引畛济涧工程施工竖井工程地质条件分析

屈　龙, 闫思泉, 岳永峰, 刘振红

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州　450003)

0　引言

新安县引畛济涧工程位于河南省洛阳市新安县境内,自黄河支流畛河引小浪底库水经过引水隧洞进入新安县城南侧的涧河。工程任务为新安县城生产、生活供水,恢复涧河灌区。取水口位于小浪底水库畛河支库,出口位于县城南上河村附近涧河边。根据设计方案,引畛济涧工程主要采用自流引水,从小浪底库区最大支流畛河引水至新安县涧河。供水隧洞长度13.60 km,整个引水线路长约18.66 km,由浮船式泵站及供水管道、引水枢纽和供水隧洞等三大部分组成。按照工程施工总体布置方案,隧洞沿线共布置了6个施工竖井。

1　地质背景

供水隧洞区地貌单元主要属于黄土塬区,地形起伏大,沟谷切割剧烈,大部分地区被第四系松散地层覆盖。供水隧洞区出露二叠系、三叠系及新第三系、第四系地层。

二叠系地层岩性由老到新分别为:①山西组(P1s)灰白色厚层粗粒长石石英砂岩,砂质页岩、硅质泥岩;下部含二1煤层,平均厚度4.81 m。②下石盒子组(P1x)底部为灰白色石英砂岩,其上以砂质页岩(或泥岩)为主,夹长石石英砂岩。含七2可开采煤层,厚度0.5 m左右,在畛河边局部出露,为洞子崖煤矿等地方煤矿主要开采煤层。③上石盒子组(P2s)下段以粉砂质泥岩(页岩)为主,夹灰白色、黄绿色砂岩;中段以灰白色砂岩为主夹紫红色粉砂质泥岩,本段俗称平顶山砂岩或马头山砂岩;上段暗紫红色粉砂质泥岩与黄绿色长石石英砂岩组成的韵律沉积层。④上统石千峰组(P2sh)底部为紫灰色灰质砾(结核状同生砾)岩;下部为较鲜艳的砖红色粉砂质泥岩;上部为紫红色粉砂质泥岩夹灰绿色钙质细砂岩。

三叠系(T)地层下部为紫红色粉砂岩、粉砂质泥岩与细粒石英砂岩互层,夹透镜状砾岩及层间砾岩。中上部为紫红色、暗紫红色砂岩、粉砂岩夹粉砂质泥岩(页岩)。

第三系(N)地层岩性为砾岩、砂砾岩、粉砂岩与紫红色、浅黄褐色粘土岩互层,韵律层厚度40 m左右,顶部为灰白色泥灰岩。

第四系(Q)中更新统下部为紫红色、红褐色富钙质结核重粉质壤土、粉质粘土,局部地段底部为土加砾石层,上部为黄红色、棕红色重粉质壤土夹少量钙质结核。上更新统为黄褐色黄土状重粉质壤土夹红褐色重粉质壤土,底部见碎石或砂砾石透镜体。全新统以冲洪积的砂、砂砾石及含砾重粉质壤土、重粉质壤土等为主。

工程区地质构造简单,为单斜构造,地层倾向南东,倾向140°～160°,倾角7°～13°。供水隧洞区内覆盖严重,王良断层(F1)从工程区穿过。根据区域资料,王良断层北起焦枝铁路黄河大桥南岸附近,向215°方向延伸,露头断续,经王良抵狮子院以后,为中更新统第一组冲积、洪积层所覆盖。断层上盘为三叠系下统刘家沟组,下盘为上第三系砂砾石层与粉砂质泥岩。王良断层(F1)在供水隧洞区的印沟水库库尾出露,断层以北基岩地层为三叠系刘家沟组,以南为新第三系为主。区内其它地方未见其出露。平顶山砂岩中发育三组优势节理:第一组0°～35°∠75°～85°,第二组100°～125°∠75°～80°,第三组290°～310°∠80°～85°,节理面一般平直、闭合,多数无充填,密度一般1～2条/m,局部较密达3～4条/m,延伸长度1～8 m。

2　岩体主要物理力学特征及围岩分类

根据钻孔岩芯室内物理力学性质试验结果,新第三系洛阳组(N1l)泥岩为极软岩;三叠系刘家沟组(T1l)粉砂岩为较硬岩,石英砂岩为坚硬岩;二叠系石千峰组(P2sh)粉砂质泥岩为软岩;二叠系上石盒子组中段(P2s2)石英砂岩为坚硬岩;二叠系上石盒子组下段(P2s1)砂岩为坚硬岩,粉砂岩与泥质粉砂岩均为较软岩。为查明隧洞沿线新第三系砂砾岩和第四系砂砾石的密实度,在钻孔内进行了超重型动力触探试验,试验结果表明,新第三系砂砾岩(N1l)以密实—很密为主,局部稍密—中密;第四系上更新统冲洪积砂砾石层(Q3al+pl)以松散—中密为主,局部密实—很密。

本工程为地下工程,依据《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL55—2005,附录A),参考《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008,附录N)对引水隧洞及竖井围岩进行详细分类。围岩分类以岩石强度、岩层结构、岩体完整程度为基本依据,以岩层走向与洞轴线的关系、水文地质条件为辅助依据,对引水隧洞及竖井涉及的主要岩组进行了分类。

