东山供水工程9号隧洞地质问题及影响分析

2017-08-07荆海丰

山西水利 2017年6期

关键词：岩爆涌水量主应力

荆海丰

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

东山供水工程9号隧洞地质问题及影响分析

荆海丰

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

阐述了9号隧洞的工程地质条件，对隧洞存在的主要工程地质问题及其对TBM施工影响进行了分析评价，为TBM施工掘进方案的选取以及相关预案的制定提供了可靠的地质资料。

东山供水工程；工程地质条件；工程地质问题；TBM施工

1 工程概况

东山供水工程是山西省境内的一项跨流域引调水工程，从富水区清漳河流域、浊漳河流域调水到贫水区的汾河流域。工程主要位于晋中市，横跨海河流域和黄河流域，供水体系涉及调水区3县，分别是晋中市的左权县、榆社县和长治市的武乡县；受水区为晋中市南部5县（市），分别为太谷县、祁县、平遥县、介休市、灵石县。

9号隧洞进口位于武乡县石盘乡石塔庄东约500 m处，出口位于祁县来远乡卫生院西约500 m处，其中石塔庄～牛家嘴为土洞段，牛家嘴～来远为基岩洞段。9号隧洞桩号7+062.46～29+691.41，全长约22.629km，进口底高程1016.4m，出口底高程1008.0m。

2 隧洞工程地质条件

2.1 地形地貌

石塔庄-牛家嘴为黄土低山丘陵区，地面高程1 015～1 130 m，洞线主要沿牛家咀沟左岸黄土梁展布。牛家嘴～来远段沿线地形起伏较大，冲沟发育，沿线主峰子金山山顶高程1 793.5 m，最低点来远镇昌源河河床约1 000 m，地面高程一般在1 200～1 600 m之间，相对高差一般在500～800 m之间，属构造剥蚀中山地貌。

2.2 地层岩性

土洞段主要位于石塔庄～牛家嘴黄土低山丘陵区，洞身段岩性为第四系下更新统Q1含砂低液限粘土夹级配不良砂、卵石混合土层。

基岩洞段主要位于牛家嘴～来远段构造剥蚀中山区，洞身穿过的地层岩性为三叠系下统和尚沟组（T1h）砖红、紫红色砂质泥岩，上部夹灰紫红色长石砂岩；三叠系中统二马营组第一亚组（T2e1）灰绿色中薄层细粒长石砂岩夹紫红色泥岩及灰绿色页岩等；三叠系中统二马营组第二亚组（T2e2）紫红色泥岩夹灰绿色中薄层斑状中粗粒长石砂岩；三叠系中统二马营组第三亚组（T2e3）灰绿色中厚层状长石砂岩夹紫红色泥岩。

2.3 地质构造

9号隧洞段大地构造部位处于吕梁太行断块的沁水块坳西北部之普洞～来远北东东向褶断带，构造体系属晋中山字型构造。沿线总体为单斜岩层，岩层产状为N40～55°E/NW∠8～12°，受背斜、向斜以及断裂构造影响，局部产生变化。

9号洞沿线断层及褶皱较发育，大的褶皱主要有：杨庄向斜和乔家凹～后庄向斜。

规模较大的断层主要有：西应斗坪～南关～紫金山断裂，西沟～前庄～官地断裂以及罗山垴断裂。沿线岩体主要发育三组节理裂隙：①N70～80°E/SE∠70～85°②N0～10°W／SW或NE∠75～85°③N70～85°W/SW∠65～85°。

2.4 水文地质

9号隧洞以紫金山一带为分水岭，东部为云竹河流域，西部为昌源河流域。沿线地下水类型主要为三叠系碎屑岩裂隙水、断层破碎带带状孔隙水。其中砂岩中节理裂隙较发育，岩层较厚，为含水层，泥岩为相对隔水层。

碎屑岩裂隙水主要赋存、运移于各透水层中，其补、径、排严格受相对隔水层控制，常具多层水位，其顺层方向渗透性远大于垂向方向渗透性，具有明显的各向异性渗透特征。据钻孔压水试验资料，砂岩段透水率一般7～11 Lu，换算成渗透系数一般为0.3～0.5 m/d，其渗透性等级一般为弱～中等透水性，泥岩段一般1～5 Lu，换算成渗透系数一般k=0.05～0.2 m/d，其渗透性等级为弱透水性。

断层破碎带带状孔隙水为带状渗透结构，多与层状透水层相通，构成地下水集中渗漏通道，亦可构成不同透水层地下水间的水力联系通道，其顺带方向渗透性明显大于垂向方向渗透性，其富水性影响因素主要有破碎带宽度、断层带性质、断层带充填物特征、断层带分布位置以及断层带两盘岩性。

