深埋长隧洞主要工程地质问题与勘察和施工方法

深埋长隧洞主要工程地质问题与勘察和施工方法耿克勤目录一、前言二、深埋长隧洞主要不良工程地质问题三、TBM对深埋长隧洞地质条件适应性分析与对策四、深埋长隧洞的勘察思路和方法五、施工方法的选择六、结束语七、建议一、前言所谓深埋特长隧洞是指埋深超过400m，长度10km以上的隧洞。随着我国水利水电工程的发展，深埋长隧洞大量出现，单洞长度已由20世纪80年代的10多千米发展到现在的80多千米;隧洞埋深最大已接近3000m，隧洞工程地质条件日趋复杂，不良工程地质问题已成为工程的重要制约因素。因此，勘察、认识与评价这些问题和采取正确的工程对策已十分重要。铁路隧洞的建设水平始终处于隧洞工程建设的前列。高速铁路需要平缓的坡度和顺直的路线,当穿越高山时往往需要建设长隧洞。目前世界上已建、在建的长度超过20km的隧洞见表1。表1世界上已建、在建的深埋长隧洞国家隧洞名称长度开通年份说明瑞士Gotthardbase57，0722010在建日本Seikan53，8501988海底隧洞英国—法国Eurotunnel50，4501994海底隧洞瑞士Lotschberg34，5772007在建西班牙Guadarrama28，3772007在建日本Hakkoda26，4552013在建日本Wate-ichinohe25，8102002挪威Laerdal24，5102000公路隧洞日本Iyama22，2252013在建日本Dai-shimizu22，2211982瑞士圣哥达隧洞洞内施工图瑞士圣哥达铁路隧道横剖面图12345南水北调西线工程共分三期。第一期工程从雅砻江的支流达曲、泥曲和大渡河的支流杜柯河、麻尔曲、阿柯河调水，总调水量40亿m3。由“五坝七洞一渠”串联而成，坝高63～123m，输水线路总长260.3km，其中隧洞长244.1km，明渠16.1km，渡槽0.12km。第一期工程河流示意图“五坝”即引水河流的五座引水枢纽，为达曲的阿安、泥曲的仁达、杜柯河的上杜柯、麻尔曲的亚尔堂、阿柯河的克柯引水枢纽；引水枢纽的坝高分别为115m、108m、104m、123m、63m。调水量分别为7亿m3、8亿m3、11.5亿m3、11.5亿m3、2亿m3。“七洞”即利用线路通过的支流使隧洞自然分为七段，为长13.6km的达曲～泥曲段、长73km的泥曲～杜柯河段、长33.2km的杜柯河～结壤段、长3km的结壤～麻尔曲段、长55.4km的麻尔曲～阿柯河段、长15.5km的阿柯河～若果郎段、长50.4km的若果郎～贾曲段，七段隧洞总长244.1km，最长洞段73km，穿越雅砻江和大渡河的分水岭，位于泥曲～杜柯河之间。大丫口子上坝址引水隧洞中心线工程地质剖面图比例1:5000上坝址坝轴线0+000破碎带II弱～微溶蚀带PIII弱风化T弱溶蚀带上坝址引水隧洞中心线工程地质剖面图0+160m～0+390m为中厚层～厚层状粉砂质泥岩、粉砂岩夹石英砂岩、含砾砂岩，弱风化，该洞段穿越五道河次级复向斜，节理裂隙较发育，岩体内的优势节理产状40°～60°/SE∠60°～70°，张开度2mm～5mm，泥质充填为主，裂隙走向与洞轴线夹角为60°，面以平直粗糙为主，洞段地面无流水冲沟，位于地下水位以上，掘进中洞内以滴水、渗水为主。岩体以互层状结构为主，围岩稳定性差，施工中的临时支护措施，建议采用系统锚杆加喷混凝土支护。320°～330°/SW∠45°～50°F：40°～50°/SE∠60°～80°0+000m～0+160m为紫红色中厚层状粉砂岩、粉砂质泥岩，岩层走向与洞轴夹角0°～38°，其中桩号0+070m发育F2断层，断层破碎带宽15m～20m，走向与洞线夹角为87°，受F2断层影响，岩体强烈风化，不规则裂隙发育，主要有三组：280°/NE∠65°～80°、325°/NE∠50°～80°、50°/SE∠80°，裂隙张开2mm～5mm，少量可达20mm，大部分为泥质充填，面起伏光滑或平直粗糙，少量平直光滑，掘进中地下水以滴水为主。