中衛(wèi)-貴陽輸氣管道南充嘉陵江隧道工程地質條件評價

駱建文，岳 海，孟天倫，李 銳

（1 西安長慶科技有限責任公司，西安 710018；2 四川省地礦局915 水文地質工程地質隊 四川眉山 620010）

中衛(wèi)-貴陽輸氣管道南充嘉陵江隧道位于四川南充市閬中市（縣級市）北側，進洞口位于國道212 旁，交通便利。閬中市屬中亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，季風顯著，雨量充沛。多年平均氣溫17.8℃，極端最高36.4℃，最低-6.6℃，降水較充沛，多年平均年降水量為998.5mm。由于西太平洋副熱帶高壓氣候和孟加拉灣氣流控制的影響，造成降水集中的兩個高峰期：一是六月下旬至七月中旬；二是八月下旬至九月中旬，6～9月各地平均降水量在450mm 以上，占全年降水量的40%～50%，該段時間易出現(xiàn)洪災，施工期以避開洪水季節(jié)為宜。

隧址區(qū)河段地處嘉陵江中游，具有典型川江（山區(qū)性）河流特征，具有洪枯水位變幅較大，洪水陡漲陡落，年水位落差大，洪峰變幅大、歷時一般為3～5天，而枯水期水位平穩(wěn)、歷時長的特點。該河段多年水位最大變幅約10.3m，洪水期主要在每年的7～9月，85%年最大流量出現(xiàn)在這3個月，枯水期主要在每年的11月～次年4月。隧道穿越斷面100年一遇洪水流量為30 200m3/s，50年一遇洪水流量為26 700m3/s。隧址區(qū)河段多年平均枯水位351.9m，此時水面寬度約364m，水深3.9m；最高洪水位362.2m，此時水面寬度約578.75m，水深14.2m 低于隧道進、出洞口23.2m和4.2m。洪水對隧道不構成威脅。

1 區(qū)域地質地貌條件

圖1 閬中市多年平均月降雨量

隧址區(qū)場地屬山區(qū)河谷地貌，漫灘較窄，發(fā)育Ⅰ、Ⅱ級階地，沿河流呈帶狀展布，兩岸階地較對稱。Ⅰ級階地高程360m～370m，Ⅱ級階地高程370m～420m。右岸漫灘較發(fā)育，寬50m～80m，Ⅰ級階地寬300m～500m，高出水面5m～10m，地形坡度角5°～10°，傾向河床，由第四系沖積層構成，屬基座階地；Ⅱ級階地高出水面30m～80m，階面起伏，階坎不明顯，屬侵蝕階地；右岸出洞口位于Ⅰ級階地后緣，地形平坦。

左岸為河流凹岸，幾乎無漫灘，Ⅰ級階地不規(guī)則，寬50m～300m，高出水面10m～20m，階面起伏，階坎明顯，由第四系沖積層構成，沿河岸局部基巖出露，屬基座階地；Ⅱ級階地高出水面30m～80m，階面流水、風化剝蝕作用強烈，起伏大，溝槽發(fā)育，屬侵蝕階地；左岸進洞口位于Ⅱ級階地前緣，地形較平坦。

圖2 隧址區(qū)地質圖

隧址區(qū)在大地構造上屬新華夏系四川沉降帶的川中褶皺帶和大巴山北面向褶皺帶共同影響的地域，地質構造形跡微弱，一般無明顯線形構造，形態(tài)單一，幾乎全為寬緩褶皺，方位為北東與北西，主要構造形跡有土門鋪向斜、洪山場向斜、營山鎮(zhèn)背斜等。地層平緩，出露白堊系下統(tǒng)劍門關組粉砂質泥巖、細砂巖，巖層產(chǎn)狀10°∠2°～5°。

2 場地工程地質條件

2.1 圍巖地質條件

隧道圍巖為白堊系下統(tǒng)劍門關組粉砂質泥巖、細砂巖，巖層為整合接觸，具水平層理，巖相基本穩(wěn)定，呈厚層～巨厚層狀；粉砂質泥巖中夾1～2層薄層細砂巖條帶，偶夾細砂巖透鏡體，細砂巖中夾3～4層薄層粉砂質泥巖，屬軟弱夾層，也偶夾粉砂質泥巖透鏡體。

2.2 區(qū)域地應力與地震

隧址區(qū)地形切割較嚴重，溝谷縱橫，切割深，構造微弱，地應力釋放空間大，不能集聚高的彈性能，屬于低地應力值區(qū)。

根據(jù)實地調查和區(qū)域地質資料分析，隧址區(qū)及其附近地區(qū)未見大規(guī)模斷裂構造，地質構造簡單，新構造運動以緩慢上升運動為主，活動不強烈。2008年5月12日汶川大地震之前，區(qū)內只有弱震記載，較強地震發(fā)生在近鄰，歷史上從未出現(xiàn)過破壞性地震的記載。隧址區(qū)設計基本地震加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期值為0.40s，抗震設防烈度為6 度，設計地震分組為第一組。

