滇中引水工程香炉山隧洞勘察关键技术

陈长生, 张海平, 周 云,2, 李银泉,史存鹏,王旺盛

(1.长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，武汉 430074； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

1 研究背景

国内外已建引调水工程主要以明渠方式输水，局部辅以隧洞，而以大埋深超长隧洞为主要载体的引调水工程较少[1]。随着国家水网建设速度的加快，大埋深超长隧洞越来越多，并已成为目前多数引调水工程建设中的控制性工程，也是工程建设前期勘察工作中的重点和难点。

大埋深超长隧洞具有线路长、埋深大、勘察工作范围广、地形高陡、地质条件复杂等特点，通过传统的勘察手段，较系统、全面地查明工程区基本地质条件及主要工程地质问题难度较大。总体上看，受一些勘探测试技术限制，以及有关理论还不够完善，目前大埋深超长隧洞工程地质勘察处于探索和积累经验阶段，不仅需要工程地质分析、评价理论的丰富与完善，更需要勘察技术与方法的突破与创新[2-3]，大埋深超长隧洞勘察领域也亟需归纳总结一套相对成熟、系统全面的关键勘察技术研究方法。

本文以目前国内在建工程中投资规模最大、施工难度最大、地质条件最复杂的引调水工程——滇中引水工程为研究背景，以香炉山大埋深超长隧洞为研究题材，结合其工程特点和勘察难点，给出了勘察技术思路，系统地归纳总结了香炉山隧洞勘察研究过程中采用的基于3S技术的地质遥感解译、大地电磁测深、千米级深孔勘探测试、复杂岩溶区大埋深超长隧洞选线、地下水三维渗流场数值模拟等勘察关键技术和研究方法，创新性地研发了千米级深孔地应力测试技术、深部岩体水文地质参数测试技术，以及适用于复杂地质条件下大埋深超长隧洞的超前地质预报关键技术；形成了一套较为系统、全面的大埋深超长隧洞勘察关键技术研究方法，为类似大埋深超长隧洞勘察工作研究提供了重要参考及借鉴。

2 工程概况

滇中引水工程是解决云南滇中地区严重干旱缺水问题的特大型跨流域引(调)水工程，分为水源工程和输水工程两大部分；水源工程为无坝取水，采用一级地下泵站取金沙江水，最大提水净扬程219.16 m，总装机容量480 MW；输水工程起点位于丽江市石鼓镇，终点为蒙自新坡背，总干渠全长约664.24 km。主要输水建筑物共118座，其中隧洞58座，长612.00 km，占比92.13%。香炉山隧洞为滇中引水控制性工程。

香炉山隧洞位于横断山脉与滇中高原交接部位，跨越金沙江与澜沧江分水岭，区域构造背景和地质条件复杂，穿越13条区域性大断裂、7个向斜蓄水构造、4个岩溶水系统。隧洞总长62.60 km，一般埋深600～900 m，最大埋深1 450 m，属典型大埋深超长隧洞(图1)。总体看，香炉山隧洞区构造背景及岩溶水文地质条件均极其复杂，具有工程技术难点多、施工难度大等特点。

图1 香炉山隧洞地理影像Fig.1 Geological image of Xianglushan tunnel

3 勘察研究总体思路

针对大埋深超长隧洞的不同特点，根据工程经验并结合隧洞工程勘察工作实际，不同勘察设计阶段应采用不同的勘察技术和方法(表1)[4]。

表1 不同勘察阶段采用的常规勘察方法Table 1 Conventional survey methods used in different survey stages

香炉山隧洞地质背景极其复杂，采用常规的勘察手段难以准确查明隧洞穿越区基本地质条件及主要工程地质问题，在以往工程勘察经验基础上，需充分利用目前勘察领域技术革新最新手段、方法辅以工程地质勘察工作。本次综合勘察总体思路见图2，具体内容如下：

