水利水电工程深埋长隧洞勘察技术方法
司富安1， 贾国臣2， 高玉生2
（1.水利部水利水电规划设计总院，100120，北京；2.中水北方勘测设计研究有限公司，300222，天津）
摘要：分析了深埋长隧洞可能存在的主要工程地质问题和勘察难点，提出了勘察思路和原则，建议以遥感、地面调查、深钻孔与孔内测试、长探洞、大地电磁测深等为深埋长隧洞的主要勘察方法，并对不同方法的应用条件进行了探讨。
关键词：深埋长隧洞； 勘察； 技术
中图分类号：TV554 文献标识码：B 文章编号：1000-1123（2010）20-0069-03
多年来，随着我国经济社会发展的需要，水利水电和铁路、公路等行业相继修建了一批深埋长隧洞工程，如国内已建成的辽宁大伙房输水隧洞、引黄入晋南干线7 号输水隧洞、穿越秦岭的铁路隧洞、锦屏二级电站引水发电洞等。
其中辽宁大伙房输水隧洞长85 km， 是当今世界上单洞最长的水工隧洞，锦屏二级电站引水发电洞最大埋深达2 500 m，是我国目前埋深最大的水工隧洞之一。
另外，还有一批深埋长隧洞工程正在施工或正在规划设计，如新疆某补水工程穿天山隧洞， 陕西引汉济渭工程穿秦岭隧洞， 南水北调西线工程克柯—黄河隧洞、扎洛—克柯隧洞，青海引大济湟穿大阪山隧洞等，其中最长的达77 km，最大埋深达2 200 m。
无论是国内还是国外，深埋长隧洞的工程地质勘察技术还不成熟，还存在不少困难，是水利水电工程地质勘察突出的难点之一，主要表现在：①地面海拔高，交通困难，勘探设备甚至技术人员难以到达洞线位置。
②勘察测试手段跟不上隧洞工程发展需要，1 000~3 000 m 的深度以及高应力、高水头条件尚缺乏适宜的勘探试验设备，现有的勘探试验方法选择受到限制。
③随埋深的显著增加，工程地质问题更为复杂，可借鉴的工程实例不多。
④有关理论还不够完善，分析评价方法需要摸索。
⑤采用TBM 施工是深埋长隧洞工程发展趋势， 相对于钻爆法，TBM对勘察成果的准确性有更高的要求，而不是可以简化。⑥勘察经费和工期不足，勘察工作量布置和勘察方法选择受到明显限制。
目前，深埋长隧洞的工程地质勘察还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。
一、深埋长隧洞主要工程地质问题隧洞工程可能存在的工程地质问题主要有围岩变形、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。
从一些工程实例来看， 深埋长隧洞工程出现上述问题的概率明显更高，也更为复杂。
在一个工程中， 一般有2~4 个工程地质问题会比较突出， 如锦屏二级发电洞主要问题是岩爆和涌水， 精伊霍铁路天山隧洞主要是断层带、大溶隙涌水，鱼箭口发电洞主要是溶洞突水、突泥，某达坂输水隧洞主要是软岩变形， 奇热哈塔尔发电洞主要是岩爆和高地温等。突涌水、高应力条件下的岩爆、软弱破碎围岩大变形和高地温是深埋长隧洞出现概率比较高的工程地质问题，对工程影响也较大。国内如辽宁大伙房水库输水隧洞、野三关公路隧洞、精伊霍铁路天山隧洞、锦屏二级发电洞等工程在施工期间曾因大量突水、突泥、岩爆、塌方而出现过人身伤亡和设备事故，并造成投资增加、工期延误等不良影响。
特别需要提出的是，在极高应力条件下，某些中硬岩也存在发生塑性变形的可能。
瑞士圣格达铁路隧洞围岩中存在一种糖粒状砂岩，在高围压下发生塑性收敛变形达70 cm 以上，曾造成TBM卡机事故。新疆某达坂引水隧洞埋深不超过300 m，但地应力高，岩石以泥岩与砂岩为主，因围岩挤压和膨胀变形造成数十次TBM 卡机事故。穿过煤系地层的隧洞， 有害气体和大变形问题最为突出， 比较典型的工程有广渝高速公路华蓥山隧道和南昆铁路家竹箐隧道。家竹箐隧道实测瓦斯压力最大达到1.585 MPa，高压力瓦斯、大变形和大涌水给该隧洞施工造成了很大困难。广渝高速公路华蓥山隧道不仅有煤层瓦斯， 还遭遇了天然气、二次生化气及H2S 等有害气体，问题更为复杂。
