孫云博

(水利部陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院勘察分院，陜西 咸陽71200)

引紅濟石調(diào)水工程位于陜西省太白縣境內(nèi)，是陜西省南水北調(diào)工程規(guī)劃的西線調(diào)水方案，工程擬將長江水系的褒河支流紅巖河水跨流域調(diào)入黃河水系石頭河支流桃川河，年調(diào)水量0.94億m3，屬Ⅱ等大(二)型水利工程。

引紅濟石調(diào)水工程由關(guān)山引水樞紐和引水隧洞兩大部分組成。引水樞紐由混凝土重力式溢流壩、沖砂閘、進水閘和輸水暗渠四部分組成，設(shè)計壩頂高程1 478.50 m，溢流堰頂高程1 471.50 m，壩頂長95 m。引水隧洞沿太白盆地南緣布置，進口位于關(guān)山壩址下游560 m處的紅巖河谷左岸，進口高程1 468.47 m，出口位于五里坡東桃川河左岸，出口高程1 443.72 m，洞線全長 19.73 km。

1 隧洞工程地質(zhì)條件

設(shè)計施工方案采用鉆爆法+TBM法施工，由樁號8+600～19+735 m段設(shè)計采用TBM法施工。由隧洞出口進洞開始由東向西掘進，TBM施工洞段總長11.135 Km。

TBM施工洞段8+600～12+185 m，其中10+000 m以前，地貌屬侵蝕中山，圍巖以條帶狀大理巖為主，夾角閃片巖、片麻巖、綠泥石片巖及碳質(zhì)片巖等。巖體呈塊狀、層狀結(jié)構(gòu)。大理巖中存在溶蝕裂隙，地下水活動復(fù)雜，鉆進過程中漏漿量較大，ZK14揭示大理巖強風化厚13m，ZK14、ZK15揭示存在裂隙承壓水。以后為冰磧臺地，冰磧物厚100～150 m，基巖頂板一般高于洞底150 m，隧洞埋深一般約300 m，最大約400 m。深部層理傾角25°～30°，該段工程地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖呈軟硬相間，圍巖可鉆性適宜性較差。屬穩(wěn)定性差的Ⅲ類～不穩(wěn)定的Ⅳ類圍巖，建議 fk=2～4，k0=3～10 MPa/cm，E0=3～7GPa，μ =0.25～0.3。樁號 9+203 ～9+363 m，洞室穿越F1斷層，斷層帶巖體為極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖。建議 fk=0.8，k0=1.0 MPa/cm。12+185～15+210 m、15+210～19+100 m、19+100～19+735 m 段地質(zhì)條件如下表1。

表1

2 TBM法施工洞段存在的主要工程地質(zhì)問題

2.1 圍巖的可鉆性評價

圍巖的可鉆性從圍巖強度、耐磨性、完整程度等方面來評價，評價的具體指標為飽和抗壓強度、硬度、石英含量等。通過大量的室內(nèi)試驗確定:大理巖飽和抗壓強度為54.7 MPa，硬質(zhì)片巖為104 MPa，花崗巖為175 MPa，屬中硬 ～堅硬巖石，強度高，耐磨性好，使刀具消耗大。大理巖、片巖中所夾的云母片巖Rb=30 MPa，碳質(zhì)片巖Rb=20 MPa，屬軟質(zhì)巖石，強度低，可鉆性差。巖體的完整程度大理巖呈塊狀～層狀結(jié)構(gòu)，完整性較好，片巖呈中厚層狀～層狀結(jié)構(gòu)，由于風化層厚度大，完整性較差，花崗巖由于受構(gòu)造、風化影響，完整性差。巖石礦物含量隧洞沿線按不同巖性取樣6組，試驗成果匯總?cè)绫?。

表2 巖石礦物成份鑒定含量表

綜上所述，隧洞圍巖的飽和抗壓強度 Rb=54.7～175 MPa，屬堅硬巖石，適合TBM施工，但刀具消耗大，硬質(zhì)巖中軟巖夾層可鉆性及適宜性較差，設(shè)計應(yīng)充分考慮這一因素。

2.2 巖溶問題

TBM法施工洞段，8+600～12+185 m長3.585 km屬大理巖洞段，巖溶發(fā)育程度一般較弱，但很不均一，巖溶形態(tài)以溶隙、溶孔為主，且有少量小溶洞，對TBM施工影響不大。據(jù)線路鉆孔揭示地下巖溶不發(fā)育，除ZK28抽水孔在高程1 525 m(距洞底70 m)發(fā)育一直徑0.9 m的溶洞外，其它鉆孔僅見少量的溶孔，一般溶隙較發(fā)育，溶孔一般＜1 cm，大者約2～3 cm，高度小于0.5 cm。大理巖與片麻巖結(jié)合緊密，未見接觸帶發(fā)生溶蝕現(xiàn)象。

