1緒論

1.1研究意義

21世紀人類將面臨人口、土地、能源、水資源、環境和氣候等諸多挑戰，土地沙化日趨嚴重，人類生存空間受到威脅，在這樣一種大背景下，地下空間的開發和利用已成為不容忽視的一環，符合我國未來的可持續發展戰略。深部工程涉及礦山、交通、水利水電、核電、國家戰略防護和深部基礎物理實驗等工程領域，深部工程建設和資源的開發直接關繫到國民經濟能否可持續快速發展，事關國家安全和國計民生。

隨著西電東輸、南水北調、高速公路和鐵路網等重大工程建設戰略規劃的實施，20多個的大型水利水電工程和數萬千米裡程的交通隧道工程正在或即將在我國西部地形和地質條件復雜的高山峽谷地區興建。工程埋深大，地質條件復雜，地質構造活動強烈，地應力水平高，世界上少有。例如，世界上埋深、規模的水工隧洞――錦屏二級水電站4條引水隧洞，單洞長約17km，埋深達2525m，地應力接近70MPa；規劃中的南水北調西線一期工程總長260km，隧洞總長達244km，其中長的隧洞73km，埋深達1100m，穿越了因喜馬拉雅山隆起形成的多個強烈地質構造活動區。

隨著國民經濟發展對金屬礦產資源需求的不斷加大，大規模深部金屬礦產資源開發已成為我國采礦工業發展的必然趨勢。目前我國的深部礦山主要集中於金屬礦山，作為我國主要有色金屬基地的礦山，如廣東凡口鉛鋅礦、安徽鼕瓜山銅礦、甘肅金川礦區、廣西高峰錫礦、遼寧紅透山銅礦、山東玲瓏鐵礦、夾皮溝金礦、金州礦業、會澤鉛鋅礦、大紅山銅礦、安慶銅礦、湘西金礦等都已轉入深部開采，探礦深度約為2000～4000m，目前已標明的金屬儲量僅為其預測資源總量的1/5～1/4，埋深大於1000m的未查明的非煤礦產遠景資源有1000億t以上。大臺溝鐵礦、陳臺溝鐵礦、三山島金礦、濟寧鐵礦等多個金屬礦已發現埋深超過1800m的深部礦床。可以預見，在不遠的將來，我國金屬礦山資源的開采深度將遠超過1000m，成為世界上開采深度的幾個國家之一。

此外，隨著鑽地核武器技術的發展和全球核戰略的變化，我國的戰略防護工程建設必將進一步向地下深化。

隨著工程的埋深增加和規模加大，深部工程災害（如大規模塌方、高強度岩爆等）呈現出頻度高、範圍大、破壞性強等新特點，深埋硬岩隧洞工程優化設計和災害防控將面臨許多新的挑戰，需要針對隧洞圍岩裂化過程及其動態抑制方法的理論和技術開展繫統深入的研究。

1.2錦屏二級水電站深埋引水隧洞和排水洞

1.2.1工程總體布置①

錦屏二級水電站位於中國四川省境內，上距錦屏一級壩址7.5km，電站裝機容量為4800MW，單機容量600MW，多年平均發電量242.3億kW?h，保證出力1972MW，年利用時間5048h。該電站利用雅礱江錦屏150km長大河彎的310m天然落差，截彎取直，引水發電，額定水頭288m，為雅礱江上水頭、裝機規模的水電站，屬於雅礱江流域梯級開發電站中的重點電站。工程樞紐主要由低閘、引水繫統、尾部地下廠房三大部分組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站。

取水口集中布置在閘址上遊的景峰橋右岸，地下發電廠房位於雅礱江錦屏大河灣東端的大水溝。引水洞線自景峰橋至大水溝，采用“4洞8機”布置，引水隧洞共四條，洞線平均長度約16.67km，開挖洞徑13m，襯砌後洞徑11.8m，上覆岩體一般埋深1500～2000m，埋深約為2525m，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點，為超深埋長隧洞特大型地下水電工程。隧洞洞群位置如圖1.1所示。

①1.2.1節主要摘自於文獻：中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，2005。

圖1.1錦屏二級水電站整體布置圖（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，2005）輔助洞A和B、排水洞與引水隧洞的整體布置方案如圖1.2所示，其中，1#
和

圖1.2錦屏二級水電站深埋隧洞布置圖（單位：m）（見彩圖）（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，2005）

3# 引水隧洞為圓形斷面，開挖直徑12.4m；2# 和4#
引水隧洞為四心圓馬蹄形斷面，開挖直徑13m，四條引水隧洞之間的中心線間距為60m。沿線除了四條引水隧洞外，還開挖了兩條輔助洞A和B用於交通和勘探，輔助洞和引水隧洞之間為一條施工排水洞，用作排出四條引水隧洞開挖過程中揭露出的突湧水。兩條輔助洞和施工排水洞三條隧洞中心線間距為35m，施工排水洞與4#
引水隧洞的中心線間距為45m。錦屏二級水電站引水隧洞具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點，為超深埋長隧洞特大型地下水電工程。

