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1、南水北调西线工程深埋长隧洞工程地质勘察及其分析评价方法的思考,一 概 况,南水北调是举世注目的一项特大型跨流域调水工程，也是我国优化、平衡、合理利用水资源，解决黄、淮、海平原、胶东地区和黄河上游地区特别是津、京、华北地区缺水问题的一项特大基础措施。其对保证和促进我国北方经济发展、环境改善和社会稳定都具有十分重要的意义。经过科学技术人员几十年的工作，目前规划了从长江下游、中游、上游分别引水，形成了东、中、西三线的总体布局。,西线概况,南水北调西线工程位于青藏高原东北部，西起长江源头，东至若尔盖，南抵甘孜、阿坝藏族自治州，北到青海省果洛、玉树藏族自治州。调水区海拔高度一般在3000-4500m，交
2、通不便。目前主要方案是从金沙江侧坊引水至雅砻江（侧雅方案）自雅砻江阿达穿过大渡河上杜柯至黄河上游贾曲（阿贾方案），线路全长508km。,南水北调西线路线示意图,西线地貌,二 地质工作环境特点,南水北调西线工程调水区海拔高度一般在3000-4500m，受高海拔、深切割和复杂地形的影响，空气稀薄缺氧，气压低，气温低且昼夜温差大。工程区自然环境、地质环境、经济技术环境、施工环境都是较差的。,1 自然环境恶劣,本区受季风气候和青藏高原地理环境诸因素影响，寒冷、低压、缺氧是区域内气候的基本特征：地区寒冷：年平均气温3左右，极端最高2829，极端最低2334，日平均气温在零度以下时间3.55个月。这使工程
3、技术人员外业工作时间大大缩短。气压低：引水工程所在地区海拔高程在3500m左右，年内各月平均气压最高值出现在810月，最低值出现在2月，最大、最小月平均气压差为810hpa。含氧量小：低压缺氧问题将直接影响到人员的生活和内燃机的机械效率。四川省交通部门规定：3000m以上地区耗油按增加30计；4000m以上耗油按增加40计。由于西部地区自然环境的特点，现场工作人员很难进行重体力、高强度的工作，即使是机械施工其施工效率也将较内地大大降低。,2 区域地质环境复杂,工程区位于巴颜喀拉山的东南部，地质条件比较复杂。复式褶皱和断裂构造发育。断裂总体方向为NW-SE，断层破碎带宽度20200m不等。受印度
4、板块俯冲的影响，青藏高原在近代一直处上升的趋势，且为构造活动区。区内地震烈度一般为度。部分洞段将跨越15条区域性活动断层，其中玉树断裂、桑日麻断裂、鄂陵湖南断裂、甘德南断裂、鲜水河断裂等的活动性较强，对工程影响较大。工程区地层岩性主要为三叠系浅变质砂岩、板岩，为坚硬岩中等坚硬岩，岩石层理发育，裂隙密集，多为碎裂镶嵌结构。洞线以类围岩为主，断层破碎带和褶皱核部为类。,3 经济技术环境落后,西部大部地区目前技术经济都相对落后。首先是基础资料的缺乏，地形资料、地质资料、水文资料、地震资料、各种相关工程地质问题的研究都相对较少，者给工程前期工作的开展带来极大的不便。其次是机械设备修理与配套设施较差。在
5、前期勘探和工程施工时，勘探机具基本上要从内地运进，路途遥远。而机械一旦出些故障，修理、购买配件和材料都将很困难，这将大大影响勘探进度。,4 施工环境差,由于西线工程已隧洞为主，且埋深较大，地表山高坡陡，植被茂密，如果在隧洞线上布置一个勘探钻孔，需要首先修建一条较长的施工公路，才能将机械设备运达孔位，且要砍伐一定量的树木。勘探辅助工作量较大，这将大大增加勘探成本。,三 西线隧洞工程主要工程地质问题,活动性构造及其对洞室稳定的影响高地应力与围岩稳定问题高压水头问题碎屑流问题外水压力与衬砌问题洞室涌水问题高地温问题有害气体问题冰冻问题几乎隧洞工程中的所有工程地质问题在南水北调工程中都将遇到，而南水北
6、调中的某些工程地质问题将是本工程特有的，在其它工程中不曾遇到的。,重点研究的工程地质问题,从工程地质的角度讲，南水北调西线工程应重点研究以下工程地质问题：活动性构造及其对洞室稳定的影响高地应力与围岩稳定问题高压水头引起的洞室涌水和外水压力对隧洞衬砌影响问题碎屑流问题高地温问题有害气体问题,1 活动性构造及其对洞室稳定的影响,南水北调西线所穿越的地域属构造相对活动区，活动性构造对长大隧洞的稳定将产生一定的影响。为此在区域调查的基础上，应该分析研究活动性断层活动性，做出区域构造稳定分析，复核工程区各区段的地震基本烈度，研究大地不均匀抬升对隧洞安全稳定的影响，对跨活动性断层的洞段做出专门的稳定分析等