2.3 圍巖物理力學性質

根據(jù)隧道勘察在12個鉆孔內采集的細砂巖、粉砂質泥巖巖石樣品的物理力學指標測試結果（表1），圍巖各項巖土指標滿足設計要求。從表1 中可知，細砂巖天然單軸抗壓強度26.6～51.5Mpa，飽和單軸抗壓強度14.3～42.2MPa,巖土等級Ⅵ～Ⅶ，用爆破方法開挖。粉砂質泥巖天然單軸抗壓強度11.1～31.8Mpa，飽和單軸抗壓強度4.8～22.2Mpa，巖土等級Ⅴ～Ⅵ,用風鎬和爆破方法開挖。

圖3 隧址區(qū)及其附近地質構造示意圖

圖4 17號孔壓水試驗曲線

表1 隧道圍巖物理力學參數(shù)試驗成果表

2.4 圍巖工程地質條件

隧道圍巖的質量是由圍巖的巖石風化強度、巖石完整程度、地層透水率、巖體基本質量指標（BQ）、巖石完整系數(shù)（RQD）、圍巖彈性波速（Vpm）等綜合因素確定的（表2）。從表2 中可知，隧道圍巖質量隨圍巖埋深而變化。

根據(jù)鉆探與淺層地震勘探資料分析，場地內基巖面下0～20m 波速為Vp＝1184～2 270m/s，RQD為37.12%～40.0%，巖石質量差，巖芯多呈短柱狀、片狀，巖石結構全部破壞，擊聲啞，手捏可碎，屬強風化；基巖面下20～100m，波速為2 270～3 500m/s，RQD為50.18～87.77%，巖石質量較差～較好，巖芯多呈長柱狀，巖石結構部分破壞，巖芯裂隙可見次生礦物，擊聲較清脆，有輕微回彈，屬中風化。圍巖透水率在地層垂直方向上也有較大變化。從圖4可以看出，地層埋深55～70m 之間透水率小于8Lu，而其他段透水率大于8Lu。說明隧道圍巖在55m 以上及70m 以下地層破碎，在55～70m 透水率較小，地層相對完整，是隧道穿越嘉陵江的最佳深度。

表2 隧道圍巖工程地質參數(shù)一覽表

2.5 圍巖穩(wěn)定性

隧址區(qū)巖層產(chǎn)狀較緩，不存在大規(guī)模褶皺斷裂等大的地質構造，屬于區(qū)域地質基本穩(wěn)定區(qū)。擬建隧道軸向172°，巖層走向100°，呈72°大角度相交，有利于圍巖穩(wěn)定。影響圍巖穩(wěn)定的主要因素有巖體完整性、巖石強度、地下水及工程因素等。

細砂巖巖層中主要發(fā)育有兩組陡傾的構造裂隙：①70°∠90°，線密度1～2 條/m，裂隙面間距0.5～1.0m，張開度為3～5mm，少許泥質充填，與隧道軸向小角度相交，不利于硐室穩(wěn)定；②180°∠70°，線密度1～2 條/m，裂隙面間距0.5～1.0m，張開度為1～2mm，少許泥質充填，與隧道軸向大角度相交，有利于硐室穩(wěn)定，但兩組裂隙傾角大，易產(chǎn)生片邦，不利于硐室側壁穩(wěn)定。

粉砂質泥巖風化網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，隨深度增加風化程度減弱，強風化基巖界面埋深一般為10～25m，隧道大部分處于粉砂質泥巖中風化帶內。無規(guī)律排列的層間裂隙面與層理面把粉砂質泥巖切割成碎裂狀結構或散體狀結構，洞頂可能產(chǎn)生崩塌、掉塊，側壁可能產(chǎn)生小規(guī)模的滑塌、掉塊和片邦等現(xiàn)象，對硐室穩(wěn)定不利。

隧址區(qū)地下水較豐富，粉砂質泥巖遇水易崩解、軟化，對圍巖穩(wěn)定影響較大；地下水長期作用將降低巖石強度、加速巖石風化、潤滑軟弱結構面（層理面、節(jié)理面），對硐室穩(wěn)定不利。硐室開挖使地下水流向、流速等水力條件發(fā)生變化，風化網(wǎng)狀裂隙充填物被帶走，風化裂隙易與局部破碎帶和上部細砂巖陡傾構造裂隙貫通，豐富的卵石層孔隙潛水沿貫通裂隙進入隧道，造成硐室涌水。

