傍山淺埋長距離引水隧道成洞條件分析

焦 振 華

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院， 陜西 西安 710001)

1 工程概況

“引漢濟(jì)渭”二期輸配水工程是引漢濟(jì)渭工程的重要組成部分，承擔(dān)著將調(diào)入關(guān)中地區(qū)的優(yōu)質(zhì)漢江水輸送至渭河兩岸西安、咸陽、渭南、楊凌4個重點城市、灃西、灃東、空港、秦漢和涇河西咸新區(qū)5個新城，周至、鄠邑、長安、臨潼、華縣、涇陽、三原、高陵、閻良、興平、武功11個縣級城市，以及涇渭工業(yè)園區(qū)、西安渭北工業(yè)園區(qū)共21個受水區(qū)的關(guān)鍵任務(wù)，對于發(fā)揮引漢濟(jì)渭工程總體效益至關(guān)重要[1-3]。

“引漢濟(jì)渭”二期南干線引水工程黃池溝至西安子午水廠段(見圖1)，全長69.53 km，主線由引水隧洞、箱涵組成，共布設(shè)箱涵2處，長0.6 km；隧洞1座，引水隧洞長68.93 km，且引水隧洞擬采用鉆爆法施工[4]。

圖1 “引漢濟(jì)渭”二期引水骨干線黃池溝至西安子午水廠段線路示意圖

2 地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 地形地貌及地層巖性

“引漢濟(jì)渭”二期南干線黃池溝至西安子午水廠段所在地形在整體上呈西高東低，南高北低的特征，南干線主要經(jīng)過秦嶺中低山、山前洪積(扇)平原、河谷階地、黃土臺塬(殘塬)四個地貌類型。引水隧洞大部分洞段位于秦嶺北麓中低山中，長隧洞末端及支洞起點段穿越黃土殘塬及山前洪積扇，箱涵、倒虹工程位于山前洪積平原及河谷階地上[5-6]，工程線路方案地貌單元分布詳見表1。沿線地層主要由前震旦系寬坪群變質(zhì)巖、泥盆系上泥盆統(tǒng)變質(zhì)巖、印支—燕山期花崗巖及第四系松散堆積層組成。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

引水隧洞沿線地質(zhì)構(gòu)造主要發(fā)育于秦嶺中低山中，主要構(gòu)造形跡有斷層和裂隙兩類。斷層可分為秦嶺北緣區(qū)域斷裂及一般性斷裂，秦嶺北緣區(qū)域斷裂位于設(shè)計主線路以北，線路走向與斷裂走向大致平行(見圖1)，距斷層破碎帶南邊界約0.5 km～1.0 km，末端在臺溝村附近以60°的角度斜穿斷裂；大部分施工支洞均大角度穿越該斷裂帶；另有20條一般性斷層與設(shè)計線路相交，主要分布于秦嶺中低山內(nèi)，多以大傾角為主，工程區(qū)內(nèi)呈東西走向的斷層較為發(fā)育，與秦嶺北緣區(qū)域斷裂走向基本一致，顯示斷層主要受區(qū)域構(gòu)造控制。一般性斷層及局部裂隙發(fā)育帶特征各不相同。

表1 南干線各線路方案地貌單元分布表

2.3 水文地質(zhì)條件

引水隧洞沿線地下水類型可分為裂隙潛水、基巖裂隙承壓水和第四系孔隙潛水三種，地下水位大部分高于設(shè)計洞頂。根據(jù)線路沿線水文地質(zhì)條件，對線路進(jìn)行富水性分區(qū)，秦嶺中低山地貌區(qū)，斷層帶屬強富水區(qū)，受斷裂影響的區(qū)段及強風(fēng)化巖體為中等富水區(qū)(泉流量>1 L/s)、弱風(fēng)化巖體屬弱富水區(qū)(泉流量0.1 L/s～1.0 L/s)、微風(fēng)化巖體屬極弱富水區(qū)(泉流量<0.1 L/s)。沿線環(huán)境水水化學(xué)類型有多種類型，根據(jù)室內(nèi)水質(zhì)分析成果，環(huán)境水對混凝土除灃河、滈河水樣具重碳酸型弱腐蝕性，其余水樣均無腐蝕性，環(huán)境水對鋼筋混凝土中的鋼筋均具微腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)均具弱腐蝕性。

