蔣 銳，焦振華

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

引漢濟(jì)渭工程是陜西省內(nèi)跨流域調(diào)水工程，即從秦嶺南側(cè)的漢江向秦嶺北側(cè)的渭河調(diào)水工程[1]。工程地跨長(zhǎng)江、黃河兩大流域，穿越秦嶺，主要由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和秦嶺輸水隧洞三大部分組成。

黃金峽水利樞紐位于漢江干流洋縣段，大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高63m；三河口水利樞紐位于漢江支流子午河寧陜與佛坪交界處，大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高141.5m；秦嶺隧洞橫穿秦嶺，最大埋深2012m，隧洞全長(zhǎng)98.3km，設(shè)計(jì)流量70m3/s。

引漢濟(jì)渭工程規(guī)模大，地質(zhì)條件復(fù)雜，工程地質(zhì)問(wèn)題較為突出。本文基于勘察及現(xiàn)場(chǎng)施工資料的收集與分析，對(duì)施工建設(shè)過(guò)程中遭遇到的壩肩抗滑、巖爆、突水涌泥、高地溫、軟巖變形、放射性及有害氣體等主要工程地質(zhì)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行了闡述，為工程后續(xù)建設(shè)提供有益的指導(dǎo)，同時(shí)也可供其他類似工程參考和借鑒。

1 三河口水利樞紐右壩肩抗滑

壩肩抗滑穩(wěn)定主要受各類結(jié)構(gòu)面控制，緩傾角結(jié)構(gòu)面構(gòu)成底滑面，順河向結(jié)構(gòu)面構(gòu)成側(cè)滑面，垂直于河流走向的結(jié)構(gòu)面切割巖體構(gòu)成后緣拉裂面，下游溝谷及變形模量較低的斷層帶構(gòu)成臨空面，結(jié)構(gòu)面組合塊體在拱端推力作用下可能沿底滑面或底滑面與側(cè)滑面的交線滑動(dòng)[2]。

根據(jù)勘察及施工揭示，三河口水利樞紐右壩肩主要斷層三維圖如圖1所示，由圖1可知右壩肩易構(gòu)成對(duì)壩肩抗滑穩(wěn)定不利的組合。根據(jù)空間穩(wěn)定分析計(jì)算分析認(rèn)為，右壩肩在以下2組滑動(dòng)模式下穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求。

圖1 三河口右壩肩主要斷層三維圖

滑動(dòng)模式1：上游拉裂面+斷層f57為側(cè)裂面+緩傾角斷層PD26f1(或緩傾角裂隙)為底滑面+下游自然臨空面。

滑動(dòng)模式2：上游拉裂面+斷層f14為側(cè)裂面+緩傾角裂隙為底滑面+下游自然臨空面。

右壩肩抗滑不穩(wěn)定和斷層f57、f14有關(guān)，故施工中對(duì)斷層f57、f14斷層進(jìn)行了平硐高壓固結(jié)灌漿處理。

斷層f57分別在565m和550m高程開(kāi)挖2條沿?cái)鄬幼呦?，長(zhǎng)度同為180m的處理平洞；斷層f14在521m高程開(kāi)挖1條沿?cái)鄬幼呦?，長(zhǎng)度為115m的處理平洞；洞內(nèi)進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿，高壓固結(jié)灌漿孔沿洞線共設(shè)3排，其排距1.2m，孔距2.0m。

同時(shí)對(duì)斷層處理平洞進(jìn)行普通固結(jié)灌漿，洞室最后用C20混凝土回填后，成為混凝土洞塞，起到傳力作用，將大壩推力傳至山體內(nèi)側(cè)。

根據(jù)右壩肩基礎(chǔ)處理后的空間抗滑穩(wěn)定計(jì)算，經(jīng)過(guò)高壓固結(jié)灌漿和C20混凝土洞塞聯(lián)合處理后，壩肩穩(wěn)定計(jì)算滿足規(guī)范要求。