图2 勘察关键技术总体研究思路Fig.2 General research ideas of key survey technologies

(1)重点收集区域地质、构造等背景资料，利用3S地质遥感解译技术，结合现场地质调查对航片进行遥感解译，对隧洞区地层岩性分布情况、区域性深大断层、水文地质单元边界以及环境地质条件等作出宏观判断。

(2)尽量采用直观可视的勘察与测试手段，尤其是超深钻孔勘察，并利用超深钻孔进行相关现场试验，研究各类工程地质问题，利用大地电磁测深等测试方法，在隧洞区进行勘察，辅助查明隧洞沿线地质构造、岩溶、富水区等。

(3)香炉山隧洞穿越多个岩溶水系统，复杂岩溶区大埋深超长隧洞选线也是勘察的难点和重点。勘察期间通过开展大型地下水示踪连通试验、超深钻孔勘探、大地电磁测深等多种勘察方法综合研究，尽量使隧洞在地下水分水岭和弱岩溶化岩体中穿越，最大限度降低地下水对工程的影响，为大埋深超长隧洞选线提供重要地质依据。

(4)勘察期间以GMS数值模拟软件为平台，结合香炉山隧洞沿线岩体水文地质结构、地下水含水介质特性、地下水流动特征、地下水化学及其环境特点[5]，建立了大、中、小尺度的多尺度多种渗控措施下的施工工况三维渗流场数值模型，成功解决了地层单元均一性差、水文地质边界复杂、渗透系数差异性大等难题，定量计算分析和评价了隧洞施工对周边地下水环境的影响程度及模拟论证了防渗措施的效果。

(5)香炉山隧洞穿越多个复杂地质构造与水文地质单元，岩体工程特性和水文地质条件复杂多变，施工期会遇到各种未能预料的地质灾害，因此，勘察工作中还需开展隧洞掌子面前方不良地质体的探测研究；研发一套成熟的超前地质预报系统软件和信息交流数据传递系统平台，也是香炉山隧洞勘察关键技术研究的重中之重。

4 勘察关键技术研究与应用

4.1 基于3S技术的地质遥感解译及信息系统技术

3S技术应用已渗透和扩展到众多专业和领域，特别是与工程地质分析原理和评价方法的结合是地质勘察的重要技术手段。遥感手段、解译技术和地理信息系统技术的不断提高，对了解地层岩性、地质构造、滑坡、泥石流、新构造及水文地质等起到事半功倍的效果，特别是交通不便的地区[6]。滇中引水工程工作区位于滇中高原，以高山、中山、高原盆地为主，线路长，交通条件差。滑坡、崩塌及泥石流等地质灾害较发育。本次勘察运用现代遥感、地理信息系统等空间技术和工程地质分析原理相结合的手段，以引水线路沿线地形地貌、地层岩性与地质构造的解译为基础，以线性构造、岩溶地貌以及不良地质现象作为主要研究对象，采用地形解译、遥感图像解译和三维真彩色情景解译相结合的多层次高精度解译方法[7]，完成了隧洞区地形地貌、区域地层岩性、断层等工程地质构造的展布特征、溶蚀洼地与落水洞等岩溶地貌的分布特征及其与引水线路的空间关系等解译分析(图3)，建立了引水线路综合工程地质GIS数据库。从整体上克服了地面调查的局限性，增强了预见性，为详细的现场调查验证和分析评估提供基础数据和工作重点，提高了工程地质勘察的质量。

图3 遥感解译分析Fig.3 Remote sensing interpretation and analysis

4.2 大地电磁测深技术

物探已成为目前深埋长隧洞工程地质勘察最为行之有效的勘察手段之一[8]，大地电磁测深在深埋长隧洞勘察中应用较广、技术比较成熟[9]，该方法通过获得地面以下岩石视电阻率及其分布规律[10]，利用正常岩体介质与断层破碎带、岩溶洞穴等不良地质体的视电阻率差异，推测分析断层破碎带、岩溶的空间分布位置[11]。一般情况而言，岩性变化、断层破碎带、岩溶、裂隙密集带、岩石破碎含水时视电阻率会相对较低，岩体相对完整、地下水较少时岩体视电阻率相对较高[12]。

