穿黃隧洞工程地質(zhì)條件及工程地質(zhì)問題分析

王曉燕，張懷軍，姜冰川

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 工程概況

穿黃隧洞由進水豎井段、河底平洞段及斜井段組成。其中，進口位于黃河南岸解山村邊，樁號6+ 534.518，底高程27.30 m；出口位于黃河北岸位山，樁號7+067.157，底高程27.30 m。隧洞水平投影長532.639 m，隧洞實長585.38 m。其中，豎井段實長82.25 m；平洞段實長307.17 m，縱坡1/1 000，起始底高程-32.17 m，尾端高程-33.09 m；斜井段實長195.96 m，斜井坡度20°。設(shè)計隧洞內(nèi)徑D＝7.5 m。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

穿黃隧洞工程地處孤山殘丘地貌單元邊緣地帶，出口位于黃河位山險工段。黃河兩岸堤外開闊平坦，北大堤堤頂高程約50 m，堤內(nèi)位山呈孤丘出露、山頂高程約52 m。南岸解山村邊筑有單薄的生產(chǎn)堤，堤頂高程43 m。兩岸位山與解山之間河底為一隱伏基巖山脊，山脊頂最低處高程14 m，寬100余米。該段黃河近東西流向，上下游河道寬約600 m，險工段位山、解山之間為一河道卡口，河道寬約280 m。穿黃倒虹隧洞在位山、解山之間黃河底隱伏山脊穿過，埋深40～70 m。

2.2 地層巖性

隧洞圍巖主要為古生界寒武系（∈）：中統(tǒng)張夏組（∈2z）和上統(tǒng)崮山組（∈3g）地層和第四系全新統(tǒng)（Q4）土層。

2.2.1 古生界寒武系（∈）

（1）張夏組（∈2z）：按巖性分為11層，隧洞圍巖為該巖組9～11層。

第九層（∈2z9）：巖性為厚層灰?guī)r、粗晶灰?guī)r，縫合線發(fā)育，見黑色泥膜，微風(fēng)化-新鮮，層厚20 m，層頂高程-30～-35 m。

第十層（∈2z10）：巖性為鮞狀灰?guī)r，鮞粒明顯，深灰色、中厚層狀，微風(fēng)化-新鮮，層厚15m，層頂高程-15～-20m，該層為隧洞主要圍巖。

第十一層（∈2z11）：巖性為豹皮狀、隱晶致密狀灰?guī)r，中厚-厚層狀，弱風(fēng)化狀，層厚28 m，層頂高程0～10 m，分布在隧洞豎井及斜井上部。

（2）崮山組（∈3g）：按巖性分3層。

第一層（∈3g1）：巖性主要為薄層夾中厚層紫色、灰綠色泥質(zhì)頁巖，強風(fēng)化狀，層厚7 m，層頂高程7～15 m，分布在隧洞豎井及斜井中部。

第二層（∈3g2）：巖性為薄板狀灰?guī)r夾頁巖、中厚層竹葉狀灰?guī)r，強風(fēng)化狀，層厚23 m，層頂高程32～35 m，分布在隧洞豎井及斜井中上部。

第三層（∈3g3）：巖性為薄層灰?guī)r與頁巖互層，強風(fēng)化狀，出露層厚15 m，分布在斜井上部。

巖層產(chǎn)狀平緩，走向NE60～80°，傾向NW，傾角2～5°。

2.2.2 新生界第四系

全新統(tǒng)土層。隧洞進、出口分布有沖積（Q43al）砂壤土、人工填筑（Q4r）砂壤土和碎石土，厚度1～5 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

2.3.1 斷層

受北東向區(qū)域構(gòu)造形跡影響，穿黃隧洞地段斷層產(chǎn)狀多為北東走向，傾角較陡。探洞開挖揭露斷層12條，規(guī)模不大，破碎帶及其影響帶寬度在0.5～5.0 m之間。其中，破碎帶以糜棱巖、構(gòu)造角礫巖為主，影響帶為碎裂巖。地下水長期侵蝕斷層及影響帶有不同程度溶蝕現(xiàn)象，局部充填棕色粘泥。斷層分布情況及特征見表1。

