水利水电工程中深埋长隧洞勘察技术方法思考

2016-08-10梁荣斌

大科技 2016年8期

关键词：岩爆勘测工程地质

梁荣斌

（广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院广西河池 547000）

水利水电工程中深埋长隧洞勘察技术方法思考

梁荣斌

（广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院广西河池 547000）

本文从水利水电工程中深埋长隧洞的含义入手，介绍了工程中存在的主要工程地质问题，并分析了水利水电工程中深埋长隧洞的勘察技术方法，为水利水电工程中深埋长隧洞的施工提供参考。

水利水电工程；深埋长隧洞；勘察技术

1 引言

改革开放以来，随着经济、科技的迅速发展及社会用电量的不断增加，我国水利水电工程迅速建设起来。在这期间，为满足经济社会发展的需要，一批深埋长隧洞工程在水利、水电工程建设中相继修建起来，并蓬勃发展，同时取得了举世瞩目的成就。如20世纪70年代末到80年代的四川渔子溪一期引水发电隧洞和天津市引滦入津输水隧洞，首次采用了“长洞短打”的钻爆法及“新奥法”，使水工隧洞的长度和埋深都大大增大，为深埋长隧洞的发展起到了重要的借鉴作用；20世纪80年代末至21世纪初的引大入秦输水工程、辽宁大伙房输水隧洞和万家寨的引黄入晋输水工程，引进了TBM掘进机，并采用TBM或TBM与钻爆法混合施工，针对岩爆、岩溶、大变形黄土、涌水膨胀性岩土、有害水质及有害气体等不良工程地质问题进行了探讨研究，积累了大量创新性的经验，为我国深埋长隧洞的勘测设计起到了借鉴与指导作用，标志着我国水利水电深埋长隧洞工程进入到一个新的历史阶段；21世纪以来，青海引大济煌输水隧洞及在建的南水北调西线工程，隧洞长度达数十千米甚至百余千米，其难度已达到世界最高的水平。

虽然我国水利水电深埋长隧洞工程的建设已经取得了举世瞩目的成就，但是随着地形地质条件的复杂化及人类对很多未知领域的了解很少，使得工程难度和风险性日益增大。因此，不良工程地质问题已成为工程的重要制约因素，而如何勘察、认识与评价这些不良工程地质问题，并采取正确的工程对策是今后水利水电深埋长隧洞工程建设的关键所在。

2 水利水电工程中深埋长隧洞及其主要工程地质问题

2.1 水利水电工程中深埋长隧洞的含义

随着深埋长隧洞工程难度和风险性的日益增大，深埋长隧洞工程地质已成为工程地质学科中一门新近兴起的分支，因此探讨其含义是必要的。而《水工隧洞设计规范》（SL299-2002）并没有对深埋长隧洞赋予明确的定义。从隧洞长度埋藏深度两方面来讲，并结合工程地质条件和施工方法及难度方面，工程上将隧洞单洞长度大于等于10km和埋藏深度大于300m的隧洞定义为深埋长隧洞。

水利水电工程中深埋长隧洞的建设中，往往涉及到“水工隧洞”建设，水工隧道根据其作用不同又分为防水隧道和泄水隧道两种。而水利水电工程隧洞按功能与作用的不同，也可以分为导流、泄洪隧洞，引水、输水隧洞，排沙隧洞和尾水隧洞四种。其具体的功能与作用如表1所示。

表1 水利水电工程隧洞分类及其功能与作用

2.2 深埋长隧洞存在的主要工程地质问题

近年来，我国水利水电工程隧洞向深长发展，施工方法由钻爆法发展到TBM法，取得辉煌成就的同时也遇到了很多亟待研究解决的不良工程地质问题。

深埋长隧洞工程可能存在的工程地质问题主要有以下几个方面：有害气体问题，岩爆问题，突水突泥问题，放射性危害问题等。

2.2.1 有害气体问题

有害气体主要包括：一氧化碳、二氧化碳、瓦斯、天然气、二次生化气、硫化氢等，如广渝高速公路华蓥山隧道和南昆铁路家竹答隧道，在修建过程中遇到了高压力瓦斯和硫化氢等有毒气体，这些赋存于源岩和岩体的孔隙裂隙中或溶于地下水中的天然形成的有害气体会在地下洞室的开挖过程中释放出来，从而增加工程的风险性。

