深埋水工长隧洞主要工程地质问题与勘察经验

张小宝，司富安，段世委，李 坤

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

1 概述

随着我国大型引调水工程和西南地区水电事业的发展，深埋长隧洞大量出现，锦屏二级电站引水发电洞最大埋深2500m，雅砻江支流木里河上的俄公堡水电站引水隧洞最大埋深2100m，新疆某补水工程穿天山隧洞、陕西引汉济渭工程穿秦岭隧洞、青海引大济湟穿大阪山隧洞、滇中引水香炉山隧洞等，其中最长的达77km，最大埋深达2200m。深埋长隧洞在施工过程遇到的工程地质问题复杂多样，轻则延误工期，重则导致TBM卡机，砸毁、掩埋设备，造成人员伤亡。因此，客观认识深埋水工长隧洞工程地质条件的复杂性、现有技术水平和勘察手段的局限性，将勘察工作贯穿于前期和施工的全过程，加强施工期的超前地质预报是十分必要的。

2 国内深埋水工长隧洞遇到的主要工程地质问题

2.1 活动断裂抗断问题

引调水工程线路长，涉及的地层岩性众多，地貌单元多样，难以避免地需要跨越活动断裂，存在活动断裂抗断问题。滇中引水输水总干渠共穿过16条工程活动性断裂，其中5条为全新世活动断裂，11条为晚更新世活动断裂，沿活动断裂的突发地震与位错，对穿越断裂的输水建筑物影响较大。根据相关研究资料表明：活动断裂一般存在0.90～3.8mm/a水平位移和0.13～0.5mm/a垂直位错；潜源最大地震震级全新世活动断裂为7.5～8.0级，晚更新世活动断裂为6.0～7.5级；全新世活动断裂100年位移水平向位错量1.50～2.20m，垂直向位错量值0.26～0.39m；晚更新世活动断裂100年位移水平向位错量值0.06～1.70m，垂直位错量值0.01～0.30m。因此，建筑物穿过活动断裂段应考虑抗断措施，特别是全新世断层穿过硐室时，岩体破碎洞段按最大位错量采取工程措施设防，即考虑硐径、砼衬砌分段长度、分缝止水材料等。日本熊本大地震就活动断裂曾对多条隧洞造成破坏。如图1所示。

图1 日本熊本大地震活动断层对隧洞的破坏

2.2 塌方及软岩变形问题

断层带、破碎带及裂隙密集带的围岩塌方及软岩变形是深埋长隧洞常遇到的主要工程地质问题。青海大坂山隧洞2008年TBM施工开始遇到F4、F5断层(总宽度约1100m)，共发生10余次施工受阻和卡机，至2013年11月仅掘进452m，直到2015年6月隧洞才贯通，如图2所示。新疆八十一达坂隧洞长30.69km，其中23.69km为全断面TBM施工，以泥岩为主，施工过程中共发生比较严重的卡机48次，严重制约了TBM施工进度，使八十一达坂隧洞工期延长1年。

图2 青海大坂山隧洞塌方情况

2.3 突水涌泥

岩溶区、断层破碎带、挤压破碎带、地层岩性接触带的风化壳等部位都是突水涌泥事故的高发区，近年来深埋长隧洞的涌水突泥事件屡见不鲜。云南大柱山隧道涌水突泥段长3.21km，据称“9年涌出10个西湖水量”，日涌水量最大12万m3，如图3所示。北疆调水隧洞某段发生过大于10000m3/d的涌水。秦岭隧洞发生过69次渗涌水，6次较大的集中涌水，单点单次涌水量20000m3/d。2013年4月青海大坂山隧洞左侧旁通洞发生突泥，方量巨大，如图4所示。2020年8月，滇中引水香炉山隧洞玄武岩中的凝灰岩夹层发生了较大的涌水突泥现象，并在多个凝灰岩夹层中出现突水现象。目前正在施工的香炉山5#施工支洞，自开工以来，进尺500m内已经发生了5次涌水突泥事件，给施工进度带来了较大的影响，如图5所示。

