南水北调西线工程深埋长隧洞地质灾害影响分析（杨维九,谈英武）

［摘 要］ 南水北调西线工程地处青藏高原，输水线路长达320km，所经岩层多为砂板岩互层，平均埋深500m，地下水位高，地应力大，横穿活断层。深埋长隧洞可能遇到的岩爆、涌水、大变形、有害气体、高地温等地质灾害影响到西线工程隧洞施工的技术可行性。本文结合西线具体水文地质等条件，结合国内外已建工程特别是TBM施工实例，对此作了探讨。

［关键词］ 深埋长隧洞 施工 地质灾害影响 西线工程 南水北调

1 工程概况

南水北调西线工程地处青藏高原东南部。根据2002年国务院审批的南水北调工程总体规划，西线工程规划由三期工程组成。规划一期工程从雅砻江、大渡河五条支流引水，年调水量40亿m3。二期工程从雅砻江干流引水，年调水量50亿m3。三期工程从金沙江干流调水80亿m3。第一期工程项目建议书阶段工作已进入第七个年头，根据黄河流域水资源严重紧缺的形势，一、二期工程合并研究，增加一条调水河流（大渡河支流色曲），将规划年调水量90亿m3调减到80亿m3。工程沿线穿越320km高海拔山区，依次从雅砻江干流、雅砻江及大渡河的六条支流共七条河流调水至黄河。

为降低投资、减少施工难度和淹没损失，项目建议书阶段研究了压力流引水、明流引水、局部抽水等方案，对引水总布置方案进行了多方面的优化。综合考虑施工、运行、检修、投资、工期、淹没等因素，推荐明流均匀输水直接入黄河方案。

2 西线深埋长隧洞的特点及可能存在的问题

西线工区寒冷缺氧、交通不便，地形地质等基础资料缺乏。工程区水系发育明显受地质构造控制，主干河流发育方向多与构造线走向一致，呈NW～NNW向。输水线路入黄口位置及输水线路走向决定了跨流域调水线路很难避开大断裂。沿线岩体主要为互层砂板岩，岩层陡倾。局部为花岗岩。岩石单轴饱和抗压强度，砂岩60～100MPa，板岩30～60MPa。地下水位大致位于地面线附近。大埋深洞段水平挤压应力可能高达50 MPa左右。

单段隧洞长，埋深大。最长自然段72km，另有三段分别长达63km、67km、59km。隧洞平均埋深500m，最大埋深1 150m。各种比较方案中最大开挖洞径约12m。

按照《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99），隧洞沿线Ⅱ、Ⅲ类围岩约占81％，这部分洞段以双护盾TBM施工为主；对大断层及其破碎带所处的Ⅳ、Ⅴ类洞段原则上采用钻爆法施工。

西线工程规模巨大，地质条件复杂。输水线路沿线存在各种影响设计与施工的重大地质灾害。输水线路可能穿越活断层，须关注断层错动带来的工程安全问题；地下水位高，沿线有多处断裂，施工中可能出现高压涌水；地应力及岩石强度高，可能导致岩爆；大洞径、高埋深、软弱岩石的组合可能导致大变形，而变形幅度是影响TBM选型的关键因素；隧洞沿线赋存的有害气体，若处置不当，会影响施工，甚至导致灾难性事故。这些或单独或同时可能遇到的地质灾害，影响到西线深埋长隧洞施工的技术可行性。

3 国内外深埋长隧洞TBM施工现状

随着交通流量的日益增大和对环境保护认识的深入，大型跨流域调水工程的需求，深埋长隧洞TBM施工技术近几年发展很快。我国在建的大伙房引水洞长87km,三台开敞式TBM开挖洞径8m。在建的印度AMR引水工程1号洞长43.5km，横穿印度最大的老虎保护区，不允许设置施工支洞或通风竖井。采用两台直径10m的罗宾斯双护盾相向施工，独头通风距离将达22km。该隧洞的实施将对西线工程深埋隧洞施工组织设计特别是施工支洞、通风竖井及相应施工道路等布置产生重大影响。瑞士在建的Gotthard-base隧道，最大埋深2 300m，大于2 000m埋深洞段5km。采用四台海瑞克大直径TBM，其中两台TBM计划掘进27km，已完成2/3工程量。这些深埋长隧洞的实施为西线工程隧洞的研究提供了很好的基础。大直径硬岩TBM典型工程实例见表1。

4 西线隧洞地质灾害影响分析

在前期工作中，对西线深埋长隧洞已进行了大量的地质勘察，这对于了解隧洞的水文、地质情况是非常必要的。但是隧洞深埋、交通不便、工区附近大型基础设施缺乏等决定了前期设计阶段甚至开工前也不可能把隧洞沿线的地质情况摸得非常清楚。施工时，还需要通过超前钻、超前物探等方法获取掌子面前方详细地质信息，使隧洞掘进过程中各种地质灾害的处理更具主动性。

