水工隧洞圍巖分類研究

王曉初，劉鵬飛

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

1 概 述

1.1 研究背景及必要性

前期勘察階段相對(duì)準(zhǔn)確地確定圍巖類別，是水工隧洞勘察工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，特別是深埋隧洞及長(zhǎng)隧洞，在缺乏勘探、測(cè)試及試驗(yàn)資料的情況下，難以取得隧洞圍巖分類所需要的巖體結(jié)構(gòu)特性和地下水特性等指標(biāo)，如：結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及地下水狀態(tài)等。因此，在勘察階段相對(duì)準(zhǔn)確確定隧洞圍巖類別，在施工階段通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等手段修正勘察階段圍巖分類成果，為隧洞施工開挖和支護(hù)提供技術(shù)支撐，具有十分重要的意義[1]。

1.2 隧洞勘察方法

1)收集資料：收集工程區(qū)既有區(qū)域地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及地震資料。了解隧洞工程區(qū)區(qū)域地貌及主要特征，區(qū)域地層及侵入巖特性和分布，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征，區(qū)域水文地質(zhì)條件等。了解不良地質(zhì)作用的類型、分布、發(fā)育與活動(dòng)特點(diǎn)等。了解歷史地震情況和工程區(qū)地震動(dòng)參數(shù)。

2)地質(zhì)調(diào)查與測(cè)繪：通過遙感和野外地質(zhì)測(cè)繪手段，掌握隧洞進(jìn)出口和隧洞通過地段地形地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造條件。

3)地質(zhì)鉆探：提取地下巖土體的巖芯，通過巖芯觀測(cè)、鉆進(jìn)情況分析、試驗(yàn)工作來(lái)判斷地下的地質(zhì)條件。項(xiàng)目有地層、巖性、堅(jiān)硬程度、完整性、風(fēng)化程度、接觸關(guān)系、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等。

4)工程物探：對(duì)工程采取地質(zhì)勘察采用的物探方法主要有地震勘探和電法勘探，在地下水發(fā)育區(qū)采用電法勘探為宜。通過勘察可以了解覆蓋層厚度、各風(fēng)化帶厚度、地質(zhì)構(gòu)造、賦水情況等。由于物探的局限性和資料成果的多解性，應(yīng)結(jié)合鉆探、坑探、地調(diào)等資料，進(jìn)行物理力學(xué)指標(biāo)的測(cè)定和巖土體分層分帶探測(cè)論證。

5)豎井平硐：確有需要時(shí)選擇的勘探方法，通過隧洞進(jìn)出口的勘探平硐，更直觀的掌握地層、巖性、堅(jiān)硬程度、完整性、風(fēng)化程度、接觸關(guān)系、地質(zhì)構(gòu)造、地下水資料等，根據(jù)成洞條件精準(zhǔn)進(jìn)行圍巖分類。

2 研究目的、內(nèi)容及目標(biāo)

2.1 研究目的

1)應(yīng)用地質(zhì)測(cè)繪、地質(zhì)鉆探、硐探及物探等綜合勘察手段，查明水工隧洞進(jìn)出口及隧洞沿線工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，基本確定水工隧洞圍巖類別。

2)加強(qiáng)施工期水工隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，及時(shí)調(diào)整圍巖類別，為水工隧洞設(shè)計(jì)、施工和安全運(yùn)行提供可靠的技術(shù)支撐。

2.2 研究?jī)?nèi)容

1)結(jié)合已有工程，分析勘察期與施工期隧洞圍巖分類存在差異的原因。

2)提出隧洞勘察工作布置原則、勘察手段和方法。

3)提出施工期隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。

2.3 研究目標(biāo)

采用綜合勘察手段進(jìn)行水工隧洞勘察，充分考慮施工安全，相對(duì)準(zhǔn)確地確定圍巖類別，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及時(shí)對(duì)圍巖類別進(jìn)行修正，做到圍巖分類準(zhǔn)確，為隧洞設(shè)計(jì)、施工提供技術(shù)支撐。

3 技術(shù)路線

1)收集省內(nèi)已有工程前期勘察設(shè)計(jì)資料、施工地質(zhì)資料和省外水工隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料。

2)分析勘察期和施工期圍巖分類存在差別的原因。

3)提出水工隧洞勘察工作布置原則、方法和手段。

4)提出水工隧洞施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的實(shí)用性、應(yīng)用條件和預(yù)報(bào)工作布置原則。

5)聘請(qǐng)資深專家進(jìn)行技術(shù)咨詢，聽取專家意見，總結(jié)專家經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到科學(xué)數(shù)據(jù)分析和專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合相統(tǒng)一的目的。

6)提出具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的水工隧洞綜合勘察方法和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，做到準(zhǔn)確確定圍巖類別的目的。

4 勘察期與施工期圍巖分類對(duì)比分析

4.1 收集到的技術(shù)資料

收集到的技術(shù)資料：水利水電工程地質(zhì)勘察報(bào)告2項(xiàng)、水利水電工程竣工地質(zhì)報(bào)告2項(xiàng)，收集到的技術(shù)資料一覽表，見表1。

表1 收集到的技術(shù)資料一覽表

4.2 勘察期與施工期圍巖分類對(duì)比分析

4.2.1 伊春市西山水庫(kù)

黑龍江省伊春市西山水庫(kù)壩址位于伊春市翠巒區(qū)西北1.5km處，是一座以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、灌溉的大Ⅱ型水利樞紐工程。擋水建筑物為黏土心墻堆石壩，壩頂高程290.50m，大壩總長(zhǎng)961.35m，水庫(kù)總庫(kù)容1.45×108m3，正常蓄水位284.70m。工程等級(jí)屬二等。