图3 大柱山隧洞涌水突泥情况

图4 青海大坂山隧洞突泥情况

图5 香炉山隧洞涌水突泥情况

2.4 高外水压力

锦屏二级电站辅助洞与引水隧洞发生高压涌突水，最大水压超过10MPa，流量超过7m3/s，如图6所示；新疆某隧洞埋深500m左右，地表钻孔钻到300m左右时，遇到承压水，水头喷出地表100多m，估算隧洞顶板处水压力高达6MPa左右；目前正在施工的香炉山5#支洞，穿过石灰窑断裂带时遇到高承压水，碎裂状玄武岩内地下水丰富，水头大，从钻孔内冲出的地下水可瞬时将钢管击弯，灌浆堵水困难。

图6 锦屏二级电站高外水压力

2.5 高地应力岩爆

高地应力是发生岩爆的必要条件之一，与岩体所经受的应力历史、岩体强度、弹性模量、节理裂隙发育程度及水文地质条件等诸多因素有关。锦屏二级引水发电洞曾发生强烈岩爆和塌方，曾造成TBM严重受损，7人死亡，1人受伤，抢险历时35天。秦岭隧洞发生过中等-强岩爆，影响施工，甚至直接砸坏TBM结构件和支护体系如图7所示。

图7 引汉济渭秦岭隧洞强岩爆

2.6 超硬岩问题

秦岭隧洞以石英岩、花岗岩为主。平均石英含量为74%；抗压强度最高315MPa；耐磨值4.65～5.71，平均耐磨值5.26。大坂山隧洞2km左右洞段为抗压强度200MPa左右的花岗岩、石英岩等，裂隙不发育，完整性非常好，石英含量极高，导致掘进速度慢，且刀具磨耗严重，换刀数量大、频繁，如图8—9所示。

图8 引汉济渭超硬花岗岩

图9 秦岭隧洞TBM刀具磨损情况

2.7 高地温问题

秦岭隧洞作业区温度最高达39℃，湿度达90%。齐热哈塔尔引水隧洞有2km，空气温度40℃以上，裂隙喷出的气体达170℃。云南大柱山隧洞高温洞段长3.5km，一年四季在37℃～38℃。

2.8 蚀变岩、砂化白云岩

穿越天山隧洞，长42km，正在施工。原岩为华力西中期侵入的二长花岗岩。强蚀变岩石的组织结构完全破坏或残留少量心石，可见原始结构痕迹。遇水快速崩解。相当于Ⅴ类围岩，塌方、两侧挤压、溜渣等。中蚀变岩石的组织结构部分或大部分破坏，部分岩石呈不连续的骨架或心石。遇水部分崩解。相当于Ⅳ类围岩，塌方、掉块；有水时为Ⅴ类。轻蚀变岩石的组织结构基本完整，浸水后基本没有岩屑或小的颗粒从岩块上脱落。相当于Ⅲ类围岩，顶拱局部掉块。严重影响了TBM的施工，2017年2月—2018年10月，18个月共掘进790m。

滇中引水玉溪、红河段的白云岩风化具有强烈砂化的特征，尤其是以晶粒结构为主的砂质白云岩，在复杂的区域构造背景下，岩体结构以碎裂散体结构和碎裂镶嵌结构为主。白云岩砂化导致岩体质量、强度显著降低，在地下水位以下的隧洞施工可能产生涌水、涌砂问题，成洞较困难，如图10所示。

2.9 有害气体

夹岩总干渠水大桥隧洞：二叠系龙潭组煤系地层，瓦斯含量最高达38.06m3/t，压力0.83MPa。通风及专用设备对工程投资影响很大。正在抽排施工。滇中引水大理2段白垩系昌普组地层，H2S=180ppm，超标25倍。秦岭隧洞：K47+919，变质砂岩，CH4=11%，CO大于1000ppm；K47+939，变质砂岩，H2S=10ppm。

2.10 其它工程地质问题

目前国内多项引调水工程的深埋长隧洞正在施工中，根据前期勘察成果分析，还存在软岩大变形、复杂岩溶以及疏干岩溶地下水等环境地质问题。

3 深埋长隧洞的勘察经验与体会

3.1 资料收集

收集1∶5万和1∶20万区域地质图、大地构造纲要图、地震震中分布图，以及各种比例尺的地形图。

3.2 航片、卫片解译

航片、卫片解译具有宏观性、信息量丰富、快捷及成本低等优点。对测绘与勘察工作有指导作用，可以提供一些线性构造影像，但植被覆盖地区效果不好。辽西北供水、大伙房供水、吉林中部供水、北疆调水等工程都做过航卫片解译。

