河曲引黃灌溉工程4#隧洞地質(zhì)問題探討

張國強(qiáng)

（忻州市水利勘測設(shè)計院 山西忻州 034000）

1 工程概況

河曲引黃灌溉工程是一項保障民生、惠民利民的重點水利工程。工程建設(shè)任務(wù)以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧工業(yè)供水。工程建設(shè)規(guī)模：設(shè)計灌溉面積0.68萬hm2（改善 0.28萬 hm2，新增 0.4萬 hm2），年工業(yè)供水1 500萬m3，設(shè)計引水流量7.4 m3/s。引水線路干線總長33.96 km，包括隧洞、暗涵、渡槽、輸水管線等建筑物。其中4#隧洞為城門洞型無壓隧洞，凈寬2.0 m，凈高2.2 m，縱坡1/1 000，全長1 160 m，是實現(xiàn)引黃灌溉工程龍口取水口通水至縣城12.938 km長度線路的關(guān)鍵節(jié)點。

2 地質(zhì)條件分析

隧洞地處祁呂賀蘭山字型構(gòu)造東翼前弧，華北地臺之山西臺背斜與鄂爾多斯臺向斜的過渡帶、相對穩(wěn)定區(qū)。地質(zhì)構(gòu)造變動微弱、構(gòu)造形跡有小型褶皺和斷裂構(gòu)造等。加里東造山運動影響整個華北區(qū)域地殼垂直整體隆起，致使本區(qū)缺失奧陶系上統(tǒng)-石炭系下統(tǒng)的地層，后又經(jīng)歷多次間隙性垂直升降運動，當(dāng)進(jìn)入燕山運動以后，構(gòu)成東西構(gòu)造有別，河谷下切侵蝕與堆積交替完成，黃河河流階地發(fā)育。調(diào)查分析河曲縣歷史上地震情況，未發(fā)生過較大破壞性地震，考慮周邊地震影響，本區(qū)地震基本烈度Ⅵ度。本區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，地震反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

隧洞所在地貌單元為黃河Ⅳ級基座式階地，階地表面黃土覆蓋，黃土厚度約7～15 m，以粗粉粒為主，上部風(fēng)積，下部水成。黃土下伏沖洪積砂卵石層，為黃河古道。形成時代相當(dāng)于Q3期，砂卵石層與上覆黃土層組成二元結(jié)構(gòu)。下伏二疊系砂巖、頁巖、泥巖地層。

4#隧洞分布在樁號8+100～9+260 m段，洞長1 160 m，采用測繪、試驗、鉆探、坑槽探和物探等多種分析研究手段，對其工程地質(zhì)條件進(jìn)行了逐段分析。

2.1 隧洞進(jìn)口

隧洞進(jìn)口位于樓子營鄉(xiāng)以西，趙家口村南小山坡前，山坡自然邊坡約50°。地層巖性為二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh），為泥質(zhì)粉砂巖等，全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化，全風(fēng)化厚度4.2 m左右，強(qiáng)風(fēng)化12 m左右，巖體較完整。

隧洞進(jìn)口段地質(zhì)構(gòu)造簡單，地層呈單斜狀，產(chǎn)狀平緩，走向NW356°，傾角12°。節(jié)理裂隙不甚發(fā)育。按水利水電工程圍巖分類，屬圍巖穩(wěn)定性較差，巖石屬弱風(fēng)化，結(jié)構(gòu)面組合基本穩(wěn)定，僅局部有不穩(wěn)定組合。無地下水活動，僅雨季有滲水，但時間短。成形稍差，故圍巖穩(wěn)定劃歸Ⅲ類圍巖。

2.2 隧洞出口

隧洞出口位于紙房溝中下部，距溝口直線距離約800 m左右。溝谷地形呈V字形發(fā)育，溝谷底寬約50 m左右，溝兩岸地形不對稱，陽坡較陡立，陰坡較緩，出口底高程在溝底以下大于2 m位置，溝底有地表水，清水流量小于10 L/S。溝底松散層厚度約5 m左右，為第四系全新統(tǒng)洪積砂卵石及大孤石、漂石，砂卵石分選差，但磨圓度好，主要是砂卵石由黃河古道堆積層提供，搬運距離遠(yuǎn)，夾泥質(zhì)，透水性中等，地下水主要為孔隙潛水。地下水水位埋深小，主要向基巖滲漏和下游排泄。主要地層巖性為二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）紫紅色泥巖，洞頂為淺紅色、粉紅色細(xì)砂巖、泥巖，強(qiáng)風(fēng)化，厚度小于10 m，泥巖為軟巖，砂巖比較堅硬，巖體結(jié)構(gòu)為薄層狀結(jié)構(gòu)。出口地形自然邊坡近于直立，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石破碎，巖層平緩，傾向小于12°。按圍巖工程地質(zhì)分類，應(yīng)歸Ⅳ類。

