引江补汉工程深埋长隧洞主要工程地质问题

耿军民，颜慧明，贾建红，李士明，万永良

（1.长江岩土工程有限公司，430010，武汉；2.长江三峡勘测研究院有限公司（武汉），430074，武汉）

一、线路区基本地质背景

引江补汉工程位于鄂西北山区，线路穿越了黄陵断穹、荆山山脉及秦岭山脉，处于中国地势第二阶梯东缘向第三阶梯过渡地带，地貌以中山为主，地势总体呈“中部高、南北低”的特征。线路地面高程100～1 295 m，线路区内山间河谷发育，中山山地向平原过渡区低山、丘陵、岗地等发育，局部还发育有盆地，总体上地貌复杂多样。输水隧洞最大埋深1 182 m，埋深大于1 000 m洞长9.7 km，占比5%，埋深600～1 000 m洞长77.1 km，占比39.7%，埋深小于600 m洞长107.5 km，占比55.3%。

输水隧洞穿越地层岩性复杂多样，火成岩、变质岩、沉积岩三大岩类均有分布，可溶岩与非可溶岩相间分布，涉及11个地质年代系、54个岩组。根据初步分类，隧洞穿越硬质岩类构成的洞长占比约70%，软质岩类构成的洞长占比约30%，其中可溶岩分布洞长占比约23%。

工程区地质构造复杂，区域性断裂及褶皱发育，输水隧洞跨越了秦岭褶皱系（Ⅰ）和扬子准地台（Ⅱ）2个一级构造单元、56条区域性断层、多个区域性褶皱、2条工程活动性断裂，隧洞穿越城口—房县断裂东段及通城河断裂洞段区域构造稳定性较差，其余地段区域构造稳定性好或较好。

为研究线路区地应力场特征，便于研究隧洞线路与地应力相关地质问题，坝下方案布置地应力测试钻孔20个。总体而言，线路区内地形、地质、构造条件复杂，具有相对较高构造应力的地质背景。隧洞埋深较大的山区，隧洞布置高程范围内地应力水平总体较高，具大于20MPa的高地应力水平；高程400m以下的丘陵、岗地和平原区，隧洞布置高程范围内地应力水平总体不高，属中等偏低应力及以下水平。

二、深埋长隧洞主要工程地质问题

目前对于深埋长隧洞的定义尚没有统一的标准。《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）规定，埋深大于600 m的隧洞为深埋隧洞；钻爆法施工长度大于3 km，TBM法施工长度大于10 km的隧洞为长隧洞。近年随着我国水利水电工程迅速发展，大埋深、长距离的水工隧洞也逐渐增多，包括目前在建的长62.6 km、最大埋深1 450 m的滇中引水香炉山隧洞，以及已经建成的长98.3 km、最大埋深2 012 m的引汉济渭秦岭输水隧洞，长16.67 km、最大埋深2 525 m的四川锦屏二级水电站引水隧洞等。这些深埋长隧洞具备一些共同特点，包括工程地质条件极为复杂、施工存在高地质风险、深埋长隧洞多以TBM法施工为主、前期地质勘察的精度不高等。

引江补汉工程输水隧洞埋深大于600 m洞段长86.8 km，占比44.7%，布置TBM法施工段9段，占比61.5%，属于典型的深埋长隧洞，具备线路长、埋深大、地形地貌复杂、地层岩性多样、地质构造复杂、岩溶水文地质条件复杂、地应力水平总体偏高等特点。工程存在涌水突泥、高外水压力、软岩大变形、活动断裂活动性影响、坚硬岩岩爆、围岩稳定、有害气体、放射性、高地温等主要工程地质问题。

1.涌水突泥问题

线路区输水隧洞涌水突泥类型主要有岩溶涌水突泥、断裂破碎带或裂隙密集带涌水突泥、向斜核部等储水构造的涌水突泥。结合本工程隧洞富水地质条件对隧洞涌水进行初步分析，采用水均衡法及地下水动力学解析法进行涌水量初步估算，预测推荐方案龙安1线涌水洞段长5.44 km，占比2.8%。

