喜马拉雅地区隧洞工程地质问题及对策

［印度］H.R.夏尔马 等

在径流式水电站中，主要建筑物，如导流洞、沉砂池、冲砂洞，引水洞、厂房、调压井、压力井、尾水洞等，均布置在地下。这些地下建筑物的建设对工程师是极大的挑战，特别是当建筑物位置存在软弱、易碎岩体和剪切带时。当洞线通过岩性条件复杂多变、构造带富水的活动构造带时，因常出现涌泥、挤出变形、洞壁鼓胀、涌水、高温和有害气体等，隧洞掘进会很危险，投资因此而巨大。在喜马拉雅山这样新构造活动的山区，隧洞施工中发现，围岩条件相对较差，受大量褶皱、断层和逆冲断层的影响，许多地方地下水丰富。

在喜马拉雅地区，水利水电工程隧洞掘进过程中，常遇到断层、逆冲断层、剪切带、涌泥、挤出、鼓胀和膨胀、岩爆、涌水、掉块、地热、有害气体等地质问题。本文阐述了这些主要工程地质问题和相应处理措施。

1 断层、逆冲断层、剪切带

大部分的水力发电项目均位于深山峡谷，便于形成较大的库容和相对较高的发电水头。在印度，大部分水电资源(约75%)蕴藏在喜马拉雅地区:喜马偕尔邦、北阿坎德邦、查谟和克什米尔以及东北部各区。从地质学角度讲，喜马拉雅地区是一个构造活动区，第三纪始新世－渐新世时期由印度板块和欧亚板块碰撞产生。碰撞过程中，印度板块和欧亚板块的挤压导致地壳收缩，南北向的强烈挤压导致构造迁移，并沿喜马拉雅弧形构造带形成逆冲断层。

在喜马拉雅地区，几乎每条隧洞都会遇到厚度不等的剪切带。剪切带是由褶皱、断层、逆冲断层等作用所形成，剪切带岩体发生过强烈的变形，发育有大量平行裂隙。在隧洞工程中，问题的严重程度取决于所遇剪切带的厚度、分布范围、性状及其与隧洞轴线的关系。隧洞掘进遇到剪切带，会发生掉块、流泥，并形成地下空洞，对隧洞的掘进非常不利。如果剪切带中含水(这是经常遇到的)，常常会阻碍隧洞继续掘进，有时隧洞甚至会遭彻底破坏，这给隧洞掘进带来了极大的困难。剪切带陡倾，走向与隧洞轴线斜交，夹角30°～40°，洞线穿过剪切带水平长度15～20 m。多数情况下，剪切带含有高水头承压水。

如果剪切带走向与洞轴线正交，其对隧洞施工的负面影响最小。由于隧洞埋深大，依靠钻探揭露隧洞地质条件存在困难，而且投资大、耗时长，一般根据地表地质填图，将剪切带投影到隧洞轴线上。如果由于构造运动导致岩体强烈褶皱，并且断裂构造发育，特别是在变质岩区，隧洞地质条件可能与地表地质填图推测的明显不同。实践证明，在这样的情况下，隧洞施工时采用超前孔探查技术确定前方的地质条件是非常有效的。例如:在杜尔哈斯蒂(Dul－Hasti)水电站隧洞施工中，在含承压水的剪切带中打深约45 m的超前孔是非常有效的。在马内瑞(Maneri)二级水电站隧洞施工中，当掘进到裂隙密集带与隔水岩体交界处时，洞顶和掌子面发生坍塌，并伴有涌水，在掌子面顶拱部位打入75～100 mm直径的超前孔，下入花管，确定前方是否赋存地下水。

在喜马拉雅地区，由于地下开挖工程遭遇逆冲断层(剪切带)，许多水电项目延期。在塔波文·维什努加德(Tapovan Vishnugad)水电项目中，由于隧洞施工遇到逆冲断层(剪切带)，导致顶拱形成空腔，工期推迟约17个月。应急处理措施如下:

(1)为保证掌子面和顶拱稳定，进行超前灌浆;

