引江補(bǔ)漢工程超長(zhǎng)輸水隧洞線路地質(zhì)比選

吳樹(shù)良，鄧爭(zhēng)榮，王吉亮，劉 凱，齊凌軒

（1.長(zhǎng)江巖土工程有限公司，430010，武漢；2.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司，430074，武漢；3.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，430010，武漢）

一、引江補(bǔ)漢工程三類方案概述

引江補(bǔ)漢工程布局研究了三類方案，即從長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)引水至丹江口水利樞紐大壩上游水庫(kù)（簡(jiǎn)稱壩上方案）、引水至丹江口水利樞紐大壩下游漢江河道（簡(jiǎn)稱壩下方案）以及壩下壩上結(jié)合方案（為雙線引水方案）。各方案經(jīng)對(duì)工程區(qū)地形地質(zhì)條件、環(huán)境敏感區(qū)分布、施工條件等因素進(jìn)行綜合考慮，擬定了各類方案比選輸水線路方案。經(jīng)綜合研究，三類方案技術(shù)上均不存在制約因素，但壩下方案技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)總體可控，經(jīng)濟(jì)性最好，供水成本最低，推薦壩下方案。壩下方案輸水線路擬定了4條比選線路，分別為從長(zhǎng)江三峽水庫(kù)左岸秭歸縣歸州鎮(zhèn)取水至漢江丹江口水利樞紐大壩下游右岸安樂(lè)河的歸安線，從長(zhǎng)江三峽水庫(kù)左岸太平溪鎮(zhèn)龍?zhí)断∷翝h江丹江口水利樞紐大壩下游右岸安樂(lè)河的龍安1線、龍安2線、龍安3線。

歸安線及龍安1線、龍安2線、龍安3線線路長(zhǎng)分別為192 km、195 km、216 km、233 km，均全程采用有壓?jiǎn)味醋粤鬏斔?，隧洞長(zhǎng)度分別為191 km、194.3 km、215 km、232.2 km，均屬超長(zhǎng)輸水隧洞，等效洞徑10.2～10.5 m。各比選線路隧洞全線擬采用“TBM+鉆爆法”組合的施工方案，歸安線及龍安1線、龍安2線、龍安3線TBM法施工洞段長(zhǎng)度分別為131.9 km、119.5 km、90.2 km、85.2 km。4條線路共布置施工支洞138條，其中，歸安線共26條，總長(zhǎng)46.5 km；龍安1線共30條，總長(zhǎng)48.8 km；龍安2線共38條，總長(zhǎng)56.5 km；龍安3線共44條，總長(zhǎng)75.2 km。

二、工程地質(zhì)概況

引江補(bǔ)漢工程地質(zhì)勘察采用了地質(zhì)測(cè)繪及調(diào)查、鉆探、物探、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)等綜合勘察手段，并采用了千米級(jí)特深鉆孔工程勘察及測(cè)試技術(shù)、大頂角超深斜孔鉆探關(guān)鍵技術(shù)等先進(jìn)勘探技術(shù)。壩下方案完成主要勘察工作量有：1∶2 000～1∶10 000比例尺地質(zhì)測(cè)繪5 970 km2，1∶50 000巖溶水文地質(zhì)調(diào)查1 380 km2；鉆探布置以控制地層及構(gòu)造為主，總工作量34 360 m/308孔；地面物探剖面基本全線路覆蓋，音頻大地電磁測(cè)深物探剖面589 km、高密度電法物探剖面69 km；進(jìn)行了孔內(nèi)壓水試驗(yàn)、彈性模量測(cè)試、地應(yīng)力測(cè)試、有害氣體及放射性測(cè)試，斷裂帶原位力學(xué)試驗(yàn)等；還進(jìn)行了大量的室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。

工程區(qū)處于中國(guó)地勢(shì)第二階梯東緣向第三階梯過(guò)渡地帶，屬大巴山系以及秦嶺山系，以中山為主，地勢(shì)總體呈中間高南北低、西高東低的特征。區(qū)內(nèi)山間河谷發(fā)育，總體上地形地貌復(fù)雜多樣。各線路中，歸安線隧洞最大埋深1 656 m，平均埋深660m；龍安1線隧洞最大埋深1182m，平均埋深540 m；龍安2線隧洞最大埋深1 285 m，平均埋深490 m；龍安3線隧洞最大埋深1 037 m，平均埋深390 m。

