鄭寶平

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

白龍江引水工程是甘肅省繼引大入秦、引洮供水工程之后又一大型引水工程，工程已列入國家“十三五”規(guī)劃172項(xiàng)重點(diǎn)建設(shè)水利項(xiàng)目中。白龍江引水工程從甘肅省嘉陵江支流白龍江上游引水，向隴東南調(diào)水，重點(diǎn)解決涇渭河流域缺水的大型水資源配置工程，工程受水區(qū)為天水、平?jīng)?、慶陽3市20縣區(qū)，工程任務(wù)是城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水。白龍江引水工程地跨黃河、長(zhǎng)江兩大流域，穿越秦嶺、六盤山兩大分水屏障，屬跨流域長(zhǎng)距離引水工程，工程總干線長(zhǎng)559.67km，其中六盤山引水隧洞為線路下段控制性工程，布置示意如圖1所示。

水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院承擔(dān)并牽頭的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題《大埋深隧洞巖體工程特性測(cè)試技術(shù)與綜合評(píng)價(jià)方法》，甘肅省水利水電水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司為子課題合作單位。對(duì)白龍江引水工程大埋深隧洞工程地質(zhì)問題的研究，一方面為工程建設(shè)服務(wù)，另一方面為課題研究提供技術(shù)支撐。

圖1 白龍江引水工程總干線布置示意圖

1 隧洞地質(zhì)概況

隧洞位處六盤山中山區(qū)，洞長(zhǎng)56.17km，最大埋深1040m，埋深大于600m洞段長(zhǎng)11.68km，占比20.8%。洞身圍巖涉及震旦系、三疊系、白堊系、古近系、新近系地層，深埋洞段主要以白堊系下統(tǒng)軟質(zhì)巖為主。隧洞位處祁連山造山帶和鄂爾多斯地塊交匯部位，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，隧洞通過六盤山斷裂帶主干斷裂，斷層走向與洞線大角度相交，花崖堡子向斜、廟廟梁背斜等褶皺構(gòu)造卷入地層為白堊系下統(tǒng)和尚鋪組，受六盤山旋回構(gòu)造影響，變形較劇烈。隧洞位于六盤山水文地質(zhì)區(qū)，以六盤山主脊為界，東為涇河水系，西為渭河水系，地下水類型主要為第四系孔隙水、基巖裂隙水和斷層帶脈狀水。

2 隧洞主要工程地質(zhì)問題

六盤山深埋長(zhǎng)隧洞通過南北向構(gòu)造基巖隆起帶，隧洞長(zhǎng)、埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜，經(jīng)工程地質(zhì)測(cè)繪、勘(物)探、試驗(yàn)，結(jié)合工程地質(zhì)類比，分析預(yù)測(cè)隧洞區(qū)地溫、地應(yīng)力、放射性、有害氣體、活動(dòng)性斷裂的抗斷與工程抗震、涌突水(泥)、軟巖變形和煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性等工程地質(zhì)問題，預(yù)先采取有效防治措施，對(duì)保證工程順利實(shí)施至關(guān)重要。

2.1 地溫問題

對(duì)隧洞沿線4個(gè)鉆孔進(jìn)行了地溫測(cè)試，據(jù)氣象資料、鉆孔地溫梯度曲線，利用經(jīng)驗(yàn)公式推算恒溫層埋藏深度40m，地溫為10.0℃。地溫測(cè)試成果見表1。

表1 六盤山區(qū)隧洞鉆孔地溫測(cè)試成果表

穿過恒溫帶后地溫一般隨深度的增大而遞增，參考六盤山區(qū)已有地溫資料，無地溫異常現(xiàn)象。國內(nèi)外一些資料表明，高地溫多出現(xiàn)在埋深1500m以下[1]。綜合各孔測(cè)試資料，該區(qū)地溫梯度小于3℃/100m，屬于地溫正常區(qū)。

依據(jù)深埋隧洞地溫預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式：

T=t+(H-h)×Gr

(1)