4.1 活断层

活断层的水平或垂直错动会拉裂直至破坏横跨断层的建筑物。活断层错动伴随的地震会产生震害。美国1 300多公里长的San Andres 活断层1906年4月的错动导致旧金山大地震及火灾。因此重要建筑物应尽量避开活断层。但对于西线这样长距离（调水、输气、交通等）工程而言，很难避开动辄数百公里长的活断层。如20.05km长的乌鞘岭隧道，与F7活断层相交段长785m，施工中最大水平收敛变形达1 034mm，拱顶最大下沉1 053mm。设计断面预留百年位移量（水平25cm，垂直5cm），每25m设置一道柔性结构变形缝。该隧道2006年8月开通运营。加州调水工程输水渠大部分平行San Andres断裂或横穿其他大断层。输水线路穿越活断层时尽量靠近地面布置输水隧洞或明渠，以利及时修复。跨活断层输水线上游设置闸门，一旦错断，及时关闭，避免次生灾害。

1929年建成的5.5km长的美国Claremont输水洞也穿越Hayward活断层。

西线工程各引水支洞进口及所有跨沟建筑物均布置有进口闸门及泄水闸门，一旦隧洞发生错断，及时关闭错断洞段上游所有进水口闸门，并开启相关泄水闸门。待洞内水流放空后及时检修。

西线工程受水区有龙羊峡等多个大型水库以及数百亿的年径流量，一旦错断（工程期内发生概率极小）导致输水中断，可通过黄河流域水量调度解决检修期的供水问题，将不利影响降到最低。

4.2 涌水

相对交通隧道而言，输水隧洞底坡普遍较缓，即使采用压力输水洞，受洞内最小压力余幅等限制，布置成人字坡（以利施工排水）也比较困难。即使逆坡施工，由于隧洞底坡缓，单靠自流排水也有一定难度。因此，西线隧洞排水特别是对于水量较大的涌水，是关系隧洞施工能否顺利进行的关键因素之一。

西线工程区呈主体分布的互层砂板岩地层以裂隙含水为主，按含水裂隙的成因，主要分为风化裂隙和构造裂隙。风化裂隙水十分发育，但风化裂隙带厚度一般不超过50m。微风化岩体裂隙不发育，且多为隐裂隙，基本不含水。据已有钻孔压水试验成果，埋深150m以下岩体平均渗透系数为0.0319m/d，可视为隔水层。微、新岩体和风化带不发育的岩体，含水结构主要受构造裂隙和断裂的控制。脉状裂隙水，沿断裂带呈脉状分布，长度、深度远比宽度大，具有一定的方向性。循环深度较大，水量、水位较稳定，有产生突涌可能。

高压涌水多与断层、剪切破碎带等地质构造有关，而且还需具备充足的补给水源。西线工区降水量多在600mm左右，因此降水产生的补给水源有限。西线隧洞沿线岩石主要为互层的砂板岩，砂岩中裂隙发育，为透水含水层；板岩裂隙不发育，为相对隔水层。地下水主要赋存在砂岩层中，被密集的砂板岩互层隔断。尽管深部水压力可能很高，但水量不会太大。

基岩断层大多为压性或压扭性断层，单个断层带宽度较小，且多为紧密的糜棱岩状物质，其导水性较差，涌水水源有限，在绝大多数断层带，难以形成持续高压涌水。因此，深埋长隧洞的高压涌水问题不严重。

如上所述，总体上讲，西线工区涌水量不大。对大断裂附近可能出现大涌水的洞段，可通过超前钻等超前勘探手段及时预测，并采取超前排水、超前灌浆等稳定掌子面的措施；配备足够容量的抽水设备；电气设备按抗水设计。Gotthard-base隧道Sedrun掌子面低于排水口800m，而隧道沿线水头达900～1 500m。为应付突水，配备容量达1m3/s的水泵；锦屏Ⅱ级1号发电引水洞拟采用罗宾斯TBM施工。TBM制造时考虑了5m3/s的涌水，后配套、出碴皮带机等相应抬高，并配备足够的抽水设备将涌水抽到后配套下游。

4.3 挤压变形

挤压变形是隧洞开挖过程中产生的，与围岩性质和强度、岩体裂隙分布、初始地应力、地下水和掘进速度等有关的的收敛变形。隧洞达到一定埋深而围岩强度较低时，较大变形难以避免。当然，变形释放了围岩中的应力，一定程度上可以减少衬砌工程量。

对钻爆法施工而言不成问题的变形，对TBM施工可能产生较大影响：TBM机身庞大，占据了洞内有限的空间，支护场地受到很大限制；变形过大会导致TBM机身被卡。钻爆法施工相对灵活，开挖程序调整起来更方便（如从全断面开挖改为台阶法开挖），掌子面有更大的空间可用于实施管棚支护、打锚筋等加固措施。

