引漢濟渭秦嶺輸水隧洞越嶺段主要工程地質問題

王新華

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安710001)

引漢濟渭工程位于陜西省南部的秦嶺山區，工程跨越黃河、長江兩大水系，呈線狀分布，將漢江水調入渭河水系。

開發方案為，在漢江干流修建黃金峽水庫樞紐，通過黃金峽抽水泵站經秦嶺輸水隧洞黃三段引水隧洞，將漢江的水引入三河口水庫中，經調節后再通過秦嶺輸水隧洞越嶺段送至黑河口，向關中地區城鎮供水及向渭河補水。

秦嶺輸水隧洞越嶺段從黃三段隧洞出口控制閘引水進洞，流入黑河口下游黃池溝，隧洞全長81.625 km。秦嶺隧洞設計流量70m3/s，多年平均輸水量15億m3，比降為1/2500，采用圓型(D=6.92m/7.52m)或馬蹄型(6.76×6.76m)結構。

1 輸水隧洞越嶺段工程地質條件

輸水隧洞越嶺段為引漢濟渭工程的主要組成部分。工程區地質條件復雜，前人所做工作很少，可利用資料缺乏。因此詳細查明其工程地質條件，準確預測、預報洞內可能發生的地質災害和特殊地質問題，才能為輸水隧洞越嶺段的設計和施工提供科學依據。

1.1 地形地貌

引漢濟渭秦嶺隧洞位于秦嶺西部山區，地貌總體受構造控制，在新構造作用影響下，經長期水流侵蝕、切割，形成了較為復雜的地貌單元。隧洞自南向北，橫穿秦嶺山脊，進出口兩端為秦嶺中低山區，中部為秦嶺中高山區，最高山峰為2704.6m，隧洞全長65 km，最大埋深為2 012m。

2.2 地層巖性

本區地層巖性復雜多變。基巖為變質巖和巖漿巖兩大類。變質巖主要有片巖、片麻巖、大理巖、變砂巖和千枚巖。巖漿巖主要為花崗巖、閃長巖、石英巖，以及少量的構造巖。除千枚巖、云母片巖和構造巖為軟巖外，其余均為堅硬巖。巖漿巖主要分布在隧洞的中部，而變質巖主要分布在隧洞的進出口段。

1.3 地質構造

秦嶺隧洞區在大地構造單元上屬于秦嶺褶皺系，區內次一級褶皺構造發育，褶皺帶總體呈近東西向展布，主要發育有加里東期褶皺帶和華力西、印支期褶皺帶，褶皺形態復雜。因受侵入體和斷裂構造的破壞，褶皺形態已不完整。但次一級褶皺，劈理及撓曲仍較發育。

秦嶺隧洞區通過1條區域性大斷裂商縣—丹鳳斷裂，走向為近東西向，表現為壓性，傾北，另1條為區域上的山陽—鳳鎮斷裂，走向為北西西，表現為張性，傾北，該區域大斷裂在隧洞通過區由于受華力西期閃長巖的侵入，表現為泥盆系中統劉嶺群池溝組變質粉砂巖與華力西期石英閃長巖的侵入接觸帶，沿東西方向約13 km范圍內尖滅。區域性大斷裂具有切割深、延伸長、規模大的特點;其次還發育有16條地區性一般性斷裂，走向多為近東西向，少量為北東向、北西向，多數表現為壓性，少數表現為張性及平移性質，規模較小，多為較窄的破碎帶，斷帶物質主要由碎裂巖、糜棱巖、斷層角礫巖、斷層泥礫組成。

本區新構造運動不明顯，未見有活動斷層。本區地震活動微弱，歷史上小震較多，無較大歷史地震記載?？刂票緟^地震動的最大值為外圍地震的影響，其值不大。據《中國地震動參數區劃圖》(GB/18306—2001)顯示，在板房子—楊家山—老莊子一線(山陽—鳳鎮斷裂)以北地區，地震動峰值加速度為0.1g，相應的地震基本烈度為Ⅶ度，以南地區地震動峰值加速度為0.05g，相應的地震基本烈度為Ⅵ度。