岩体呈镶嵌碎裂结构夹散体结构，围岩不稳定～极不稳定，施工中建议采用钢拱架加锚杆喷混凝土进行一期支护。0KMPa/cm()V强风化溶蚀程度说围岩坚固系数围岩分类明程工质地风化程度/岩石单位抗力系数钻孔孔深(m)设计桩号(m)引A引C引BT2Y0+105.43IIIIII弱～微风化IVQ引DTT325°～335°/NE∠55°～65°F：290°/NW∠60°～75°1TPP39.7m～41.8m(高程634.23m-632.13m)为溶洞:黄褐色可塑状粘土混30%-40%灰岩碎块充填，块径3-18cm左右。4+650m～5+390m为浅灰、灰白色厚层微溶蚀～新鲜白云岩、灰质白云岩夹白云质灰岩、白云岩，岩层走向与洞轴线夹角29°～39°，主要发育330°/SW∠60°～80°，36°/NW∠50°～70°两组节理，裂隙张开1mm～2mm,泥、方解石充填，面平直粗糙，平均间距3～5条/m。掘进中地下水以干燥、局部渗水、滴水为主，岩体呈厚层状结构，围岩基本稳定，一般不需要支护，局部由于节理密集或岩溶作用的构成的不良地质地段，临时支护措施可采用锚杆挂加素喷混凝土处理。弱～微溶蚀带0+390m～1+270m为紫红色弱～微风化中厚层粉砂质泥岩夹石英砂岩，岩层走向与洞轴夹角13°～23°。全段以层面裂隙为主，产状325°～335°/NE∠55°～65°，次为320°～330°/NE∠50°～60°、50°/SE∠80°，裂隙张开1mm～2mm，钙质、岩屑充填，面平直粗糙，平均间距0.3m～0.5m，推测掘进中地下水以渗水、滴水为主。施工中的临时支护措施，对III类围岩建议采用锚杆加喷素混凝土支护。1+270m～1+375m，F1断层，走向与洞轴线交角约60°，为碎屑岩与碳酸盐岩分界线，断层带宽约28m,推测上盘影响带宽50m左右，下盘影响带宽22m左右。沿断层局部可能有溶洞群发育，溶洞为软泥充填或无充填，该洞段掘进中可能会有短时突泥、突水现象，施工中应加强观测，做好地质预报工作，确保施工安全。其临时支护措施，建议采用钢拱架加锚杆素喷混凝土处理。II325°-335°/NE∠55°～65°PP1+375m～4+650m为灰色厚层微弱溶蚀～新鲜灰岩、白云质灰岩夹白云岩、灰质白云岩，岩层走向与洞轴线夹角13°～28°，洞段主要发育320°/SW∠75°及50°/SE∠50°～60°两组节理，节理张开1mm～2mm,岩屑或泥充填，面平直粗糙，平均间距2～5条/m。掘进中地下水以干燥、局部渗水滴水为主，岩体呈厚层状结构，围岩基本稳定，一般不需要支护，局部由于岩体线溶蚀作用或节理相对密集，临时支护措施建议采用锚杆加素喷混凝土处理。由于洞体埋深绝大部分大于200m，按围岩强度应力比公式计算（最大主应力以岩体自重应力代替），隧洞在施工过程中发生岩爆的可能性极大，当岩爆出现时，围岩类别应由Ⅱ类降为Ⅲ类，且需采用锚杆挂网喷混凝土或其它相应措施处理。其中4+350m～4+550m跨越冲沟，为弱溶蚀带，上层滞水活动强烈，围岩类别为Ⅲ类，建议采取锚杆挂网喷混凝土做一期支护处理。II微～弱溶蚀Q2006.09.06013673.93ZK1567.606.90633.43mTQZK18542.8927.205.40Q调压井背斜轴部T金顶水电站引水长隧洞1-1/工程地质剖面图金顶水电站引水长隧洞2-2/工程地质剖面图2深埋长隧洞主要不良工程地质问题深埋长隧洞可能存在的工程地质问题主要有：围岩大变形、塌方、岩爆、高外水压力、突水、突泥和涌水、高地温、岩溶、膨胀岩、有害气体、有害水质、放射性危害等。如二十世纪七十年代修建的瑞士圣哥达铁路隧道，施工期间曾遭遇到多次大涌水、塌方灾害，地温也高达30.7℃，施工期间致死310人，至残877人，工程承包商因此工程而破产。值得注意的是，在高地应力条件下，甚至某些中硬岩也存在发生严重塑性变形的可能。