工程區(qū)跨越2個(gè)一級(jí)大地構(gòu)造單元，以城口-房縣斷裂、襄樊-廣濟(jì)斷裂為界，北部為秦嶺褶皺系（I），南部為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅱ），地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。線路隧洞涉及的主要褶皺有黃陵斷穹、聚龍山復(fù)式向斜、金斗-鞍子寨倒轉(zhuǎn)背斜、寺坪-牛頭山倒轉(zhuǎn)復(fù)式向斜；穿越主要區(qū)域性斷裂有霧渡河斷裂、通城河斷裂、遠(yuǎn)安斷裂、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)巖-上泉坪斷裂、陽(yáng)日-九道斷裂、城口-房縣斷裂（青峰斷裂帶北邊界斷裂）、白河-谷城斷裂、兩鄖斷裂。其中城口-房縣斷裂、通城河斷裂為工程活動(dòng)斷裂。

各線路隧洞穿越地層巖性復(fù)雜多樣，火成巖、變質(zhì)巖、沉積巖三大巖類均有分布，碳酸鹽巖與碎屑巖總體呈相間分布。穿越的地層巖性主要有中、晚元古代巖漿巖，包括：閃長(zhǎng)巖、花崗巖、輝綠巖等，薊縣系片麻巖、片巖，震旦系、寒武系、奧陶系、二疊系及三疊系灰?guī)r、白云巖夾頁(yè)巖，志留系頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖，侏羅系、白堊系及新近系黏土質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、黏土巖、砂礫巖等；其中三疊系上統(tǒng)、侏羅系下統(tǒng)地層中夾有煤層。各線路隧洞圍巖工程地質(zhì)初步分類結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各線路輸水隧洞圍巖工程地質(zhì)初步分類結(jié)果

比選線路區(qū)地應(yīng)力水平總體偏高，丘陵、崗地和平原區(qū)隧洞布置高程范圍內(nèi)地應(yīng)力水平總體不高，屬中等偏低應(yīng)力及以下水平。

經(jīng)對(duì)地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、物探、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及測(cè)試等綜合勘察手段獲得的資料綜合分析，隧洞施工存在涌水突泥、高外水壓力、軟巖變形、堅(jiān)硬巖巖爆、活動(dòng)斷裂活動(dòng)性影響、對(duì)地表水及地下水環(huán)境影響、淺埋洞段圍巖穩(wěn)定性、有害氣體及放射性與高地溫等主要工程地質(zhì)問(wèn)題。

三、線路地質(zhì)比選

1.比選原則

為降低施工期與運(yùn)行期安全風(fēng)險(xiǎn)，盡量節(jié)約投資，線路比選應(yīng)遵循如下基本原則：

①對(duì)于重大工程地質(zhì)問(wèn)題，應(yīng)“繞避優(yōu)先、避劣趨良”。

②盡量減少穿越大規(guī)模區(qū)域性斷裂長(zhǎng)度。

③盡量減少穿越強(qiáng)可溶巖地層長(zhǎng)度。

④盡量繞避重大巖溶地下水環(huán)境影響問(wèn)題。

⑤線路順暢、長(zhǎng)度較短、施工布置便利、施工方案可行、經(jīng)濟(jì)合理。

2.比選地質(zhì)因素

在對(duì)輸水隧洞各比選線路工程地質(zhì)分析論證后，從輸水隧洞工程地質(zhì)條件、主要工程地質(zhì)問(wèn)題、與施工有關(guān)的地質(zhì)條件三方面選擇差異明顯的地質(zhì)因素，按其影響程度和重要性，劃分為關(guān)鍵地質(zhì)因素、重要地質(zhì)因素和一般地質(zhì)因素三類，詳見(jiàn)表2。