2.4 地質(zhì)災(zāi)害

引水隧洞沿線地質(zhì)災(zāi)害主要有崩塌、滑坡、泥石流。崩塌主要發(fā)育于秦嶺中低山中較陡斜坡坡腳一帶，共發(fā)現(xiàn)崩塌11處。滑坡主要分布于秦嶺中低山及黃土塬邊緣，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，工程區(qū)沿線主要發(fā)育27個滑坡。泥石流溝主要位于秦嶺中低山中，共發(fā)育有4條，分別為馬峪溝、栗峪溝、皂峪溝、黃柏峪。由于大部分線路以隧洞形式通過秦嶺山區(qū)，因此這些不良地質(zhì)作用對引水隧洞線路無影響或影響小。

3 主要工程地質(zhì)問題

3.1 秦嶺北緣斷裂對線路影響

引水隧洞絕大部分(93.2%)線路距斷裂距離大于500 m，絕大部分支洞及支線起始端穿越斷裂。根據(jù)已成工程隧洞圍巖分布情況，秦嶺北緣斷裂對200 m～300 m范圍內(nèi)的巖體存在影響，表現(xiàn)為在該范圍內(nèi)隧洞以Ⅴ類圍巖為主。引水隧洞絕大部分線路距斷裂距離大于500 m，引水隧洞洞室圍巖受斷裂影響不大；且根據(jù)地質(zhì)勘探成果引水隧洞絕大部分位于弱—微風(fēng)化巖體中，洞室圍巖縱波波速大于3 000 m/s，洞室圍巖較為完整。引水隧洞軸線雖然避開了秦嶺北緣斷裂帶，但小構(gòu)造極為發(fā)育，洞室?guī)r體完整性較差；對洞室圍巖穩(wěn)定性有一定的影響。

秦嶺北緣斷裂對隧洞的影響具體表現(xiàn)為：(1) 受區(qū)域斷裂影響，洞室附近可能發(fā)育較多的東西向平行洞室走向的小型斷層，對洞室圍巖穩(wěn)定不利；(2) 受構(gòu)造影響，部分無斷裂發(fā)育的洞段圍巖級別較低；(3) 穿越區(qū)域斷裂帶的洞段可能存在局部洞室坍塌、涌水、突泥等圍巖穩(wěn)定問題，需要采取相應(yīng)的支護(hù)手段來解決。

3.2 洞室圍巖穩(wěn)定問題

引水隧洞總體圍巖類別統(tǒng)計如表2所示。隧洞出口段洞室圍巖為壤土、砂卵石等，巖性復(fù)雜，結(jié)構(gòu)不均，且又位于地下水位以下，洞體易坍塌、成洞條件極差。開挖前應(yīng)采取降水措施，同時開挖時應(yīng)采取合理的施工方法，加強跟進(jìn)支護(hù)措施，嚴(yán)防洞體坍塌。

根據(jù)表2，隧洞圍巖類別有如下特點：(1) Ⅴ類圍巖約占全洞總長的12.8%，Ⅳ類圍巖占全洞總長的32.0%，且主要分布于隧洞進(jìn)、出口段；(2) Ⅱ類、Ⅲ類圍巖占洞室總長的55.2%，主要分布在花崗巖洞段；(3) Ⅳ類、Ⅴ類圍巖與Ⅱ類、Ⅲ類圍巖呈相間交互分布。隧洞圍巖類別分布如圖2所示。

表2 引水隧洞圍巖類別統(tǒng)計表

圖2 基巖洞段圍巖類別分布示意圖

Ⅴ類圍巖，巖體破碎，圍巖開挖后不能自穩(wěn)，初步襯砌后洞段變形破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致初期支護(hù)破壞，對該類圍巖洞段應(yīng)采取“超前錨桿+剛性支護(hù)”措施；Ⅳ類圍巖自穩(wěn)性差，應(yīng)對潛在的不穩(wěn)定地質(zhì)體采取“系統(tǒng)錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土及局部鋼拱架”綜合支護(hù)措施；Ⅲ類圍巖自穩(wěn)性較好，局部可能產(chǎn)生掉塊現(xiàn)象或小規(guī)模坍塌問題，開挖時應(yīng)采取“局部錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土”綜合支護(hù)措施；Ⅱ類圍巖整體穩(wěn)定，但局部在幾個節(jié)理面組合條件下，有少量巖塊失穩(wěn)，應(yīng)及時進(jìn)行“噴混凝土+局部錨桿”的支護(hù)措施。由松散層、強風(fēng)化巖體及斷層破碎帶組成的洞室圍巖穩(wěn)定性差，成洞難度大；由弱風(fēng)化巖體組成的洞室圍巖穩(wěn)定性較差，成洞難度較大。