基岩洞段除来远附近外，埋深一般在200～600 m，多为深埋长隧洞，区域地下水位埋深一般30～100 m，砂岩含水层段地下水状态多表现为现状流水，泥岩洞身段多表现为渗水、滴水或局部现状流水，发生涌水可能性小。局部受断层破碎带影响，构成地下水集中渗漏通道，成为发生涌水的主要集中点。

2.5 岩石物理力学性质

砂岩饱和单轴抗压强度34.6～74.5 MPa，平均值51.56 MPa，软化系数0.47～0.80，平均值0.63，饱和弹性模量E=（0.43～4.17）×104MPa，平均值1.66×104MPa，泊松比0.21～0.34，平均值0.26，属中硬岩。砂质泥岩、砂质页岩、泥岩饱和抗压强度9.21～25.6 MPa，平均值17.27 MPa，饱和弹性模量E=（0.12～0.99）×104MPa，平均值0.53×104MPa，泊松比0.21～0.39，平均值0.29，软化系数0.34～0.74，平均值0.49，属较软岩～软岩。

2.6 地应力

工程区内隧洞围岩岩体以构造应力为主，三个主应力在洞身部位的次序为：最大水平主应力为最大主应力，垂直主应力次之，最小水平主应力为最小主应力。9#隧洞工程区域的最大主应力方向近似为N60°W左右。与区域构造应力场方向基本一致。4个测试钻孔共选取6段完整泥岩段做测试，其余段为砂岩完整段，经分析来看，泥岩与砂岩段地应力值无明显差异。其中以ZK11LL-3钻孔处最大水平地应力值最大，达15.67 MPa，分析可能受其所处构造部位有关，该处基本处于杨庄向斜轴部，受该向斜影响，其北翼地层倾角达30°。

2.7 地温

地温室测试采取数字测温仪对ZK11LL-2钻孔进行测试，测温从200 m开始，温度为20℃，深度490 m时，温度为24.7℃，平均每100 m地温升高1.62℃，仅在330～340 m、380～390 m两处有着0.5℃/10 m、0.4℃/10 m的异常，但总的来看，全孔的温度变化还是属于正常的地热增温。

由于隧洞区内断层活动性总体较低，一般情况而言，地温随深度的增加而增加，不太可能出现地热异常现象。另据国内外一些资料表明，高地温多出现在埋深1 500～2 000 m以下。预测的洞室埋深最大处的地温仅25℃左右，温度不高，对施工无影响。

3 隧洞存在的主要工程地质问题

3.1 硬质岩隧洞段稳定问题

3.1.1 弯曲折断破坏

9号隧洞沿线地层多砂岩与泥岩互层地层，且岩层多为缓倾角，在洞顶的岩层在重力作用下易下沉弯曲，进而张裂折断形成塌落体。

3.1.2 劈裂剥落

9号沿线多为缓倾角地层，隧洞侧壁发生片帮可能性较小，但其顶供受层面影响，在砂岩与泥岩互层段，受其压应力作用，发生片状冒落可能性大。

3.1.3 岩爆问题

按照岩石强度应力比进行岩爆分级，9号隧洞厚层砂岩存在岩爆问题，多为轻微岩爆（Ⅰ级），仅在桩号19+223～19+624、21+775～22+366段中等岩爆（Ⅱ级）。但据钻孔勘探资料，9号隧洞沿线地层节理裂隙较发育，洞身均处于地下水位以下，砂岩段富水性较好，且多为软硬相间地层，岩石不易积聚过高的能量，而又不利于岩爆的产生。据国内外工程经验，高地应力是岩爆发生的基本条件之一，其最大主应力一般大于20MPa。此次地应力测试，最大水平主应力仅15.67MPa。

3.2 软质岩洞段变形稳定问题

3.2.1 塑性挤出

9号隧洞段存在砂质泥岩、砂质页岩、泥岩等软质岩段。据钻孔ZK11LL-3勘探记录，在孔深338～355 m段泥岩存在缩孔现象，且岩芯多呈软泥状。按岩石物理性质，将垂直地应力值反算为埋深，可知其埋深大于304 m的极软岩就存在大变形问题。9号隧洞化岭村至东鱼沟沿线（桩号13+800～26+900）极软岩存在大变形问题。

3.2.2 膨胀内鼓

据泥岩矿物成分及膨胀性试验成果，泥岩伊利石含量13.86～20.94%，伊蒙混层含量16.58～27.72%，无蒙脱石，其自由膨胀率均小于1%，可看出，泥岩为非膨胀性岩。不存在因膨胀而引的软岩变形问题。

