中卫-贵阳输气管道南充嘉陵江隧道工程地质条件评价

2013-07-10骆建文孟天伦

四川地质学报 2013年2期

骆建文，岳海，孟天伦，李锐

（1 西安长庆科技有限责任公司，西安 710018；2 四川省地矿局915 水文地质工程地质队四川眉山 620010）

中卫-贵阳输气管道南充嘉陵江隧道位于四川南充市阆中市（县级市）北侧，进洞口位于国道212 旁，交通便利。阆中市属中亚热带湿润季风气候，四季分明，季风显著，雨量充沛。多年平均气温17.8℃，极端最高36.4℃，最低-6.6℃，降水较充沛，多年平均年降水量为998.5mm。由于西太平洋副热带高压气候和孟加拉湾气流控制的影响，造成降水集中的两个高峰期：一是六月下旬至七月中旬；二是八月下旬至九月中旬，6～9月各地平均降水量在450mm 以上，占全年降水量的40%～50%，该段时间易出现洪灾，施工期以避开洪水季节为宜。

隧址区河段地处嘉陵江中游，具有典型川江（山区性）河流特征，具有洪枯水位变幅较大，洪水陡涨陡落，年水位落差大，洪峰变幅大、历时一般为3～5天，而枯水期水位平稳、历时长的特点。该河段多年水位最大变幅约10.3m，洪水期主要在每年的7～9月，85%年最大流量出现在这3个月，枯水期主要在每年的11月～次年4月。隧道穿越断面100年一遇洪水流量为30 200m3/s，50年一遇洪水流量为26 700m3/s。隧址区河段多年平均枯水位351.9m，此时水面宽度约364m，水深3.9m；最高洪水位362.2m，此时水面宽度约578.75m，水深14.2m 低于隧道进、出洞口23.2m和4.2m。洪水对隧道不构成威胁。

1 区域地质地貌条件

图1 阆中市多年平均月降雨量

隧址区场地属山区河谷地貌，漫滩较窄，发育Ⅰ、Ⅱ级阶地，沿河流呈带状展布，两岸阶地较对称。Ⅰ级阶地高程360m～370m，Ⅱ级阶地高程370m～420m。右岸漫滩较发育，宽50m～80m，Ⅰ级阶地宽300m～500m，高出水面5m～10m，地形坡度角5°～10°，倾向河床，由第四系冲积层构成，属基座阶地；Ⅱ级阶地高出水面30m～80m，阶面起伏，阶坎不明显，属侵蚀阶地；右岸出洞口位于Ⅰ级阶地后缘，地形平坦。

左岸为河流凹岸，几乎无漫滩，Ⅰ级阶地不规则，宽50m～300m，高出水面10m～20m，阶面起伏，阶坎明显，由第四系冲积层构成，沿河岸局部基岩出露，属基座阶地；Ⅱ级阶地高出水面30m～80m，阶面流水、风化剥蚀作用强烈，起伏大，沟槽发育，属侵蚀阶地；左岸进洞口位于Ⅱ级阶地前缘，地形较平坦。

图2 隧址区地质图

隧址区在大地构造上属新华夏系四川沉降带的川中褶皱带和大巴山北面向褶皱带共同影响的地域，地质构造形迹微弱，一般无明显线形构造，形态单一，几乎全为宽缓褶皱，方位为北东与北西，主要构造形迹有土门铺向斜、洪山场向斜、营山镇背斜等。地层平缓，出露白垩系下统剑门关组粉砂质泥岩、细砂岩，岩层产状10°∠2°～5°。

2 场地工程地质条件

2.1 围岩地质条件

隧道围岩为白垩系下统剑门关组粉砂质泥岩、细砂岩，岩层为整合接触，具水平层理，岩相基本稳定，呈厚层～巨厚层状；粉砂质泥岩中夹1～2层薄层细砂岩条带，偶夹细砂岩透镜体，细砂岩中夹3～4层薄层粉砂质泥岩，属软弱夹层，也偶夹粉砂质泥岩透镜体。