7、。,2 高地应力与围岩稳定问题,由于工程区构造活动频繁，洞室埋藏较深，区域地应力较高，为此应进行现场地应力测试。对特殊洞段应进行应力场三维模型计算分析，进行洞室稳定分析与支护方式研究。,3 高压水头引起的洞室涌水和外水压力对隧洞衬砌影响问题,由于西线输水隧洞一般埋藏较深，数百米至数千米不等，因此地下水为一般远高于隧洞高程。这样在隧洞施工中和隧洞运行时，隧洞将具有较大的外水压力。这一方面在隧洞施工时可能产生高压涌水，另一方面隧洞支护将承受巨大的外水压力。为此应进行工程区地下水调查工作，进行现场钻孔及分段水压力测试，特殊洞段应进行地下水三维分析计算，研究水压力折减问题，分析研究外水压力对洞室衬砌的
8、影响等。,4 碎屑流问题,西线隧洞所经过地区，相当多的洞段属砂板岩类。这种岩石一般层理发育，裂隙密集，性脆。在高应力的作用下，这种岩石在局部可能形成破碎带，变成结构松散的破碎岩体或断层。在隧洞开挖过程中，在高压水头的作用下，这种破碎岩体或断层充填物随着地下水的突然涌出可能形成碎屑流。为此在研究地下水分布规律的基础上，应研究破碎岩体和规模巨大的断层的分布位置及其性状。,5 高地温问题,西线所处地区为新构造活动区，局部可能存在高地温异常带。加之隧洞埋藏较深，地温也会大大升高。在这种高地温的作用下，岩体的性状将会发生变化，从而引起新的工程地质问题和新的工程问题。为此应进行区域地温场调查，进行现场钻孔
9、及不同深度地温测试，研究高地温对工程建筑物与施工的影响等问题。,6 有害气体问题,西线穿越区域地层复杂多变，构造发育。在深埋岩体中可能存在有害气体。这在隧洞施工过程中将影响施工人员的安全，严重时也可影响工程安全。为此应进行区域地质环境调查，分析研究可能产生有害气体的地层及地质环境，进行现场有害气体检测和有害气体的防治。,四 西线深埋长隧洞工程地质勘查的特点与难点,南水北调西线工程的重要组成部分是地下隧洞，由于其所处地理位置、气候、大地构造环境以及规模的特殊性，隧洞的工程地质勘察将具有一定的难度。其特点与难点归纳起来如下：常规勘探方法失效工程地质条件复杂规划易、可研初设难施工地质工作困难工程地质
10、分析评价与决策困难,1 常规勘探方法失效,钻探：钻进数百米，直接了解的有效洞段很小，只能了解隧洞洞段上某一点。平洞：只能了解隧洞进出口一小段的工程地质条件，其需要较大的辅助工作量 地质测绘：由于山高坡陡，大部分地段人员难以到达，即使在地面发现的一些地质现象（如断层、软弱岩体等）推测到几千米深处后其位置、性状也早已发生了很大的变化。,2 规划易，可研、初设难,规划阶段：工程地质勘察精度相对较低，一般只收集一些区域地质资料，结合一些简单的勘探工作就可以了。可行性研究和初步设计阶段：要针对建筑物的布置和特点，将勘探工作做到深入、细致、到位。对于常规水利工程来说，一般要求勘探工作要做到建筑物所处的位置
11、上。因此在可行性研究和初步设计阶段在缺少详细的勘探资料的基础上，就很难做出准确的工程地质条件分析和工程地质问题的评价，也因此难于做出经济、合理、安全的设计。,3 施工地质工作的难点,机械化施工方法的特点：施工速度快，快速开挖、快速衬砌。施工地质工作要求：1、对于已开挖洞段要及时收集工程地质基础资料，提供快速、准确的地质分析成果，适时调整隧洞支护方式和支护强度；2、要求地质人员及时准确地预报未开挖洞段的工程地质条件。在西线工程中由于缺乏前期勘探资料，上述工作具有相当大的难度，尤其是如何及时准确的做好施工过程中的工程地质超前预报，保证施工安全更为重要。,4 工程地质分析评价方法,由于西线工程地质的
12、勘察方法不同于常规工程，缺乏常规工程各阶段已经掌握的地质资料，常规的工程地质分析评价方法很难对西线工程的工程地质条件作出科学准确的的分析评价。,5 工程地质决策方法,任何工程地质问题的处理最终都将落实到工程地质决策上来，即根据工程地质特征和建筑物特征决定采取何种工程处理措施最为经济、有效。西线工程中工程地质条件分析评价的困难导致了工程决策的困难。,五、西线隧洞工程地质勘察与分析方法的研究,西线工程的工程地质勘察和工程地质问题的解决具有其自身特点，常规的工程地质勘察方法和工程地质问题的分析评价方法已不适用，为此应研究出一套针对西线工程特点的工程地质工作方法。,1 深埋长隧洞工程地质勘察方法的研究
