长距离、大埋深引水隧洞特殊工程地质问题研究

■钟辉师邑

（1中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 云南 昆明6500512；2中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西西安710075）

长距离、大埋深引水隧洞特殊工程地质问题研究

■钟辉1师邑2

（1中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 云南 昆明6500512；2中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西西安710075）

在引水式水电开发方案中，尤其是长距离引水发电工程，引水隧洞工程无疑是至关重要的。长距离、大埋深的引水隧洞工程，工程地质条件复杂，常常存在地质构造发育、高地应力及岩爆、高外水压力及涌水等特殊工程地质问题。针对典型的特殊工程地质问题，初步探讨解决对策，用以指导勘测设计及施工。

引水隧洞特殊工程地质问题对策

1 长距离、大埋深引水隧洞相关特点概述

在长距离、大埋深的引水隧洞工程中，常常存在以下几个方面的特殊工程地质问题。

首先，较易揭露地质构造带。虽然隧洞埋深较大，洞室围岩一般多处于弱风化甚至新鲜岩体中，围岩质量一般较好，小规模的地质构造一般不发育。但是，由于引水线路较长，有的工程甚至是跨流域的引水方案，使得引水隧洞在施工过程中更易揭露断层甚至较大规模的断裂带等地质构造。

其次，大埋深引水隧洞洞室围岩岩体具有更复杂的力学条件。埋深大的工程部位，尤其是在高地应力地区，岩爆是施工过程中较易遇到的工程地质问题。岩体的最大主应力方向往往与区域构造走向趋同，在部分洞段的开挖过程中，常常会发生岩爆现象，增加了施工难度。

最后，具有更复杂的水文地质条件。长距离、深埋藏的引水隧洞常具高外水压水，增加了涌水的可能性。同时，大埋深存在大地热流背景，这种环境容易形成良好的地热系统，因此，在埋深特大的引水隧洞施工区域会出现温泉现象。

2 存在的特殊工程地质问题

2.1 构造发育问题

在水电站引水隧洞施工中，往往会遇到一些地质构造分布的问题，尤其在长距离、大埋深的引水隧洞中出现大规模构造的可能性更大。

引水隧洞工程一般呈线性分布，地域跨度较大，尤其是长距离引水工程，不可避免地会穿越地质构造相对集中区域，甚至穿越区域性构造带。地质构造相对集中或大规模构造带分布区域，受构造影响，岩体完整性极差，多呈碎裂结构或散体结构，富水性较强，围岩体的整体稳定性差，在地下水丰富地带，还可能形成集中渗水通道，给地下洞室工程带来隐患，如不能及时、准确地采取合理的施工处理措施，将严重影响工程安全、成本及工期。

2.2 高地应力及岩爆问题

在引水隧洞施工过程中，随着埋设深度的不断加深，工程部位的地应力会增大，在埋深600m～3000m洞段范围内，最大主应力方向往往会由平行岸坡方向逐渐转变为与岸坡垂直的方向，也就是说，地应力已经由水平为主的状态转变成了垂直为主的状态。同时，在大多数水电开发方案中，引水隧洞的布置多与河谷呈近平行状态，有的还会从断裂区或沟谷区域穿越而过，导致区域局部地应力更加集中。

同时，由于施工过程中实际开挖的洞型不规则，往往造成洞室局部地应力过于集中，引起岩爆现象的发生。岩爆问题存在以下特点：一，在施工过程中岩爆现象的发生往往事先没有任何征兆，必然条件下的偶发性较大，预测起来相当有难度；二，岩爆在空间上具有破坏连续的特点，这种破坏往往会从断面的某一位置开始，沿隧洞轴线方向有一定的发展空间；其三，在发生岩爆的断面位置，岩爆还具有一定的时间延续性，自发生岩爆开始至自然稳定，往往需要一定的时间范围。

2.3 高外水压以及涌水的问题

在大埋深的洞段，整体围岩岩体质量一般较好，但是在构造发育洞段或可溶岩分布洞段，地下水流通性较好，在开挖完成初期，开挖面的水头压力较大，易发生涌水现象。在涌水初期，由于水头压力大，涌水量较大，随时间推移，水头压力逐步降低，涌水量会逐渐趋于平稳。