式中，T—隧洞巖溫；t—恒溫層溫度，取10℃；H—隧洞埋深；h—恒溫層深度，取40m；Gr—平均地溫梯度。

當(dāng)平均地溫梯度Gr=1.86時(shí)，預(yù)測(cè)隧洞埋深600～800m時(shí)，洞身地溫在20.4～24.1℃；埋深800～1000m時(shí)，洞身地溫在24.1～27.9℃；最大埋深1040m時(shí)，預(yù)測(cè)洞身地溫28.6℃；大于28℃受地溫影響的隧洞段長(zhǎng)300m，占比0.53%，基本不存在高地溫危害。

2.2 地應(yīng)力問題

受印度板塊與歐亞板塊碰撞后持續(xù)的向北推擠和楔入力源作用，六盤山區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，應(yīng)力場(chǎng)的力源來自印度板塊向北東方向的推擠，現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)方位總體為NE向[2- 3]。分析六盤山區(qū)中強(qiáng)震震源機(jī)制，表明構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以水平作用力為主，最大和最小主應(yīng)力軸是近水平的，且最大主應(yīng)力方向明顯存在區(qū)域性。新構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)總體格架大體一致，主壓應(yīng)力方向穩(wěn)定，為NE～NEE向，并具有明顯的繼承性。

為獲取隧洞區(qū)三向應(yīng)力指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)采用常規(guī)水壓致裂法，在白堊系地層鉆孔中進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試。測(cè)得現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)以水平應(yīng)力為主，方向?yàn)镹40W～N280E，與隧洞巖層多小角度相交，對(duì)圍巖穩(wěn)定有較大影響。隧洞區(qū)在測(cè)深范圍83～433m內(nèi)，最大水平主應(yīng)力σH為3.6～13.7MPa，最小水平應(yīng)力σh為3.4～9.9MPa，垂直應(yīng)力σz為2.1～11.0MPa，最大水平主應(yīng)力方向的側(cè)壓力系數(shù)(σH/z)范圍為1.0～2.7。對(duì)隧洞深埋段采用線性回歸公式σH=0.0253H+2.3；σh=0.0185H+1.8；σz=γH推導(dǎo)得出，埋深600～1040m最大水平主應(yīng)力σH為17.5～27.6MPa，為中～高地應(yīng)力，深埋洞段均系軟質(zhì)巖類，存在軟巖變形破壞穩(wěn)定問題。

2.3 放射性及有害氣體問題

據(jù)《甘肅省東部1∶20萬鈾礦區(qū)域地質(zhì)圖說明書》，輸水線路區(qū)域的放射性異常(鈾礦床、礦點(diǎn)、礦化點(diǎn))主要分布在宕昌縣～甘谷縣之間。六盤山隧洞段均處于天然放射性背景場(chǎng)正常值范圍內(nèi)，背景區(qū)的伽瑪照射量率一般在(0.77～4.64)nc·kg-1h-1。

在六盤山洞線選取三個(gè)代表性鉆孔進(jìn)行放射性測(cè)井測(cè)試工作，測(cè)試結(jié)果：BZK05全井段統(tǒng)計(jì)計(jì)算天然放射性為0.26～4.50PA/Kg，天然放射性最大處深度為335.30～336.50m，厚度為1.20m，平均為0.85PA/Kg；BZK06- 1全井段統(tǒng)計(jì)計(jì)算天然放射性為0.23～1.83PA/Kg，平均為0.93PA/Kg；BZK09全井段統(tǒng)計(jì)計(jì)算天然放射性為0.22～1.73PA/Kg，平均為0.44PA/Kg。測(cè)試孔均未發(fā)現(xiàn)放射性異常的層段，測(cè)孔周圍地層的天然放射性未達(dá)到異常范圍，對(duì)施工人員的身體和輸水質(zhì)量不造成損害。

根據(jù)SL 629—2014《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄F規(guī)定[4]，隧洞有害氣體主要包括CO、CO2、NO2、SO2、NH3、H2S、CH4等。經(jīng)初判隧洞穿越策底河段局部通過侏羅系(J)煤系地層，可能賦存有害氣體。建議優(yōu)化布置形式，施工中加強(qiáng)通風(fēng)、檢測(cè)。