涌水突泥主要集中在向斜储水构造或者背斜一翼，具有稳定补给源的岩溶强发育区、可溶岩与非可溶岩接触部位、断层构造带，尤其是张性构造带以及上述涌水突泥问题相互叠加部位更应该引起重视，需做好超前地质预报及相应工程措施。隧洞渗涌水的防治必须在“以堵为主，限量排放”原则下提出渗控措施，把工程对隧洞区地下水环境的影响控制在环境可接受范围。

2.高外水压力问题

目前高外水压力缺乏统一界定，根据类似工程经验，确定外水压力大于等于1 MPa时为高外水压力。采用隧洞外水压力水头与外压力折减系数（根据各隧洞上覆岩体的透水特性确定）的乘积作为外压力值。隧洞穿越断层、可溶岩、褶皱构造、裂隙密集带等不良地质洞段，因岩体富水、破碎，使得隧洞可能存在高外水压力问题。

依据勘察钻孔实测资料、部分地下水水位长期观测资料，分析全线地下水埋藏情况。经初步分析，预测高外水压力主要分布于穿越深部岩溶地层洞段、导水断裂带洞段、穿越褶皱核部及富水层过河（沟）段，累计洞段长度25.3 km，约占隧洞总长的13.0%，高外水压力量级一般为1.0～2.6 MPa，最大约4.9 MPa。

对于高外水压力问题，降低水压力时要遵循“以堵为主，限量排放”的原则，并综合考虑地下水环境影响要求。

3.软岩大变形问题

隧洞穿越软岩洞段或断层软弱带，在相应地应力条件下可能产生塑性挤压变形，导致围岩破坏、TBM卡机等。根据隧洞围岩岩石饱和单轴抗压强度（Rb）与隧洞断面最大初始主应力（σm）比值的大小，参考滇中引水工程软岩变形程度判别与分级研究成果，并依据《水力发电工程地质手册》，采用强度应力比进行挤压变形分析，并结合隧洞软岩特性和工程特点对判别标准进行修正。软岩变形程度判别与分级见表1。

表1 软岩变形程度判别与分级

引江补汉输水隧洞埋深相对较深，软岩变形程度以中等～轻微变形为主，长度32.2 km；少量严重和极严重变形，长度4.8 km。软岩大变形多位于断裂（层）软弱带和局部超深埋软岩洞段。

4.坚硬岩岩爆问题

根据场地地应力特征，结合线路区各构造单元划分，利用隧洞埋深、围岩应力、岩石饱和单轴抗压强度等指标，确定可能产生岩爆的各坚硬岩组在不同构造单元应力条件下产生各等级岩爆的临界埋深。对比分析隧洞埋深与发生岩爆临界埋深，初步判定产生可能岩爆洞段，再结合钻孔、大地音频电磁测深物探剖面成果，对可能产生岩爆洞段中的完整性差～破碎岩体、富水洞段等进行筛除。初判中等岩爆洞段长24.9 km，占比12.8%；强烈岩爆洞段长0.9 km，占比0.5%。

5.工程活动断裂活动性影响

隧洞穿越的城口—房县断裂（F48）和通城河断裂（F12）为工程活动断裂，其对工程的影响主要表现为蠕滑累计位移对工程结构的剪切破坏。综合采用历史地震法、滑动速率法、断层长度转换法、预测震级转换法、定量类比法分析，认为工程设计使用年限内，隧洞工程过活动断裂部位水平向累计蠕滑位移0.023～0.172 m，垂直向累计位移0.066～0.205 m，变形宽度小于100 m。

6.对地表水和地下水环境影响

（1）对地表水环境影响

沿线地表水主要分属长江水系和汉江水系。输水隧洞总体埋深较大，离地表水体较远，岩性多为不透水岩组，隧洞施工对地表水影响有限，但在局部洞段，如穿越水库等地表水体的浅埋段或穿越断层导水带洞段，水体可能沿断层、裂隙渗入隧洞，在产生较大涌水的同时，对地表水环境、水库蓄水等也可能产生影响。