2.2 区域地应力与地震

隧址区地形切割较严重，沟谷纵横，切割深，构造微弱，地应力释放空间大，不能集聚高的弹性能，属于低地应力值区。

根据实地调查和区域地质资料分析，隧址区及其附近地区未见大规模断裂构造，地质构造简单，新构造运动以缓慢上升运动为主，活动不强烈。2008年5月12日汶川大地震之前，区内只有弱震记载，较强地震发生在近邻，历史上从未出现过破坏性地震的记载。隧址区设计基本地震加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期值为0.40s，抗震设防烈度为6 度，设计地震分组为第一组。

2.3 围岩物理力学性质

根据隧道勘察在12个钻孔内采集的细砂岩、粉砂质泥岩岩石样品的物理力学指标测试结果（表1），围岩各项岩土指标满足设计要求。从表1 中可知，细砂岩天然单轴抗压强度26.6～51.5Mpa，饱和单轴抗压强度14.3～42.2MPa,岩土等级Ⅵ～Ⅶ，用爆破方法开挖。粉砂质泥岩天然单轴抗压强度11.1～31.8Mpa，饱和单轴抗压强度4.8～22.2Mpa，岩土等级Ⅴ～Ⅵ,用风镐和爆破方法开挖。

图3 隧址区及其附近地质构造示意图

图4 17号孔压水试验曲线

表1 隧道围岩物理力学参数试验成果表

2.4 围岩工程地质条件

隧道围岩的质量是由围岩的岩石风化强度、岩石完整程度、地层透水率、岩体基本质量指标（BQ）、岩石完整系数（RQD）、围岩弹性波速（Vpm）等综合因素确定的（表2）。从表2 中可知，隧道围岩质量随围岩埋深而变化。

根据钻探与浅层地震勘探资料分析，场地内基岩面下0～20m 波速为Vp＝1184～2 270m/s，RQD为37.12%～40.0%，岩石质量差，岩芯多呈短柱状、片状，岩石结构全部破坏，击声哑，手捏可碎，属强风化；基岩面下20～100m，波速为2 270～3 500m/s，RQD为50.18～87.77%，岩石质量较差～较好，岩芯多呈长柱状，岩石结构部分破坏，岩芯裂隙可见次生矿物，击声较清脆，有轻微回弹，属中风化。围岩透水率在地层垂直方向上也有较大变化。从图4可以看出，地层埋深55～70m 之间透水率小于8Lu，而其他段透水率大于8Lu。说明隧道围岩在55m 以上及70m 以下地层破碎，在55～70m 透水率较小，地层相对完整，是隧道穿越嘉陵江的最佳深度。

表2 隧道围岩工程地质参数一览表

2.5 围岩稳定性

隧址区岩层产状较缓，不存在大规模褶皱断裂等大的地质构造，属于区域地质基本稳定区。拟建隧道轴向172°，岩层走向100°，呈72°大角度相交，有利于围岩稳定。影响围岩稳定的主要因素有岩体完整性、岩石强度、地下水及工程因素等。

细砂岩岩层中主要发育有两组陡倾的构造裂隙：①70°∠90°，线密度1～2 条/m，裂隙面间距0.5～1.0m，张开度为3～5mm，少许泥质充填，与隧道轴向小角度相交，不利于硐室稳定；②180°∠70°，线密度1～2 条/m，裂隙面间距0.5～1.0m，张开度为1～2mm，少许泥质充填，与隧道轴向大角度相交，有利于硐室稳定，但两组裂隙倾角大，易产生片邦，不利于硐室侧壁稳定。

粉砂质泥岩风化网状裂隙发育，随深度增加风化程度减弱，强风化基岩界面埋深一般为10～25m，隧道大部分处于粉砂质泥岩中风化带内。无规律排列的层间裂隙面与层理面把粉砂质泥岩切割成碎裂状结构或散体状结构，洞顶可能产生崩塌、掉块，侧壁可能产生小规模的滑塌、掉块和片邦等现象，对硐室稳定不利。