2.4 穿越活動(dòng)性斷裂時(shí)引起的隧洞抗剪斷與工程抗震問題

隧洞穿越六盤山區(qū)域斷裂，該斷裂帶為一規(guī)模宏大的高角度逆沖兼左旋走滑斷層，斷裂帶總體走向NW，長(zhǎng)約90km，破碎帶寬30～50m，局部寬達(dá)百余米。據(jù)最新研究成果，為全新世活動(dòng)斷裂[5]。斷裂的北段哨口～海家莊段可看到1920年海原8級(jí)地震的地表破裂帶和地表變形帶，并有砂土液化等現(xiàn)象；據(jù)前人古地震研究結(jié)果，該段4.6萬年以來有6次古地震事件發(fā)生，產(chǎn)生崩塌的最新一次地震是公元600年秦隴地震，震級(jí)近7級(jí)，并發(fā)現(xiàn)地震地表破裂。水平位錯(cuò)大于垂直位錯(cuò)，最大垂直位移為1.3m，最大水平位移約5.5m。根據(jù)斷裂所處的大地構(gòu)造位置，斷層的活動(dòng)性、一次地震活動(dòng)量和平均活動(dòng)速率，以及歷史地震的震級(jí)，認(rèn)為六盤山東麓斷裂具有發(fā)生7級(jí)以上地震的危險(xiǎn)性。隧洞抗剪斷與工程抗震問題突出，目前國內(nèi)外多采用擴(kuò)大洞室斷面幾何尺寸，洞中套軟管，適當(dāng)加大洞徑，使軟管在洞內(nèi)有活動(dòng)余地，采用這樣的方法提高引水隧洞抗剪斷和減震性能。

2.5 深埋隧洞涌水、突水(泥)問題

隧洞水文地質(zhì)條件復(fù)雜，沿線規(guī)模較大沖溝常年有流水，可見多處泉水出露點(diǎn)，分布高程高于隧洞。沿線鉆孔內(nèi)均有地下水，局部具承壓性，地下水位均高于隧洞，大地電磁測(cè)深深埋隧洞段地下水位高于洞底高程500m以上，存在高外水壓力。隧洞發(fā)育六盤山深大斷裂帶及六盤山褶皺系，有利于地下水富集、運(yùn)移，在向斜核部常富存有較豐富的地下水，在韓店一帶鉆孔地下水具承壓性，流量較大，說明地下水部分來源于深部。因此，在高外水壓力作用下，初判隧洞穿越富水巖層、斷裂、褶皺構(gòu)造洞段存在涌水、突水(泥)可能性。

據(jù)已有水文資料，參考六盤山已建鐵路、公路隧道涌水資料，分別采用地下徑流深度法、水均衡法和地下水動(dòng)力學(xué)法估算隧洞正常涌水量為35000m3/d，最大總涌水量為63000m3/d。根據(jù)SL 629—2014附錄E隧洞涌水量預(yù)測(cè)，采用古德曼經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)六盤山隧洞主要涌突水段進(jìn)行了最大涌水量和單位涌水量預(yù)測(cè)，見表2。

表2 六盤山隧洞巖石涌水量估算表

(2)

式中，Q0—隧洞通過含水體地段的最大涌水量，m3/d；K—含水體滲透系數(shù)，m/d；H—靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心距離，m；d—洞身橫斷面等價(jià)圓直徑，m；L—隧洞通過含水體的長(zhǎng)度，m。

對(duì)隧洞涌突水段通常采用堵排結(jié)合措施。堵采用凍結(jié)法、掌子面預(yù)注漿法和深孔預(yù)注漿法等；排常采用集水井抽排到洞外。

2.6 軟巖變形問題

隧洞長(zhǎng)56.17km，埋深大，最大埋深1040m，圍巖主要為白堊系、古近系、新近系地層，初判圍巖類別為Ⅳ～Ⅴ類，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度一般小于30MPa，均屬軟質(zhì)巖，經(jīng)統(tǒng)計(jì)軟質(zhì)巖分布洞段長(zhǎng)約50.1km，占比89.2%，見表3。

表3 六盤山隧洞軟巖埋深及特性表

根據(jù)鉆孔地應(yīng)力實(shí)測(cè)成果，由彈性理論計(jì)算出隧洞不同埋深應(yīng)力值及垂直洞軸線方向的最大初始應(yīng)力值，見表4。