13、,由于深埋长隧洞中常规勘察方法的失败，为了工程顺利施工，必须研究出一套新的适合于西线工程特点的勘察方法。这些方法包括：遥感技术高精度解析的研究、深埋隧洞物探勘探方法研究、新型物探设备的研制、深埋隧洞各种勘探方法综合利用的研究等。在上述问题研究的基础上，结合区域地质资料和地面地质测绘资料，取得相对准确的工程地质资料。,2 深埋长隧洞施工地质工作方法研究,目的：（1）施工洞段工程地质条件清楚、准确（2）工程地质资料提交快速、及时。手段：先进勘测手段、计算机技术。为了适应隧洞施工的特点，应建立一套快速、准确的施工地质工作方法。为此应进行隧洞施工地质工作方法的系统研究，进行隧洞快速编录方法的研究，编制
14、简单实用的施工地质工作软件。借助现代化的数据采集技术（如数码相机、数码摄像机、GPS定位系统、激光测量等）和计算机技术，开发出一套完整实用的施工地质编录、分析、预报软件。,3 深埋长隧洞施工超前预报方法研究,在隧洞开挖过程中，能够提供及时准确的工程地质资料，做出未来开挖洞段工程地质条件的超前预报，对于保证工程施工顺利进行是非常重要的。为此应进行隧洞施工超前钻探设备的研制，超前探测装置的研制，超前数据采集和处理方法的研究，超前工程地质预报方法研究。,4 工程地质分析评价方法,在取得了一定的工程地质资料后，如何将所取得的工程地质资料做出快速、准确的分析评价，对于解决实际工程地质问题是十分重要的。常
15、规的工程地质分析方法显然难以跟上隧洞快速施工的进度。为此应从工程实际应用的角度出发，以数理统计及有关计算方法为工具，以系统科学及其决策论为理论基础和基本方法，以解决南水北调西线工程中的实际地质问题为目的，研究出一套应用于西线隧洞施工的工程地质条件分析评价方法。,5 工程地质决策方法,决策程序内容：资料收集、野外试验、检测、地下隧洞超前预报、工程地质分析评价与决策程序等。针对南水北调西线工程的特殊性其工程地质和工程特点，在建立一套特殊的工程地质评价方法的基础上，应建立一套完整、合理、实用、快速、准确的工程地质决策程序和方法。避免或减少施工出现问题时过多的讨论研究。这种程序和方法既包括我们已经掌握
16、的丰富的工程经验，也包括现代的计算机技术、数理分析方法、决策理论方法等。,6 工程地质勘察评价理论的研究,突破现有规程规范的限制建立概率统计学意义上的工程地质勘察分析方法针对西线自然环境和工程地质环境的特点，西线的工程地质勘察的基本目的应该是侧重于掌握基本资料，把握工程地质条件的总体规律；而不是具体某一洞段的工程地质条件或某一具体地质构造性状的探寻。随着勘察阶段的不断深入，也是侧重于上述规律和基本条件的进一步落实，而不是具体某一工程部位或构造的研究。具体的问题留待工程施工时解决。在前期勘察工作中，应建立概率统计的思路与方法，到工程施工时再研究解决具体部位的工程地质问题。,各勘测设计阶段勘察目标
17、与勘察方法,南水北调西线隧洞工程地质工作路线图（阴影部分为需要研究开发的内容）,六 西线工程地质研究目标,针对西线工程自然环境和工程地质环境的特点，西线工程的工程地质勘察和研究应立足于以下几点：（1）前期工程地质勘察应建立概率统计的思想，侧重于基本规律的把握，而具体洞段或具体构造的工程地质条件到施工时研究。（2）充分利用计算机技术，开发出适合隧洞快速施工的工程地质分析评价软件、决策软件，建立工程地质数据库，使基本地质资料的采集、分析、评价、决策做到快速、准确。（3）研究适合隧洞施工的勘察技术，包括高精度遥感解析技术、深埋隧洞物探方法、超前钻探设备和探测装置等，也包括数据采集方法、快速编录系统以及施工地质资料处理系统等。,六 西线工程地质研究目标,南水北调工程举世瞩目，前所未有。工程施工中所面临的工程地质问题也将是最为复杂的。通过南水北调工程西线工程的建设，从工程地质的角度说，应达到以下几个目标：工程地质勘察理论的突破工程地质勘察方法的创新工程地质条件分析评价方法的创新工程地质决策方法的创立,