比较而言，这方面的问题在水利水电工程中较为少见。
隧洞活断层工程抗断的已建工程实例尚未见到，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，短时间内形成较大错距的区域性活断层应尽力绕避，而以缓慢蠕变变形为主的活断层在工程技术上是可以克服的。新疆某隧洞曾因放射性危害造成停工和方案改变， 但是总的来说，出现严重放射性危害的工程实例较少见。
大范围的侵入岩、煤系地层是放射性矿物易于积聚之地，如在工程中遇到此类地层应进行必要的勘察研究工作。大伙房输水隧洞等工程勘察期间曾委托专业机构进行放射性勘探。
线路上如存在大范围放射性矿物，对施工、水资源危害较大，难以有效处理，应首先考虑绕避。
二、深埋长隧洞工程勘察技术1.遥感、地质测绘和调查地面地质工作仍是隧洞工程的主要勘察手段之一。
对于深埋长隧洞工程，地质调查和测绘的内容、要求与常规隧洞工程有所不同。
在隧洞埋深达2 000 m 甚至更深的情况下，洞线两侧2 km 甚至更远的岩体、断裂都有可能会出现在隧洞围岩中，因此测绘范围宜扩大到隧洞两侧各2 km以上， 有时为了追踪重要的地质现象，需要扩大地质测绘的范围。
对于水文地质条件的调查要充分重视，必要时应进行专门的水文地质、岩溶调查。
洞线附近的小流域与隧洞涌水问题的评价有直接关系，应纳入调查与测绘范围。
高山区的溪流、泉水往往没有观测资料，测绘过程中应对地表水体的范围、水量、水位进行调查，应选择多个断面采用简易仪器估测溪流流量，对泉水应进行重点调查与观测。
高山区气温、降雨量、蒸发量和降雨入渗规律与山下存在显著不同，更缺乏直接的观测资料，这些资料对于预测隧洞涌水量、地温都是必要的， 因此有条件时应在洞线附近分高程设置专门的观测站点。
深埋长隧洞工程勘察范围大、交通困难，并缺乏基础地质资料，地面调查与测绘工作是非常艰难的。
而遥感地质测绘技术具有宏观性、周期性、信息量丰富、快捷及成本低等优点，已成为深埋长隧洞工程地质勘察的一个重要手段。
如辽宁大伙房水库输水隧洞工程进行了面积2 100 km2的1∶50 000 遥感地质解译工作，通过航片、卫片解译及野外验证，确定了80 余条断裂构造，初步确定了岩土体范围、地质界线、地质构造等；南水北调西线工程选择了ETM、SPOT 和SAR 等卫星遥感数据为主要信息源，重点对30 000 km2 范围内的断裂构造进行了解译。
2.综合物探除常规物探方法外，为了探测深部地质体和地质现象，近年使用较多的是可控源音频大地电磁测深法（CSAMT） 和高频人文大地电磁测深法（EH4）。
如南水北调西线工程、陕西引汉济渭穿秦岭隧洞工程、新疆某补水工程穿天山隧洞等。
可控源音频大地电磁法是根据不同频率电磁波具有不同穿透深度的特点，利用人工可控源产生音频电磁信号，探测地面电磁场的频率响应从而获得不同深度介质电阻率分布信息和目的体分布特征，其理论测深可达1 500 m，有效测深1 100 m。
与可控源音频大地电磁法不同，高频人文大地电磁测深法利用天然电磁波信号进行探测， 其电磁波频率相对较高，探测深度也相对浅一些，其理论测深为1 000 m，有效测深600~800 m。
该方法虽然探测深度大，地形适应性强，但是精度还需要进一步提高。
由于各种物探方法都有其优缺点，深埋长隧洞物探勘察适宜采用综合手段，不同方法之间相互补充和验证，采取点、线、面结合，定性与半定量结合的勘探布置和分析原则。
3.深钻孔通过钻探能够直接了解深部地层岩性、地质构造、地下水水位与水质、岩溶等基本地质条件，了解岩体放射性及有害气体的赋存特征；通过岩芯观察判断隧洞围岩类别，分析岩__爆的可能性；通过钻孔可以取样或在钻孔内进行试验与测试工作，获得深部岩体物理力学参数等。