香炉山隧洞采用大地电磁测深开展了大量物探测试工作，其测试结果对查明线路区地质条件、指导隧洞选线发挥了重要作用。工程区各勘察阶段累计探测剖面总长397.9 km，据统计分析，断裂破碎带、富水区、岩溶中等至强烈发育等部位岩体视电阻率一般为60～450 Ω·m(图4)；岩体完整性差、富水性一般至较差部位岩体视电阻率一般为450～1 600 Ω·m；岩体较完整至完整、地下水富水性差岩体视电阻率一般为1 600～7 000 Ω·m。

图4 香炉山隧洞岩溶复杂区大地电磁测深视电阻率 等值线Fig.4 Contours of apparent resistivity obtained from magnetotelluric sounding in karst complex area of Xianglushan tunnel

4.3 复杂岩溶区大埋深超长隧洞选线技术

香炉山隧洞区内断裂发育，碳酸盐岩分布广泛，涉及多个岩溶水系统及由向斜、断裂破碎带等构成的构造储水单元(图5)，水生态环境敏感脆弱，最大限度降低水环境影响的线路比选工作是非常必要的。线路比选区位于马耳山脉，横越金沙江与澜沧江的分水岭，东西向宽20～26 km，南北长约95 km，比选面积达2 400 km2。勘察期间进行了东、中、西多达12条线路的比选工作。根据比选区岩溶发育规律、垂直分带规律、岩溶水系统分布规律、地下水环境敏感程度等，建立了复杂岩溶水文地质条件大埋深超长隧洞选线技术。将岩溶地区地下水疏干对环境的影响作为首要问题，并充分考虑大断裂、软岩大变形、高外水压力、突水突泥等重大地质问题。以降低岩溶涌水突泥风险及规避复杂岩溶区地下水环境影响问题为基本目的，遵循岩溶隧洞选线一般性原则[13]，尽可能穿越岩溶区距离短、远离岩溶大泉排泄区、高程上从岩溶发育相对微弱带通过等，并根据香炉山隧洞岩溶水文地质条件特点，创新性地提出了线路尽量靠近地下分水岭部位穿越的选线技术，从12条线路中选出了最优的中5线方案作为线路推荐方案。选择的最终线路尽可能地避开了岩溶水文地质单元，最大程度地规避或减轻了岩溶涌突水问题及地下水环境影响问题，具有重要的工程意义及经济效益。

图5 线路工程地质纵剖面图Fig.5 Engineering geological longitudinal profile of the tunnel line

4.4 深孔地应力测试技术

香炉山隧洞应力场极其复杂，勘察期间成功研发了绳索取芯钻杆双回路水压致裂法地应力测试装置及方法，突破了深埋隧洞水压致裂法止水栓塞卸压难的症结。勘察阶段选取部分深孔采用上述方法获得了隧洞区最大、最小水平主应力量值、方向、应力状态及孔深范围的变化规律。

根据测试结果，隧洞区最大水平主应力方向为NE—NNE向。以埋深400 m为界，统计各钻孔完整测试段水平主应力平均值为拟合系数，得到围岩水平主应力量值拟合式，见公式(1)，垂直应力为自重应力(σz=γH)[14]，式中γ为岩石重度，H为隧洞埋深；隧洞区最大水平主应力分布特征如图6所示，隧洞区总体具中等-高应力水平，在东甸、百山母段部分埋深超过1 250 m隧洞段达到40～45 MPa极高应力水平。

图6 香炉山隧洞纵剖面最大水平主应力量级分区示意图Fig.6 Zoning of maximum horizontal principal stress in longitudinal profile of Xianglushan tunnel

(1)