綜述，嘉陵江隧道圍巖受軟弱結構面和地下水影響，圍巖穩(wěn)定性較差，在設計采取了管棚、超前導管、超前鉆孔注漿、超前錨桿、護拱等輔助工程措施。

3 場地水文地質條件

3.1 含水層特征

根據(jù)隧址區(qū)地下水含水介質特征、水力性質可將地下水劃分為第四系松散巖類孔隙潛水和碎屑巖類裂隙水二種類型。

第四系松散巖類孔隙潛水主要分布在嘉陵江河谷地區(qū)，呈線性面狀展布。含水層由第四系全新統(tǒng)沖洪積卵石層和砂層組成。地下水賦存于松散堆積物孔隙之中，具有自由水面，一般不具承壓性。

碎屑巖類裂隙水主要儲存在隧址區(qū)基巖裂隙中。含水巖組由白堊系下統(tǒng)劍門關組細砂巖、粉砂質泥巖等組成。地下水賦存于巖石的風化裂隙、溶蝕孔隙、構造裂隙之中。上部地下水具有自由水面，不具承壓性，屬基巖裂隙潛水。層間裂隙水主要儲存在30m 以下的基巖巖體中。

進洞口地下水埋深為20.0m，水位365.4m，出洞口地下水埋深為13.0m 水位353.3m。地下水枯豐期水位變幅1.5～5.0m。

3.2 地下水的補、逕、排條件

嘉陵江河谷河床是本區(qū)最低侵蝕基準面。階地及漫灘第四系松散巖類孔隙潛水在接受大氣降水補給后，經(jīng)過短距離運移向嘉陵江排泄，河床內第四系松散巖類孔隙潛水主要接受岸側地下水和嘉陵江河水的補給，順河谷向河流下游運移，多在內部徑流，少有排泄。

階地及后緣基巖裂隙水主要接受大氣降水的補給，經(jīng)短距離運移后向嘉陵江排泄，河床內基巖裂隙水主要接受松散巖類孔隙潛水的垂向補給，次為兩岸基巖裂隙水側向補給和層間裂隙水的越流補給，沿河水流向運移，多在內部徑流，少有排泄。

總之，嘉陵江河谷是本區(qū)最低侵蝕基準面，兩岸階地及后緣地下水在水力坡度驅動下由高處向低處逕流，向嘉陵江排泄，嘉陵江河床段地下水，在天然條件下，逕流滯緩，水循環(huán)交替緩慢。在開采條件下或人為改變其水動力條件下（如硐室開挖），地下水逕流加快，形成充足的補給水源。

3.3 地下水水化學特征

依據(jù)隧址區(qū)碎屑巖類裂隙水、第四系松散巖類孔隙潛水和嘉陵江河水水質分析成果（表3），水化學特征如下。

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）（2009年）和《油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范》（GB50568-2010），在Ⅱ類環(huán)境地質條件下，嘉陵江隧道環(huán)境水對鋼結構具弱腐蝕性，在干濕交替情況下對混凝土具微腐蝕性，在干濕交替和長期浸水情況下對鋼筋混凝土結構中鋼筋具微腐蝕性。應對鋼結構采取防腐處理。

表3 水質分析成果一覽表

4 隧道穩(wěn)定性評估

4.1 隧道位置選擇

嘉陵江在隧址區(qū)上下數(shù)公里區(qū)域內蜿蜒曲折，江面較開闊、灘沱相間，河段形態(tài)基本穩(wěn)定。

隧址區(qū)嘉陵江為天然河床，隧道穿越斷面及其附近河段無人工河堤。河流右岸為凸岸堆積區(qū)，發(fā)育Ⅰ階地，河流左岸為凹岸沖刷區(qū)，多出露砂巖，岸坡穩(wěn)定。隧道穿越段兩岸無滑坡、崩塌等不良地質現(xiàn)象存在，總體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，受兩岸地形和巖性控制，河流改道的可能性很小。適宜隧道穿越河流。

4.2 隧道開挖深度及評價

隧道開挖深度是由區(qū)域地質、水文地質條件及圍巖的完整性，圍巖的物理力學性質、隧道幾何形狀、高度、施工方法等諸多因素決定的。

根據(jù)嘉陵江隧道含水層特點，壓水試驗成果綜合確定隧道開挖地層主要為粉砂質泥巖，該層透水率低，為相對隔水層，頂板位于水下64.4m處，巖層頂板最薄52.6m，適宜隧道開挖。

4.3 地震對工程環(huán)境影響與抗震設防

隧址區(qū)歷史上從未出現(xiàn)過破壞性地震的記載，5.12 大地震，該區(qū)震感明顯，同時對工程環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