樞紐工程主要由攔河壩、右岸式溢洪道、引水隧洞、電站廠房等組成。引水隧洞長(zhǎng)約360m，洞徑5m?？辈炱陂g在隧洞進(jìn)口及穩(wěn)壓井各一孔，孔深分別為24m、43m。

伊春市西山水庫(kù)引水隧洞圍巖分類對(duì)比表，見表2。

表2 伊春市西山水庫(kù)引水隧洞圍巖分類對(duì)比表

4.2.2 穆棱市奮斗水庫(kù)

奮斗水庫(kù)行政區(qū)劃屬于黑龍江省穆棱市，距穆棱鎮(zhèn)東南14.1km的穆棱河干流上游，是一座以供水為主，兼顧防洪、發(fā)電、灌溉等綜合利用水庫(kù)。水庫(kù)正常蓄水位高程為382.0m，相應(yīng)庫(kù)容1.45×108m3，庫(kù)長(zhǎng)約7km[2]。

樞紐工程主要由攔河壩、左岸導(dǎo)流洞、左岸電站廠房、溢流壩等組成，攔河壩采用全斷面碾壓混凝土重力壩，壩頂高程385.90m，壩軸線全長(zhǎng)406m。左岸導(dǎo)流洞長(zhǎng)約412.2m，洞徑6.44m?？辈炱陂g在進(jìn)口、洞身中點(diǎn)及出口各一孔，孔深分別為25m、50m、30m。

伊春市西山水庫(kù)引水隧洞圍巖分類百分比餅圖，見圖1；穆棱市奮斗水庫(kù)左岸導(dǎo)流洞圍巖分類百分比餅圖，見圖2；穆棱市奮斗水庫(kù)左岸導(dǎo)流洞圍巖分類對(duì)比表，見表3。

圖1 伊春市西山水庫(kù)引水隧洞圍巖分類百分比餅圖

圖2 穆棱市奮斗水庫(kù)左岸導(dǎo)流洞圍巖分類百分比餅圖

表3 穆棱市奮斗水庫(kù)左岸導(dǎo)流洞圍巖分類對(duì)比表

4.2.7 圍巖分類存在差異原因分析

由于隧洞屬于重大隱蔽工程，目前黑龍江水利設(shè)計(jì)院勘察手段有限，有很多未知和不確定因素，致使勘察期圍巖分類與施工期圍巖分類出入較大，經(jīng)分析有以下原因：

1)勘察精度：①受勘察預(yù)算限制，隧洞洞身沿線不可能與大壩等建筑物做到一樣的勘察精度進(jìn)行鉆探；②大部分隧洞洞身埋深較深，致使物探解譯精度下降；③隧洞洞身通過地段大多分布?xì)埰路e層，通過地質(zhì)測(cè)繪手段難以掌握隧洞沿線巖體的巖性、節(jié)理裂隙發(fā)育情況及特征；④由于鉆探孔數(shù)不足，再加上孔內(nèi)攝影等新技術(shù)未得到使用，致使對(duì)隧洞洞身巖體結(jié)構(gòu)面組數(shù)、產(chǎn)狀、充填情況及地下水等特征掌握不足，影響圍巖分類準(zhǔn)確性。

2)勘察手段：隧洞勘察手段有工程物探、地質(zhì)鉆探、坑探和取樣試驗(yàn)。缺少平硐、孔內(nèi)攝影和孔內(nèi)聲波測(cè)試等手段。

3)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：①由于地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)等原因，不同人對(duì)圍巖分類有差異；②對(duì)于物探成果，經(jīng)驗(yàn)不同的人分析解譯差異較大；③由于隧洞施工責(zé)任重大，直接關(guān)系到施工人員的生命安全，為了安全起見加強(qiáng)了支護(hù)措施，施工期間人為地降低了圍巖等級(jí)。

4)施工影響：①隧洞施工工期長(zhǎng)，多數(shù)跨越一年四季，施工期地下水位及水量變化較大，豐水期地下涌水量大，節(jié)理裂隙工程地質(zhì)條件變差，降低圍巖等級(jí)；②隧洞施工多采用爆破，對(duì)洞徑外原始圍巖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定的破壞作用，降低圍巖等級(jí)；③施工方法、施工工藝、人力資源配置、機(jī)械配置、材料的選用，施工方案的制定等不同，對(duì)圍巖支護(hù)措施不同，進(jìn)而調(diào)整圍巖等級(jí)。

4.3 提高圍巖分類準(zhǔn)確性的措施

1)提高勘察精度：①對(duì)長(zhǎng)隧洞適當(dāng)增加鉆探工作；②勘察期間加強(qiáng)工程地質(zhì)測(cè)繪，適當(dāng)增加坑探；③洞身補(bǔ)充物探工作，增加物探精度；④對(duì)地質(zhì)測(cè)繪及物探解譯不利地段(如破碎帶、鞍部、古河道、坑塘等)適當(dāng)補(bǔ)充地質(zhì)鉆探工作。

2)豐富勘察手段：在工程物探、地質(zhì)鉆探、坑探和取樣試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加平硐、孔內(nèi)聲波測(cè)試及孔內(nèi)攝影等技術(shù)手段。

3)考慮施工安全：由于勘察期很難全面揭露圍巖類型，施工期為了安全起見，建議勘察期圍適當(dāng)降低圍巖類別。

4)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)：準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，能夠及時(shí)修正勘察期圍巖確定的類別，使之更加符合實(shí)際情況。