小浪底引黄工程深埋隧洞地应力及地温问题分析

2014-12-25李修选

山西水利科技 2014年4期

李修选

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原030024）

隧洞常用于大型引水工程、地下工程、铁路、公路等领域中，伴随隧洞埋深增加，隧洞的围岩应力及温度也会相对升高，当围岩应力及地温达到一定程度，对隧洞的施工有着较大影响，因此对隧洞的围岩应力及地温问题进行分析对隧洞的设计及施工具有重要意义。

1 工程概况

小浪底引黄工程2#隧洞为引黄河入涑水河控制性工程之一，起止桩号为6＋403～59＋594，全长约53.2km。隧洞一般埋深小于400 m，桩号33＋000～47＋150段洞线通过中条山山脉，其为涑水河与板涧河的地形分水岭，隧洞沿线地形起伏较大，其中桩号33＋000～38＋200段地面高程为850～1330 m，地形逐渐增高，洞顶围岩厚度410～840 m（隧洞设计底高程在485.2m）。桩号38＋200～47＋150段地面高程为1330～630 m，地形逐渐降低，洞顶围岩厚度140～840 m。其中桩号37＋900～39＋000段为整个洞线埋深最大段，隧洞埋深770～840 m。

该段隧洞位于尖山向斜的北西翼，主要为单斜岩层，岩层总体倾向南东，倾向隧洞进口方向（后川河河谷）。该段隧洞主要通过涑水群卫家岭组（Asw）及小岭组（Asx）地层，岩性为变质岩，主要为混合岩化黑云斜长（二长）片麻岩、斜长角闪岩、磁铁石英岩、大理岩、混合花岗岩、斜长角闪岩夹白云片岩等，岩性较硬～坚硬，多属坚硬岩。岩层及片麻理产状为N6～35°WNE∠33～56°。本段岩层经历过强烈的区域变质及混合岩化作用，因此岩性较为复杂。岩层、片麻理走向与洞轴线夹角25～30°。

2 隧洞围岩地应力及岩爆分析

岩爆是岩体中聚积的弹性变形能在地下硐室开挖中突然猛烈释放，使岩石爆裂并弹射出来的现象，是一种施工地质灾害。岩爆的发生是一种复杂的非线性动力学现象，其控制和影响因素较多，成因机制复杂。主要有两大影响因素：一是岩石的性质；二是围岩的应力。该段隧洞通过地层岩性为坚硬脆性的变质岩，岩体较完整，地质构造发育少。有强度高的岩体，具备储存高能量的环境；隧洞埋深400～800 m，具备高地应力条件。当隧洞开挖时使岩体中聚积的弹性变形能有空间释放出来，因此可能会产生岩爆问题。

为了对本段深埋隧洞岩爆分级进行分析评价，必须对隧洞围岩应力进行分析研究。ZK12d-8号钻孔位于洞线桩号36＋260处，位于深埋隧洞段的中间部位，对ZK12d-8号钻孔采用水压致裂法进行地应力测试，具较好代表性，地应力测试结果见表1。各测段水平最大主应力（SH）值为13.54～20.05MPa，各测段水平最小主应力（Sh）值为7.00～9.52MPa。估算出的各测段的垂直应力（Sv）值为4.29～9.91MPa；工程区范围内以构造应力为主，且SH＞Sh＞Sv。在洞线高程附近最大主应力方向为N27°～32°E，与洞轴线夹角85°左右，对隧洞边墙围岩稳定不利。在水压致裂测试过程中获得孔壁岩石的原地抗张强度值为2.08～4.91MPa。

表1 ZK12d-8号孔水压致裂地应力测量结果

根据钻孔内最大、最小主应力实测值进行线性回归计算，得出最大、最小主应力值与埋深（h）的线性回归关系表达式为：SH=（h＋239.5）/39，Sh=（h-98.8）/37.26。根据线性回归关系表达式推算埋深在550～800 m间的水平最大主应力值为20.24～27.68MPa。依据现行《工程岩体分级标准》(GB50218-98)和《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)附录Q进行岩爆判别。推算结果及岩爆分级成果见表2。

表2 推算结果及岩爆（分级成果）预测

由表2知桩号33＋100～42＋500段洞顶围岩厚度在470～840 m，据实测及推算结果可知隧洞岩体处于极高应力状态，在隧洞开挖过程中有可能产生中等岩爆，在设计施工应采取相应的防护措施。特别是桩号37＋900～39＋000段洞顶围岩厚度可达750～840 m，推算水平最大主应力值为25.37～27.68MPa，隧洞围岩有较强的应力集中现象。在隧洞设计施工时应特别注意。可采用应力解除法、注水软化法和使用锚栓＋钢丝网＋混凝土支护等方法预防岩爆。

3 隧洞地温分析

高地温可以造成隧洞空气温度升高，恶化施工作业环境，降低人员及机械设备工作效率，甚至威胁施工人员的健康和安全；高地温影响施工及建筑材料的选取，应选用适合高温下的材料；高地温影响隧洞的支护和衬砌，可能引起衬砌的开裂，对衬砌结构安全及耐久性不利。

为分析地温对施工的影响，对本段洞线上ZK12d-9、8、33号深孔中进行了地温测试。其中ZK12d-9、8、33钻孔分别位于隧洞桩号32＋610、36＋26039＋570处，位于隧洞最大埋深段两侧。地温测试采取中国科学院地球物理研究所研制的87-1型数字测温仪，测试成果曲线图见图1。

图1 地温测试成果曲线图

从地温测试成果曲线可知，孔口附近受气温影响较明显，ZK12d-9、33号孔中温度随深度的加深呈现正常的地热增温。孔中温度基本以0.1～0.4℃/10 m的速率增加。在本段隧洞埋深400～540 m段，洞线高程附近孔内温度在17.7～24.6℃。按0.3℃/10 m的增加速率，推算隧洞埋深650 m温度达到28.0℃。桩号37＋400～39＋200段隧洞埋深650～840 m处温度在28.0～33.6℃左右。

另外，据ZK12d-8号钻孔资料，在孔深260 m和孔深400 m段分布承压水。孔深260段承压水孔口涌水量在35m3/h左右，孔深400 m以上段孔口涌水量在60 m3/h左右。受承压地下水的影响，ZK12d-8号孔内实测温度一般在33.3～37.7℃，在孔深260 m段温度最高达37.7℃，在孔深400 m、440 m段温度分别为35.3℃、36.3℃。

综上可知，隧洞埋深400～650 m洞段地温在17.7～28.0℃左右，推算桩号37＋400～39＋200段隧洞高程附近温度在28.0～33.6℃左右，桩号36＋260段由于承压地下水的影响，孔内温度在33.3～37.7℃。依据《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004），规定硐室内平均温度不应超过28℃，而桩号36＋200～39＋200段隧洞高程附近温度超过28.0℃，最高实测地温达到37.7℃。故该段隧洞施工存在高地温问题，建议设计施工时采取降温措施。