表1 穿黃隧洞斷層統(tǒng)計

2.3.2 裂隙

圍巖裂隙屬中等發(fā)育程度，切割深，局部較密集，傾角較陡，多在75°以上，產(chǎn)狀以走向NE20～40°一組為主，多為閉合狀，較大溶隙有溶蝕現(xiàn)象；走向NW300～330°一組次之，并有張開及溶蝕現(xiàn)象，寬0.1～2 cm。裂隙充填方解石薄膜、結(jié)晶體或棕紅色泥質(zhì)。

2.4 水文地質(zhì)條件

本段工程地下水主要有第四系孔隙水和灰?guī)r巖溶裂隙水兩種類型。

第四系孔隙水賦存于河底粉細砂及黃河兩岸土層中。由于黃河在穿黃隧洞地段為地上“懸河”，河水補給松散層孔隙水，兩岸松散層孔隙水近河地段埋深3～4 m。

張夏組灰?guī)r為穿黃隧洞的主要含水層，巖溶裂隙水主要賦存于斷層破碎帶及溶隙中。據(jù)探洞開挖涌水綜合分析，由于斷層和裂隙垂向切割較深并伴有溶蝕現(xiàn)象，使得隧洞段黃河水、孔隙水和巖溶裂隙水“三水連通”。因此，隧洞圍巖滲（涌）水量較大，且滲（涌）多發(fā)生在圍巖風(fēng)化破碎、斷層及其影響帶或貫通較好溶隙部位。地下水水化學(xué)類型主要為HCO3· Cl·SO4-Na·Ca·Mg型，對普通混凝土無腐蝕性。

2.5 巖溶及發(fā)育特征

前期勘察、探洞隧洞開挖表明，未發(fā)現(xiàn)大的巖溶洞穴，巖溶發(fā)育程度張夏組（∈2z）灰?guī)r高于崮山組（∈3g）灰?guī)r地層，其中張夏組（∈2z）豹皮狀灰?guī)r溶蝕較為明顯，蜂窩狀溶孔較為多見。另一特點是巖溶形成受巖性和構(gòu)造控制較為明顯，巖溶多沿斷層和裂隙垂向發(fā)育，隱蔽分布情況復(fù)雜，尤其斷層和裂隙交匯處更為發(fā)育，且連通性較好并有張開現(xiàn)象，構(gòu)成水力聯(lián)系的主要通道，探洞開挖及隧洞施工時這些部位曾有突發(fā)涌水。

2.6 物理力學(xué)性質(zhì)

2.6.1 巖石物理力學(xué)試驗

隧洞圍巖為古生界寒武系張夏組（∈2z）厚層、中厚層灰?guī)r和崮山組（∈3g）薄層灰?guī)r、頁巖，巖性、風(fēng)化及完整程度不一。探洞開挖期間，對各類巖石取樣進行了物理力學(xué)性質(zhì)試驗，從表2中可以看出隧洞主要圍巖張夏組灰?guī)r地層力學(xué)指標較高，圍巖地質(zhì)條件較好。試驗成果見表2。

表2 穿黃隧洞巖石物理力學(xué)試驗成果

表3 穿黃隧洞圍巖力學(xué)指標建議參數(shù)

根據(jù)穿黃隧洞圍巖分類情況，隧洞圍巖力學(xué)指標建議參數(shù)見表3。

2.6.2 地應(yīng)力測試

探洞開挖期間對張夏組地層進行地應(yīng)力測試，工程區(qū)地應(yīng)力以水平向構(gòu)造應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力方向為NW340～350°，與探洞軸線夾角6°左右。最大主應(yīng)力值7～8MPa，中間主應(yīng)力值3～4 MPa，最小主應(yīng)力值1～2MPa。最大主應(yīng)力方向與探洞軸向近于平行，對隧洞圍巖穩(wěn)定有利。

2.6.3 靜力彈性模量測試

測試施力方向分別為與巖層層面垂直和平行。崮山組（∈3g）巖層的測試值：垂直層面彈性模量為0.4～1.72 GPa，平行層面為2.83～5.17 GPa。張夏組（∈2z）巖層的測試值：垂直層面為13.95～16.54 GPa，平行層面為94.11～128.73 GPa。