引水隧洞及竖井围岩为二叠系下石盒子组。上石盒子组下段、中段和上段,石千峰组、三叠系刘家沟组岩性为石英砂岩、粉砂岩、泥岩的组合,局部夹有煤层。新鲜薄—中厚层石英砂岩夹泥岩围岩以Ⅲ类为主,粉砂质泥岩(页岩)夹薄层砂岩围岩以Ⅳ类为主,三叠系刘家沟组砂岩夹粉砂岩以Ⅱ类为主,中新统(N1l)和上更新统(Q3)主要为Ⅴ类,王良断层带为Ⅴ类围岩,进口段由于局部受采空区及小浪底库水的影响较大,围岩类别降低为Ⅴ类。

3　竖井工程地质条件

新安县引畛济涧工程引水隧洞全长13.6 km,按照工程施工总体布置方案,隧洞沿线共布置了6个施工竖井。

3.1　1#竖井

布置于畛河右岸半坡(桩号K0+418),竖井呈圆筒型,直径5m,井口高程369.0 m,井深116.0 m。从上到下可分为两层,第一层埋深0～54 m,地层岩性为二叠系上统上石盒子组下段(P2s1)粉砂质泥岩夹薄层砂岩,表层岩石风化强烈,呈砂土状,节理裂隙不发育;埋深0～10 m围岩类别为Ⅴ类,埋深10～54 m围岩类别为Ⅳ类。第二层埋深54 m以下,为二叠系下统下石盒子组(P1x)黄绿色砂质页岩、页岩(或泥岩)为主,夹长石石英砂岩,埋深90 m处七2煤层可开采,煤层厚度0.48～0.77 m,为地方小煤矿采空区。埋深54～75 m、100 m至井底围岩类别为Ⅳ类,埋深75～100 m围岩类别为Ⅴ类。

3.2　2#竖井

布置于鑫地煤矿南侧耕地内(隧洞桩号K3+006),竖井呈圆筒型,直径5m,井口高程392.0 m,井深约140.0 m。竖井穿越地层自上而下可分为7层:第一层0～5 m,为第四系中更新统冲洪积(Q2al+pl)壤土层,厚度5 m左右,围岩类别为Ⅴ类。第二层5～46.6 m,为二叠系上统上石盒子组中段(P2s2)灰白色砂岩,砂岩坚硬,硅质胶结,厚度约41.6 m,埋深17.5～22.4 m处夹粉砂质泥岩。岩层倾角10°左右,岩体较破碎,发育两组高倾角节理,沿节理面砂岩弱风化,其中弱风化垂直埋深46.6 m,围岩类别为Ⅲ类。第三层46.6～52.35 m,为二叠系上统上石盒子组下段(P2s1)泥岩,厚度约5.75 m,围岩类别为Ⅳ类。第四层52.35～65.3 m,为二叠系上统上石盒子组下段(P2s1)青灰色砂岩,厚度约12.95 m,岩体完整,围岩类别为Ⅱ类。第五层65.3～140.8 m,为二叠系上统上石盒子组下段(P2s1)砂岩与粉砂质泥岩互层,厚度约75.5 m,岩体较完整,局部段较破碎,围岩类别为Ⅳ类。第六层140.8～153 m,为二叠系上统上石盒子组下段(P2s1)砂岩夹粉砂质泥岩,厚度约12.2 m,岩体较完整,围岩类别为Ⅲ类。第七层153～155 m,为二叠系下统上石盒子组(P1x)灰白色砂岩夹少量紫灰色粉砂质泥岩,夹有煤层,厚度约1 m,岩体较完整,围岩类别为Ⅲ类,施工中应进行有害气体监测。

3.3　3#竖井

3.4　4#竖井

3.5　5#竖井

布置于陈沟湾村北侧山坡耕地内(隧洞桩号K9+122),进口部位地形坡度较缓,平均坡度12°左右。竖井呈圆筒型,直径5 m,井口高程365.0 m,井深约112.0 m。

3.6　6#竖井

布置于连霍高速以北、S246省道路基东侧的果园内(隧洞桩号K11+080)。竖井呈圆筒型,直径5 m,井口高程352.2 m,井深102.0 m。

4　各竖井工程地质问题及处理措施

各施工竖井由于穿越地层不同所存在的工程地质问题也不尽相同,综合来看主要问题有围岩稳定问题、涌水问题、有害气体问题、老采空区问题。总体来说,1#～4#竖井条件相对较好,但局部围岩类别较差;5#、6#竖井成井条件较差。各竖井工程地质问题及处理措施见表1。

表1　竖井围岩分类及工程地质问题一览表

5　结语

从地质条件来看引畛济涧工程隧洞和竖井穿越的地层岩性主要是砂岩、泥岩、页岩、砾岩、泥灰岩,多数为较软岩或软岩,围岩条件不理想;穿越采空区,存在涌水、有毒气体等工程地质问题。本文重点分析了施工竖井的工程地质条件、工程地质问题及处理措施。引水工程重点是引水隧洞,而施工竖井的顺利完成是保证工程全面展开和完成的必要条件。竖井在开挖过程中,应高度重视所存在的工程地质问题,及时采取有效的处理措施,以免造成不必要的损失。

参考文献：

[1]闫思泉,刘振红,岳永峰,等.新安县引畛济涧工程初步设计阶段工程地质勘察报告[R].郑州:黄河勘测规划设计有限公司地质工程院,2013.

[2]工程地质手册编写委员会.工程地质手册[M].第四版.北京:中国建筑工业出版社,2007.