1.2.2地質條件①

1.地形地貌

雅礱江是工程區的干流水繫，干流在工程區形成一向北凸出的大河彎，河谷呈V形。錦屏山以近南北向展布於河彎範圍內，山勢雄厚，重峰疊嶂，溝谷深切，峭壁陡立。山脊多呈尖稜狀、主脊兩側山梁呈梳狀排列。高程在3000m以上的山峰很多，高於4000m者有大藥山（4443m）、罐罐山（4480m）、三堂山（4488m）、錦屏山（4193m）、干海子（4309m）、幺羅杠子（4393.2m）、大彎子（4282.6m）等，相對高差達3150m。主分水嶺稍偏於河彎地塊西側，東側寬而西側窄；一級支溝大多與雅礱江近於直交，兩岸高聳，切割較深，終年有水，常形成跌水或瀑布。溝谷縱剖面的上、下遊較陡，中遊較平緩，呈階梯狀變化。區內山勢展布與構造線基本一致，地表起伏大，高低懸殊，山高谷深坡陡，是工程區地形地貌的基本特點。

區內主要地貌形態有夷平面、階地、岩溶地貌和冰蝕地貌。夷平面大致可分為：4000m±高程、3000m±高程、2200m±高程三級夷平面；階地不發育，僅零星分布；冰蝕地貌主要發育在高山區，即錦屏山主分水嶺地帶，高程一般均在3000m以上。區內廣布的碳酸鹽岩地層，由於經受強烈的構造、區域變質和急劇的上升作用，岩溶不甚發育，岩溶地貌景觀不很普遍，以深切干谷和尖稜狀的山脊為主，窪地、漏鬥等典型的岩溶形態發育較少，小片石芽和少數天生橋、岩房零星分布。地下岩溶形態主要有溶洞、岩溶斜井、落水洞、溶孔和溶蝕裂隙。碳酸鹽岩組成的山體峻峭挺撥，尖峰畢露，碎屑岩組成的山體雄厚平緩，兩者地貌景觀有明顯差別。

由白山組大理岩組成地形主分水嶺。進水口側岸坡坡度為40°～60°，局部陡峻，達75°以上；出水口側岸坡坡度為35°～45°，局部達60°以上。

①1.2.2節主要摘自於文獻：中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，2005。可見，工程區山體較高，引水隧洞埋深非常大，同時，地形起伏較大，溝谷深切，如圖1.3所示，溝谷處局部應力集中將很突出，對隧洞沿線的地應力分布將產生一定的影響。

2.地層岩性

引水隧洞沿線所穿越的地層均為三疊繫地層，即T1、T2y、T2b、T2z、T3；地層總體走向以NNE向為主。引水繫統縱剖面圖如圖1.4所示。現就各地層的岩性分述如下：

1）三疊繫下統（T1）

該地層主要位於工程區的西部，岩性復雜，由黑雲母綠泥石片岩、變質中細砂岩夾薄層狀大理岩、礫狀或條帶狀大理岩等組成。

2）鹽塘組（T2y）

主要分布在東雅礱江沿岸地帶，引水隧洞主要穿越以下三個岩組。

（1）
T42y。由灰白色、灰綠色條帶狀雲母大理岩組成，局部夾厚0.3～1.5m灰白色白雲質大理岩；該層在大水溝長探洞內共揭露兩次，厚度小於304.7m。

（2）
T52y。下段為灰色至灰黑色大理岩、灰色至褐色條帶狀或角礫狀中厚層大理岩，局部見有黑色含泥質灰岩；中段為粉紅色大理岩，厚層狀，大多為中粗粒結構；上段為灰白色至白色粗晶大理岩，厚層塊狀，微具臭味；層厚約1000m。據大水溝長探洞揭露表明，本層岩性變化較大，岩性為灰黑色至黑色大理岩夾灰白色大理岩和泥質灰岩、灰白色至白色中厚層大理岩及白色臭大理岩夾灰黑色或條帶狀大理岩、角礫狀夾條帶狀或黑色大理岩（白色角礫大多具有臭味）。各種岩性之間變化呈漸變過渡狀態。

（3）
T62y。灰色至灰黑色泥質灰岩夾深灰色大理岩，泥質灰岩呈極薄層至中厚層狀，常見泥質條帶與灰岩互層出現。據大水溝長探洞共揭露兩次，厚度為25.7～717.8m；泥質灰岩中可見較多的片狀雲母條帶及針片狀礦物，黃鐵礦晶體呈星點狀分布其中；沿順層擠壓結構面常見石英脈或方解石脈充填，且岩體的完整性較差，局部呈弱至強風化狀。

鹽塘組大理岩的單軸抗壓強度為70～130MPa，彈性模量為20～35GPa，密度

為2670～2730kg/m3。3）白山組（T2b）主要分布在工程區的中部，結構致密、質純。底部為雜色大理岩與結晶灰岩