表4 隧洞不同埋深應(yīng)力值及垂直洞軸線方向的最大初始應(yīng)力值

注：圍巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc取26MPa

根據(jù)SL 629—2014巖體地應(yīng)力分級(jí)，六盤山輸水隧洞當(dāng)埋深小于304m時(shí)，最大主應(yīng)力小于10MPa，為低地應(yīng)力；埋深304～700m時(shí)，最大主應(yīng)力10～20MPa，為中等地應(yīng)力，段長(zhǎng)21.83Km；埋深大于700m時(shí)，最大主應(yīng)力大于20MPa，為高地應(yīng)力，段長(zhǎng)9.14Km；最大埋深1040m時(shí)，地應(yīng)力為27.6MPa。中高地應(yīng)力條件下，軟巖工程性質(zhì)復(fù)雜[6]，目前還沒有統(tǒng)一判據(jù)。結(jié)合國內(nèi)外工程實(shí)例總結(jié)，當(dāng)巖石強(qiáng)度應(yīng)力比S<4時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力超限，形成塑性區(qū)，圍巖穩(wěn)定性差；當(dāng)S<2時(shí)，圍巖變形顯著，圍巖不穩(wěn)定。初判隧洞埋深大于300m時(shí)，S=1～2.7，存在軟巖大變形破壞的可能，變形洞長(zhǎng)約31km，占比55.2%。隧洞圍巖多為層狀結(jié)構(gòu)，變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等因素控制，破壞形式主要為巖層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。

已建312國道和平天鐵路六盤山隧道、引洮工程總干7#隧洞[7]，均出現(xiàn)軟巖變形塌方造成TBM卡機(jī)事故。工程經(jīng)驗(yàn)表明，高地應(yīng)力狀態(tài)下的軟巖隧洞，施工中會(huì)不可避免地發(fā)生大變形，需采取合適的處理措施，實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)反饋，優(yōu)化隧洞襯護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方法。

2.7 隧洞通過煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性問題

隧洞出口段通過華亭煤炭生產(chǎn)基地，煤炭開采已有四百多年的歷史，目前已形成華亭和安口兩個(gè)較大的采空塌陷區(qū)。采空塌陷區(qū)仍處于發(fā)展期，在一定范圍內(nèi)，采空區(qū)的變形尤其是周邊地帶的蠕動(dòng)變形形成的拉裂縫、規(guī)模和時(shí)間具有極大的隨機(jī)性，地表變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的延續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，對(duì)其進(jìn)行定性或定量的變形穩(wěn)定預(yù)測(cè)都是比較困難的。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘(物)探和地質(zhì)測(cè)繪，區(qū)內(nèi)發(fā)育近南北向展布的華亭～策底向斜，核部侏羅系地層是主要儲(chǔ)煤層，埋深幾十米至幾百米不等。鑒于水利工程對(duì)地質(zhì)環(huán)境的要求及工程失事對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的影響程度，為保證隧洞長(zhǎng)期安全運(yùn)行。在規(guī)劃選線時(shí)，與華煤集團(tuán)對(duì)接，采取了避讓措施，后期仍需進(jìn)一步優(yōu)化線路和隧洞設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

鑒于深埋長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)勘察工作難度較大，存在的工程地質(zhì)問題復(fù)雜，大量的勘探工期較長(zhǎng)，費(fèi)用較高，因此深埋長(zhǎng)隧洞工程宜采取整體構(gòu)思、循序漸進(jìn)、分階段逐步加深的勘察方式。

對(duì)于影響工程安全性、經(jīng)濟(jì)性和進(jìn)度等方面的重大工程地質(zhì)問題，如六盤山區(qū)域斷裂帶活動(dòng)性和抗斷問題、涌突水(泥)問題和軟巖變形問題，建議開展專題研究工作，有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國西北地區(qū)已建或在建的長(zhǎng)距離線性工程日益增多。如引漢濟(jì)渭、引大入秦、引洮供水工程等長(zhǎng)距離引調(diào)水工程；蘭渝鐵路、天平鐵路和寶蘭高鐵等鐵路工程；青蘭、平天、渭武高速等公路工程。這些工程與白龍江引水工程所處區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境存在一定的相似性，可供借鑒。