3.3 隧洞涌水、突泥問題

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，采用大氣降水入滲法、裘布依公式法、水文地質(zhì)比擬法對引水隧洞及施工支洞正常涌水量進(jìn)行了計算[7-8]，計算結(jié)果見表3。

相對一般情況下的正常涌水量，集中涌水量難以預(yù)測，Ⅱ類、Ⅲ類圍巖的洞段，巖體較完整，地下水以滲水和滴水為主，一般不會產(chǎn)生較大涌水。Ⅳ類圍巖可能在高水頭作用下，影響圍巖穩(wěn)定，Ⅴ類圍巖中斷層破碎帶極易產(chǎn)生涌水、突泥，對隧洞安全施工影響較大，應(yīng)加強超前排水和支護(hù)工作?？赡艹霈F(xiàn)集中突水的洞段主要為引水隧洞與斷裂相遇地段，各洞段分布及涌水量計算結(jié)果見表4，由表4可知集中涌水點單點可能最大涌水量1 260.6 m3/d～18 166.5 m3/d。對上述洞段應(yīng)加強地質(zhì)編錄和超前地質(zhì)預(yù)報工作，同時應(yīng)注意謹(jǐn)慎施工，加強支護(hù)及排水措施[9]。

表3 引水隧洞及施工支洞正常涌水量預(yù)測表

表4 引水隧洞單點最大集中涌水量預(yù)測表

3.4 隧洞巖爆、大變形問題評價

根據(jù)工程經(jīng)驗，埋深較大或地應(yīng)力等級較高的硬質(zhì)巖洞段容易產(chǎn)生巖爆[10-11]，應(yīng)特別注意。引水隧洞圍巖主要由花崗巖、黑云母斜長片麻巖及云母斜長片麻巖組成。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[12](GB 50487—2008)附錄Q中巖爆的分級及判別，強度應(yīng)力比>7為不巖爆，4～7為輕微巖爆，根據(jù)地應(yīng)力回歸分析成果及巖體飽和抗壓強度，隧洞巖爆預(yù)測成果如表5所示，試驗結(jié)果表明巖石強度應(yīng)力比均高于7，因此隧洞不存在巖爆問題。

對引水隧洞進(jìn)行試驗，試驗隧洞圍巖為云母石英片巖，微風(fēng)化洞段主地應(yīng)力12.2 MPa，相應(yīng)強度應(yīng)力比2.86。監(jiān)測成果顯示：強風(fēng)化洞段最大變形量21.3 mm，最小為3.2 mm，平均值為12.3 mm；斷層破碎帶最大變形量為190 mm，最小為130 mm，平均值為167 mm，變形量大；弱風(fēng)化洞段最大變形量7.8 mm，最小為1.6 mm，平均值為4 mm，變形量較小；微風(fēng)化洞段最大變形量1.6 mm，最小為0.8 mm，平均值為1.1 mm。根據(jù)試驗成果，引水隧洞的云母石英片巖、綠泥石鈉長石陽起片巖的Ⅳ類圍巖基本不會發(fā)生大變形，若受構(gòu)造影響，斷層發(fā)育，剪切裂隙發(fā)育，地下水的影響，很有可能發(fā)生大變形；Ⅴ類圍巖都有可能發(fā)生輕微的大變形；斷層破碎影響帶存在大變形問題。

表5 長隧洞方案巖爆預(yù)測表

4 結(jié) 論

“引漢濟(jì)渭”二期南干線引水骨干線路工程黃池溝至西安子午水廠段，由引水隧洞、箱涵組成。引水隧洞長68.93 km，大部分隧洞段位于秦嶺北麓中低山；秦嶺北緣斷裂帶對洞室圍巖有一定的影響，斷層破碎影響帶存在大變形問題，但不制約線路方案的成立。引水隧洞Ⅴ類圍巖，長度9.7 km，巖體破碎，圍巖開挖后不能自穩(wěn)，可能發(fā)生輕微的大變形；Ⅳ類圍巖，長度23.65 km，圍巖自穩(wěn)性差；Ⅲ類圍巖，長度28.28 km，自穩(wěn)性較好，局部可能產(chǎn)生掉塊現(xiàn)象或小規(guī)模坍塌問題。

可能出現(xiàn)集中突水的洞段主要為引水隧洞與斷裂相遇地段，預(yù)測最大涌水量1 260.6 m3/d～18 166.5 m3/d。Ⅴ類圍巖都有可能發(fā)生輕微的大變形；斷層破碎影響帶存在大變形問題。采取必要措施后引水隧洞傍山淺埋地質(zhì)條件基本可實現(xiàn)成洞。