1.4 水文地質條件

根據出露的地層巖性、地質構造特征，并結合含水介質的不同，地下水分為基巖裂隙水、巖溶裂隙水和第四系松散堆積層孔隙水三大類。

基巖裂隙水主要儲存于基巖裂隙及區域大斷裂破碎帶中，依據儲水裂隙成因的不同，可分為構造裂隙水、風化裂隙水及原生層理裂隙水。根據秦嶺隧洞地區裂隙網絡分布特征，基巖裂隙水類型又可分為網狀(或層狀)裂隙水及脈狀裂隙水。巖溶裂隙水主要儲存于巖溶裂隙中。第四系松散堆積層孔隙水主要儲存于沖、洪積層中。

秦嶺隧洞區地下水以潛水為主，局部具有弱承壓性。但由于其含水介質的各向異性，使地下水的補給、徑流、排泄條件十分復雜。

秦嶺隧洞通過區地下水分為嶺南、嶺北兩大水流系統，并根據斷裂構造及地形地貌條件分為若干子水流系統，兩大水流系統之間及其內部各子水流系統之間水力聯系微弱，基本無統一的地下水面。因此，地下水補給、徑流、排泄主要受地層、巖性、地質構造的控制。

嶺南屬漢江水系，發育的較大河流有蒲河及其一級支流木河、石板溝，流量較大，其他一級支溝還有蘿卜峪溝、九關溝、里長溝、古里溝、石橋溝等，溝中地表水流量較大;嶺北屬渭河水系，發育的較大河流有黑河及其一級支流王家河和虎豹河，常年有水。同時，這幾條河流也為測區最低的地下水排泄基準面，使得地下水以近南北向徑流排泄。此外，各主要有水支流也形成各自的小流域系統。受斷裂構造及局部地形地貌的影響，各子水流系統(即支流水系)地下水徑流方向與區域徑流方向有所不同。

秦嶺隧洞地下水補給來源主要為大氣降水及地表河溝水。秦嶺隧洞通過區溝谷發育，這些溝谷一般都分別構成一個小的、獨立的地下水循環系統。由于斜坡地形使降水很快以片流、泉水形式向地表排泄;枯水期地表水雖然也向地下水補給，但由于地表水徑流量有限，對地下水的補給量不會太大。

地下水的排泄方式，除以河流、溝谷作線狀排泄外，還以泉點作點狀排泄。秦嶺隧洞區出露有許多泉點，多數分布于斷層附近，并多以串珠狀產出，也說明這些斷層屬阻水斷層。

2 秦嶺輸水隧洞越嶺段主要工程地質問題

2.1 高地應力與巖爆問題

對深埋隧洞而言，其硐室穩定不可避面受到高地應力與巖爆的威脅，秦嶺輸水隧洞越嶺段洞身埋深大，隧洞圍巖主要為硬脆巖，同時部分洞段穿越高地應力區，因此具備了發生巖爆的工程地質條件。

秦嶺輸水隧洞越嶺段洞身深孔地應力測試結果表明，三項主應力的關系為:SH＞Sh＞SV，具有較為明顯的水平構造應力的作用，且地應力值較大。根據巖石的極限抗壓強度(Rc)與垂直隧洞軸線的最大主應力(σmax)之比對巖體初始應力場作出評估，在SZK－1孔隧洞埋深部位(約365m)處，Rc/σmax=3.43＜4，在 SZK－2孔隧洞埋深部位(約251m)處，Rc/σmax=3.57＜4，均說明存在極高初始應力，有發生巖爆的地應力條件。根據巴頓的切向應力準則，將圍巖的切向應力(σθ)與巖石的極限抗壓強度(Rc)之比作為判斷巖爆的判據。在SZK－1孔隧洞埋深部位(約365m)處，σθ/Rc=0.712＞0.7，在 SZK－2孔隧洞埋深部位(約 251m)處，σθ/Rc=0.719＞0.7，從兩個孔的計算結果可以看出，在相應的埋深條件下，由于隧洞的開挖，洞室附近產生應力集中，均可能發生巖爆。

類比秦嶺鐵路特長隧道巖爆段地質條件，可以發現同時具備下列條件的洞段巖爆災害的可能性較大。

1巖質堅硬，彈性模量大，抗壓強度高，新鮮巖石飽和抗壓強度均大于60 MPa的脆性巖石。

2所有發生巖爆地段，都是受地質構造影響輕微，斷裂構造不發育，節理不發育—較發育，巖體體積節理數JV值多為2～8條/m3。巖體完整性系數均大于0.55，巖體完整或較完整，為Ⅰ、Ⅱ類圍巖。

