李修選

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原030024）

隧洞常用于大型引水工程、地下工程、鐵路、公路等領域中，伴隨隧洞埋深增加，隧洞的圍巖應力及溫度也會相對升高，當圍巖應力及地溫達到一定程度，對隧洞的施工有著較大影響，因此對隧洞的圍巖應力及地溫問題進行分析對隧洞的設計及施工具有重要意義。

1 工程概況

小浪底引黃工程2#隧洞為引黃河入涑水河控制性工程之一，起止樁號為6＋403～59＋594，全長約53.2km。隧洞一般埋深小于400 m，樁號33＋000～47＋150段洞線通過中條山山脈，其為涑水河與板澗河的地形分水嶺，隧洞沿線地形起伏較大，其中樁號33＋000～38＋200段地面高程為850～1330 m，地形逐漸增高，洞頂圍巖厚度410～840 m（隧洞設計底高程在485.2m）。樁號38＋200～47＋150段地面高程為1330～630 m，地形逐漸降低，洞頂圍巖厚度140～840 m。其中樁號37＋900～39＋000段為整個洞線埋深最大段，隧洞埋深770～840 m。

該段隧洞位于尖山向斜的北西翼，主要為單斜巖層，巖層總體傾向南東，傾向隧洞進口方向（后川河河谷）。該段隧洞主要通過涑水群衛(wèi)家?guī)X組（Asw）及小嶺組（Asx）地層，巖性為變質巖，主要為混合巖化黑云斜長（二長）片麻巖、斜長角閃巖、磁鐵石英巖、大理巖、混合花崗巖、斜長角閃巖夾白云片巖等，巖性較硬～堅硬，多屬堅硬巖。巖層及片麻理產(chǎn)狀為N6～35°WNE∠33～56°。本段巖層經(jīng)歷過強烈的區(qū)域變質及混合巖化作用，因此巖性較為復雜。巖層、片麻理走向與洞軸線夾角25～30°。

2 隧洞圍巖地應力及巖爆分析

巖爆是巖體中聚積的彈性變形能在地下硐室開挖中突然猛烈釋放，使巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象，是一種施工地質災害。巖爆的發(fā)生是一種復雜的非線性動力學現(xiàn)象，其控制和影響因素較多，成因機制復雜。主要有兩大影響因素：一是巖石的性質；二是圍巖的應力。該段隧洞通過地層巖性為堅硬脆性的變質巖，巖體較完整，地質構造發(fā)育少。有強度高的巖體，具備儲存高能量的環(huán)境；隧洞埋深400～800 m，具備高地應力條件。當隧洞開挖時使巖體中聚積的彈性變形能有空間釋放出來，因此可能會產(chǎn)生巖爆問題。

為了對本段深埋隧洞巖爆分級進行分析評價，必須對隧洞圍巖應力進行分析研究。ZK12d-8號鉆孔位于洞線樁號36＋260處，位于深埋隧洞段的中間部位，對ZK12d-8號鉆孔采用水壓致裂法進行地應力測試，具較好代表性，地應力測試結果見表1。各測段水平最大主應力（SH）值為13.54～20.05MPa，各測段水平最小主應力（Sh）值為7.00～9.52MPa。估算出的各測段的垂直應力（Sv）值為4.29～9.91MPa；工程區(qū)范圍內(nèi)以構造應力為主，且SH＞Sh＞Sv。在洞線高程附近最大主應力方向為N27°～32°E，與洞軸線夾角85°左右，對隧洞邊墻圍巖穩(wěn)定不利。在水壓致裂測試過程中獲得孔壁巖石的原地抗張強度值為2.08～4.91MPa。

表1 ZK12d-8號孔水壓致裂地應力測量結果

根據(jù)鉆孔內(nèi)最大、最小主應力實測值進行線性回歸計算，得出最大、最小主應力值與埋深（h）的線性回歸關系表達式為：SH=（h＋239.5）/39，Sh=（h-98.8）/37.26。根據(jù)線性回歸關系表達式推算埋深在550～800 m間的水平最大主應力值為20.24～27.68MPa。依據(jù)現(xiàn)行《工程巖體分級標準》(GB50218-98)和《水利水電工程地質勘察規(guī)范》(GB50487-2008)附錄Q進行巖爆判別。推算結果及巖爆分級成果見表2。