(2)洞顶用管棚支撑，多孔无缝钢管直径114 mm，长15 m，间距0.3 m，确保顶拱稳定;

(3)在适当的部位打排水孔，孔径76 mm，孔深5.0 m，控制地下水渗流;

(4)采用分部开挖法施工;

(5)一次掘进控制在1.0 m;

(6)钢拱架(ISMB 250)支护，间距0.6 m。

另一个实例是奇布罗－霍德里(Chibro－Khodri)水电站，霍德里引水隧洞长5.6 km，直径7 m，穿过Nahan沉积岩，Subathu组和Mandhali组地层被Nahan和Krol逆断层分割开。隧洞上游侧岩石为砂岩、粉砂岩，下游侧为石英岩、板岩。在 Nahan和Krol逆断层之间，两岩层接触带发育一条宽约1 000 m的逆冲断层带，逆冲断层带分布有红色页岩剪切形成的“Sabathu”黏土。实际开挖过程中，在逆冲断层带多次遇到红色页岩层，由于岩体失稳，发生了很多问题，导致工期延长了近6 a。最终决定在逆冲断层带内将直径7 m的隧洞拆分为3个小直径隧洞(5 m)施工。

为了处理在剪切带内遇到的地质问题，建议采用以下补救措施:

(1)布置超前孔;

(2)必要时，在掌子面布置取芯钻探，确定剪切带的准确位置;

(3)在隧洞周边布置排水孔;

(4)超前管棚支护;

(5)预注浆/注浆;

(6)减少裸挖长度;

(7)采用分步开挖法减少隧洞跨度;

(8)掘进时同步支撑，必要时回填混凝土。

2 涌泥

涌泥是被地下水浸泡软化的破碎岩体，像泥浆一样没有强度，在压力作用下涌入隧洞，在细颗粒为主的物质中多含有较大的岩块。过去，这种现象被称为“游动”，恰如其分地描述了地下水在其中所起的重要作用和强度的缺失。涌泥产生的初始压力可能很高，足以摧毁牢固的支撑。涌泥往往发生在断层带、厚的剪切带、逆冲断层和地下生物化石层等，在喜马拉雅地区的多个项目中都遇到过，比如杜尔哈斯蒂水电站、纳斯帕－杰克里(Nathpa－Jhakri)水电站和塔波万－维什努加德(Tapovan－Vishnugad)水电站。

要解决在地下水压力作用下的涌泥问题，需对掌子面前方的岩体进行排水和加固。在纳斯帕－杰克里水电站，遇到涌泥问题，大量的地下水与约40 m厚剪切带中的非常松软的岩石一道涌入隧洞。另一个例子是不丹塔拉(Tala)水电站的一条直径6.8 m的引水隧洞，因涌泥问题致使工期大幅延迟。

针对涌泥问题，“DRESS”技术(排水、加固、开挖与支护方案)得到了广泛应用，并已发展成一项成熟的技术，在纳斯帕－杰克里电站和塔拉电站已得到成功应用，操作程序如下:

(1)对掌子面前方岩体进行排水;

(2)用灌浆花管超前支护来加固岩体，掌子面喷混凝土;

(3)分部开挖岩体(分部开挖法);

(4)支护(主要是钢拱架)。

在阿兰杜汉甘(Allain Duhangan)水电站直径4.0 m的引水隧洞工程中，由于剪切带走向几乎平行于隧洞轴线，开挖过程中遇到了严重的涌泥问题，掌子面涌水量达到200～300 L/s。为此采取了以下措施:

(1)在洞顶拱周边，打深15 m、Ф89 mm的减压排水孔;

(2)开挖面用沙袋封堵，并在表面干喷厚层水泥;

(3)管棚支撑采用长10～12 m、Ф89 mm的无缝多孔钢管;

(4)再次开挖之前，先打先导孔进行探查;

(5)利用先导孔进行分段预注浆;

(6)采用分部开挖法施工;