因此，对于深埋隧洞工程，钻探仍是不可替代的主要勘察手段之一。
目前，深钻孔在国内隧洞工程勘察中的应用已经达到较高水平。
南水北调西线隧洞最大钻孔深度为470m； 精伊霍铁路北天山隧洞最大钻孔深度约733 m， 平均钻孔间距约2~3km；北天山某水工隧洞钻孔最大深度886 m，平均钻孔间距达到3~5 km；安康铁路秦岭隧洞钻孔深度210~603 m，孔间距约2 km；引黄入晋工程隧洞钻孔深度350 m，平均间距约1 km。
国外也在深埋长隧洞工程地质勘察中使用深钻孔， 如意大利与法国之间穿越阿尔卑斯山麓的铁路隧道， 长约54 km， 有3.5 km以上洞段埋深超过2 000 m，布置了20 个钻孔，其中有3个深度超过1 000 m，平均钻孔间距小于3 km；瑞士圣戈达快速铁路隧洞和伯伦纳铁路隧洞也都布置深钻孔，甚至在深孔底部又打水平孔。
可见，国内外隧洞工程对钻探的应用都非常重视，并没有因埋深大、地面工作条件恶劣而减少钻孔。
但限于经费和设备能力，不少钻孔是“悬挂”的，没有达到洞身位置。
深钻孔成本高昂， 必须精心设计，用于关键部位，并尽量一孔多用，除取芯外，常常利用钻孔开展物探综合测井、地应力测量、孔内变形试验、孔内电视录像以及地温、放射性测量等试验测试工作。
4.钻孔压水试验常规的单管顶压试验方法在大深度和高压力下不适用。
一方面埋深很大时岩体吸水量小，常规橡皮栓塞的密封性能不能满足要求；另一方面栓塞压力难以控制，可能会被“压翻”导致试验难以成功，并可能造成严重井内事故。
双栓塞法技术可靠并具有高试验精度， 中水北方公司在600~850 m 深度成功完成多段压水试验。
关于试验段长度，由于深部岩体渗透性较差， 试验段长度不能太短，在吸水量小的情况下适当加大试验段长度反而能降低试验误差，还可以提高工作效率，如10~20 m 一段。
关于试验压力，中水北方公司在某工程中采用双栓塞方法进行了常规压水和高压压水对比试验，结果显示3 MPa 和1 MPa 试验的透水率相近，显示常规水头压水试验方法对于深埋隧洞仍是基本适宜的。
5.长探洞锦屏二级引水发电洞实施了超过10 km的勘探洞，获得了大量难得的技术资料。
黄河大柳树水利枢纽工程右岸发电洞也实施了1.2 km 的勘探洞，对发电洞成洞条件的论证起到了重要作用。
瑞士圣戈达隧洞为了解皮奥拉（Piora）地层的地质条件，开凿了长度约为5.5 km 的隧洞。
瑞士的伯伦纳隧洞也采取了类似的勘探方式，在阿尔卑斯山主峰附近开凿了约1 km长的探洞。
目前， 国内深埋长隧洞工程地质勘察中采用长探洞的实例还不多，但在工程建设初期，结合施工支洞的施工进行一些试验、测试是必要的。
如陕西引汉济渭穿秦岭隧洞， 勘察单位就利用施工支洞进行了深部岩体变形、物理力学特性等方面的测试和试验工作。
6.岩石（岩体）试验断层破碎带等岩体以及泥岩等软岩， 在高应力下会发生挤压变形，膨胀岩在水环境改变时会发生胀缩变形，一些中硬岩甚至硬岩在高应力下也存在快速蠕变的可能。
在大深度、高应力条件下，岩体中的空隙被压密，岩体与岩石的强度特性较为接近，因此可以通过岩石的不同围压三轴压缩试验模拟围岩岩体的工作环境，了解岩体蠕变条件和特征，解决施工期哪些围岩在什么条件下会发生快速蠕变变形问题，为施工方法选择、掘进机选型提供基础资料。
郭志通过试验证实，温度在数十度至百度时，岩石的力学性质与常温时差异不大，可以不考虑高地温对围岩力学性质的影响。但在高围压或卸荷条件下，围岩的长期强度与峰值强度差异较大。
