滇中引水红河段工程地质及钻探问题探讨

2017-03-01吴文飞王太平

湖南水利水电 2017年6期

吴文飞王太平

（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市 410007）

1 工程概况

滇中引水输水工程由大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段、红河段6大段组成。其中红河段位于红河州境内，起点位于曲江，终点为蒙自新坡背，涉及石屏县、建水县、个旧市、蒙自市。线路全长108.767 km，设计流量20 m3/s。隧洞、倒虹吸、渡槽和暗涵四种建筑物的长度分别占干线全长的91.88%、5.63%、0.71%和1.64%。

2 区域构造稳定性

红河段输水线路位于云南山字型构造前弧与青、藏、滇、缅、印尼歹字型构造体系东支中段复合部位。以建水盆地东缘断裂为界，先后跨越扬子准地台（Ⅰ3）之滇东台褶皱带、华南褶皱系（Ⅱ1）之滇东南褶皱带2个二级大地构造单元。线路位于鲜水河-滇东地震带。沿线 50年超越概率 10%的地震动参数（0.2～0.3）g，地震动反应谱特征周期（0.4～0.45）s，相应地震基本烈度为Ⅶ～Ⅷ度。区域构造稳定性为较差～差区。

3 输水隧洞主要工程地质问题

（1）活动性断裂与工程抗震及抗剪问题。

工程区活动断裂发育，曲江断裂、建水盆地东缘断裂为全新世（Q4）活动断裂；小关-李浩寨断裂、马王庄-雨过铺断裂（2条分支断裂）、个旧断裂、乍甸断裂为晩更新世（Q3）活动断裂。

活动断裂对输水隧洞等建筑物的的影响主要为两方面：一是当活动断裂发生7级强震时，断裂沿浅表位移而产生的隧洞抗剪断及震中区隧洞衬砌遭受高地震烈度的破坏；二是活动断裂蠕滑而产生的累积位移对隧洞结构的剪切破坏。活动断裂错动引起的剪切破坏严重威胁隧洞的稳定和安全，且运动时间具不确定性和长期性，与输水线路相交处对线路影响较大，需要引起足够的重视，工程建设必须进行抗断设防。

（2）岩溶水文地质与隧洞施工对地下水环境影响问题。

红河段岩溶地貌的形成大致经历了两个岩溶发育期：①N 时代岩溶为“石林期”，高程（1 300～1 550）m，为杞麓湖～建水段的侵蚀基准排泄面；②Q时代岩溶为“南盘江期”，高程为（1 190～1 300）m，为建水～乍甸段线路的侵蚀基准排泄面。红河段线路直接穿越的岩溶水系统有平诺村岩溶水子系统、畔山-大田山岩溶水系统、普雄-石榴坝岩溶水系统、乍甸河二级岩溶水系统。穿越岩溶地层隧洞段施工存在一定程度的涌水、疏干、塌陷等岩溶灾害问题。

对地下水环境影响的防治措施研究内容主要包括五个方面：①岩溶水文地质勘察研究；②加强气象水文、岩溶水文地质环境监测；③加强施工管理与地质工作、程序化施行超前地质预报；④针对岩溶地下水疏干影响的防治措施初步研究；⑤预防性岩溶疏干补救措施研究。

（3）深埋隧洞主要工程地质问题。

①高地应力与硬岩岩爆：全线埋深普遍小于300 m，一般为低地应力区，产生岩爆的可能性小，局部硬岩洞段会产生轻微岩爆。根据岩爆判别标准，埋深大于300 m的硬岩洞段会产生轻微岩爆，而产生中等岩爆的可能性小，不具备产生强烈岩爆的条件。红河段岩爆问题不突出，主要以轻微强度的岩爆为主，施工中主要考虑采用常规的喷锚支护措施进行防治。

②软岩变形：红河段软岩段可能产生变形的为断层破碎带、泥岩、页岩、泥质砂岩、泥灰岩、砂砾岩等强度小于10MPa的岩类。其防治措施：加固围岩，控制变形；施工中应全过程对洞室变形进行监测，以确定最佳初期支护、永久衬砌时机和施工方法，为支护衬砌设计参数的调整提供依据；变形留够，防侵净空。

③高外水压：红河段高外水压力（水压≥1.0 MPa）主要分布在埋深较大的大坡子隧洞、小燕塘隧洞等洞段。

④高地温：小关-李浩寨-利民断裂（F38）从龙树隧洞出口通过，为晚更新世活动断裂，具备与地下深处热水沟通条件。

（4）隧洞涌水与突水突泥问题。

隧洞穿越多套不同岩性的地层，绝大部分位于地下水位以下，存在地下水工程地质问题，主要包括岩溶区、断裂破碎带、向斜储水构造、下穿或临近下穿有水冲沟、河流和水库等地表水体洞段等的隧洞涌、突水和突泥问题。

（5）隧洞进出口边坡稳定问题。

红河段隧洞进出口天然边坡总体稳定，开挖边坡受岩层产状、地形地貌、不良物理地质现象、岩体结构面组合、风化、卸荷等因素影响稳定性较差，开挖边坡不稳定的沿线洞脸边坡需采取边坡支护措施。