（2）对地下水环境影响

线路在穿越可溶岩时，隧洞低于区内岩溶水系统强溶蚀带下限，线路直接揭穿大型岩溶管道而造成大范围地下水疏干可能性不大，但部分钻孔勘查显示，弱溶蚀带以下的微溶蚀区存在小溶洞、溶隙和溶孔等深岩溶现象，最低高程已到-5 m左右，隧洞施工时可能因深岩溶现象而沟通地下水，进而影响地下水环境。施工支洞由地表向深部输水隧洞开挖，不可避免会穿越可溶岩强溶蚀带，并经过可溶岩垂直渗流区、水平径流区进入地下水水位以下，遭遇岩溶水管道系统而造成大范围地下水疏干的风险较高；另外，隧洞穿越可溶岩区断层破碎带时，也存在因断层导水而疏干周缘范围地下水的风险。

断裂带或断层的一侧岩石多破碎，给地表水入渗、溶蚀提供了良好的条件，是水-岩交互作用的良好场所，岩溶较周边更为发育。断层带直接与地表水体连通，隧洞穿越断层带时，可能产生大的涌水，进而通过断层带导水影响地下水。

7.Ⅳ、Ⅴ类围岩稳定问题

隧洞Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段累计长度占比分别约30%、15%，主要是断裂（层）软弱破碎带及其影响带、志留系软质岩洞段以及局部分布的软弱夹层或裂隙密集带随机分布洞段，Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段岩体呈破碎、较破碎、薄层状，或性状软弱，围岩自稳时间很短或不能自稳，应加强施工期超前地质预报，并采取安全可靠的工程措施。

8.有害气体、放射性及高地温问题

（1）有害气体

根据现场和室内试验检测结果，输水隧洞可能生成有害气体的洞段预测累计长度43.8 km，占比22.5%，主要为CO浓度超标，部分洞段H2S、NO浓度超标。隧洞穿越这些地层时可能发生易燃易爆气体富集爆炸、有毒气体及放射性物质威胁人身安全等危害，建议施工中加强通风和监测。

（2）放射性

根据钻孔放射性测试成果，在黄陵断穹区域分布的花岗岩、闪长岩、片麻岩等地段钻孔内测出放射性氡，浓度为12～82 Bq/m3，其他地段的区域性断层带及其附近钻孔也测出少量放射性氡，浓度为5～45 Bq/m3，小于《公共地下建筑及地热水应用中氡的放射防护要求》（WS/T 668—2019）中地下建筑中平均氡浓度参考水平400 Bq/m3，一般不存在放射性超标问题，但仍不排除区域性断裂、侵入岩脉等情况下局部放射性超标的可能。

（3）高地温

根据各钻孔井温测试成果，分析测试钻孔地温分带深度特征、增温带增温梯度等，初步预测高地温（大于28℃）临界深度，预测输水隧洞高地温洞段累计长度32.9 km，温度达28～39℃。高地温对隧洞施工安全构成威胁，需加强监测和通风等工程措施。

三、结 语

①引江补汉工程输水隧洞存在涌水突泥、高外水压力、软岩大变形、坚硬岩岩爆、工程活动断裂活动性影响、对地表水和地下水环境影响、围岩稳定、有害气体及放射性、高地温等深埋长隧洞通常涉及的工程地质问题。对于这些主要工程地质问题及环境地质问题，初步设计阶段还需进行进一步深入勘察研究，为工程设计提供更多深化的工程地质资料。

②在总结前期勘察成果基础上，分析了引江补汉工程深埋长隧洞存在的主要地质问题，研究成果对隧洞施工期合理规避与有效防控相关工程地质问题具有重要的指导意义。

③深埋长隧洞涉及的工程地质问题分析评价以预测为主，开展深埋长隧洞施工期超前地质预报设计论证是十分必要的。