3無地下水活動，巖體干燥，為Ⅰ、Ⅱ類圍巖。絕大多數巖爆洞段皆為貧水段，有少數巖爆段屬弱富水段，而在富水段落無巖爆。

4絕大多數巖爆發生在埋深大于500m的洞段，位于嶺脊前后，少數巖爆發生在埋深較淺50～350m，沿隧洞軸向，洞身段對應地表皆為地形急驟變化的陡坡地段。

從巖爆段隧洞埋深條件分析，秦嶺隧洞高地應力區也主要分布在埋深大于500m的洞段。而在隧洞淺埋段斜坡應力集中帶內，也存在局部應力集中，有發生巖爆的可能性。巖爆的等級以中等—輕微為主，局部可能發生強烈巖爆。

根據有關資料以及秦嶺地區深鉆孔地應力實測資料，分析認為秦嶺隧洞區地應力較高，當在堅硬完整、干燥無水的Ⅰ、Ⅱ類圍巖地段的花崗巖、閃長巖地層中進行開挖時，由于應力集中，在掌子面或離掌子面一倍左右洞徑的地段便有發生巖爆、甚至發生較強烈巖爆的可能。預測隧洞通過嶺脊花崗巖、閃長巖地段約20 km范圍內巖爆在所難免。因此，設計施工均應采取措施，確保人身和設備安全。

目前防治巖爆常采取的措施有加強現場巖爆監測、噴灑高壓水、加強臨時支護、設臨時防護網、改善施工方法等。

2.2 高地溫與熱害問題

一般認為，當洞內氣溫達到26℃至28℃以上時，就對人體有影響，有害以至于影響工作效率，而必須采取一定的降溫措施。

秦嶺隧洞通過地段最大高程2 530m，隧洞最大埋深1 925m，根據區域地質資料和本次地質調查，隧洞區無活動性斷裂及近代火山巖漿活動，也未發現溫泉、熱泉等，故該區應處于“正常增溫區”。本區年平均氣溫值為13℃。類比距本工程約70～80km已成西康鐵路秦嶺特長隧道和西康公路秦嶺終南山隧道的工程實踐和經驗公式，地下水活躍帶地溫梯度為16.7℃/1 000m，地下水滯留帶地溫梯度為22.3℃/1 000m，結合秦嶺隧洞SZK－1、SZK－2孔測井資料計算的實測地溫梯度，經綜合分析后初步估算，隧洞埋深最大處原巖溫度約為37℃。對隧洞施工有一定影響，必須保證工作面施工所需的足夠通風量以及采取防熱措施。

通過工程類比，秦嶺隧洞區的地熱狀況具有以下幾個特點:

1)北秦嶺最后封閉于早古生代晚期，巖漿活動對該區現在的淺部地溫場沒有影響。巖漿巖、變質巖及各類構造巖，熱物理性質較為接近。隧洞區附近無溫泉、地下熱水分布。

2)隧洞區無斷裂構造引起的地溫升高異常。

3)地下水發育地段，地溫比正常背景值偏低，地溫梯度偏小。該區地表下約360m以上地段，一般都具有地下水補給，徑流、排泄條件良好，地下水豐富、運移活躍的特點，地溫場受到歪曲，地溫梯度比正常背景值偏小。

4)斷層帶往往因為節理裂隙發育，地下水補給、徑流、排泄條件良好，地下水豐富、運移活躍的特點，一般亦具有地溫偏低、地溫梯度偏小的特點。

5)隧洞區地表下360m以下，特別是隨著深度的不斷增加，地下水的補給、徑流、排泄條件都會愈來愈差，一般都具有地下水運移不活躍的特點，地溫梯度一般約為2.15℃/100m～2.29℃/100m，代表了該區深部地質體的正常增溫。

6)既有西康鐵路秦嶺特長隧道的研究結果表明:地形起伏變化很大的、高海拔的秦嶺嶺脊與其嶺南、嶺北兩側相對較低的低海拔地區相比，按照同一地溫梯度考慮，秦嶺嶺脊的地溫偏低。