2.3 地下水

根據(jù)遙感工程地區(qū)報告，TBM法施工洞段小罐子以東(樁號8+600～10+080 m)長1.48 km為地下水富集區(qū)。特別是F1等斷層破碎帶為溶隙承壓水富集區(qū)。該段施工初期可能出現(xiàn)高壓水流和較大的突發(fā)涌水。根據(jù)1#施工支洞揭示大理巖洞段的涌水以線狀滴水和股狀涌水為主，該段洞500余m的大理巖段觀測涌水量為2 000～2 200 m3/d。根據(jù)涌水量問題報告，引水隧洞小罐子一線涌水量為0.12 m3/s，出口段為0.9 m3/s。出現(xiàn)較大和較長的突水性線狀涌水洞段，將會影響TBM設(shè)備的運行和安全，使其無法正常工作。建議在TBM施工洞段，對可能存在重大工程地質(zhì)問題的地段，重視加強超前預(yù)測預(yù)報工作，方法可采用超前TSP技術(shù)或超前平洞、鉆孔等，進行地下洞室涌水量、斷層破碎帶、巖爆等不良地質(zhì)問題預(yù)測，以便采取相應(yīng)的防護措施。

2.4 斷層破碎帶問題

TBM法施工洞段在樁號9+728～9+859 m、15+191～15+225 m 、17+111～17+143 m、18+266～18+294 m、18+623～18+664 m 穿過 F1、F27、F28、F29、F32等 5 條斷層。其中F1與洞線交角小，規(guī)模較大，斷層破碎帶沿洞線出露寬度160 m。F27、F28、F29與洞線近直交，傾角大，斷層破碎帶沿洞線出露寬度約30 m。斷層破碎帶及其影響帶，巖體呈散體狀或破碎，為極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖，地下水活動強烈，施工時TBM遇到的主要危險是被巖層夾住，進退不得甚至被塌方的巖石埋掉。為避免此類危險事故的發(fā)生，最大限度發(fā)揮TBM施工的優(yōu)越性能，應(yīng)采取必要的輔助措施。建議根據(jù)地質(zhì)情況采用噴錨、掛網(wǎng)、固結(jié)灌漿等綜合措施加固巖體和排水減壓。在通過最困難地層時，采用人工開挖頂部導(dǎo)坑、必要時采用鉆爆法處理。

總之TBM施工洞段圍巖以硬質(zhì)巖為主，巖體完整性較好，屬穩(wěn)局部定性差的Ⅲ類～不穩(wěn)定的Ⅳ類圍巖。但大理巖洞段有云母片巖、碳質(zhì)片巖等軟巖層或軟弱夾層;片巖段巖相復(fù)雜，巖性變化大，軟硬相間巖層結(jié)構(gòu)給TBM選型有一定的制約;全洞段位于地下水位以下，地下水豐富，可能存在層間裂隙承壓水，施工時可能有突發(fā)涌水和存在較高的承壓水頭。TBM施工洞段地質(zhì)條件復(fù)雜多變，存在涌水、破碎巖體、軟弱夾層等問題。建議施工中認真對待，加強施工地質(zhì)工作。選擇的TBM應(yīng)安裝地質(zhì)雷達、超前鉆探等預(yù)測設(shè)備，并能對不良地質(zhì)體進行加固、排水及灌漿的輔助設(shè)備。

3 結(jié)論和建議

(1)引水線路位于太白盆地中南部，隧洞穿越的地層巖性主要為秦嶺群變質(zhì)巖及少量的花崗巖。其中花崗巖洞段長約1 km，占整個隧洞的5%，大理巖洞段位于隧洞的中段，長6 km左右，約占31%，其余為片麻巖、片巖約占64%。洞室全部位于基巖之中，圍巖軟硬相間，以弱～微風化為主，多屬穩(wěn)定性差的Ⅲ類圍巖;但在隧洞樁號3+510～6+700 m、6+700～7+500 m、8+010～12+390 m、12+390～19+285 m洞段有云母片巖、炭質(zhì)片巖、綠泥石片巖等軟弱巖層和軟弱夾層分布，對洞室穩(wěn)定和施工不利。在ZK14孔以東主要洞段中，硬質(zhì)巖中夾有軟質(zhì)巖或軟弱夾層，巖性相變大，結(jié)構(gòu)不均一，預(yù)測施工中突發(fā)涌水量較大，但軟弱巖層和軟弱夾層對TBM法施工有一定的影響，建議設(shè)計在設(shè)備選型時應(yīng)考慮該段線路的工程地質(zhì)特點，對深埋長隧洞工程應(yīng)加強超前地質(zhì)預(yù)報，加強新探測技術(shù)、方法的利用。

(2)加強施工地質(zhì)工作，及時編錄，校核前期勘察成果，進行施工階段補充勘察工作，對影響洞室穩(wěn)定和施工安全的構(gòu)造、涌水、巖爆、有害氣體、地溫等不良地質(zhì)現(xiàn)象進行預(yù)測預(yù)報。

(3)針對TBM法施工洞段的地質(zhì)條件和存在的主要工程地質(zhì)問題，建議設(shè)計選用適合的TBM機器類型，應(yīng)配備超前TSP技術(shù)鉆探、平硐等探測預(yù)報，加固圍巖、預(yù)注灌漿及超前測試(如地質(zhì)雷達)設(shè)備，并應(yīng)做好地質(zhì)編錄與預(yù)報。

［1］陜西引紅濟石調(diào)水工程地質(zhì)勘察報告.(初步設(shè)計階段)陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院勘察分院.

［2］張照煌，李福田.全斷面隧道掘進機施工技術(shù).中國水利水電出版社.

［3］水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50487—2008).

［4］中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范.(SL55—2005).