2.1大断层带围岩失稳及涌水问题断层破碎带是诸多问题的关键所在，大变形、塌方、突涌水、高外水压力、岩溶、有害气体等，往往与断层有直接或间接的关联。对于深埋长隧洞穿越宽大的区域性断层概率很高，这些断层是关系到工程成败的关键地质因素。例如天津引滦入津隧洞F1~F10断层交汇带和F9～F11断层交汇带，宽度分别为220m和150m，涌水量50～100m3·s-1，大塌方十余次，是该工程最大的难点。万家寨引黄入晋工程摩天岭断层曾塌方卡住TBM机头，工程处理3个多月。南水北调东线穿黄工程，隧洞中断层规模虽然不大，但股状压力涌水，是该隧洞最主要的工程问题。隧洞活断层工程抗断在已建工程中尚未见到，但规划中的南水北调西线等几个长大隧洞工程，已将断裂活动性问题作为主要工程地质问题之一进行研究。考虑到强烈的破坏性，具有短时间形成较大错距的区域性活断层应尽力绕避，而以蠕变变形为主的活断层在工程技术上是可以克服的。我国西部地区策划的水利水电深埋长隧洞，遇到的大断层带具有以下几个主要特点：(1)断层规模更加巨大，其延伸长度逾数百千米，断层破碎带及影响带宽度几十至数百米，甚至达到1000m以上。这些断层往往是不同地质构造单元的分界性断裂，切割深，具多期活动性。这些断层无论对钻爆法和TBM法施工困难和风险均很大。(2)大的断层往往为地下水的逸流与储存创造了有利条件;特别是在碳酸盐岩地区断层带富水性高，隧洞围岩失稳与突水突泥危害性大。(3)一般浅埋隧洞地下水活动强烈，受大气降水和地表水影响显著，涌水的突发生强。而深埋隧洞因受地应力影响，岩体的渗透性和富水均较弱，地下水活动性也随之减弱，使隧洞涌水量变小。但是值得注意的是深埋隧洞滞后涌水也是一种常见的现象。例如万家寨引黄入晋工程北干线1号隧洞斜穿一条灰岩的挠曲断裂破碎带，长约700m的洞段开挖后7个月之内涌水量很小，进行衬砌作业是很容易的，7～18个月期间隧洞涌水量由24m3·h-1逐渐增大；几次强力抽水产生的负压真空使隧洞涌水量猛增至480m3·h-1，从而使隧洞衬砌作业发生严重困难。这个实例说明隧洞穿过富水性强的地段时，及时衬砌封堵围岩是非常重要的。(4)我国西部地区活动性断层多，规模大，由于隧洞线路多与之垂直布置，而无法避开。这些断层往往对地形地貌、地层分布和水文地质条件起控制作用，隧洞穿过此种构造地段难度相对较大。此外，现代活动性断层的变形分蠕变和错断两种;前者对隧洞产生缓慢的破坏;后者对工程危害性大。为此，查明隧洞地区活动性断层的分布与变形速率是很重要的。总之，施工时应具备对大断层的超前探测与超前处理的能力。2.2岩溶及突水突泥问题该问题在灰岩地区十分突出。我国天生桥二级发生隧洞岩溶突水突泥影响工期达2年之久。万家寨引黄入晋工程南干线6号隧洞具有松散充填物的古岩溶，致使多处TBM隧洞发生沉陷变形。未充填岩溶洞给TBM掘进带来很大风险，在掘进过程中，时刻关注着前方的每一变化，以防TBM发生下沉事故。岩溶目前对灰岩地区岩溶的勘察能够从宏观上查明岩溶的发育情况。而对大量岩溶洞的分布位置、规模和充填物的性质还是要在施工中去发现去处理。所以对岩溶问题施工中的超前探测与处理是非常重要的。表2我国部分隧道及矿山水文地质灾害一览表工程名称围岩岩性地下水类型最大突水量（m3/s）大瑶山铁路隧道灰岩岩溶水0.05南岭+207断裂岩溶水(断层导水、涌泥)0.03铁路+269断裂岩溶水(断层导水)0.12隧道+745管道灰岩岩溶管道水(连续三次涌泥)0.06武隆铁路隧道灰岩岩溶水(地下暗河)16.2山东坊子煤矿片麻岩基岩裂隙水0.22山东淄博大井灰岩岩溶水7.38山东新博煤矿断层导水0.44开滦范各庄灰岩岩溶水34.22平顶山九矿灰岩岩溶水1.17国营711铀矿基岩裂隙水1.24～1.36锦屏二级水电站大理岩岩溶水4.91天生桥二级电站灰岩岩溶水3.002.3高地应力条件下软质围岩变形隧着地下工程向深部发展，软质围岩变形及其稳定性控制越来越突出。高地应力条件下软质岩工程性质十分复杂，其主要原因是：(1)它既有与岩石本身有关的地