3.2.3 塑流涌出

9号隧洞沿线，规模较大的断层较发育，断层影响带宽达数十米，带内多为碎裂岩、断层泥及断层角砾等组成，沿线地下水位埋深浅，隧洞处外水压力高达几百米，在导水性较好的断层带内更为明显，在高外水压力作用下，发生塑流涌出的可能性较大。

3.2.4 重力坍塌

在9号隧洞土洞段及主要断裂带内，在地应力及地下水流的作用下，发生重力坍塌可能性较大。

3.3 外水压力问题

基岩洞段除来远附近外，埋深一般在200～600 m，多为深埋长隧洞，区域地下水位埋深一般30～100 m，洞身处受外水压力较大。依据《水利水电工程地质勘察规范》附录W外水压力折减系数，结合9号隧洞沿线工程地质水文地质条件对洞身段水头进行折减。砂岩段折减系数取0.5，断层破碎带折减系数取0.65～1.00，富水及导水性好的断层一般取0.8，导水性差的断层取0.65。

3.4 隧洞开挖涌水量估算

隧洞涌水量估算假设泥岩为相对隔水层，不再估算泥岩洞身段涌水量，涌水量估算分为三种类型，一为土洞段涌水量估算，二为砂岩洞身段涌水量估算；三为断层破碎带涌水量估算。

根据隧洞沿线含水层特点，对潜水含水体中洞段计算采用《水利水电工程水文地质勘察规范》中古德曼公式，对具有承压含水体的基岩洞段采用《水文地质手册》中水平坑道涌水量计算公式，对断层破碎带洞段采用断裂带集中涌水公式分别进行估算。

经计算，9号隧洞总的涌水量为60 436.6 m3/d。因计算时假定泥岩为相对隔水层，而实际状况，泥岩洞段因夹薄层砂岩，可能也会发生渗水或流水问题，所以估算涌水量可能与实际有偏差。

3.5 围岩工程地质分类

9号隧洞全长22.629 km，进口段为土洞，长1.881km，围岩类别为Ⅴ类。基岩洞段长20.748 km，隧洞围岩为三叠系砂岩、泥岩，围岩一般厚200～560 m，围岩类别为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，其中Ⅲ类洞段长5.265 km、Ⅳ类洞段长7.034 km、Ⅴ类洞段长8.449 km，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩分别占基岩洞段总长的25.4%、33.9%、40.7%。在Ⅴ类围岩中有53.78%为泥岩洞段，有46.22%为断层带及影响带。

4 9号隧洞地质对TBM施工影响

9号隧洞沿线为三叠系厚层砂岩、厚层泥岩及砂泥岩互层地层，为中硬岩、软质岩地区，沿线发育较大规模断层。隧洞段通过云竹河流域和昌源河流域之间地下分水岭，地下水位一般埋深浅，存在高外水压力。场地原始地应力以构造应力为主，存在相对高应力区。

针对本工程具有距离长、不良地质段多等特点，主要存在软岩段变形挤出、硬质岩岩爆、断层带处涌水、突泥及塌落等工程地质问题。施工中应注意的几个工程地质问题：一是软岩挤出变形影响；二是掘进中的涌水问题，地下水是影响围岩和洞室施工安全的重要因素，隧洞的涌水更是常见的工程地质灾害。而且深埋长隧洞的涌水还具有涌水量大、水头压力高、补给丰富的特点，洞室岩体的突发涌水，是影响施工进度和安全的一个重要因素，如何尽早、准确预测涌水，适时处理涌水对施工非常重要。三是岩爆的破坏作用。TBM设备本身具有以下特点能最大程度的减少岩爆的发生几率和产生危害，TBM掘进后的掌子面较圆顺，不易发生应力集中，刀盘设有喷水装置，喷水对掌子面岩石能起到软化的作用，采用双护盾TBM时，护盾具有防护作用，能防止岩爆对人和设备的损害。TBM配置的支护系统能高效、协调的工作，使T BM能快速支护并通过岩爆地段。四是较大断层和破碎带的稳定问题。断层破碎带是隧洞围岩失稳和出现地质灾害的突出地段，容易引起塌方、大量涌水，甚至突发性涌水。因此，TBM对断层破碎带的掘进适应性尤为重要。本工程隧洞穿越多条较大规模断裂，断裂带及其影响带宽度达数十米宽、甚至数百米，此类围岩因强度低，其完整性差，易产生塌方，从而加大了TBM施工的难度，这就需要进行预测和研究断层和破碎带的特点，合理选择和配置刀盘转速和贯入度等掘进参数。及早做出准确预报，根据断层带的地质及水文地质状况，能进行超前支护预固结处理。