東山供水工程9號隧洞地質(zhì)問題及影響分析

荊海豐

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

東山供水工程9號隧洞地質(zhì)問題及影響分析

荊海豐

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

闡述了9號隧洞的工程地質(zhì)條件，對隧洞存在的主要工程地質(zhì)問題及其對TBM施工影響進(jìn)行了分析評價(jià)，為TBM施工掘進(jìn)方案的選取以及相關(guān)預(yù)案的制定提供了可靠的地質(zhì)資料。

東山供水工程；工程地質(zhì)條件；工程地質(zhì)問題；TBM施工

1 工程概況

東山供水工程是山西省境內(nèi)的一項(xiàng)跨流域引調(diào)水工程，從富水區(qū)清漳河流域、濁漳河流域調(diào)水到貧水區(qū)的汾河流域。工程主要位于晉中市，橫跨海河流域和黃河流域，供水體系涉及調(diào)水區(qū)3縣，分別是晉中市的左權(quán)縣、榆社縣和長治市的武鄉(xiāng)縣；受水區(qū)為晉中市南部5縣（市），分別為太谷縣、祁縣、平遙縣、介休市、靈石縣。

9號隧洞進(jìn)口位于武鄉(xiāng)縣石盤鄉(xiāng)石塔莊東約500 m處，出口位于祁縣來遠(yuǎn)鄉(xiāng)衛(wèi)生院西約500 m處，其中石塔莊～牛家嘴為土洞段，牛家嘴～來遠(yuǎn)為基巖洞段。9號隧洞樁號7+062.46～29+691.41，全長約22.629km，進(jìn)口底高程1016.4m，出口底高程1008.0m。

2 隧洞工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

石塔莊-牛家嘴為黃土低山丘陵區(qū)，地面高程1 015～1 130 m，洞線主要沿牛家咀溝左岸黃土梁展布。牛家嘴～來遠(yuǎn)段沿線地形起伏較大，沖溝發(fā)育，沿線主峰子金山山頂高程1 793.5 m，最低點(diǎn)來遠(yuǎn)鎮(zhèn)昌源河河床約1 000 m，地面高程一般在1 200～1 600 m之間，相對高差一般在500～800 m之間，屬構(gòu)造剝蝕中山地貌。

2.2 地層巖性

土洞段主要位于石塔莊～牛家嘴黃土低山丘陵區(qū)，洞身段巖性為第四系下更新統(tǒng)Q1含砂低液限粘土夾級配不良砂、卵石混合土層。

基巖洞段主要位于牛家嘴～來遠(yuǎn)段構(gòu)造剝蝕中山區(qū)，洞身穿過的地層巖性為三疊系下統(tǒng)和尚溝組（T1h）磚紅、紫紅色砂質(zhì)泥巖，上部夾灰紫紅色長石砂巖；三疊系中統(tǒng)二馬營組第一亞組（T2e1）灰綠色中薄層細(xì)粒長石砂巖夾紫紅色泥巖及灰綠色頁巖等；三疊系中統(tǒng)二馬營組第二亞組（T2e2）紫紅色泥巖夾灰綠色中薄層斑狀中粗粒長石砂巖；三疊系中統(tǒng)二馬營組第三亞組（T2e3）灰綠色中厚層狀長石砂巖夾紫紅色泥巖。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

9號隧洞段大地構(gòu)造部位處于呂梁太行斷塊的沁水塊坳西北部之普洞～來遠(yuǎn)北東東向褶斷帶，構(gòu)造體系屬晉中山字型構(gòu)造。沿線總體為單斜巖層，巖層產(chǎn)狀為N40～55°E/NW∠8～12°，受背斜、向斜以及斷裂構(gòu)造影響，局部產(chǎn)生變化。

9號洞沿線斷層及褶皺較發(fā)育，大的褶皺主要有：楊莊向斜和喬家凹～后莊向斜。

規(guī)模較大的斷層主要有：西應(yīng)斗坪～南關(guān)～紫金山斷裂，西溝～前莊～官地?cái)嗔岩约傲_山垴斷裂。沿線巖體主要發(fā)育三組節(jié)理裂隙：①N70～80°E/SE∠70～85°②N0～10°W／SW或NE∠75～85°③N70～85°W/SW∠65～85°。

2.4 水文地質(zhì)

9號隧洞以紫金山一帶為分水嶺，東部為云竹河流域，西部為昌源河流域。沿線地下水類型主要為三疊系碎屑巖裂隙水、斷層破碎帶帶狀孔隙水。其中砂巖中節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖層較厚，為含水層，泥巖為相對隔水層。