3.3 地质测绘

地质测绘是深埋长隧洞的重要勘察手段之一，由于隧洞埋深较大，洞线两侧一定范围内的地层岩性及地质构造均有可能在隧洞围岩中出现，因此深埋长隧洞地质测绘扩展到洞线两侧以外一定范围内是十分必要的。

3.4 综合物探

为了探测深部(钻孔不能及的范围)的地质情况，较普遍地使用了可控源大地电磁测深法(CSAMT)。该法具有探测深度大、抗干扰能力能、工作效率高和分辩率高等优点，如表1及图11所示。

图11 某隧洞华里西期闪长岩洞段大地电磁法电阻率等值线图

表1 大地电磁测深法在国内水利深埋长隧洞的使用情况统计表

3.5 利用深钻孔进行取心和综合测试

一般利用钻探的深孔开展以下试验工作：取样试验、岩心编、孔内电视、压水试验、抽水试验、地应力测试、声波测井、地温测量、防渗性测量、有害气体测量及水位观测。

3.6 开展必要的专题专项

(1)地震安评：重要建筑物。

(2)活动断层研究：活动性、活动方式、100年位移建议值。

(3)岩溶及地下水环境调查：岩溶分布规律、岩溶系统划分、对工程施工和环境的影响。地下水环境影响评价。

(4)地应力测试、有害气体测试、放射性测试。

(5)特殊岩土体(膨胀岩、软岩、蚀变岩)工程地质特性。

(6)地质预报方法研究：实测地段、方法及工作量。

4 深埋长隧洞勘察的难点及建议

4.1 勘察的难点

深埋长隧洞勘察目前正处于探索和积累经验阶段，尚未形成成熟的经验理论，勘察工作主要存在以下难点：

(1)山高坡陡，交通困难，勘探设备甚至技术人员难以到达洞线位置。西南地区某些隧洞地表海拔较高，高寒缺氧，甚至终年积雪覆盖，更是对勘察工作提出了挑战。

(2)钻探周期长，钻孔一般选择典型位置布置，如隧洞进出口、断层破碎带、地层岩性分界线、沟谷等位置，前期勘察只能基本查明主要工程地质问题，做到重大工程地质问题不遗漏。

(3)物探测试的地质、地球物理条件和边界特征对测试成果具有较大影响，这些方法均存在着一定的条件性和技术性。

(4)由于节理裂隙的随机性，深埋长隧洞地下涌水量在前期勘察工作中只能大致估测。

(5)目前缺少在大埋深条件下相对成熟的工程地质经验与勘察方法，缺少深部岩石力学等基础理论。

4.2 建议

根据目前深埋长隧洞勘察存在的难点及出现的问题，提出如下建议：

(1)对于深埋长隧洞选线，当地质条件和隧洞长度发生冲突时，可优先考虑地质条件好、长度大的方案。

(2)动态设计，地质勘察工作贯穿全过程，施工为地质工作提供了前期勘察所不具备的条件。施工期间，利用掌子面和已施工隧洞开展必要的补充勘察工作，进一步摸清前方可能遇到的地质问题和现象，动态反馈给设计，为及时调整支护、处理措施和保障施工安全，提供基础支撑。

(3)重视超前地质预报，必要时开展超前水平钻探。选择的预报方法要能适应 TBM施工或钻爆法的特点，同时还要考虑长、短距离结合。

(4)进行开放式技术研发。深埋长隧洞工程地质还存在很多技术难题需要攻克，如勘察手段与方法、测试技术与装备、评价理论与标准等。要高度重视技术创新，建立开放式研发体系，尽可能创造条件引进高水平团队，鼓励跨行业、跨专业开展科研和联合攻关。

5 结语

深埋长隧洞工程地质勘察是当今人类面临的世界级难题，目前还处于理论探索和经验积累阶段。虽然已经建成了相当数量的深埋长隧洞，但还没有形成一整套完整的理论和技术方法。要想在前期勘察阶段解决所有地质问题是不现实的。因此，前期工程地质勘察的总体思路是以收集资料、航卫片解译及工程地质测绘为基础，广泛开展深部物探探测，利用深钻孔和孔内综合测试，验证或复核重要地质现象，结合相关专题、专项研究，基本摸清主要地质条件，不遗漏重大工程技术问题；施工阶段通过超前地质预报、补充勘察和专题研究等，复核前期勘察成果，解决施工中遇到的地质问题。