為消除和防止地震所產(chǎn)生的負面影響，依據(jù)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震三原則，隧道選址時避開了不利場地和危險地區(qū)。為消除地震的強度，隧道選擇了深埋地下的措施，施工采用剛性結構，管道施工采用柔性鋪設。

4.4 隧道施工圍巖坍塌、串幫及處理

隧道圍巖開挖后，軟質巖石暴露在大氣中，風化速度加快。在地下水的作用下往往呈現(xiàn)塑性和流變特性，其頂部將會發(fā)生坍塌。如果隧道施工中通過上述自穩(wěn)性較差的軟質巖層、破碎巖層、斷層破碎帶及大面積淋水或涌水地段時，可采用管棚、超前導管、超前鉆孔注漿、超前錨桿、護拱等輔助工程措施。

位于常年水位以下和在嘉陵江水補給條件下的隧道圍巖破碎區(qū)，對發(fā)生坍塌、冒頂?shù)囟危刹捎脟鷰r水壓注漿襯砌措施。作到“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”保證施工安全。

4.5 隧洞施工涌水評價

4.5.1 涌水量計算

嘉陵江隧道斜巷坡度25°～27°，小于45°，將斜巷近似看作為平巷，把斜巷的水平投影作為計算長度。采用狹窄水平巷道礦坑涌水量公式估算嘉陵江隧道涌水量，結果為平巷涌水量1150～1 800m3/d，右岸斜巷涌水量約180～280m3/d，左岸斜巷涌水量約230～370m3/d。

出洞口松散層厚約16m，巖性以細砂、卵石為主，地下水埋深約13m。采用大口井涌水量計算公式估算出洞口豎井涌水量，結果為360m3/d。

嘉陵江隧道總涌水量1 920～2 810m3/d。

4.5.2 涌水量分析

兩岸斜巷含水層介質為細砂巖和粉砂質泥巖，地下水補給來源主要為大氣降水和上部基巖裂隙水，含水層屬弱透水層，富水性差，其巷道涌水量180～370m3/d，符合兩岸紅層地區(qū)的水文地質狀況，客觀上兩岸斜巷單位涌水量隨深度的增加而加大。

平巷段處于嘉陵江河床底部，由于隧道的開挖，地下水的流向、流速、水力坡度等發(fā)生變化，在嘉陵江水的補給下，地下水基本以垂直流向滲入隧道。但孔間粉砂質泥巖風化裂隙可能與局部破碎帶和上部細砂巖陡傾裂隙貫通，形成“補給天窗”，豐富的孔隙潛水易沿貫通裂隙進入隧道，造成硐室大規(guī)模涌水，涌水量可成倍增加。如重慶某長江隧道施工時遇孔間貫通性裂隙，造成硐室大規(guī)模涌水，涌水量高達12 000～15 000m3/d。因此，嘉陵江隧道總涌水量按4 000～6 000m3/d 來進行設計和施工是合理的。

4.5.3 施工驗證

目前，該隧道施工已經(jīng)基本完成，根據(jù)施工現(xiàn)場記錄，隧道涌水量與計算值差異較小，不存在孔間粉砂質泥巖風化裂隙與局部破碎帶和上部細砂巖陡傾裂隙貫通的情況。

5 結 論

1）隧道圍巖主要為細砂巖、粉砂質泥巖，巖土等級Ⅴ～Ⅶ；適合隧道開挖。

2）隧址區(qū)巖層產(chǎn)狀較緩，不存在大規(guī)模褶皺斷裂等大的地質構造，屬于區(qū)域地質基本穩(wěn)定區(qū)。擬建隧道軸向與巖層走向呈大角度相交，有利于圍巖穩(wěn)定。

3）隧道區(qū)水文地質條件簡單，地下水類型為碎屑巖類裂隙水，含水層為白堊系下統(tǒng)劍門關組細砂巖、粉砂質泥巖等組成。

4）嘉陵江隧道環(huán)境水對鋼結構具弱腐蝕性，對混凝土具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中鋼筋具微腐蝕性。

5）根據(jù)抽壓水試驗取得的參數(shù)計算，隧道涌水量1920～2810m3/d，與施工記錄的涌水量差異性較小。

[1]中華人民共和國建設部《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）（2009年版）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部 《油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50568-2010）[S].北京：中國計劃出版社.

[3]交通部第一公路勘察設計院.《公路工程地質勘察規(guī)范》（JTJ 064-98）[S].北京：人民交通出版社.

[4]常士驃,張?zhí)K民,項勃，等.《工程地質手冊》[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1992年.

[5]河北省地質局水文地質四大隊.《水文地質手冊》[M].北京：地質出版社，1978年.

[6]四川地質局區(qū)調隊.H-48-(4)閬中幅1∶20萬地質圖[R].1982年.