2.3 隧洞洞身

洞身段一般埋深60 m左右，上部存在Q松散層孔隙潛水和C～P碎屑巖基巖裂隙水，水位高于洞頂20 m左右。地層巖性以上古生界的二疊系砂頁巖、泥巖為主，巖層產(chǎn)狀近水平，泥巖具有較強(qiáng)的膨脹性，且易風(fēng)化，無大斷層，原始層理構(gòu)造、節(jié)理裂隙等Ⅲ～Ⅳ結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，巖體呈層狀完整—較完整—完整性差三種結(jié)構(gòu)。其中層狀完整結(jié)構(gòu)占比50%左右，較完整—完整性差兩種結(jié)構(gòu)占比各占四分之一左右。4#隧洞工程地質(zhì)分段說明見表1。

表1 4#隧洞工程地質(zhì)分段說明

3 地質(zhì)問題及解決措施

3.1 洞內(nèi)滲水、洞底巖石泥化

巖性以古生界的二疊系砂頁巖、泥巖為主，砂頁巖、泥巖往往含蒙特石和高嶺土礦物，該兩種礦物具有見風(fēng)易風(fēng)化、失水干裂和遇水膨脹而崩碎的特性，強(qiáng)度低，屬較軟巖，軟化系數(shù)0.42～0.95，是所謂的“爛石頭”，詳見表2?；鶐r單軸抗壓強(qiáng)度：中、細(xì)砂巖為9.5～19 MPa，泥質(zhì)粉砂巖2.5 MPa，受基巖裂隙水和出渣車輛碾壓的影響，洞底巖石軟化、泥化嚴(yán)重，影響正常施工。

采取的解決措施是邊挖邊澆筑底板，及時噴錨支護(hù)，利用集水坑集中抽排水。對滲水嚴(yán)重的樁號8+355～8+535段和樁號9+210～9+260段，則每隔 30 m挖一個集水坑安裝一臺2吋泵進(jìn)行串聯(lián)排水處理，底板根據(jù)施工現(xiàn)場情況換填砂礫料夯實，然后在夯實表面澆筑10～15 cm厚素混凝土墊層，兩側(cè)設(shè)15 cm×20 cm排水溝，將水引到洞外。

表2 圍巖巖石物理力學(xué)試驗成果表

3.2 圍巖松動、巖石掉落

圍巖分五類，詳見表3《引黃灌溉工程隧洞圍巖工程地質(zhì)分類表》和表2《圍巖巖石物理力學(xué)試驗成果表》。其中Ⅲ類占比80%、Ⅳ類占比20%。圍巖為二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh），砂頁巖、泥巖、砂巖等多個沉積旋回的陸相沉積巖，呈多薄層狀，結(jié)構(gòu)面多為層面，節(jié)理裂隙除有的構(gòu)造發(fā)育部位外，一般不甚發(fā)育。巖層產(chǎn)狀亦平緩，甚至近于水平，或隧洞頂覆蓋厚度偏小等，施工過程中存在頂部圍巖穩(wěn)定和塌洞變形問題。

洞挖對圍巖而言就是卸荷——應(yīng)力釋放——失衡，“失衡”意味著可能產(chǎn)生“失穩(wěn)”，就Ⅳ類圍巖而言常發(fā)現(xiàn)巖體松動，巖石掉落失穩(wěn)現(xiàn)象，洞頂未滿足設(shè)計的“城門洞型”。施工須嚴(yán)格遵循新奧法“少擾動、早噴錨、快封閉、勤測量”原則，加長錨桿到達(dá)“韋斯曼”承載圈，如圖1，支護(hù)襯砌距離掌子面越近越好，兩者最大距離為：lmax≤1.5Φ（Φ 為拱直徑），如圖2，例：當(dāng)Φ=2 m 時，lmax≤3 m。

注：新奧法的創(chuàng)始人之一繆勒教授上世紀(jì)八十年代來華交流會筆記整理稿（中科院地質(zhì)研究所組織）。

施工采取“一炮一噴錨，短開挖快封閉支護(hù)”的措施，有效地控制了圍巖松動、巖石掉落等失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。特別是樁號8+530～8+640段短時間內(nèi)頻繁掉塊，后加強(qiáng)一次支護(hù)，采用I18工字鋼間距0.8 m，共138榀，Φ8網(wǎng)格0.2 m×0.2 m雙層鋼筋網(wǎng)，C25噴射混凝土24 cm厚，Φ22錨桿深入基巖2 m，間距1 m排距0.8 m成梅花狀布設(shè)，連接筋采用Φ22，間距1 m，保證了工程質(zhì)量、進(jìn)度和安全。

4 結(jié)論

水工隧洞作為在山體中或地下開挖的、具有封閉斷面的過水通道，其建設(shè)與地形地貌、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等條件密切相關(guān)。本文通過對4#隧洞地質(zhì)條件分析研究，較好地解決了施工中遇到的地質(zhì)問題，促進(jìn)了工程的順利實施，從而大大改變了河曲縣農(nóng)業(yè)靠天吃飯、工業(yè)用水緊張局面，為河曲縣脫貧致富，全面建成小康社會打下了堅實基礎(chǔ)，同時也為類似工程建設(shè)提供了經(jīng)驗和借鑒的依據(jù)。

表3 引黃灌溉工程隧洞圍巖工程地質(zhì)分類表

圖1 錨桿與韋斯曼圈關(guān)系圖

圖2 襯砌與掌子面距離關(guān)系圖