表2 比選地質(zhì)因素的選擇及分類

3.地質(zhì)比選

（1）關(guān)鍵地質(zhì)因素比較

①隧洞穿越區(qū)域性斷裂帶來(lái)的影響

線路比選應(yīng)盡量選擇穿越區(qū)域性斷裂洞段長(zhǎng)度最短的線路，尤其是對(duì)線路地質(zhì)比選影響突出的青峰斷裂帶。青峰斷裂帶是線路區(qū)一級(jí)大地構(gòu)造單元的分界斷裂帶，帶內(nèi)發(fā)育一系近平行列分支斷層，斷層數(shù)量“西少東多”，斷裂帶總寬度“西窄東寬”。各線路穿越區(qū)域性斷裂和青峰斷裂帶情況對(duì)比詳見(jiàn)表3。

線路穿越區(qū)域性斷裂歸安線條數(shù)最少，龍安1、2線和3線相當(dāng)；穿越青峰斷裂帶情況，歸安線、龍安1線于西側(cè)通過(guò)，穿越其分支斷層數(shù)量及規(guī)模均遠(yuǎn)小于龍安2線和龍安3線，其可能遭遇斷裂（層）帶涌水突泥、斷裂（層）軟弱帶大變形及圍巖穩(wěn)定等重大工程地質(zhì)問(wèn)題的影響相對(duì)更少。

②隧洞穿越可溶巖帶來(lái)的影響

線路比選應(yīng)盡量選擇穿越可溶巖洞段最少的線路，尤其是對(duì)線路地質(zhì)比選影響突出的聚龍山復(fù)式向斜強(qiáng)可溶巖分布區(qū)。對(duì)各線路穿越可溶巖洞段長(zhǎng)度對(duì)比分析見(jiàn)表3。

聚龍山復(fù)式向斜區(qū)分布二疊系和三疊系強(qiáng)可溶巖組，其空間形態(tài)呈“西窄東寬”的喇叭形，發(fā)育有區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的巖溶水系統(tǒng)，地下水由西側(cè)補(bǔ)給、向東側(cè)排泄。龍安1線和歸安線穿越該區(qū)西側(cè)，穿越長(zhǎng)度最短，僅約3 km，處于巖溶水系統(tǒng)補(bǔ)給區(qū)，隧洞穿越埋藏型可溶巖；龍安2線穿越該區(qū)中部，穿越長(zhǎng)度約38 km，處于巖溶水系統(tǒng)徑流區(qū)；龍安3線穿越該區(qū)東部，穿越長(zhǎng)度約40 km，主要處于巖溶水系統(tǒng)排泄區(qū)；龍安2線、龍安3線隧洞均穿越裸露型可溶巖。

從隧洞穿越可溶巖情況尤其是聚龍山復(fù)式向斜強(qiáng)可溶巖區(qū)比較而言：

龍安1線穿越可溶巖尤其是強(qiáng)可溶巖洞段最短，穿越聚龍山復(fù)式向斜洞段位于其巖溶水系統(tǒng)補(bǔ)給區(qū)，且位于相對(duì)隔水層以下，隧洞遭遇巖溶系統(tǒng)管道的可能性低；龍安2線附近為聚龍山復(fù)式向斜巖溶水系統(tǒng)徑流區(qū)、龍安3線附近多為排泄區(qū)；龍安2線、龍安3線輸水隧洞雖遭遇巖溶水系統(tǒng)主管道的可能性小，但其靠近上部強(qiáng)溶蝕帶，隧洞頂板與上方巖溶水系統(tǒng)管道底板距離由龍安2線處往龍安3線處逐漸縮短，隧洞開(kāi)挖后由溶縫（隙）等結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)溝通其上方巖溶水系統(tǒng)管道水流產(chǎn)生涌水的風(fēng)險(xiǎn)增大；各施工支洞均由地表向輸水隧洞開(kāi)挖連接，經(jīng)垂直滲流區(qū)、水平徑流區(qū)，遭遇巖溶問(wèn)題的概率極高，在強(qiáng)可溶地層中的施工支洞開(kāi)挖過(guò)程中遭遇巖溶問(wèn)題的可能性較大。龍安2線、龍安3線施工支洞布置無(wú)法避開(kāi)聚龍山復(fù)式向斜強(qiáng)可溶巖分布區(qū)，遭遇巖溶系統(tǒng)管道的概率遠(yuǎn)大于龍安1線。