2 秦嶺隧洞主要工程地質(zhì)問(wèn)題

秦嶺輸水隧洞埋深大，地應(yīng)力高，隧洞長(zhǎng)，施工過(guò)程中出現(xiàn)了巖爆、突水涌泥、高地溫、軟巖變形、放射性及有害氣體等一系列工程地質(zhì)問(wèn)題。

2.1 巖爆

秦嶺隧洞埋深多大于600m，最大埋深2012m，屬深埋隧洞。對(duì)于深埋隧道而言，圍巖大多是新鮮巖體或卸荷范圍內(nèi)的弱風(fēng)化巖體，初始應(yīng)力場(chǎng)取決于自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)[3]。

從洞室圍巖特性及地應(yīng)力實(shí)測(cè)成果看，洞身段大部分位于弱風(fēng)化-未風(fēng)化的片麻巖、大理巖、花崗巖、閃長(zhǎng)巖等堅(jiān)硬巖體中，地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明，主應(yīng)力具有較為明顯的水平構(gòu)造應(yīng)力作用，地應(yīng)力值較大；隧洞開(kāi)挖具備發(fā)生巖爆的應(yīng)力條件。

圖2 巖爆產(chǎn)生的掉塊現(xiàn)象

實(shí)際開(kāi)挖中，巖爆問(wèn)題較為突出，如圖2所示，嚴(yán)重影響了開(kāi)挖進(jìn)度。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，巖爆發(fā)育主要特征如下：

(1)主要發(fā)生在花崗巖、閃長(zhǎng)巖洞段，富水性分區(qū)為貧水區(qū)。

(2)埋深500～1200m以輕微(Ⅰ級(jí))巖爆為主，埋深1200m以下以中等(Ⅱ級(jí))為主，局部為強(qiáng)烈(Ⅲ級(jí))巖爆。

(3)Ⅲ類圍巖段為輕微(Ⅰ級(jí))巖爆,Ⅱ—Ⅰ類圍巖段為中等(Ⅱ級(jí))—強(qiáng)烈(Ⅲ級(jí))巖爆。

(4)瞬時(shí)巖爆、滯后巖爆兩者都有發(fā)生,以巖石剝落掉塊為主，從洞壁彈射巖塊的現(xiàn)象較少。

對(duì)巖爆問(wèn)題，施工中采取的對(duì)應(yīng)處理措施：①對(duì)于輕微(Ⅰ級(jí))巖爆洞段，主要采用噴灑高壓水、掛網(wǎng)噴射混凝土初期支護(hù)、隨機(jī)錨桿；②對(duì)于中等(Ⅱ級(jí))、強(qiáng)烈(Ⅲ級(jí))的巖爆洞段，噴灑高壓水、實(shí)施鉆孔應(yīng)力釋壓，掛網(wǎng)噴射混凝土初期支護(hù)，設(shè)置徑向系統(tǒng)錨桿，系統(tǒng)錨桿施做完畢后設(shè)立鋼拱架支護(hù)等綜合處理措施；③TBM開(kāi)挖中，加大刀盤(pán)噴水量、放慢掘進(jìn)，以錨網(wǎng)噴為主，適當(dāng)?shù)臅r(shí)候加密錨桿。

采取以上措施的同時(shí)，加強(qiáng)應(yīng)力與變形監(jiān)測(cè)，對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)。常用的巖爆預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法有：地質(zhì)現(xiàn)象分析法，σθ/Rb判據(jù)法、巖爆傾向性指數(shù)(Wet)判據(jù)法、巖爆鄰居深度預(yù)測(cè)法、聲發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、模糊綜合評(píng)判預(yù)測(cè)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法、分形預(yù)測(cè)法、突變理論預(yù)測(cè)法等[4]。本工程采用“微震監(jiān)測(cè)技術(shù)”對(duì)巖爆的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)效果較好，通過(guò)這一系列的措施，保證了巖爆洞段的施工安全和后期穩(wěn)定。

2.2 突水涌泥

隧洞施工中突發(fā)大量涌水，危害嚴(yán)重，不僅造成設(shè)備、人身事故，甚至被迫停工，貽誤工期[5]。

秦嶺隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，大部分突涌水現(xiàn)象主要出現(xiàn)在各斷層破碎帶附近，大部分突水(泥)多在當(dāng)天壓力驟減，涌水量衰減迅速，主要為靜儲(chǔ)量，與其他地段的涌水無(wú)明顯的水力聯(lián)系，與地表水體無(wú)直接水力聯(lián)系，較突出的突涌水問(wèn)題主要有：

