乐亚水资源配置引水隧洞主要工程地质问题分析

张 超

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 蚌埠 233000)

乐亚水资源配置工程位于海南省中南部,范围涵盖五指山市、乐东县、三亚市,主要建设内容为南巴河水库及引水隧洞工程、向阳水库及引水隧洞工程、灌区工程等。本工程引水隧洞分为向大隆水库引水的主洞及向南木水库引水的支洞,工程等级为Ⅱ等大(2)型。向大隆水库引水隧洞共有上坝址东线方案、下坝址东线方案、上坝址西线方案、下坝址西线方案4个方案,总体呈近南北向布置。上坝址东线方案全长约33.84 km,西线方案全长约42.43 km,下坝址东线方案全长约36.77 km,西线方案全长约41.87 km。向南木水库引水隧洞东线方案全长约15 km,西线方案全长约5.8 km。工程包括的引水隧洞具有“线路长”、“埋深大”的特点,容易产生一系列工程地质问题。

1 引水隧洞主要工程地质问题

1.1 进出口边坡及洞室围岩稳定问题

(1) 进出口边坡。上坝址引水隧洞进口全、强风化层较厚,边坡高度大于40 m,存在全、强风化岩体的边坡稳定问题;东线方案引水隧洞出口存在较厚的坡积层粘土夹碎石,下伏基岩上部风化破碎,存在碎石土及风化破碎岩体边坡的稳定问题。对于存在边坡稳定问题的地段,建议放缓边坡并采取相应支护和加固措施。

(2) 洞室围岩。隧洞洞身穿越地层岩性主要为花岗岩类,部分为板岩、粉砂岩,夹结晶灰岩,无软岩、膨胀岩等不良岩体,大范围洞室围岩稳定问题不突出。局部洞段见有蚀变岩,岩石强度较低,如遇构造影响,地下水渗入,有崩解现象,此类岩石构成的洞室围岩稳定性较差。另局部断层发育段,可能存在小范围的围岩稳定问题。部分较大规模断层带内岩石为灰绿、灰黄色蚀变岩石,具崩解及软化特征,由其构成的洞室围岩强度不足,易造成围岩较大变形。

主洞引水隧洞总体呈近南北向布置,而沿线最为发育的构造方向亦为近南北向,此组构造走向大部分洞段与轴线呈小角度相交或近平行,不利于围岩稳定,易在边墙、特别是顺倾结构边墙产生片帮破坏、楔形体、掉块等围岩稳定问题。东线方案后段浅变质岩分布区,断裂构造发育,主要断裂产状与洞线交角小,围岩稳定性差,且局部岩层产状与洞线近平行,倾角较缓,大部岩体呈薄层状结构,岩层与陡倾角裂隙组合切割下,对隧洞顶拱围岩稳定不利,产生顶拱掉块、坍顶等变形破坏。

1.2 隧洞突、涌水及高外水压力问题

(1) 突水、涌水。隧洞洞身大部位于花岗岩中,透水率大多较小,为弱～微透水性,洞身穿越的断层多为压扭性断层,带内大多为胶结较好的角砾岩及碎裂岩,局部为蚀变岩石,张性夹泥破碎带相对较少,此种性质断层透水性一般不大。从地表来看,洞身附近较大冲沟大多常年流水,说明冲沟底岩体透水性较小,降水入渗量不大。洞身位置岩体厚度大多在50 m以上,下部岩体一般较完整,透水性小,一般不会有明显的突水、涌水现象发生,但局部较大断层带与两侧岩石接触部位可能发生小范围的涌水、突水现象。

东线隧洞后段分布有灰色厚层状结晶灰岩、白云岩以及板岩夹结晶灰岩透镜体,地表未见明显岩溶洼地、岩溶漏斗发育,仅可见小溶沟或小溶洞等溶蚀情况,钻孔中灰岩未见较大溶洞,仅见有顺裂隙溶蚀现象,岩溶发育程度分级为弱发育,洞室一般不会产生顺灰岩溶洞的大范围突、涌水问题。但出口附近顺灰岩溶蚀裂隙可能有一定的突、涌水问题。

(2) 高外水压力。根据山坡冲沟内地表水水位调查及钻孔的地下水位,推测隧洞较大埋深段地下水水头一般在550 m以下,最高水头约在700 m左右。隧洞沿线岩体除表层风化卸荷带外,下部岩体透水性一般较小。根据隧洞穿越段地下水储水类型与介质特征及透水性,选择适当的外水压力折减系数进行预测后认为,除局部断层带附近外,隧洞大部分不存在高外水压力(≥1.0 MPa)问题。

