引汉济渭工程主要工程地质问题

2019-06-25焦振华

水利规划与设计 2019年6期

蒋锐，焦振华

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001)

引汉济渭工程是陕西省内跨流域调水工程，即从秦岭南侧的汉江向秦岭北侧的渭河调水工程[1]。工程地跨长江、黄河两大流域，穿越秦岭，主要由黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽和秦岭输水隧洞三大部分组成。

黄金峡水利枢纽位于汉江干流洋县段，大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高63m；三河口水利枢纽位于汉江支流子午河宁陕与佛坪交界处，大坝为碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高141.5m；秦岭隧洞横穿秦岭，最大埋深2012m，隧洞全长98.3km，设计流量70m3/s。

引汉济渭工程规模大，地质条件复杂，工程地质问题较为突出。本文基于勘察及现场施工资料的收集与分析，对施工建设过程中遭遇到的坝肩抗滑、岩爆、突水涌泥、高地温、软岩变形、放射性及有害气体等主要工程地质问题及应对措施进行了阐述，为工程后续建设提供有益的指导，同时也可供其他类似工程参考和借鉴。

1 三河口水利枢纽右坝肩抗滑

坝肩抗滑稳定主要受各类结构面控制，缓倾角结构面构成底滑面，顺河向结构面构成侧滑面，垂直于河流走向的结构面切割岩体构成后缘拉裂面，下游沟谷及变形模量较低的断层带构成临空面，结构面组合块体在拱端推力作用下可能沿底滑面或底滑面与侧滑面的交线滑动[2]。

根据勘察及施工揭示，三河口水利枢纽右坝肩主要断层三维图如图1所示，由图1可知右坝肩易构成对坝肩抗滑稳定不利的组合。根据空间稳定分析计算分析认为，右坝肩在以下2组滑动模式下稳定性不能满足规范要求。

图1 三河口右坝肩主要断层三维图

滑动模式1：上游拉裂面+断层f57为侧裂面+缓倾角断层PD26f1(或缓倾角裂隙)为底滑面+下游自然临空面。

滑动模式2：上游拉裂面+断层f14为侧裂面+缓倾角裂隙为底滑面+下游自然临空面。

右坝肩抗滑不稳定和断层f57、f14有关，故施工中对断层f57、f14断层进行了平硐高压固结灌浆处理。

断层f57分别在565m和550m高程开挖2条沿断层走向，长度同为180m的处理平洞；断层f14在521m高程开挖1条沿断层走向，长度为115m的处理平洞；洞内进行高压固结灌浆，高压固结灌浆孔沿洞线共设3排，其排距1.2m，孔距2.0m。

同时对断层处理平洞进行普通固结灌浆，洞室最后用C20混凝土回填后，成为混凝土洞塞，起到传力作用，将大坝推力传至山体内侧。

根据右坝肩基础处理后的空间抗滑稳定计算，经过高压固结灌浆和C20混凝土洞塞联合处理后，坝肩稳定计算满足规范要求。

2 秦岭隧洞主要工程地质问题

秦岭输水隧洞埋深大，地应力高，隧洞长，施工过程中出现了岩爆、突水涌泥、高地温、软岩变形、放射性及有害气体等一系列工程地质问题。

2.1 岩爆

秦岭隧洞埋深多大于600m，最大埋深2012m，属深埋隧洞。对于深埋隧道而言，围岩大多是新鲜岩体或卸荷范围内的弱风化岩体，初始应力场取决于自重应力场和构造应力场[3]。

从洞室围岩特性及地应力实测成果看，洞身段大部分位于弱风化-未风化的片麻岩、大理岩、花岗岩、闪长岩等坚硬岩体中，地应力实测结果表明，主应力具有较为明显的水平构造应力作用，地应力值较大；隧洞开挖具备发生岩爆的应力条件。

图2 岩爆产生的掉块现象

实际开挖中，岩爆问题较为突出，如图2所示，严重影响了开挖进度。根据统计，岩爆发育主要特征如下：

(1)主要发生在花岗岩、闪长岩洞段，富水性分区为贫水区。

(2)埋深500～1200m以轻微(Ⅰ级)岩爆为主，埋深1200m以下以中等(Ⅱ级)为主，局部为强烈(Ⅲ级)岩爆。

(3)Ⅲ类围岩段为轻微(Ⅰ级)岩爆,Ⅱ—Ⅰ类围岩段为中等(Ⅱ级)—强烈(Ⅲ级)岩爆。

(4)瞬时岩爆、滞后岩爆两者都有发生,以岩石剥落掉块为主，从洞壁弹射岩块的现象较少。

对岩爆问题，施工中采取的对应处理措施：①对于轻微(Ⅰ级)岩爆洞段，主要采用喷洒高压水、挂网喷射混凝土初期支护、随机锚杆；②对于中等(Ⅱ级)、强烈(Ⅲ级)的岩爆洞段，喷洒高压水、实施钻孔应力释压，挂网喷射混凝土初期支护，设置径向系统锚杆，系统锚杆施做完毕后设立钢拱架支护等综合处理措施；③TBM开挖中，加大刀盘喷水量、放慢掘进，以锚网喷为主，适当的时候加密锚杆。

采取以上措施的同时，加强应力与变形监测，对岩爆进行预测。常用的岩爆预测预报方法有：地质现象分析法，σθ/Rb判据法、岩爆倾向性指数(Wet)判据法、岩爆邻居深度预测法、声发射现场监测预报、电磁辐射监测预报、模糊综合评判预测法、BP神经网络预测法、分形预测法、突变理论预测法等[4]。本工程采用“微震监测技术”对岩爆的地质超前预报，预报效果较好，通过这一系列的措施，保证了岩爆洞段的施工安全和后期稳定。