如某工程围岩为浅变质泥质砂岩， 单轴抗压强度约70 MPa，在30 MPa 围压下其长期强度（抗剪强度）仅为峰值强度的一半。因此，对于大埋深隧洞应考虑进行岩石（岩体）的高围压蠕变试验， 以确定岩体的长期强度，为工程永久支护提供强度参数。针对掘进机工效的试验研究不容忽视，实际上刀具选择不当会明显影响掘进效率， 维护费用也大大提高，与此有关的试验主要有岩石抗压强度、石英含量、硬度和研磨性等。
三、几点经验与体会1.循序渐进，逐步深入，重视施工阶段的超前勘探鉴于深埋长隧洞工程地质勘察工作难度较大，存在的工程地质问题复杂，大量的勘探工期较长，费用较高，因此深埋长隧洞工程宜采取整体构思、逐步加深的勘察方式。
超前勘探是深埋长隧洞工程技施阶段必不可少的超前预测预报手段，对工程安全施工至关重要， 应纳入施工工序，并应作为技施阶段勘察单位的重要勘察任务。
2.勘探布置应抓住重点隧洞存在的主要工程地质问题是前期勘探的重点所在。
锦屏二级发电洞针对岩溶涌水问题曾进行了全面系统的岩溶调查和超长探洞勘探，奇热哈塔尔发电洞针对地热泉引起的高地温问题进行了钻孔地温测量和大范围泉水调查。国外也是这样，为了查明关键地质问题不惜代价。如瑞士圣戈达快速铁路隧洞， 为查明北面圣哥达“ 地块” 和南面Pennine 片麻岩带之间皮奥拉地层特征，布置了长度超过1 000 m 的定向钻孔，并在探洞内布置了深300 m 的垂直孔；瑞士伯伦纳铁路隧洞，为了解一段复杂洞段的地质条件，首先在主峰附近开凿了一个长900 m的勘探洞， 洞内布置了深800 m 的垂直勘探孔，达到隧洞高程后沿洞线水平方向各延伸了约450 m。
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，是勘探重点。
如引黄入晋工程、精伊霍铁路天山隧洞、大伙房输水隧洞等工程主要断层均布置有钻孔或探洞进行控制。
3.充分利用高科技勘探手段鉴于深埋长隧洞的特点，常规勘察方法已无能为力，必须采用重型勘探设备和高科技手段。如航空航天遥感、超深钻孔及孔内测试、大深度地面综合物探以及“三高”环境下的岩体力学试验等。
4.着重针对基本地质条件的勘察， 采用多种勘察方法互相补充验证对于深埋长隧洞来说，无论是工程地质分析理论还是勘察技术方法，都还不成熟，认识深部地质体和地质现象都还比较困难，因此要想在前期勘察设计阶段完全查明工程地质条件是不现实的，应把工作重点放在对地层分布、岩组划分、构造形态与特征、水文地质条件等基本地质条件的认识上，对于重要地质现象、关键地质问题的勘察有必要采用多种方法和手段，以互相补充和验证。
5.勘察评价内容具有针对性，并与施工方法相适应采用钻爆法、TBM 法结合方式是深埋隧洞常用的施工解决方案。以钻爆法突破复杂洞段， 发挥钻爆法适应性强的特点； 条件简单洞段采用TBM 法， 发挥其掘进速度快、效率高的优势。掘进机只有在地质条件适合的范围才能充分发挥快速高效的优势， 而不同类型的掘进机又有不同的特点， 围岩类别、结构面发育特征、岩石的研磨特性等直接影响掘进机效率和运行成本。这就要求勘察工作对围岩性质、大变形等问题有较为充分的认识， 勘察深度、提供资料的内容必须满足施工方法选择需要， 与施工方法相适应。
6.勘察评价注重安全性现阶段对于深埋长隧洞主要工程地质问题的认识以分析、推测为主，重点集中在判断是否存在某些地质问题，“查明”是非常困难的。
因此对于涌突水、大变形等关键问题的评价应注重安全性并留有余地，在TBM选型、工期安排以及支护、排水等工程措施方面考虑充分，以保证工程施工和运行的安全、顺利。
■参考文献：[1] 宋岳，等. 水利水电深埋长隧洞工程地质条件复杂性的分级与分类[J].水利水电工程设计，2008（4）.[2] 郭志.实用岩体力学[M]. 北京：地震出版社，1996.[3] Hoek E. 刘丰收，等译.实用岩石工程技术[M]. 郑州：黄河水利出版社, 2002.