綜合以上分析可知:該區除地表下360m以上地段因地下水發育，地溫場受到歪曲以外，其深部地溫場正常。

目前防治熱害常采取的措施是加強通風、噴淋冷水、個體防護、采用絕熱風管、人工制冷等。

2.3 放射性問題

根據秦嶺鐵路隧道地面測量及測井資料綜合分析，放射性異常主要集中在斷裂帶附近，分布無規則。這是因為斷裂帶中多有偉晶巖脈侵入，其中含有一定放射性物質;而斷裂帶的破碎巖石亦常常吸附了一些放射性礦物，造成構造淋積型異常。據鐵路隧道施工監測，放射性指標未超出允許范圍，對人員與運營無危害。

秦嶺隧洞的深孔自然伽馬測井表明，在蘿卜峪溝(SZK～1)鉆孔的局部段落(385～398m)有異常出現(相當于335γ)，分析認為這與花崗巖脈侵入有關。

借鑒秦嶺鐵路隧道的資料，并通過對秦嶺隧洞區的地面測量及測井資料分析，隧洞區地層巖性天然放射性的背景值一般為20γ～50γ，居民世代在此生活，身體未受影響的客觀情況。初步預測隧洞通過段不會有較大的放射性巖體存在，不排除局部有放射性異常的存在，建議在后續勘察中進一步探測并應在隧洞施工過程中加強監測，視具體情況采取防護措施。

2.4 圍巖穩定問題

秦嶺隧洞通過2條區域性大斷層和16條地區性一般性斷層，多呈北西西—近東西向在測區連續展布，采用秦嶺隧洞時，無法繞避。斷層破碎帶物質多由斷層泥礫、角礫巖、糜棱巖、碎裂巖等組成，松散、破碎、含水。隧洞圍巖自穩能力差，施工時容易發生圍巖失穩現象。

目前常采取的防治措施是開挖通過破碎帶時采取小藥量的爆破、短進尺、分部、臺階法開挖等方法，盡量避免因施工擾動引發坍塌。對于已出現的小型坍塌、掉塊等圍巖失穩，要及時采取噴錨支護措施和施做永久襯砌。在預計將通過較大斷層帶時，要做好超前地質預報，根據預報結果，研究施工方案，必要時采取超前預注漿等巖體預加固措施。

2.5 隧洞施工涌(突)水、涌泥問題

隧洞通過各斷層破碎帶、大理巖地段，由于構造裂隙水及巖溶較發育，地下水循環較快，施工中有可能產生突然涌水現象。在通過斷層泥礫帶、含泥質地層的影響帶時有可能產生突水涌泥現象。

既有西康鐵路秦嶺特長隧道開挖時揭露了多處集中突、涌水段，主要分布于斷層帶及影響帶。經平導及地面取樣做氚、氘、氧放射性同位素分析，隧道區地下水屬大氣降水補給，淺埋地段以近幾年入滲的大氣降水為主，深埋地段以40～50年前入滲的降水為主，局部地段還存在上述兩個時代降水的混合水。但不論何時形成的地下水，隧道所涌之水均為儲存于非均質各向異性的裂隙含水介質中的靜儲量，與地表水體無直接水力聯系。據秦嶺隧洞區2個深鉆孔的水文地質資料揭示，區內地下水主要活躍于120～360m的深度范圍內，其它埋深范圍或水量較少，或水流處于滯流狀態。在此環境下，預測秦嶺隧洞施工中有水，但出水點分布不均，主要在斷帶及影響帶、節理密集帶、軟弱結構面、巖脈和巖溶分布地段，出現大段落突然涌水的可能性不大。但由于斷裂帶物質組成和巖化程度的不均一，特別是斷層中還有泥礫等軟弱夾層，因此，對局部可能出現的較大涌水仍須有所防備。預測隧洞通過嶺北QF3、f6、f7、f8、f14、f15斷層帶時，可能出現較大突然涌水涌泥。