碎屑巖裂隙水主要賦存、運(yùn)移于各透水層中，其補(bǔ)、徑、排嚴(yán)格受相對隔水層控制，常具多層水位，其順層方向滲透性遠(yuǎn)大于垂向方向滲透性，具有明顯的各向異性滲透特征。據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)資料，砂巖段透水率一般7～11 Lu，換算成滲透系數(shù)一般為0.3～0.5 m/d，其滲透性等級一般為弱～中等透水性，泥巖段一般1～5 Lu，換算成滲透系數(shù)一般k=0.05～0.2 m/d，其滲透性等級為弱透水性。

斷層破碎帶帶狀孔隙水為帶狀滲透結(jié)構(gòu)，多與層狀透水層相通，構(gòu)成地下水集中滲漏通道，亦可構(gòu)成不同透水層地下水間的水力聯(lián)系通道，其順帶方向滲透性明顯大于垂向方向滲透性，其富水性影響因素主要有破碎帶寬度、斷層帶性質(zhì)、斷層帶充填物特征、斷層帶分布位置以及斷層帶兩盤巖性。

基巖洞段除來遠(yuǎn)附近外，埋深一般在200～600 m，多為深埋長隧洞，區(qū)域地下水位埋深一般30～100 m，砂巖含水層段地下水狀態(tài)多表現(xiàn)為現(xiàn)狀流水，泥巖洞身段多表現(xiàn)為滲水、滴水或局部現(xiàn)狀流水，發(fā)生涌水可能性小。局部受斷層破碎帶影響，構(gòu)成地下水集中滲漏通道，成為發(fā)生涌水的主要集中點(diǎn)。

2.5 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度34.6～74.5 MPa，平均值51.56 MPa，軟化系數(shù)0.47～0.80，平均值0.63，飽和彈性模量E=（0.43～4.17）×104MPa，平均值1.66×104MPa，泊松比0.21～0.34，平均值0.26，屬中硬巖。砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁巖、泥巖飽和抗壓強(qiáng)度9.21～25.6 MPa，平均值17.27 MPa，飽和彈性模量E=（0.12～0.99）×104MPa，平均值0.53×104MPa，泊松比0.21～0.39，平均值0.29，軟化系數(shù)0.34～0.74，平均值0.49，屬較軟巖～軟巖。

2.6 地應(yīng)力

工程區(qū)內(nèi)隧洞圍巖巖體以構(gòu)造應(yīng)力為主，三個(gè)主應(yīng)力在洞身部位的次序?yàn)椋鹤畲笏街鲬?yīng)力為最大主應(yīng)力，垂直主應(yīng)力次之，最小水平主應(yīng)力為最小主應(yīng)力。9#隧洞工程區(qū)域的最大主應(yīng)力方向近似為N60°W左右。與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向基本一致。4個(gè)測試鉆孔共選取6段完整泥巖段做測試，其余段為砂巖完整段，經(jīng)分析來看，泥巖與砂巖段地應(yīng)力值無明顯差異。其中以ZK11LL-3鉆孔處最大水平地應(yīng)力值最大，達(dá)15.67 MPa，分析可能受其所處構(gòu)造部位有關(guān)，該處基本處于楊莊向斜軸部，受該向斜影響，其北翼地層傾角達(dá)30°。

2.7 地溫

地溫室測試采取數(shù)字測溫儀對ZK11LL-2鉆孔進(jìn)行測試，測溫從200 m開始，溫度為20℃，深度490 m時(shí)，溫度為24.7℃，平均每100 m地溫升高1.62℃，僅在330～340 m、380～390 m兩處有著0.5℃/10 m、0.4℃/10 m的異常，但總的來看，全孔的溫度變化還是屬于正常的地?zé)嵩鰷亍?/p>

由于隧洞區(qū)內(nèi)斷層活動性總體較低，一般情況而言，地溫隨深度的增加而增加，不太可能出現(xiàn)地?zé)岙惓，F(xiàn)象。另據(jù)國內(nèi)外一些資料表明，高地溫多出現(xiàn)在埋深1 500～2 000 m以下。預(yù)測的洞室埋深最大處的地溫僅25℃左右，溫度不高，對施工無影響。