式中:σH为最大水平主应力;σh为最小水平主应力;σz为自重应力。

4.5 深孔水文地质参数测试技术

在水利水电工程的地质勘察中，深埋隧洞总是处在数百米、甚至上千米水头的高压作用下，高水压条件下裂隙岩体的渗透特性与低压条件下具有较大差异，常规的压水试验已不能真实反映工程岩性透水性。滇中引水工程隧洞深埋特点突出，勘探钻孔多深度大、水头大、水压大，现场压水试验难度大。为了快速准确地获得岩体渗透性参数，勘察期间研发了适用于千米级的深孔压水试验装置及多通道转换快速卸压装置(图7)，成功解决了地下水埋深大、高压水头差深孔压水试验过程中一直保持密封状态、栓塞水压软胶管与钻杆(压水管)极易发生降速不均及缠绕、试验结束后排水卸压等一系列难题，可用于不同钻孔口径，可实现全孔连续压水试验及千米级深孔高压压水试验。该深孔压水试验装置及其卸压方法关键技术成功运用于滇中引水工程现场深孔原位试验中，较准确地获取了深部岩体水文地质参数，从深孔试验结果计算看，岩体透水率一般为1～10 Lu，少量测段岩体透水率>10 Lu。

图7 多通道转换快速卸压装置示意图Fig.7 Schematic diagram of multi-channel conversion fast pressure relief device

4.6 地下水三维渗流场数值模拟技术

由于工程区穿越大断裂多、穿越岩性多样、穿越岩溶水文地质单元多，勘察期间采用了全方位、精度高、灵活性高的数值法，定量计算分析评价隧洞施工对周边地下水环境的影响程度。以GMS数值模拟软件为平台，结合工程水文地质特点，采用更为合理的结构和网格模型及求解模块[5]，建立更为优化的网格模型及数值模型，建立了大、中、小尺度的多尺度多种渗控措施下的施工工况三维渗流场数值模型(图8)模拟评价范围约1 573.8 km2，网格剖分有效单位486 201个，有效节点763 799个，岩体渗透系数按照岩性和埋深分区、分层的原则进行赋值，同时利用水文长观孔、主要泉点、已开挖洞室的涌水量等监测资料，对模型进行调修，成功解决了地层单元均一性差、水文地质边界复杂、渗透系数差异性大等难题，大大提高了模型的准确度。通过地下水三维渗流场数值模拟技术成功对不同施工工况下隧洞涌水量、地下水水位变化的影响半径、主要泉点影响程度、运行期水位恢复情况等进行了预测，定量计算和分析评价了隧洞施工对周边地下水环境的影响程度及模拟论证防渗措施的效果，为合理评价隧洞工程建设可能导致的地下水环境影响程度、研究制定渗控标准等提供合理、准确、可行的依据。

图8 数值模型网格剖分示意图Fig.8 Schematic diagram of mesh generation of numerical simulation model

4.7 大埋深超长隧洞超前地质预报技术

目前，国内外隧洞工程界超前地质预报工作多以物探为主导，地质专业参与较少，由于单一专业和手段的局限性，以及各单位、各专业间存在信息孤岛，造成超前地质预报准确率不足；另外，国内外隧洞工程界在超前地质预报领域还没有一个相对成熟、完善的超前地质预报数字化管理平台。因此，对复杂地质条件下大埋深超长隧洞超前地质预报工作开展多专业协同、多元信息整合且具全过程智能化管理特点的关键技术研究极为必要。

香炉山隧洞需要进行超前地质预报的主要地质灾害类型为岩溶涌突水、断裂涌水突泥、储水向斜涌突水、软岩及破碎围岩失稳变形等。香炉山隧洞风险等级划分结果为中等-高风险的洞段长48.90 km，占该隧洞总长的78.12%。其中高风险洞段长29.09 km，占该隧洞总长的46.47%。