(1)嶺南TBM洞段埋深超過(guò)1000m，勘察階段劃分為貧水區(qū)，2016年2月28日，隧洞突發(fā)特大涌水,涌水量達(dá)到每天4.6萬(wàn)m3/d，是設(shè)計(jì)最大涌水量的3倍多，洞內(nèi)積水離最高警戒線只有3.5cm，由于該段排水難度大，該涌水事故造成TBM掘進(jìn)停工2個(gè)多月。

(2)嶺北7#支洞段主洞日涌水量達(dá)4.3萬(wàn)m3/d，連續(xù)2個(gè)月抽排涌水量沒(méi)有衰減跡象，如圖3所示。

圖3 隧洞涌水后洞段積水

(3)椒溪河段隧洞由于距河床最近的地方只有20m，屬可溶巖洞段，隧洞里遭遇了三次較大的涌水。

根據(jù)涌水量實(shí)測(cè)成果可知：施工開(kāi)挖后總體涌水量未超出勘察階段預(yù)測(cè)，局部段涌水存在較大出入。

施工過(guò)程中對(duì)一般涌水，以排為主，排、堵結(jié)合的措施；嚴(yán)重涌水的洞段，綜合采用帷幕灌漿封堵、超前鉆孔放水釋壓的方法進(jìn)行施工；椒溪河段采取灌注混凝土堵漏的辦法處理后通過(guò)。

富水層的視電阻率值一般較圍巖小很多，為低阻異常；而視極化率、半衰時(shí)、衰減度等參數(shù)一般為高阻異常[6]。因此對(duì)地下水豐富的洞段，采用瞬變電磁、激發(fā)極化、紅外探水等物探方法積極進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。從效果上來(lái)看激發(fā)極化法相對(duì)較好。

2.3 高地溫

秦嶺隧洞地溫預(yù)測(cè)考慮了地下水作用、地形效應(yīng)的地溫θ計(jì)算公式為

θ=θH+(HW-H)GW+(Z-HW)G[7]

(1)

式中,θH—隧道區(qū)恒溫層溫度，℃;H—隧道區(qū)恒溫層深度，m;GW—隧道區(qū)地下水活躍帶地溫梯度;Z—隧道埋深，m;HW—隧道區(qū)地下水活躍帶影響深度，m;G—隧道區(qū)地下水滯留帶地溫梯度。

勘察階段預(yù)計(jì)高地溫多出現(xiàn)在埋深>1000m地段，最高可達(dá)42℃，高溫對(duì)隧洞施工有一定影響。

實(shí)際開(kāi)挖揭示與前期預(yù)測(cè)基本一致，埋深大于900m的地段超過(guò)28℃，TBM開(kāi)挖洞段埋深約1200m時(shí)，洞內(nèi)停機(jī)后氣溫實(shí)測(cè)約38℃，不停機(jī)可達(dá)45℃，屬于高地溫洞段。為應(yīng)對(duì)高地溫危害，施工中采取如下綜合措施：

(1)加強(qiáng)通風(fēng)。充分利用斜井以縮短通風(fēng)距離，加強(qiáng)通風(fēng)。

(2)噴淋冷水。當(dāng)掌子面巖體溫度高于24℃時(shí)，利用洞內(nèi)既有的輸水管道，用高壓水向掌子面巖體及巖碴噴淋冷水。

(3)個(gè)體防護(hù)。在鑿眼臺(tái)車(chē)上靠近工作人員處安裝局部風(fēng)扇，人員穿上冷卻服以解決熱害對(duì)人體的危害。

(4)采用絕熱風(fēng)管。選用雙層絕熱風(fēng)管進(jìn)行通風(fēng)，阻斷風(fēng)管內(nèi)風(fēng)流與洞室氣溫進(jìn)行熱交換，提高通風(fēng)效果。