3 隧洞存在的主要工程地質(zhì)問題

3.1 硬質(zhì)巖隧洞段穩(wěn)定問題

3.1.1 彎曲折斷破壞

9號隧洞沿線地層多砂巖與泥巖互層地層，且?guī)r層多為緩傾角，在洞頂?shù)膸r層在重力作用下易下沉彎曲，進(jìn)而張裂折斷形成塌落體。

3.1.2 劈裂剝落

9號沿線多為緩傾角地層，隧洞側(cè)壁發(fā)生片幫可能性較小，但其頂供受層面影響，在砂巖與泥巖互層段，受其壓應(yīng)力作用，發(fā)生片狀冒落可能性大。

3.1.3 巖爆問題

按照巖石強(qiáng)度應(yīng)力比進(jìn)行巖爆分級，9號隧洞厚層砂巖存在巖爆問題，多為輕微巖爆（Ⅰ級），僅在樁號19+223～19+624、21+775～22+366段中等巖爆（Ⅱ級）。但據(jù)鉆孔勘探資料，9號隧洞沿線地層節(jié)理裂隙較發(fā)育，洞身均處于地下水位以下，砂巖段富水性較好，且多為軟硬相間地層，巖石不易積聚過高的能量，而又不利于巖爆的產(chǎn)生。據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，高地應(yīng)力是巖爆發(fā)生的基本條件之一，其最大主應(yīng)力一般大于20MPa。此次地應(yīng)力測試，最大水平主應(yīng)力僅15.67MPa。

3.2 軟質(zhì)巖洞段變形穩(wěn)定問題

3.2.1 塑性擠出

9號隧洞段存在砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁巖、泥巖等軟質(zhì)巖段。據(jù)鉆孔ZK11LL-3勘探記錄，在孔深338～355 m段泥巖存在縮孔現(xiàn)象，且?guī)r芯多呈軟泥狀。按巖石物理性質(zhì)，將垂直地應(yīng)力值反算為埋深，可知其埋深大于304 m的極軟巖就存在大變形問題。9號隧洞化嶺村至東魚溝沿線（樁號13+800～26+900）極軟巖存在大變形問題。

3.2.2 膨脹內(nèi)鼓

據(jù)泥巖礦物成分及膨脹性試驗(yàn)成果，泥巖伊利石含量13.86～20.94%，伊蒙混層含量16.58～27.72%，無蒙脫石，其自由膨脹率均小于1%，可看出，泥巖為非膨脹性巖。不存在因膨脹而引的軟巖變形問題。

3.2.3 塑流涌出

9號隧洞沿線，規(guī)模較大的斷層較發(fā)育，斷層影響帶寬達(dá)數(shù)十米，帶內(nèi)多為碎裂巖、斷層泥及斷層角礫等組成，沿線地下水位埋深淺，隧洞處外水壓力高達(dá)幾百米，在導(dǎo)水性較好的斷層帶內(nèi)更為明顯，在高外水壓力作用下，發(fā)生塑流涌出的可能性較大。

3.2.4 重力坍塌

在9號隧洞土洞段及主要斷裂帶內(nèi)，在地應(yīng)力及地下水流的作用下，發(fā)生重力坍塌可能性較大。

3.3 外水壓力問題

基巖洞段除來遠(yuǎn)附近外，埋深一般在200～600 m，多為深埋長隧洞，區(qū)域地下水位埋深一般30～100 m，洞身處受外水壓力較大。依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄W外水壓力折減系數(shù)，結(jié)合9號隧洞沿線工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件對洞身段水頭進(jìn)行折減。砂巖段折減系數(shù)取0.5，斷層破碎帶折減系數(shù)取0.65～1.00，富水及導(dǎo)水性好的斷層一般取0.8，導(dǎo)水性差的斷層取0.65。

3.4 隧洞開挖涌水量估算

隧洞涌水量估算假設(shè)泥巖為相對隔水層，不再估算泥巖洞身段涌水量，涌水量估算分為三種類型，一為土洞段涌水量估算，二為砂巖洞身段涌水量估算；三為斷層破碎帶涌水量估算。

根據(jù)隧洞沿線含水層特點(diǎn)，對潛水含水體中洞段計(jì)算采用《水利水電工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》中古德曼公式，對具有承壓含水體的基巖洞段采用《水文地質(zhì)手冊》中水平坑道涌水量計(jì)算公式，對斷層破碎帶洞段采用斷裂帶集中涌水公式分別進(jìn)行估算。

經(jīng)計(jì)算，9號隧洞總的涌水量為60 436.6 m3/d。因計(jì)算時(shí)假定泥巖為相對隔水層，而實(shí)際狀況，泥巖洞段因夾薄層砂巖，可能也會發(fā)生滲水或流水問題，所以估算涌水量可能與實(shí)際有偏差。