2.2.2 岩爆问题

岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象，由于瞬间围岩压力集中，使得岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量，从而破坏了岩体结构的平衡，而多余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。岩爆危害严重，其往往会造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，一旦发生，便会给工程带来严重的经济损失和人员伤亡，因此，岩爆已成为深埋长隧洞工程中的世界性的难题。

2.2.3 突水突泥问题

突水突泥是在硐室、巷道施工过程中，穿过溶洞发育的地段、厚层含水砂砾石层等，突然大量涌水、大量泥砂涌入的现象，除造成人员伤亡外，常会堵塞排水系统，并常伴生地面塌陷，对深埋长隧洞的施工危害极大。如辽宁大伙房水库输水隧洞等工程出现了突水突泥的不良工程地质问题，造成了人身伤亡和设备事故等严重后果。

2.2.4 放射性危害问题

在放射性元素含量高的地方修建深埋长隧洞常会出现放射性危害问题，例如在大范围的侵入岩、煤系地层积聚及放射性矿层及富集的地区。线路上如果存在大范围放射性矿物，会对施工人员、输水水质及周围环境危害大，难处理，此时应进行专门性的勘察研究工作。

3 水利水电工程中深埋长隧洞勘查技术方法

随着我国水利水电工程的蓬勃发展，不良地质问题的增多，水利水电工程中深埋长隧洞的建设也对工程地质勘测相应的提出了更高的要求。很多传统的工程地质勘测方法及技术已无法满足现代工程的需要，所以更需要勘察方法与技术的突破和创新。

3.1 深钻孔和长探洞

在我国，钻探在水利水电工程勘察中起着重要的作用，尤其是深钻孔和长探洞技术已经达到较高水平，并在工程上广泛应用，日益受到重视，如在南水北调西线隧洞、秦岭隧道（双线）、引黄入晋工程隧洞等工程中得到了广泛应用，缩短了勘察周期，节省了工期，保证了勘察成果质量。

通过深钻孔和长探洞，可以了解深部地层岩性及岩体状况，了解岩体放射性及有害气体的赋存特征，取样获得深部岩体物理力学参数，了解分析岩爆的可能性等，从而对某个不良工程地质问题认识明确，为在建工程打下良好的基础。

3.2 物探

物探全程为地球物理勘探，主要有重力场勘探、地面物理探测和综合物理测井、磁场勘探、电法勘探和地震波勘探等，其中电法勘探在水利水电工程地质勘察中应用较多。

通过物探，可以对深埋长隧洞岩体质量做出定性评价，可以预测隧洞围岩介质的结构特征和破碎带，可以了解分析岩爆的可能性等。不同的物探方法适用于不同工程地质条件的隧洞工程，勘查时应采取点、线、而结合的方法，多源、多点、多线的测量，从而发挥出物探的最大作用。

3.3 地质调查和测绘

地质调查和测绘是水利水电深埋长隧洞工程建设中地质勘察的主要手段之一。通过初步的地质勘查，可以有效的了解地形、地貌特征，地质构造和不良地质问题等，从而节约时间和资源，缩短工期。同时，应对重大不良地质问题进行专门性的勘察试验研究，以便较好地解决深埋长隧洞工程建设中将要遇到的问题，为工程打下良好的基础。

3.4 3S技术

3S技术现已成为水利水电深埋长隧洞工程建设中地质勘察的一个非常重要手段，特别是在交通不便、地势险要的地区尤为重要。

3S技术是遥感（RS）技术、地理信息系统（GIS）技术和全球定位系统（GPS）技术的集成和总称，它将这三者有机的组合，是一个可视的、动态的、不断更新的、三维立体的、通过计算机网络能够传输的、不同地域和层次都可以使用的系统。其中遥感技术是3S技术的基础，提供主要的遥感信息源；GPS技术用于遥感信息的精确定位；GIS技术通过提供辅助信息和专家思维来获取遥感信息，并对所提取的各种信息进行管理和分析，同时具有制图功能。

遥感（RS）技术具有信息量丰富、宏观性、快捷性及成本低等优点，能真实、有效地反映勘察地区的地层岩性、水文地质、新构造、泥石流、岩溶等工程地质现象。全球定位系统（GPS）技术观测时间短、定位测量精度高、操作简单，应用越来越广泛。地理信息系统（GIS）技术主要用于工程地质信息管理和制图输出，使勘察结果更加直观，大大的提高了效率。