隧址区地下水较丰富，粉砂质泥岩遇水易崩解、软化，对围岩稳定影响较大；地下水长期作用将降低岩石强度、加速岩石风化、润滑软弱结构面（层理面、节理面），对硐室稳定不利。硐室开挖使地下水流向、流速等水力条件发生变化，风化网状裂隙充填物被带走，风化裂隙易与局部破碎带和上部细砂岩陡倾构造裂隙贯通，丰富的卵石层孔隙潜水沿贯通裂隙进入隧道，造成硐室涌水。

综述，嘉陵江隧道围岩受软弱结构面和地下水影响，围岩稳定性较差，在设计采取了管棚、超前导管、超前钻孔注浆、超前锚杆、护拱等辅助工程措施。

3 场地水文地质条件

3.1 含水层特征

根据隧址区地下水含水介质特征、水力性质可将地下水划分为第四系松散岩类孔隙潜水和碎屑岩类裂隙水二种类型。

第四系松散岩类孔隙潜水主要分布在嘉陵江河谷地区，呈线性面状展布。含水层由第四系全新统冲洪积卵石层和砂层组成。地下水赋存于松散堆积物孔隙之中，具有自由水面，一般不具承压性。

碎屑岩类裂隙水主要储存在隧址区基岩裂隙中。含水岩组由白垩系下统剑门关组细砂岩、粉砂质泥岩等组成。地下水赋存于岩石的风化裂隙、溶蚀孔隙、构造裂隙之中。上部地下水具有自由水面，不具承压性，属基岩裂隙潜水。层间裂隙水主要储存在30m 以下的基岩岩体中。

进洞口地下水埋深为20.0m，水位365.4m，出洞口地下水埋深为13.0m 水位353.3m。地下水枯丰期水位变幅1.5～5.0m。

3.2 地下水的补、迳、排条件

嘉陵江河谷河床是本区最低侵蚀基准面。阶地及漫滩第四系松散岩类孔隙潜水在接受大气降水补给后，经过短距离运移向嘉陵江排泄，河床内第四系松散岩类孔隙潜水主要接受岸侧地下水和嘉陵江河水的补给，顺河谷向河流下游运移，多在内部径流，少有排泄。

阶地及后缘基岩裂隙水主要接受大气降水的补给，经短距离运移后向嘉陵江排泄，河床内基岩裂隙水主要接受松散岩类孔隙潜水的垂向补给，次为两岸基岩裂隙水侧向补给和层间裂隙水的越流补给，沿河水流向运移，多在内部径流，少有排泄。

总之，嘉陵江河谷是本区最低侵蚀基准面，两岸阶地及后缘地下水在水力坡度驱动下由高处向低处迳流，向嘉陵江排泄，嘉陵江河床段地下水，在天然条件下，迳流滞缓，水循环交替缓慢。在开采条件下或人为改变其水动力条件下（如硐室开挖），地下水迳流加快，形成充足的补给水源。

3.3 地下水水化学特征

依据隧址区碎屑岩类裂隙水、第四系松散岩类孔隙潜水和嘉陵江河水水质分析成果（表3），水化学特征如下。

根据《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001）（2009年）和《油气田及管道岩土工程勘察规范》（GB50568-2010），在Ⅱ类环境地质条件下，嘉陵江隧道环境水对钢结构具弱腐蚀性，在干湿交替情况下对混凝土具微腐蚀性，在干湿交替和长期浸水情况下对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。应对钢结构采取防腐处理。

表3 水质分析成果一览表

4 隧道稳定性评估

4.1 隧道位置选择

嘉陵江在隧址区上下数公里区域内蜿蜒曲折，江面较开阔、滩沱相间，河段形态基本稳定。

隧址区嘉陵江为天然河床，隧道穿越断面及其附近河段无人工河堤。河流右岸为凸岸堆积区，发育Ⅰ阶地，河流左岸为凹岸冲刷区，多出露砂岩，岸坡稳定。隧道穿越段两岸无滑坡、崩塌等不良地质现象存在，总体处于基本稳定状态，受两岸地形和岩性控制，河流改道的可能性很小。适宜隧道穿越河流。