3.5 圍巖工程地質(zhì)分類

9號隧洞全長22.629 km，進(jìn)口段為土洞，長1.881km，圍巖類別為Ⅴ類。基巖洞段長20.748 km，隧洞圍巖為三疊系砂巖、泥巖，圍巖一般厚200～560 m，圍巖類別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，其中Ⅲ類洞段長5.265 km、Ⅳ類洞段長7.034 km、Ⅴ類洞段長8.449 km，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖分別占基巖洞段總長的25.4%、33.9%、40.7%。在Ⅴ類圍巖中有53.78%為泥巖洞段，有46.22%為斷層帶及影響帶。

4 9號隧洞地質(zhì)對TBM施工影響

9號隧洞沿線為三疊系厚層砂巖、厚層泥巖及砂泥巖互層地層，為中硬巖、軟質(zhì)巖地區(qū)，沿線發(fā)育較大規(guī)模斷層。隧洞段通過云竹河流域和昌源河流域之間地下分水嶺，地下水位一般埋深淺，存在高外水壓力。場地原始地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，存在相對高應(yīng)力區(qū)。

針對本工程具有距離長、不良地質(zhì)段多等特點(diǎn)，主要存在軟巖段變形擠出、硬質(zhì)巖巖爆、斷層帶處涌水、突泥及塌落等工程地質(zhì)問題。施工中應(yīng)注意的幾個(gè)工程地質(zhì)問題：一是軟巖擠出變形影響；二是掘進(jìn)中的涌水問題，地下水是影響圍巖和洞室施工安全的重要因素，隧洞的涌水更是常見的工程地質(zhì)災(zāi)害。而且深埋長隧洞的涌水還具有涌水量大、水頭壓力高、補(bǔ)給豐富的特點(diǎn)，洞室?guī)r體的突發(fā)涌水，是影響施工進(jìn)度和安全的一個(gè)重要因素，如何盡早、準(zhǔn)確預(yù)測涌水，適時(shí)處理涌水對施工非常重要。三是巖爆的破壞作用。TBM設(shè)備本身具有以下特點(diǎn)能最大程度的減少巖爆的發(fā)生幾率和產(chǎn)生危害，TBM掘進(jìn)后的掌子面較圓順，不易發(fā)生應(yīng)力集中，刀盤設(shè)有噴水裝置，噴水對掌子面巖石能起到軟化的作用，采用雙護(hù)盾TBM時(shí)，護(hù)盾具有防護(hù)作用，能防止巖爆對人和設(shè)備的損害。TBM配置的支護(hù)系統(tǒng)能高效、協(xié)調(diào)的工作，使T BM能快速支護(hù)并通過巖爆地段。四是較大斷層和破碎帶的穩(wěn)定問題。斷層破碎帶是隧洞圍巖失穩(wěn)和出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的突出地段，容易引起塌方、大量涌水，甚至突發(fā)性涌水。因此，TBM對斷層破碎帶的掘進(jìn)適應(yīng)性尤為重要。本工程隧洞穿越多條較大規(guī)模斷裂，斷裂帶及其影響帶寬度達(dá)數(shù)十米寬、甚至數(shù)百米，此類圍巖因強(qiáng)度低，其完整性差，易產(chǎn)生塌方，從而加大了TBM施工的難度，這就需要進(jìn)行預(yù)測和研究斷層和破碎帶的特點(diǎn)，合理選擇和配置刀盤轉(zhuǎn)速和貫入度等掘進(jìn)參數(shù)。及早做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，根據(jù)斷層帶的地質(zhì)及水文地質(zhì)狀況，能進(jìn)行超前支護(hù)預(yù)固結(jié)處理。

5 結(jié)語

9號隧洞穿越區(qū)地質(zhì)地層條件復(fù)雜，有諸如斷層、涌水、高外水壓力、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)問題，具有隧洞長、洞徑小、埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，在進(jìn)行TBM施工方案選擇以及相關(guān)預(yù)案的制定時(shí)，一定要考慮到9號隧洞地質(zhì)條件的復(fù)雜性和存在的主要工程地質(zhì)問題，選擇適合該隧洞地質(zhì)條件的TBM設(shè)備及配置。

P642

C

1004-7042（2017）06-0044-03

荊海豐（1965-），男，1989年畢業(yè)于長春地質(zhì)學(xué)院水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，高級工程師。

2017-04-07；

2017-05-21