2 引水隧洞地应力、岩爆、有毒气体及放射性分析

2.1 地应力及岩爆稳定性分析

(1) 地应力分析。主洞东线方案穿越山体最高高程980 m,最大埋深约780 m,东线方案南木支线前段穿越山体最高高程1 080 m,最大埋深约900 m,均存在一定比例的大于600 m的深埋隧洞。深埋隧洞段岩性主要为花岗岩类,岩质硬脆,完整性较好。海南岛及周边海域区域构造应力场研究成果表明，在水平分布上,海南岛的最大主应力方向整体呈弧形变曲,为自西向东由NNW向渐变为NW向,在斜穿海南岛的NE向潭爷断裂带处倾角较陡,两侧倾角近水平。垂直分布为,除潭爷断裂带外,在小于200 m深度内,最大水平主应力(σH)>上覆岩体计算垂向主应力(σV)>最小水平主应力(σh),大于200 m深度内,σH>σh>σV。总体上,应力场特征以水平主应力为主,为垂向主应力的1.1～1.2倍。

根据地应力测试结果,引水隧洞东线DK6孔在82.6 m～242.2 m测深范围,最大水平主应力为4.6～10.0 MPa,最小水平主应力为4.0～7.3 MPa,铅直应力为2.2～6.4 MPa。

(2) 岩爆分析。针对引水隧洞可能发生岩爆的完整硬质脆性围岩(主要为花岗岩,最大埋深900 m),依据试验结果取岩石饱和单轴抗压强度Rc=120 MPa,岩体重度γ取26.4 kN/m3,判断:隧洞埋深小于460 m时,施工期不会发生岩爆;埋深为460 m～900 m时,可能发生轻微岩爆。另外引水隧洞最大水平主应力方向与隧洞轴线方向夹角较大,不利于隧洞围岩稳定。

2.2 地温及有毒有害气体分析

(1) 地温。乐东县年均温24.1 ℃～25.1 ℃,1月平均气温18.8 ℃,7月均温28.1 ℃～29.5 ℃,极端最高气温为39.5 ℃。地热增温率一般为3 ℃/100 m。在部分钻孔中进行了地温测试,孔内温度为22 ℃～29 ℃,地温较正常。

(2) 有毒有害气体评价。隧洞沿线的浅变质岩主要岩性为粉砂质板岩、千枚岩、粉砂岩等,局部夹灰岩透镜体,无煤层或炭质岩性分布,不具备有毒有害气体的产生条件,根据地质测绘及现场访问,未见有地表冒气、自燃,河流、水井、水塘也未见经常性冒泡、冒水等现象,钻探过程中也未发现有气体溢出。部分钻孔有毒有害气体测试结果为:一氧化碳CO浓度为0.25～5 mg/m3,二氧化硫SO2浓度为0.1 mg/m3,二氧化氮NO2浓度为0.1 mg/m3。隧洞沿线有毒有害气体浓度均不超过最大允许浓度。

2.3 放射性分析

在花岗岩类岩石分布区部分钻孔中进行了放射性元素氡及钍气检测,结果表明,各孔中平衡当量氡浓度一般为18～73Bq/m3,仅南木支线闸门井处NK5孔放射性物质较高,平衡当量氡浓度为267Bq/m3,西线方案附近XK8孔放射性物质亦较高,平衡当量氡浓度为117Bq/m3。NK5孔放射性物质已经超过地下硐室放射性物质标准含量。

3 TBM施工适宜性评价

引水隧洞所经地形大多为崇山峻岭,施工支洞布置不便,拟采用TBM施工。隧洞前段分布的花岗岩类岩石,饱和单轴抗压强度一般在100～150 MPa之间,局部大于150 MPa。围岩类别以Ⅱ类为主,局部Ⅲ类,少量Ⅳ～Ⅴ类,岩体一般较完整,少量为较破碎岩体。TBM施工适宜性大部分为一般～较差,适宜性分级为基本适宜(B)～适宜性差(C),局部为适宜(A)。隧洞后段分布的浅变质岩岩性较杂,各类岩石性质差异性较大。综合考虑,石英岩及砾岩分布洞段TBM施工适宜性较差,适宜性分级为适宜性差(C);结晶灰岩分布洞段TBM施工适宜性好,适宜性分级为适宜(A);板岩及粉砂岩分布洞段TBM施工适宜性一般或不适宜,适宜性分级为基本适宜(B)或适宜性差(C)。

值得注意的是引水隧洞沿线大部都是花岗岩地层,隧道施工时,随着隧道截面增大,放射性物质浓度会相对增加,建议施工中一定要加强对放射性物质含量的监测,采取通风和预防措施,减少每班次人员施工时间,尽量减少人体裸露部分,减少人员与放射性物质接触时间。

4 结束语

与普通隧洞相比,深埋长隧洞由于“埋深大”和“线路长”往往引起许多特殊的工程地质问题,例如岩爆问题、涌水问题、高地温问题等,必须给予高度重视并做好充分的预案准备,保证工程施工及运行的安全。