（6）浅埋隧洞围岩稳定问题。

红河段部分隧洞进出口段和跨越深切冲沟段，埋深普遍较浅，隧洞顶板埋深（5.6～40）m居多，围岩工程地质条件较差，围岩极不稳定～不稳定为主，隧洞施工时极容易塌方冒顶，隧洞施工时建议加强初期支护措施。

（7）隧洞轴向与岩层（断层带）走向近平行展布段围岩稳定问题。

隧洞施工中，洞轴线与岩层、构造走向交角越小，隧洞边墙围岩稳定性越不差，易顺层面坍塌。红河段隧洞轴向近东西向，与主要构造走向大角度相交。

（8）缓倾角岩层隧洞围岩稳定问题。

隧洞施工中，缓倾角岩层（倾角≤30°）洞段对隧洞顶拱围岩稳定不利，特别是软弱岩层、破碎岩体、陡倾角裂隙发育组合切割下的洞段极易产生顶拱掉块、坍顶及弯折内鼓大变形等变形破坏，是对围岩的稳定性分类的重要决定因素，需加强该类结构隧洞顶拱的支护处理。

（9）白云岩砂化问题。

白云岩洞段，白云岩风化具有强烈砂化的特征，尤其是以微晶、粉细晶晶粒结构为主的白云岩，在复杂的区域构造背景下，岩体结构以碎裂散体结构和薄层碎裂结构为主。

（10）特殊岩土工程地质问题。

主要为含煤、膨胀岩（土）和膏盐等特殊岩土工程地质问题、地下水腐蚀性问题。

4 地质钻探

在地质钻探中有句俗语 “怕软怕碎不怕硬”。“软”则会产生缩径、超径等现象，“碎”则会产生掉块、卡钻、垮孔等现象。这些现象的产生，轻则发生孔内事故导致费工费时增加成本，重则报废钻孔。在此次地质勘查钻探中也同样遇到了此类问题，通过不断摸索、学习，很好地解决了这些突发问题。以下列举本标段2个有代表性的钻孔为例。

（1） ZK221。

钻孔概况：钻孔孔深287 m，终孔直径不小于75 mm，绳索取芯工艺。大致地层为泥质粉砂岩、煤系地层、泥岩页岩互层地层。该孔在第一次施工时，采取清水钻进，钻至38 m时，钻孔严重超径。

原因分析：泥质粉砂岩为强水敏地层，不能用清水钻进。清水钻进，会造成地层遇水严重水化，加上机械的转动，引起严重括径。应采用降失水循环液钻进。

应对方法：吸取教训，第二次施工中配制了降失水泥浆（清水+少量膨润土+降失水剂）护孔，依此方法快速钻穿泥质粉砂岩地层。

钻至煤系地层时，遇到了因钻孔环状间隙小钻渣排出不通畅而造成的憋泵、不进尺，因钻杆柱抽吸作用产生轻微垮孔。

分析认为煤系地层及下部泥岩页岩互层地层都会遇到这种情况，并有可能发生掉块卡钻等现象。

应对方法：①加大钻头直径为78 mm，增大钻孔环状间隙，保证排渣通畅。②配制降失水、稳定孔壁、改善孔壁泥皮质量、减少孔壁摩擦阻力的泥浆（清水+少量膨润土+降失水剂+低粘纤维素+润滑剂）。

纯钻时间历时5天，顺利终孔。

（2） ZK299。

钻孔概况：钻孔孔深230 m，不小于75 mm终孔。绳索取芯工艺。大致地层为白云岩、石灰岩地层。该孔施工时，采用110 mm直径开孔，清水钻进。表部为2.2 m粉质粘土层，下为强风化白云岩，该地层松散、破碎，有轻微垮孔现象，改用泥浆循环液（清水+泥粉+低粘纤维素）钻进，顺利钻至15 m，达到完整地层，下入108套管，改用直径91 mm金刚石钻进至20 m，下入89套管（保护75绳索取芯钻杆），改为75绳索钻进。考虑到钻孔地层已较为完整，为提高钻探速度，减少摩阻，提高润滑，提高排渣性能，循环液改为聚丙烯酰胺冲洗液（清水+聚丙烯酰胺）。30 m左右见灰岩地层，发现岩芯较破碎,有水溶蚀现象，孔内漏浆严重，因钻渣不能排出孔外，钻机负荷明显增大，进尺困难。

应对方法：①针对岩芯破碎，岩芯堵塞内管造成进尺慢，采用“少打勤捞内管”的方法。②针对漏浆、负荷大的问题。配制堵漏、稳定孔壁、改善孔壁泥皮质量、减少孔壁摩擦阻力的泥浆。（清水+少量膨润土+随钻堵漏剂+低粘纤维素+润滑剂）。③针对个别漏浆相当严重的孔段，在循环液中添加适当的膨胀性堵漏材料，如干锯木灰、干黄豆等。

ZK299孔根据以上方法历时9 d，顺利终孔。