(7)钢拱架提供垂直支撑，间距0～0.5 m。

3 挤出、隆起和鼓包

隧洞的开挖改变了深部岩体内部的应力状态，随着时间推移应力调整到一个新的平衡状态，只要岩体应力水平低于岩体强度，就不会出现隧洞围岩稳定问题。然而，当应力超过岩体强度，隧洞围岩就会逐渐出现破坏，岩体破坏常伴有体胀。隧洞围岩在应力作用下发生破坏，破坏岩体向隧洞内移动，称为挤出破坏，挤出破坏与岩体变形和强度特性差有关。

根据观测，挤出破坏产生的位移和作用在支撑上的压力是很高的，常导致钢拱架的弯曲变形。多数情况下，必须扩挖，才能满足设计隧洞断面的要求。

隧洞围岩吸水和吸附水导致其体积发生膨胀，膨胀压力也作用在隧洞支撑上。

隧洞围岩的挤出变形可以根据隧洞直径的收缩率来评价。

(1)轻微挤出变形。隧洞直径收缩率1%～3%。

(2)中等挤出变形。隧洞直径收缩率3%～5%。

(3)强烈挤出变形。隧洞直径收缩率＞5%。

在奇布罗－霍德里电站、马内里－帕利(Maneri－Bhali)电站、乌里Ⅰ(Uri－Ⅰ)电站和纳斯帕－杰克里电站，隧洞开挖断面的17%发生挤出变形。

如前所述，由于挤出变形，亚穆纳河二期5.6 km长的奇布罗－霍德里隧洞在开挖和支护过程中遇到了严重的问题。最终，不得不将直径7 m的隧洞分为3个直径5 m的隧洞。

马内里－帕利二级水电站隧洞直径6 m，在长40 m的洞段发生了严重的挤出破坏。在基性岩和石英岩之间发现了厚层挤压破碎带，这一挤压破碎带含承压水，承压水头高。由于地应力高，基性岩应变大，为了克服这一问题，隧洞断面由马蹄形改为圆形。为了监测围岩挤出变形情况，中心矿山研究站(CMRS)在挤压破碎带中安装了监测设备。

在纳斯帕－杰克里引水隧洞，围岩为石英云母片岩，岩层走向与洞轴线基本平行，在高地应力作用下发生强烈收敛变形，致使喷护混凝土产生裂缝，钢支撑弯曲变形，隧洞断面缩小300～500 mm。通过对隧洞进行超挖，并用适当的钢支撑进行支护，解决了这一问题。

在隧洞通过高地应力区，为了解决岩体挤出变形问题，行之有效的措施如下。

(1)柔性支护。岩体挤出问题的解决方案之一是采用柔性支护，柔性支护上的柔性节点可以错动，以适应现场围岩条件。当围岩变形接近允许值时，应在支护间的空隙喷射混凝土，阻止支撑钢挤在一起。在含黏土或硬石膏膨胀岩的情况下，围岩挤出问题源于此类岩石具有的吸水膨胀特性，从而导致隧洞底板隆起。在这种情况下，可以设计一种衬砌方法，使在不违反操作要求的前提下，允许底板发生一定量的隆起。在围岩和仰拱之间垫一层高强度、高压缩性材料是一个令人满意的解决方案。设置有滑动节点和柔性构件的钢支撑插在喷护混凝土衬砌上，这样，衬砌能够提供足够的围岩支护(所谓的衬砌强度)，同时围岩的收敛变形可减少作用在最终衬砌上的山岩压力。

(2)减压孔。孔隙水压力的分布和水头影响着岩体的应力－应变特性。排水措施降低了水头，抑制了围岩变形的发展。

在存在围岩挤出变形问题的地层中，要顺利进行隧洞开挖，需要开发一种可靠、简便易行的预测方法，来预报地质条件并确定柔性支护措施。预测围岩挤出变形的经验公式如下:

式中H为隧洞埋深(上覆岩体厚度)，m;a为隧洞半径，m;N为岩体系数，即隧洞开挖质量指标Q=(RQD/Jn)(Jr/JA)Jw/SRF，其中，RQD为岩石质量指标，Jn为节理组数，Jr为节理粗糙度系数，JA为节理修正系数，Jw为裂隙水折减系数，SRF为应力折减系数(假设1)。

另外，还必须确定预期的支撑压力和围岩挤出变形值，来确定有效的处理措施。顶拱衬砌永久压力Proof根据Q值按下列公式计算:

式中Proof为顶拱衬砌压力;Q为隧洞开挖质量指标;Jn为节理组数;Jr为节理粗糙度系数。

已知预期的隧洞挤出变形量，就可以通过设计柔性支护来与之适应，并据此适当增大开挖断面，避免二次开挖。

4 岩爆、剥落与片帮

岩爆是脆性、块状岩体在超高地应力作用下产生的，往往发生在深度超过1 000 m的隧洞工程开挖过程中。在埋深较浅的隧洞工程中，如果水平应力高或应力作用具有强烈的各向异性，也可以发生岩爆。

据报道，在卡达姆巴莱(Kadamparai)电站和帕尔伯蒂(Parbati)二期电站以及纳斯帕－杰克里电站的一些隧洞，发生过岩爆破坏。

帕尔伯蒂二期引水隧洞围岩为黑云母片岩、碳质千枚岩、石英岩和片状花岗片麻岩。石英岩性脆且为块状结构，隧洞开挖过程中，在石英岩洞段发生了连续强烈的、一轮接一轮岩爆。

通过减压爆破的方法，可以避免、限制或控制岩爆的发生。实践证明，薄喷衬砌技术在防止岩爆发生上具有显著的效果，薄喷衬砌技术是将衬砌材料喷射到洞壁围岩上，可以单独使用，也可以与常规支护措施相结合使用，借以达到稳定围岩的作用。与裸洞相比，经薄喷衬砌技术处理过的隧洞，洞壁围岩发生岩爆破坏明显减少。

5 楔形体/块体

埋深较浅的隧洞，在穿越裂隙性岩体时，常见的围岩稳定问题是楔形体产生的洞顶掉块或洞壁滑塌。楔形体是由于各种结构面相互交叉切割形成的，如层理面和节理面，这些结构面将岩体分割成不连续而又相互接触的块体。如果结构面是连续的，或者不连续结构面上的岩桥破坏解体，一个或多个楔形体将会从开挖面掉落或滑出。

在块状岩体中，楔形体破坏的一个特点是，破坏前岩体产生的位移很小。这说明，围岩中的楔形体沿结构面的位移必须被限制到最小才能保证围岩的稳定，因此支护系统必须具有足够的刚度，来抵制围岩的移动。这意味着，机械式锚杆需要被张拉，而注浆锚杆或其他耦合装置可以不张拉，在围岩发生移动之前，也就是在楔形体周边轮廓未完全暴露之前，锚杆应安装到位。可以选择带面板的机械锚杆、全注浆锚杆或者锚索。此外，可以在开挖面喷射混凝土层，这对楔形体的稳定起着至关重要的作用。

在块状围岩中，喷射混凝土对楔形体起着额外支护作用，如果运用得当，是非常有效的。这是因为楔形体的周界较长，因此即使喷射混凝土层较薄，在楔形体破坏之前，要切穿横截面积较大的喷射混凝土层是很难的。例如，在隧洞顶板喷射10 cm厚的混凝土层，抗剪强度取200 t/m2，安全系数将从1.40增加到8.5(在有锚杆支护的情况下)。

6 涌水

在隧洞施工中，涌水是常遇问题，突然涌入的地下水可能造成隧洞坍塌，严重影响施工进度，甚至导致停工。在裂隙和节理发育岩体与阻水岩体交界带，洞顶和掌子面坍塌都与涌水相关。