香炉山隧洞超前地质预报融合地质、物探、施工、监测等多学科理论知识，参照类似工程经验，提出大埋深超长隧洞超前地质预报工作应坚持“以地质调查和综合分析为核心，物探、超前钻探与地质分析相结合，洞内外结合，长短预测结合，物性参数互补，观测、监测护航”的原则[15]并设计了实施流程(图9)。为便于超前地质预报工作组织实施与管理，研发了集多用户不同权限协同办公、生产过程管理、多元数据综合管理、智能分析识别、决策支持等特点于一体的大埋深超长隧洞地质超前预报数字化管理平台，其技术逻辑架构如图10所示。

图9 大埋深超长隧洞超前地质预报实施流程Fig.9 Flow chart of advanced geological prediction for deep-buried long tunnel

图10 超前地质预报数字化管理平台技术逻辑架构Fig.10 Technical logic framework of digital management platform for advanced geological prediction

通过香炉山隧洞超前地质预报技术研究，建立了一套大埋深超长隧洞地质风险评价体系，实现地质风险源靶向定位和预警， 同时研发的大埋深超长隧洞地质超前预报数字化管理平台，实现了大埋深超长隧洞超前地质预报数据综合管理及实施过程全生命周期管理，是“智慧滇中”重要组成部分，其研究成果取得系列专利、软件著作权，其经济效益、社会效益显著，为大埋深超长隧洞动态设计及施工安全提供了有力的技术支撑。

5 结 语

大埋深超长隧洞工程地质勘察不仅需要对传统的系统工程地质理论、分析评价体系等勘察技术手段进行丰富与完善，更需要不断采用新的勘察技术，创建新的工作方法和运用多种学科融合技术，有效应对大埋深超长隧洞勘察工作中可能出现的各类技术问题与地质风险。

本文归纳总结滇中引水工程香炉山大埋深超长隧洞勘察关键技术，是在传统勘察技术基础之上“应用—总结—再应用”以及在工程勘察推进过程中不断“实践—探索—再实践”而来的一套勘察关键技术研究方法，可为类似大埋深超长隧洞勘察研究工作提供参考借鉴。

(1)香炉山隧洞勘察十分重视地面地质工作，勘察期利用基于3S技术的地质遥感解译及信息系统研究技术，基本查明了研究区宏观大尺度的岩溶水系统、汇水、储水构造、区域(活动)性断裂空间展布、性状、运动学特征及其与线路的交切关系等，为物探、勘探工作布置与优化提供可靠的宏观地质参考。

(2)香炉山隧洞勘察累计大地电磁测深剖面总长达397.86 km，基本查明了研究区深大断裂破碎带、强烈岩溶发育区等不良地质现象，为隧洞选线及不良工程地质问题对策研究提供了地质依据；同时为其它类似工程研究提供了借鉴。

(3)香炉山隧洞穿越4个复杂岩溶水系统，勘察工作中尽量创造试验条件，通过开展大型地下水示踪连通试验、超深钻孔勘探与测试、大地电磁测深等多种勘察与测试方法的综合运用，尽量使隧洞在弱岩溶化岩体(诸如地下水分水岭)部位穿越，最大限度降低地下水对工程以及工程对地下水环境的不利影响，为大埋深超长隧洞选线提供了重要地质依据，也为类似工程选线研究提供了重要参考。

(4)香炉山隧洞勘察研究过程中，创新性地研发了千米级深孔地应力测试、深部岩体水文地质参数测试技术并在各深孔中得到应用，成功解决了上述技术瓶颈，为类似大埋深超长隧洞深孔地应力、水文地质参数的准确获取提供了指导借鉴。

(5)香炉山隧洞勘察过程中建立了一套大埋深超长隧洞地质风险评价体系，实现地质风险源靶向定位和预警，同时研发的大埋深超长隧洞超前地质预报数字化管理平台，实现了大埋深超长隧洞超前地质预报数据综合管理、风险应对以及实现隧洞工程全生命周期的管理，并应用于施工期隧洞掌子面前方不良地质体的探测研究，该项勘察关键技术也可为类似工程提供借鉴。