表2 推算結果及巖爆（分級成果）預測

由表2知樁號33＋100～42＋500段洞頂圍巖厚度在470～840 m，據(jù)實測及推算結果可知隧洞巖體處于極高應力狀態(tài)，在隧洞開挖過程中有可能產(chǎn)生中等巖爆，在設計施工應采取相應的防護措施。特別是樁號37＋900～39＋000段洞頂圍巖厚度可達750～840 m，推算水平最大主應力值為25.37～27.68MPa，隧洞圍巖有較強的應力集中現(xiàn)象。在隧洞設計施工時應特別注意。可采用應力解除法、注水軟化法和使用錨栓＋鋼絲網(wǎng)＋混凝土支護等方法預防巖爆。

3 隧洞地溫分析

高地溫可以造成隧洞空氣溫度升高，惡化施工作業(yè)環(huán)境，降低人員及機械設備工作效率，甚至威脅施工人員的健康和安全；高地溫影響施工及建筑材料的選取，應選用適合高溫下的材料；高地溫影響隧洞的支護和襯砌，可能引起襯砌的開裂，對襯砌結構安全及耐久性不利。

為分析地溫對施工的影響，對本段洞線上ZK12d-9、8、33號深孔中進行了地溫測試。其中ZK12d-9、8、33鉆孔分別位于隧洞樁號32＋610、36＋26039＋570處，位于隧洞最大埋深段兩側。地溫測試采取中國科學院地球物理研究所研制的87-1型數(shù)字測溫儀，測試成果曲線圖見圖1。

圖1 地溫測試成果曲線圖

從地溫測試成果曲線可知，孔口附近受氣溫影響較明顯，ZK12d-9、33號孔中溫度隨深度的加深呈現(xiàn)正常的地熱增溫?？字袦囟然疽?.1～0.4℃/10 m的速率增加。在本段隧洞埋深400～540 m段，洞線高程附近孔內(nèi)溫度在17.7～24.6℃。按0.3℃/10 m的增加速率，推算隧洞埋深650 m溫度達到28.0℃。樁號37＋400～39＋200段隧洞埋深650～840 m處溫度在28.0～33.6℃左右。

另外，據(jù)ZK12d-8號鉆孔資料，在孔深260 m和孔深400 m段分布承壓水?？咨?60段承壓水孔口涌水量在35m3/h左右，孔深400 m以上段孔口涌水量在60 m3/h左右。受承壓地下水的影響，ZK12d-8號孔內(nèi)實測溫度一般在33.3～37.7℃，在孔深260 m段溫度最高達37.7℃，在孔深400 m、440 m段溫度分別為35.3℃、36.3℃。

綜上可知，隧洞埋深400～650 m洞段地溫在17.7～28.0℃左右，推算樁號37＋400～39＋200段隧洞高程附近溫度在28.0～33.6℃左右，樁號36＋260段由于承壓地下水的影響，孔內(nèi)溫度在33.3～37.7℃。依據(jù)《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》（SL303-2004），規(guī)定硐室內(nèi)平均溫度不應超過28℃，而樁號36＋200～39＋200段隧洞高程附近溫度超過28.0℃，最高實測地溫達到37.7℃。故該段隧洞施工存在高地溫問題，建議設計施工時采取降溫措施。

4 結語

1）本段深埋隧洞巖體處于高、極高應力狀態(tài)，可能產(chǎn)生輕微～中等巖爆。樁號37＋900～39＋000段隧洞圍巖有較強的應力集中現(xiàn)象，施工過程中應特別注意?？刹捎脩獬?、注水軟化法和使用錨栓＋鋼絲網(wǎng)＋混凝土支護等方法預防巖爆。

2）樁號36＋200～39＋200段隧洞高程附近溫度超過28.0～37.7℃，最高實測地溫達到37.7℃，隧洞施工存在高地溫問題，建議采取施工降溫措施。

3）隧洞最大埋深段的地應力、巖爆等級及地溫為推測結果，施工開挖過程中應進行監(jiān)測，提前預防，保證施工的順利進行。