发现可能存在地下水的最好方法是在可能的富水区进行超前钻探，有时还可利用超前钻孔进行灌浆。超前探测是预防涌水的最好方法，直径75 mm、深约50 m的超前探孔，就可以提供有价值的资料，据此确定涌水问题的严重程度。层析成像和地质雷达等物探手段在隧洞超前预报中正得到越来越广泛的应用，但相对昂贵。有时，采用压力灌浆和化学灌浆的方法控制地下水渗流。

在阿兰杜汉甘引水隧洞施工中，当开挖到软弱岩层(剪切带)冰川堆积物和古冰川沉积物之间时，发生了严重涌水问题，涌水量达到6 000 L/min。涌水的处理措施如下。

(1)用沙袋封堵开挖面，在其上喷射混凝土，防止泥浆从开挖面流出，便于设置排水孔。

(2)设置直径89 mm、长15 m的减压孔/排水孔。

(3)进行深孔分段注浆，注浆材料先用OPC，然后采用微细水泥、超细水泥或硅胶，并添加硅粉和其他化学添加剂。

(4)有些部位，掌子面上覆满泥浆，水泥灌浆不成功，采用聚氨酯化学灌浆加固隧洞掌子面。

7 地热

据报道，在喜马拉雅中部的珀珀尔(Bhabha)水电项目，直径3.2 m的引水洞施工中遇到了非常严重的超高温地热问题，温度高达390～400℃。该项目位于大、小喜马拉雅带内，沿该带分布有许多温泉。地下水、围岩和洞内潮湿的空气温度超过320℃，导致洞内工作环境非常恶劣。要在温度超过320℃隧洞里进行施工作业，就需要配置制冷系统或快速通风系统。

在喜马拉雅中部纳斯帕－杰克里项目隧洞施工中，也遇到了同样的地热问题，涌入隧洞的热水温度高达660℃。

解决地热问题的措施有:

(1)有效的通风换气;

(2)将爆破进尺减少到每天1～1.2 m;

(3)施工施行短时轮班制。

8 有害气体

隧洞施工中遇到的有害气体有二氧化碳、甲烷、二氧化硫、硫化氢等。在吉里巴塔(Giri Bata)隧洞开挖期间，遇到可燃气体，很多工人被严重烧伤。另一个例子是在喜马拉雅东北部的印度曼尼普尔邦洛格德格(Loktak)电站，在沉积岩层中开挖隧洞，遇到大量的甲烷(沼气)，掌子面附近发生爆炸和火灾，15人死亡，许多人被严重烧伤。在同一地区，兰加纳迪(Ranganadi)水电站发生了同样的事情，在乌里Ⅰ水电站尾水洞开挖中遇到甲烷气体，但气体量值远低于致灾界限值。

9 结语

在喜马拉雅地区，区域构造稳定性差，地质条件复杂多变，褶皱、断层、逆冲断层和剪切带等广泛分布，因而不可避免地存在各种地质问题。然而，通过适当的地质调查，并在施工过程中采取一定的预防措施，如超前孔、超前支护、预注浆、布设排水孔和分步开挖法等，可以弱化地质问题的严重程度，并减轻地质问题造成的损失。

(1)在剪切带和存在涌泥问题的洞段，采取诸如在掌子面进行岩心钻探确定剪切带的准确位置、缩短单次掘进长度、与开挖同步支护并回填混凝土、自钻式注浆锚杆支护等，证明是非常成功的。

(2)通过采用柔性支撑，布置减压孔并安装仪器监测围岩挤出变形情况，可以成功地解决挤出问题。

(3)在地应力集中的脆性块状岩体中，通过减压爆破可以避免、限制或控制岩爆的发生。

(4)锚杆可以预防或减轻楔形体破坏，如果运用适当，在块状岩体上喷射混凝土作为辅助支护是非常有效的。

(5)为有效解决地下水问题，可在可能的富水地带打超前孔，压力灌浆和化学灌浆可以控制地下水的渗流，在合适的位置布置减压孔/排水孔，并设置适当的排水通道。

(6)隧洞掘进中的高地温和有害气体问题可以通过有效的通风换气、减少每次爆破的进尺、工人采取短时轮班制避免过劳等措施加以解决。