2.2 突水涌泥

隧洞施工中突发大量涌水，危害严重，不仅造成设备、人身事故，甚至被迫停工，贻误工期[5]。

秦岭隧洞开挖过程中，大部分突涌水现象主要出现在各断层破碎带附近，大部分突水(泥)多在当天压力骤减，涌水量衰减迅速，主要为静储量，与其他地段的涌水无明显的水力联系，与地表水体无直接水力联系，较突出的突涌水问题主要有：

(1)岭南TBM洞段埋深超过1000m，勘察阶段划分为贫水区，2016年2月28日，隧洞突发特大涌水,涌水量达到每天4.6万m3/d，是设计最大涌水量的3倍多，洞内积水离最高警戒线只有3.5cm，由于该段排水难度大，该涌水事故造成TBM掘进停工2个多月。

(2)岭北7#支洞段主洞日涌水量达4.3万m3/d，连续2个月抽排涌水量没有衰减迹象，如图3所示。

图3 隧洞涌水后洞段积水

(3)椒溪河段隧洞由于距河床最近的地方只有20m，属可溶岩洞段，隧洞里遭遇了三次较大的涌水。

根据涌水量实测成果可知：施工开挖后总体涌水量未超出勘察阶段预测，局部段涌水存在较大出入。

施工过程中对一般涌水，以排为主，排、堵结合的措施；严重涌水的洞段，综合采用帷幕灌浆封堵、超前钻孔放水释压的方法进行施工；椒溪河段采取灌注混凝土堵漏的办法处理后通过。

富水层的视电阻率值一般较围岩小很多，为低阻异常；而视极化率、半衰时、衰减度等参数一般为高阻异常[6]。因此对地下水丰富的洞段，采用瞬变电磁、激发极化、红外探水等物探方法积极进行地质超前预报。从效果上来看激发极化法相对较好。

2.3 高地温

秦岭隧洞地温预测考虑了地下水作用、地形效应的地温θ计算公式为

θ=θH+(HW-H)GW+(Z-HW)G[7]

(1)

式中,θH—隧道区恒温层温度，℃;H—隧道区恒温层深度，m;GW—隧道区地下水活跃带地温梯度;Z—隧道埋深，m;HW—隧道区地下水活跃带影响深度，m;G—隧道区地下水滞留带地温梯度。

勘察阶段预计高地温多出现在埋深>1000m地段，最高可达42℃，高温对隧洞施工有一定影响。

实际开挖揭示与前期预测基本一致，埋深大于900m的地段超过28℃，TBM开挖洞段埋深约1200m时，洞内停机后气温实测约38℃，不停机可达45℃，属于高地温洞段。为应对高地温危害，施工中采取如下综合措施：

(1)加强通风。充分利用斜井以缩短通风距离，加强通风。

(2)喷淋冷水。当掌子面岩体温度高于24℃时，利用洞内既有的输水管道，用高压水向掌子面岩体及岩碴喷淋冷水。

(3)个体防护。在凿眼台车上靠近工作人员处安装局部风扇，人员穿上冷却服以解决热害对人体的危害。

(4)采用绝热风管。选用双层绝热风管进行通风，阻断风管内风流与洞室气温进行热交换，提高通风效果。

(5)人工制冷。当洞内气温超过35℃时，单靠非人工制冷难以改善洞室的环境条件时，在洞内安装固定或移动式空调进行人工制冷，以减少洞室热害。

2.4 软岩变形

软岩大变形问题常见于低强度围岩中，例如变质岩、煤系地层[8]。隧洞施工过程中局部洞段存在软弱变形问题，主要出现在断层破碎带、影响带及出口云母片岩洞段，采取了如下措施：

(1)对软岩洞段周边进行位移监测，在隧洞开挖过程中，主要监测隧洞内壁两点连线方向的相对位移或监测点的绝对位移量[9]。

(2)施工过程中严格控爆破参数，降低钻爆对围岩的扰动，优化爆破技术，对循环尺寸进行合理控制，采用预支护的辅助方式对围[10]。

(3)软岩变形段落，在既有的相邻两榀拱架间增设拱架，拱脚设锁脚锚杆，拱架间用连接钢筋连接；拱架设立完毕后补喷混凝土，对局部剥落部位凿除后重新补喷；对部分侵占二衬的段落采取循环换拱；新立设拱顶均预留注浆孔，支护完毕后对不密实部位压注水泥浆液。

2.5 放射性及有害气体

2.5.1放射性

隧洞的放射性影响主要来自岩体中所含有的氡及其子体、γ辐射、隧洞涌水中的放射性、施工过程中放射性污染物的释放等[11]。勘察阶段钻孔测井表明，隧洞穿越地层局部段有放射性异常出现。施工放射性监测结果显示洞内放射性值低于影响人体健康的放射性剂量当量限值，且低于背景值，目前采取加强监测，视具体情况采取防护措施。

2.5.2有害气体

隧洞埋深大、延伸长，具有良好的储存封闭条件，有利于地下有害气体的储存富集。但施工开挖过程中未出现有害气体富集现象，有害气体测试结果显示，有害气体浓度指标均低于对人体造成危害的限值。考虑到局部有害气体可能超标，目前采取加强监测，视监测情况加强通风及排气措施。