4.2 隧道开挖深度及评价

隧道开挖深度是由区域地质、水文地质条件及围岩的完整性，围岩的物理力学性质、隧道几何形状、高度、施工方法等诸多因素决定的。

根据嘉陵江隧道含水层特点，压水试验成果综合确定隧道开挖地层主要为粉砂质泥岩，该层透水率低，为相对隔水层，顶板位于水下64.4m处，岩层顶板最薄52.6m，适宜隧道开挖。

4.3 地震对工程环境影响与抗震设防

隧址区历史上从未出现过破坏性地震的记载，5.12 大地震，该区震感明显，同时对工程环境产生不利影响。

为消除和防止地震所产生的负面影响，依据“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震三原则，隧道选址时避开了不利场地和危险地区。为消除地震的强度，隧道选择了深埋地下的措施，施工采用刚性结构，管道施工采用柔性铺设。

4.4 隧道施工围岩坍塌、串帮及处理

隧道围岩开挖后，软质岩石暴露在大气中，风化速度加快。在地下水的作用下往往呈现塑性和流变特性，其顶部将会发生坍塌。如果隧道施工中通过上述自稳性较差的软质岩层、破碎岩层、断层破碎带及大面积淋水或涌水地段时，可采用管棚、超前导管、超前钻孔注浆、超前锚杆、护拱等辅助工程措施。

位于常年水位以下和在嘉陵江水补给条件下的隧道围岩破碎区，对发生坍塌、冒顶地段，可采用围岩水压注浆衬砌措施。作到“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”保证施工安全。

4.5 隧洞施工涌水评价

4.5.1 涌水量计算

嘉陵江隧道斜巷坡度25°～27°，小于45°，将斜巷近似看作为平巷，把斜巷的水平投影作为计算长度。采用狭窄水平巷道矿坑涌水量公式估算嘉陵江隧道涌水量，结果为平巷涌水量1150～1 800m3/d，右岸斜巷涌水量约180～280m3/d，左岸斜巷涌水量约230～370m3/d。

出洞口松散层厚约16m，岩性以细砂、卵石为主，地下水埋深约13m。采用大口井涌水量计算公式估算出洞口竖井涌水量，结果为360m3/d。

嘉陵江隧道总涌水量1 920～2 810m3/d。

4.5.2 涌水量分析

两岸斜巷含水层介质为细砂岩和粉砂质泥岩，地下水补给来源主要为大气降水和上部基岩裂隙水，含水层属弱透水层，富水性差，其巷道涌水量180～370m3/d，符合两岸红层地区的水文地质状况，客观上两岸斜巷单位涌水量随深度的增加而加大。

平巷段处于嘉陵江河床底部，由于隧道的开挖，地下水的流向、流速、水力坡度等发生变化，在嘉陵江水的补给下，地下水基本以垂直流向渗入隧道。但孔间粉砂质泥岩风化裂隙可能与局部破碎带和上部细砂岩陡倾裂隙贯通，形成“补给天窗”，丰富的孔隙潜水易沿贯通裂隙进入隧道，造成硐室大规模涌水，涌水量可成倍增加。如重庆某长江隧道施工时遇孔间贯通性裂隙，造成硐室大规模涌水，涌水量高达12 000～15 000m3/d。因此，嘉陵江隧道总涌水量按4 000～6 000m3/d 来进行设计和施工是合理的。

4.5.3 施工验证

目前，该隧道施工已经基本完成，根据施工现场记录，隧道涌水量与计算值差异较小，不存在孔间粉砂质泥岩风化裂隙与局部破碎带和上部细砂岩陡倾裂隙贯通的情况。