在某些大埋深、地下水流通性极好的洞段，涌水点的水头压力巨大，对后期的衬砌混凝土结构影响较大。对于集中涌水点的外水压力过大，当外部地下水位波动引起涌水点外水压力大幅增加时，衬砌结构需要承受巨大的压力差，常规的衬砌结构很可能无法承受外水压力，给后期安全运行带来隐患，所以在前期开挖衬砌过程中应采取合适的特殊措施。

3 特殊工程地质问题解决对策探讨

3.1 构造发育问题的解决

对于长距离、大埋深引水隧洞工程的地质构造发育问题，提前查清构造带的具体分布位置、性状及规模等参数是准确解决该问题的关键因素。在前期地质勘测工作时，应沿引水隧洞轴线一定范围内进行详细工程地质测绘，复核区域性构造带，对沿线出露的地质构造进行重点调查、分析，重要工程部位须配以勘探工作予以查证。施工过程中，对可能分布大规模构造或构造集中的洞段，应开展超前预报、预测工作，用以指导开挖施工采取合适的开挖工艺及爆破参数。

施工处理措施必须要有针对性、及时性。对于前期工作或超前预防工作中已发现的地质构造发育洞段，应充分分析该工程部位构造发育的规模、产状、影响厚度、地下水等主要指标，对围岩稳定性进行综合评估，及时调整开挖、支护、地下水处理方案。对于围岩极不稳定、有可能发生大规模塌方现象的洞段，应采取预固结等超前支护措施，待构造影响带加固后再进行开挖；对于围岩稳定性差，但不致发生大规模塌方现象的洞段，可采取短进尺、弱爆破的开挖方式，并及时完成一次支护措施。

3.2 岩爆问题的解决

首先，根据岩爆级别的不同采取针对性的解决办法。如果岩爆问题不大，可以采取向工作面以及隧道揭露面喷水的方式，使围岩得以软化，释放部分应力，使岩爆现象得以有效控制；如果是中等强度的岩爆情况，则需要暂时停止施工，施工人员撤退至50m～150m以外，并采取远距离喷水的方式向岩爆位置进行喷水，待岩爆情况有所缓解后，及时对已经松裂的岩块进行清理，并采取加固处理措施；如果是高强度的岩爆现象，则应立即停止施工，施工人员撤退至200m～300m以外，待洞室基本稳定后，在机械设备的帮助下完成找顶操作，及时对已经松裂的岩块进行清理，并采取钢筋混凝土进行加固。

其次，在高地应力，易发生岩爆现象的地下洞室进行开挖施工时，应采取合适的爆破、开挖方式。在这些地区的引水隧洞开挖时，应尽量按照全断面、短进尺的开挖方式，严格控制每个开挖循环的爆破进尺，一般以2m左右为宜。

最后，尽管岩爆问题的发生常常具有突然性和不可预测性，但是在勘测设计阶段应有针对性地查清工程区围岩体的工程地质条件，尤其是对地应力进行针对性或专门性分析；在开挖施工过程中，应加强岩爆现象的预测、预防工作，一旦发现异常，应及时采取相关工程处理措施。

3.3 高外水压力及涌水问题的解决

在引水隧洞工程实践中，常采用提前预注浆封堵（见图1）和良好排水措施相结合的施工方式。采用这种施工方式主要有两个方面的优势，一是对围岩进行提前灌浆后，地下水通道得以封堵，其流通性将得到较大程序的抑制，围岩岩体整体性得以改善，洞室围岩整体稳定性将会大大提高，同时围岩岩体的承载及阻水能力随之提高，这是解决引水隧洞严重涌水问题的关键举措；二是良好的排水措施布置，处理方便，费时较少，在常年外水压力大于内水压水的洞段，还可考虑利用排水措施将外水引入洞内，增加电站的引用流量。

P642[文献码]A

1000-405X（2016）-12-69-1

钟辉（1983～），男，苗族，硕士，工程师，研究方向为水利水电工程地质，岩土工程。