。

2.2 高地應力及巖爆問題

在引水隧洞施工過程中，隨著埋設深度的不斷加深，工程部位的地應力會增大，在埋深600m～3000m洞段范圍內，最大主應力方向往往會由平行岸坡方向逐漸轉變為與岸坡垂直的方向，也就是說，地應力已經由水平為主的狀態轉變成了垂直為主的狀態。同時，在大多數水電開發方案中，引水隧洞的布置多與河谷呈近平行狀態，有的還會從斷裂區或溝谷區域穿越而過，導致區域局部地應力更加集中。

同時，由于施工過程中實際開挖的洞型不規則，往往造成洞室局部地應力過于集中，引起巖爆現象的發生。巖爆問題存在以下特點：一，在施工過程中巖爆現象的發生往往事先沒有任何征兆，必然條件下的偶發性較大，預測起來相當有難度；二，巖爆在空間上具有破壞連續的特點，這種破壞往往會從斷面的某一位置開始，沿隧洞軸線方向有一定的發展空間；其三，在發生巖爆的斷面位置，巖爆還具有一定的時間延續性，自發生巖爆開始至自然穩定，往往需要一定的時間范圍。

2.3 高外水壓以及涌水的問題

在大埋深的洞段，整體圍巖巖體質量一般較好，但是在構造發育洞段或可溶巖分布洞段，地下水流通性較好，在開挖完成初期，開挖面的水頭壓力較大，易發生涌水現象。在涌水初期，由于水頭壓力大，涌水量較大，隨時間推移，水頭壓力逐步降低，涌水量會逐漸趨于平穩。

在某些大埋深、地下水流通性極好的洞段，涌水點的水頭壓力巨大，對后期的襯砌混凝土結構影響較大。對于集中涌水點的外水壓力過大，當外部地下水位波動引起涌水點外水壓力大幅增加時，襯砌結構需要承受巨大的壓力差，常規的襯砌結構很可能無法承受外水壓力，給后期安全運行帶來隱患，所以在前期開挖襯砌過程中應采取合適的特殊措施。

3 特殊工程地質問題解決對策探討

3.1 構造發育問題的解決

對于長距離、大埋深引水隧洞工程的地質構造發育問題，提前查清構造帶的具體分布位置、性狀及規模等參數是準確解決該問題的關鍵因素。在前期地質勘測工作時，應沿引水隧洞軸線一定范圍內進行詳細工程地質測繪，復核區域性構造帶，對沿線出露的地質構造進行重點調查、分析，重要工程部位須配以勘探工作予以查證。施工過程中，對可能分布大規模構造或構造集中的洞段，應開展超前預報、預測工作，用以指導開挖施工采取合適的開挖工藝及爆破參數。

施工處理措施必須要有針對性、及時性。對于前期工作或超前預防工作中已發現的地質構造發育洞段，應充分分析該工程部位構造發育的規模、產狀、影響厚度、地下水等主要指標，對圍巖穩定性進行綜合評估，及時調整開挖、支護、地下水處理方案。對于圍巖極不穩定、有可能發生大規模塌方現象的洞段，應采取預固結等超前支護措施，待構造影響帶加固后再進行開挖；對于圍巖穩定性差，但不致發生大規模塌方現象的洞段，可采取短進尺、弱爆破的開挖方式，并及時完成一次支護措施。

3.2 巖爆問題的解決

首先，根據巖爆級別的不同采取針對性的解決辦法。如果巖爆問題不大，可以采取向工作面以及隧道揭露面噴水的方式，使圍巖得以軟化，釋放部分應力，使巖爆現象得以有效控制；如果是中等強度的巖爆情況，則需要暫時停止施工，施工人員撤退至50m～150m以外，并采取遠距離噴水的方式向巖爆位置進行噴水，待巖爆情況有所緩解后，及時對已經松裂的巖塊進行清理，并采取加固處理措施；如果是高強度的巖爆現象，則應立即停止施工，施工人員撤退至200m～300m以外，待洞室基本穩定后，在機械設備的幫助下完成找頂操作，及時對已經松裂的巖塊進行清理，并采取鋼筋混凝土進行加固。

其次，在高地應力，易發生巖爆現象的地下洞室進行開挖施工時，應采取合適的爆破、開挖方式。在這些地區的引水隧洞開挖時，應盡量按照全斷面、短進尺的開挖方式，嚴格控制每個開挖循環的爆破進尺，一般以2m左右為宜。

最后，盡管巖爆問題的發生常常具有突然性和不可預測性，但是在勘測設計階段應有針對性地查清工程區圍巖體的工程地質條件，尤其是對地應力進行針對性或專門性分析；在開挖施工過程中，應加強巖爆現象的預測、預防工作，一旦發現異常，應及時采取相關工程處理措施。

3.3 高外水壓力及涌水問題的解決

在引水隧洞工程實踐中，常采用提前預注漿封堵（見圖1）和良好排水措施相結合的施工方式。采用這種施工方式主要有兩個方面的優勢，一是對圍巖進行提前灌漿后，地下水通道得以封堵，其流通性將得到較大程序的抑制，圍巖巖體整體性得以改善，洞室圍巖整體穩定性將會大大提高，同時圍巖巖體的承載及阻水能力隨之提高，這是解決引水隧洞嚴重涌水問題的關鍵舉措；二是良好的排水措施布置，處理方便，費時較少，在常年外水壓力大于內水壓水的洞段，還可考慮利用排水措施將外水引入洞內，增加電站的引用流量。

P642[文獻碼]A

1000-405X（2016）-12-69-1

鐘輝（1983～），男，苗族，碩士，工程師，研究方向為水利水電工程地質，巖土工程。