对挤压变形，目前主要是通过超前地质预报（超前钻或TSP等）探测可能产生大变形的洞段，采用超前灌浆加固、超挖以及弹性临时支护等工程措施，或者采用锥形TBM盾壳（防止盾壳被卡）等措施。莱索托高原供水工程北段输水洞，采用双护盾TBM，管片与围岩间预留20cm变形空间；西班牙Pajares铁路隧道罗宾斯单护盾TBM，对局部大变形洞段，设计扩挖半径达0.4m。意大利New Viola输水洞，采用锥形盾壳、伸缩盾底部开口、加大洞壁与盾壳间孔隙、提高刀盘采集细碴效率等措施应对大变形；瑞士圣哥达铁路隧道对预测有较大挤压变形洞段，将开敞式TBM开挖直径扩大0.3m。个别持续时间较长、变形量特大的洞段，采用可变形钢支撑，多次扩挖。待变形相对稳定后，再实施永久衬砌。

总之，随着TBM技术的进步，TBM本身适应变形的能力在增加。根据西线一期工程沿线隧洞洞径和埋深，初步计算了可能的挤压变形。计算最大挤压变形22cm。挤压变形较小的洞段，由管片与开挖面间预留的15～20cm间隙来解决；挤压变形较大的洞段，采用钻爆法施工，通过扩挖等措施解决挤压变形问题。

4.4 岩爆

岩爆与地应力大小、岩体强度直接相关。一般来讲，地应力越高、岩体越完整致密，越易发生岩爆；相反，Ⅳ、Ⅴ类围岩往往是应力释放地段，岩爆可能性较小。西线89％输水洞埋深大于200 m，且围岩以III类围岩为主，有发生岩爆的可能。埋深超过1 000 m时更应注意。

西线围岩多为层状的砂岩和板岩，裂隙发育，预测为中等强度岩爆。

超前钻孔可以释放部分地应力；双护盾TBM施工时管片支护紧跟掌子面安装，在护盾及管片保护下，中等强度岩爆对人员及设备不会构成大的威胁，但岩爆产生的飞石对TBM施工会有一些影响。

钻爆法施工洞段多位于Ⅳ、Ⅴ类围岩区，一般不会产生岩爆。

4.5 高地温

瑞士列奇堡高速铁路隧道，最大埋深2 300m，预计岩温45℃，设计通风管直径2.5m,并采用莱茵河天然径流（7℃水温）来降温，将工作面温度降到瑞士政府规定的28℃以下。莱索托调水工程中的发电引水洞，预测1 200m埋深火成岩段掌子面原岩温度达49℃。为把掌子面温度降至27℃以下，计划采用制冷机将水温降至5℃，再连续不断地通至掌子面（实施时未遇高温，未采用）。

西线调水区平均地温梯度介于18～26℃/km。其中达日—久治地区24～26℃/km。推算深埋隧洞处地温可达20～25℃。因此，西线隧洞基本不存在高地温问题。

即使考虑TBM等机械施工工程中的热量，通过常规通风就可以将掌子面温度降到允许范围。西线天然河流水温低，可作为降温备用水源。

4.6 有害气体

美国Upper Diamond Fork 输水洞长7.24km，计划2004年6月贯通。在TBM顺利掘进近90％后突遇大量涌水，伴随含量足以致命的硫化氢气体，不幸又赶上TBM后方边墙塌方，不得不放弃TBM，以及2/3洞段。

西班牙Abdalajis隧道，施工时遇到了大范围预料之外的有害气体。采取如下对策，首先加强预警设置；采用防爆电气设施；达到一定浓度时关闭可能引爆的动力装置，停止掘进；加强死角部位通风。配合玻璃纤维增强塑料锚筋加固掌子面，对连续大流量涌入，采用灌入缝隙后浆液迅速膨胀的Geofoam材料灌浆，从而封堵其通道。该隧洞已顺利贯通。

西线隧洞沿线围岩以三叠纪互层砂板岩为主，除个别侵入岩岩脉与砂板岩交界处可能存在局部有害气体外，基本上不存在有害气体。可能赋存有害气体的部位如脉岩分布有限且易通过超前钻探发现。超前灌浆可以封堵其通道，避免大量进入隧洞。少量渗入洞内的有害气体，通过加强通风等措施解决。

5 结论

就西线工程输水线路布置而言，不得不横穿区域性大断层，这些断层有发生6级以上地震的可能。活断层活动几率以1/10000年计，即使发生错断，也有必要的工程措施来避免或减轻相应的次生灾害；而且西线的供水特性允许有一定的检修时间。因此，活断层的存在对西线工程施工及运行不构成大的制约。

西线工区降雨量不大；已发现断层渗透性普遍较小；能够连通隧洞与地表水源从而形成高压涌水的断层破碎带有限，且可以通过超前钻等手段提前预警并采取排水、灌浆止水等措施处理。

挤压变形大小影响TBM选型。采取工程措施后，TBM能适应一定范围的变形。对可能产生大变形的洞段，采用钻爆法施工。

上述地质灾害的处置已有相当工程经验。但需要耗费一定的人力、物力、时间，设计中需在处理预案、工期、投资等方面予以合理反映。

岩爆、高地温、有害气体对西线隧洞施工的可行性没有大的影响，施工设计有预案即可。

总之，就目前深埋长隧洞施工技术水平及发展趋势看，西线长隧洞的施工不存在不可逾越的技术难关。

参考文献

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