（2）重要地質(zhì)因素比較

重要地質(zhì)因素比較詳見(jiàn)表3，比較而言：龍安1線隧洞穿越軟質(zhì)巖洞段合計(jì)長(zhǎng)度最短；龍安3線隧洞埋深超過(guò)1 000 m洞段長(zhǎng)度最短；涌水（Q＞18 m3/d·m）洞段長(zhǎng)度龍安1線最短；堅(jiān)硬巖強(qiáng)烈?guī)r爆洞段長(zhǎng)度龍安3線無(wú)；軟巖嚴(yán)重和極嚴(yán)重變形洞段合計(jì)長(zhǎng)度，各線路基本相當(dāng)；隧洞圍巖類別Ⅳ、Ⅴ類累計(jì)長(zhǎng)度及占比，龍安1線最少。

（3）一般地質(zhì)因素比較

一般地質(zhì)因素比較見(jiàn)詳表3，比較而言：TBM施工不適宜洞段合計(jì)長(zhǎng)度占比，龍安1線最少；隧洞擬采用TBM施工洞段適宜（A）、基本適宜（B）洞段合計(jì)長(zhǎng)度，龍安1線最多。

表3 各比選線路輸水隧洞工程地質(zhì)比較

施工支洞穿越可溶巖分布洞段總占比，龍安2線最少，龍安1線、歸安線基本相當(dāng)，龍安3線最多；軟質(zhì)巖分布洞段長(zhǎng)度，龍安1線最少；Ⅳ、Ⅴ類圍巖合計(jì)總占比，龍安1線最少。

4.比選地質(zhì)意見(jiàn)

各比選線路隧洞均具備成洞的基本地質(zhì)條件，在地質(zhì)上無(wú)控制性制約因素。歸安線及龍安1線、龍安2線隧洞埋深大，巖爆和軟巖變形問(wèn)題突出；龍安3線穿越青峰斷裂帶及強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū)洞段相對(duì)較長(zhǎng)，隧洞斷裂發(fā)育洞段圍巖穩(wěn)定性及巖溶涌水突泥問(wèn)題突出。

經(jīng)對(duì)各線路隧洞關(guān)鍵地質(zhì)因素、重要地質(zhì)因素及一般地質(zhì)因素工程地質(zhì)比較，龍安1線整體占優(yōu)，在關(guān)鍵地質(zhì)因素隧洞穿越區(qū)域性斷裂帶和可溶巖帶來(lái)的影響上具有明顯優(yōu)勢(shì)，特別是其遭遇斷裂（層）和巖溶涌水突泥問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)低于其他比選線路。因此，從地質(zhì)角度，推薦選擇龍安1線為引江補(bǔ)漢工程輸水線路。

四、結(jié) 論

①輸水隧洞具有線路長(zhǎng)、埋深大、地形地貌復(fù)雜、地層巖性多樣、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖溶水文地質(zhì)條件復(fù)雜、地應(yīng)力水平總體偏高等特點(diǎn)。存在涌水突泥、高外水壓力、軟巖大變形、活動(dòng)斷裂活動(dòng)性影響、堅(jiān)硬巖巖爆、對(duì)地表水及地下水環(huán)境影響、有害氣體及放射性、高地溫等主要工程地質(zhì)問(wèn)題。

②在對(duì)輸水隧洞各比選線路工程地質(zhì)分析論證后，選擇差異明顯的地質(zhì)因素，創(chuàng)新性地提出了按其影響程度和重要性劃分為關(guān)鍵地質(zhì)因素、重要地質(zhì)因素和一般地質(zhì)因素三類，進(jìn)行綜合地質(zhì)比選的方法，對(duì)其他引調(diào)水工程線路比選研究具有借鑒意義。

③經(jīng)對(duì)輸水隧洞各比選線路三類地質(zhì)因素進(jìn)行綜合比較，龍安1線整體占優(yōu)，在關(guān)鍵地質(zhì)因素隧洞穿越區(qū)域性斷裂和穿越可溶巖帶來(lái)的影響上具有明顯優(yōu)勢(shì)，特別是其遭遇斷裂（層）和巖溶涌水突泥問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)低于其他比選線路，推薦龍安1線為壩下方案輸水隧洞線路。