(5)人工制冷。當(dāng)洞內(nèi)氣溫超過(guò)35℃時(shí)，單靠非人工制冷難以改善洞室的環(huán)境條件時(shí)，在洞內(nèi)安裝固定或移動(dòng)式空調(diào)進(jìn)行人工制冷，以減少洞室熱害。

2.4 軟巖變形

軟巖大變形問(wèn)題常見(jiàn)于低強(qiáng)度圍巖中，例如變質(zhì)巖、煤系地層[8]。隧洞施工過(guò)程中局部洞段存在軟弱變形問(wèn)題，主要出現(xiàn)在斷層破碎帶、影響帶及出口云母片巖洞段，采取了如下措施：

(1)對(duì)軟巖洞段周邊進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，在隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，主要監(jiān)測(cè)隧洞內(nèi)壁兩點(diǎn)連線方向的相對(duì)位移或監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位移量[9]。

(2)施工過(guò)程中嚴(yán)格控爆破參數(shù)，降低鉆爆對(duì)圍巖的擾動(dòng)，優(yōu)化爆破技術(shù)，對(duì)循環(huán)尺寸進(jìn)行合理控制，采用預(yù)支護(hù)的輔助方式對(duì)圍[10]。

(3)軟巖變形段落，在既有的相鄰兩榀拱架間增設(shè)拱架，拱腳設(shè)鎖腳錨桿，拱架間用連接鋼筋連接；拱架設(shè)立完畢后補(bǔ)噴混凝土，對(duì)局部剝落部位鑿除后重新補(bǔ)噴；對(duì)部分侵占二襯的段落采取循環(huán)換拱；新立設(shè)拱頂均預(yù)留注漿孔，支護(hù)完畢后對(duì)不密實(shí)部位壓注水泥漿液。

2.5 放射性及有害氣體

2.5.1放射性

隧洞的放射性影響主要來(lái)自巖體中所含有的氡及其子體、γ輻射、隧洞涌水中的放射性、施工過(guò)程中放射性污染物的釋放等[11]。勘察階段鉆孔測(cè)井表明，隧洞穿越地層局部段有放射性異常出現(xiàn)。施工放射性監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示洞內(nèi)放射性值低于影響人體健康的放射性劑量當(dāng)量限值，且低于背景值，目前采取加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，視具體情況采取防護(hù)措施。

2.5.2有害氣體

隧洞埋深大、延伸長(zhǎng)，具有良好的儲(chǔ)存封閉條件，有利于地下有害氣體的儲(chǔ)存富集。但施工開(kāi)挖過(guò)程中未出現(xiàn)有害氣體富集現(xiàn)象，有害氣體測(cè)試結(jié)果顯示，有害氣體濃度指標(biāo)均低于對(duì)人體造成危害的限值?？紤]到局部有害氣體可能超標(biāo)，目前采取加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，視監(jiān)測(cè)情況加強(qiáng)通風(fēng)及排氣措施。

3 問(wèn)題

(1)三維地質(zhì)建模較二維圖形能更直觀地表達(dá)工程地質(zhì)條件，是地質(zhì)勘察的發(fā)展方向，尤其適合于壩址區(qū)。但目前水利行業(yè)尚缺乏相關(guān)規(guī)范，水利工程三維地質(zhì)建模標(biāo)準(zhǔn)、平臺(tái)如何選擇？

(2)根據(jù)秦嶺隧洞突涌水情況，單點(diǎn)涌水與前期預(yù)測(cè)相差較大，深埋隧洞單點(diǎn)涌水量如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)？

(3)秦嶺隧洞嶺南TBM洞段埋深超過(guò)1000m，前期判斷為貧水區(qū)，但施工開(kāi)挖時(shí)涌水量較大，與貧水區(qū)涌水量相差極大，類似洞段勘察階段如何進(jìn)行準(zhǔn)確的富水性分區(qū)？

(4)受當(dāng)前勘察手段限制，深埋隧洞勘察工作成果與施工揭示往往存在較大的出入，對(duì)深埋隧洞是否可考慮輕前期勘察、重施工地質(zhì)預(yù)報(bào)的工作思路？