3 工程地質(zhì)問題

3.1 隧洞開挖涌水

隧洞在黃河底穿過且位于主要區(qū)域含水層內(nèi)，埋深40～70 m，外水壓力大，圍巖雖經(jīng)探洞帷幕灌漿及后期加固灌漿阻水處理，對外水內(nèi)滲起到了控制作用，但帷幕在地下水長期侵蝕下局部效果降低。隧洞開挖時在進行超前探水及灌漿處理過程中，依然發(fā)生了多處涌水，這也說明本地區(qū)構(gòu)造和巖溶地下水空間分布的極不均勻性。通過采取封堵、灌漿、噴錨等技術(shù)措施，均達到了止水效果。

3.2 隧洞外水壓力

隧洞圍巖位于寒武系崮山組、張夏組灰?guī)r含水地層中，水文地質(zhì)條件具有黃河水、孔隙水、巖溶裂隙水“三水相通”特征。黃河水位高程一般40～41 m，隧洞在黃河北岸斜洞、河底平洞水位以下埋深7～70 m。在穿黃探洞施工和除險加固期間對隧洞鉆孔涌水水壓測量，斜洞圍巖外水壓力隨洞深遞增、外水壓力為0.1～0.6 MPa，平洞段外水壓力基本為0.6 MPa左右，為黃河水位至隧洞埋深處靜水壓力?？紤]到隧洞鉆灌阻水帷幕在地下水長期潛蝕作用下阻水失效，圍巖外水壓力較大，隧洞襯砌必須考慮圍巖外水壓力問題。

3.3 隧洞圍巖穩(wěn)定

進水豎井圍巖為崮山組和張夏組灰?guī)r地層，巖層分布平緩，高程5 m以上崮山組地層呈強風(fēng)化狀，裂隙發(fā)育，屬Ⅳ類圍巖，圍巖穩(wěn)定性條件差。高程5 m以下張夏組灰?guī)r屬Ⅱ類圍巖，圍巖中兩組陡傾角裂隙和巖溶發(fā)育，裂隙交叉切割在井壁易形成局部超挖巖體，豎井下部彎管段巖體應(yīng)力集中，開挖巖體卸荷不利于圍巖穩(wěn)定，采取了適宜開挖和支護措施。

平洞段從寒武系張夏組中厚-厚層致密狀灰?guī)r和鮞狀灰?guī)r中穿過，巖體微風(fēng)化-新鮮，完整性較好，圍巖以Ⅱ～Ⅲ類為主。主要斷層和裂隙走向為NE30～70°、傾角75°以上，與隧洞交角較大，對隧洞圍巖穩(wěn)定有利。斷層及影響帶寬度0.5～2 m左右者圍巖為Ⅳ類，其中F3、F12、F6、F4斷層附近圍巖為Ⅴ類，施工過程中對其特別監(jiān)測。

出水斜井段上部圍巖為崮山組薄層灰?guī)r與頁巖，呈強風(fēng)化狀，近水平層面及裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，屬Ⅳ類圍巖。斜井段崮山組地層北東向裂隙與洞軸近于直交，北西向一組裂隙與洞軸近于平行，裂隙傾角陡，裂隙與層面組合切割在頂拱可形成不穩(wěn)定巖體，建議加強施工期超前預(yù)測，以便采取有效支護措施。

3.4 隧洞進出口邊坡穩(wěn)定

隧洞進出口上部為厚2～5 m的碎石土，結(jié)構(gòu)松散；中下部為崮山組薄層灰?guī)r夾頁巖，呈強風(fēng)化狀，巖體破碎。明槽開挖深約16 m，施工期對邊坡進行了噴錨加固處理。

4 結(jié)語

（1）穿黃隧洞的主要工程地質(zhì)問題為涌水和涌砂問題。

（2）洞室圍巖穩(wěn)定問題、斜洞段崮山組明槽及覆蓋層碎石土邊坡穩(wěn)定問題不可忽視。雖然進行了噴錨保護，但是還要進行觀測與詢查。

（3）斷層帶的滲透穩(wěn)定問題。斷層帶內(nèi)多為角礫巖和碎塊巖及灌漿后的水泥結(jié)石，如果在外水壓力的作用下細顆粒被帶出發(fā)生管涌及突然涌水就會造成不必要的麻煩。

（4）通過開挖中發(fā)現(xiàn)的情況看涌水類型多變，有的出現(xiàn)清水，有的出現(xiàn)黃水，還有的先出現(xiàn)黑水（有腥臭味和夾有泥砂）、后出現(xiàn)黃水及粉細砂。由此可以看出，“三水相通”的觀點是有根據(jù)的。