大理巖，主要分布于嶺南郭家壩和古里溝之間，巖溶較發育，巖體中發育有溶蝕小溝槽、鐘乳石、小溶洞及巖溶泉水。經初步調查及訪問當地居民，基本情況如下，線路AK10+200右側900m有一泉水，四畝地鄉人畜飲水依靠該處泉水，經實測，出水量約為770m3/d;線路AK11+600左側1.1～1.2 km左右，發育三處溶洞，名叫大龍洞、二龍洞、三龍洞，最大的大龍洞洞口高3m，寬8～9m，溶洞洞口被雜物覆蓋，周圍溶蝕現象發育，二龍洞無水，大龍洞和三龍洞有水，經實測，大龍洞出水量約為700m3/d，三龍洞出水量約為320m3/d。此外，還有部分大理巖呈透鏡體分布于嶺北王家河溝冉家梁和西坡之間，以及虎豹河溝口處。

通過現場調查分析，龍洞標高在1 418m左右，四畝地巖溶大泉點標高在756m左右，說明當時的侵蝕基準面高程分別為1 418m和756m，巖溶分布區內河流的最低侵蝕基準面高程為688m，秦嶺隧洞標高在601～607m。在線路位置是否有縱向水力聯系，深部是否有其它溶洞，還需進一步做工作，通過現場訪問調查得知，在大龍洞溝，小龍洞溝，三狼溝，桃園子地區均發育有溶洞，因此下一階段還應該做詳細的調查，以便查明線路附近巖溶水的發育情況及對隧洞施工的影響程度。

由于嶺南大理巖分布地段巖溶較發育，預測隧洞通過嶺南大理巖分布地段時，可能出現較大突然涌水涌泥。因此，對局部可能出現的較大涌水須有所防備。

目前常采取的措施是應采取小藥量爆破掘進，以排為主，排、堵結合的措施，切實設置好排水溝，對于反坡段的排水，除設立永久充足的泵站外，還要配備移動泵站。另外，在施工接近可能產生突然涌水地段時，應做好超前地質預報，以探明掌子面前方隧洞的水文地質情況，必要時對掌子面前方圍巖進行預注漿加固。

2.6 軟巖變形問題

秦嶺隧洞通過各斷層泥礫帶、云母片巖、千枚巖中局部破碎的炭質千枚巖地段，由于巖質軟弱，洞室埋深較大，地應力值相對較高，施工中有可能產生軟巖塑性變形現象。

例如，蘭新二線鐵路烏鞘嶺特長隧道施工掘進時通過了F7斷層及千枚巖地段，先后出現初期支護收斂變形，局部出現掉塊、開裂、擠入、鋼架扭曲變形現象，隨后變形進一步加劇，大部分地段出現收斂性大變形，已不同程度的侵入限界，最大擠入變形量達1.05m。產生大變形的原因是由于隧道位于嶺脊地段，存在多重作用的復雜應力狀態，地應力值相對較高，巖體強度低，巖質軟弱，以及隧道在大斷面開挖后不能及時封閉和二次襯砌未能緊跟，導致圍巖松弛與應力調整。

借鑒既有鐵路烏鞘嶺特長隧道施工資料，并通過對秦嶺隧洞深鉆孔實測地應力資料的分析，洞室通過斷層泥礫帶、云母片巖、千枚巖中局部破碎的炭質千枚巖地段，在大埋深條件下，如果地層中存在高地應力，預測秦嶺隧洞開挖后圍巖中將釋放應力，易發生塑性大變形，造成片幫剝落、掉塊，斷面收斂變形大、成洞困難。

目前常采取的措施是遵循“錨、注、噴一體化(錨、注為核心)圍巖加固—支護”的施工原則，在大變形隧道的支護、控制方面是卓有成效的。

2.7 環境地質問題

1)隧洞施工穿過埋深較淺和巖溶發育地段，可能會出現地下水的大量流失，引發地表水的加速下滲及部分泉水的干涸。

2)隧洞開挖將有大量的棄碴，施工中必須選擇合適場地集中放妥善處理，盡量避免產生新的泥石流和水污染問題危及溝、河下游居民的生命財產安全及農田、水利設施的安全。

3)隧洞工程處于秦嶺腹地，通過佛坪大熊貓自然保護區及黑河水庫水源保護區，因此，針對隧洞施工中將會產生的生產、生活污水，應采取必要處理措施防止污染環境。

[1]GB50487－2008.水利水電工程地質勘察規范[S].

[2]陜西省引漢濟渭工程地質勘察報告(內部資料)2011.