山西省坪上應急引水工程3#隧洞施工地質(zhì)條件及評價

郝海龍

（忻州市水利機械工程處，山西 忻州 034000）

1 基本情況

1.1 工程概況

山西省坪上應急引水工程是在坪上水庫總體方案的基礎(chǔ)上，為了充分利用坪上的泉水資源，按照與坪上水庫近期、遠期相結(jié)合的原則提出的，目的是向忻府區(qū)、定襄縣和原平市提供工業(yè)用水、城市及農(nóng)村飲用水。工程近期設計引水量1.6 m3/s，年引水量3 500 萬m3。

坪上應急引水工程包括水源工程和供水工程兩大部分。其中水源工程主要建筑物包括水源地及建筑物、引水隧洞、引水管道、加壓泵站。引水線路有兩條：其一為水泉灣水源地，經(jīng)水泉灣泵站，沿滹沱河右岸引水至隧洞出口調(diào)壓池；其二清水河水源地，經(jīng)李家莊泵站至甲子灣隧洞，供水工程主要建筑物包括供水管道、中途加壓站、水池。供水管道自甲子灣引水隧洞出口調(diào)壓池開始沿滹沱河右岸河漫灘埋設，在濟勝橋西瑤池村西南岸穿越滹沱河，向西南方向至季莊到調(diào)壓池，由調(diào)壓池向南自流供水至定襄蓄供水點調(diào)節(jié)池、忻府供水點調(diào)節(jié)池，向西沿瑤三公路經(jīng)橫山村、于家莊、向陽村、白村，在寺家莊西北方向折向北，穿越約1.4 km 的3#隧洞后至西榮華村，在停旨頭村西南穿越滹沱河至原平市供水點調(diào)節(jié)池。

原設計樁號19+377.8—21+600 段為3#隧洞。進口高程802.0 m，出口高程801.5 m，城門洞形，寬2.5 m，高2.9 m。樁號19+377.8—19+953.7 段為進口段，樁號21+570—21+600 段為隧洞出口段。

1.2 原勘察資料的主要工程地質(zhì)結(jié)論

樁號19+377.8—19+953.7 段為隧洞進口明挖段，地處邊山地帶，發(fā)育地層為第四系上更新統(tǒng)坡洪積物。巖性為淡黃色低液限粉土（亞砂土）夾碎石，結(jié)構(gòu)松散。塊碎石主要成分為變質(zhì)巖。磨圓度呈次棱角一次圓狀，一般粒徑為10～40 cm，含孤石，為中等壓縮性土。

樁號19+953—21+570 段為洞身段，出露地層為元古界滹沱群豆村亞群大石嶺組。谷泉山段，巖性為鈣質(zhì)石英巖，灰白～淺紅色，塊狀結(jié)構(gòu)，巖石堅硬。南臺木嶺段，為絹千枚巖，淺紅色，千枚狀結(jié)構(gòu)，塊狀結(jié)構(gòu)，巖性堅硬。南臺組壽陽山段為變質(zhì)礫巖，青灰—淺紅色塊狀構(gòu)造，巖性堅硬，強風化，厚度為1.5～5.5 m。

樁號20+630—21+400 段為出口明挖段，發(fā)育地方為第四系坡洪積物，巖性為低液限土，淡黃色、黃褐色、結(jié)構(gòu)稍密實，層厚25～54 m。其中樁號20+100—21+570 為土洞段，中等壓縮性土，表層濕陷，濕陷深度約6.0 m，高于隧洞頂板。巖洞段發(fā)育有近南北走向及北東南兩走向兩組節(jié)理裂隙，大多張開，該組節(jié)理裂隙走向基與隧洞走向一致，圍巖穩(wěn)定性差，圍巖類別為Ⅳ類。

樁號21+510—21+600 段，為隧洞出口段，隧洞穿越南臺組壽陽山段變質(zhì)礫巖，巖性堅硬，在強風化及節(jié)理裂隙等不利結(jié)構(gòu)面的影響下，巖體較破碎，施工時應清除不穩(wěn)定塊體。

2 地質(zhì)構(gòu)造

工程總體處于呂梁山太行斷塊，五臺山穹隆的系舟山掀斜向斜與阜平穹狀隆起構(gòu)造單元接壤處，西部為滹沱河新裂陷。主要發(fā)育北東向地質(zhì)構(gòu)造，南北向、東西向等地質(zhì)構(gòu)造僅在南部有分布。區(qū)域穩(wěn)定性，本區(qū)域地殼大面積拱起，穹隆抬升，新斷陷下降，形成斷陷盆地，盆地與隆起帶老斷層復活呈S 型展布，盆地內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造復雜，周邊多為正斷層與基巖山區(qū)相接。本區(qū)地殼以差異升降運動為主。山區(qū)持續(xù)明顯上升，盆地相對下降，現(xiàn)今處于相對穩(wěn)定時期。

3#洞穿越五臺山余脈平頂山，構(gòu)造上為忻定盆地北部隆起帶，組成的地層巖性為元古界滹沱群石英巖，絹欠枚巖。開挖揭露隧洞內(nèi)有大的斷裂和褶皺穿過，次一級構(gòu)造節(jié)理裂隙和構(gòu)造破碎帶極為發(fā)育，從總體看構(gòu)造處于相對穩(wěn)定區(qū)。

3 工程地質(zhì)條件及評價

3.1 竣工工程地質(zhì)條件

3.1.1 地形地貌

3#隧洞地處平頂山區(qū)，從定襄縣玉會村北穿越平頂山，于原平市子干鄉(xiāng)南郭下村出口，進口高程802.0 m，出口高程800.5 m，地形最高點高程為1 162 m，隧洞最大埋深約360.5 m，山體為單斜構(gòu)造，隧洞全長1 423.659 m，其中巖洞段長1 167.659 m，土洞段長256 m，進口段自然邊坡約30°，邊坡穩(wěn)定，洞頂以上邊坡陡，約55°。為單薄山脊，邊坡穩(wěn)定性極差，但對隧洞安全不會造成太大威脅。出口段，約200 余m 的土洞段，地形平緩，高差不足20 m，土洞段總體相對穩(wěn)定。

3.1.2 地層巖性

根據(jù)開挖揭露的地層巖性，工程區(qū)主要有滹沱群變質(zhì)巖，第四系沖洪積物，按其特征分以下幾段：

樁號0+025.013—0-113.852 段，為隧洞進口明挖段，地處邊山地帶，發(fā)育地層上部為第四系全新統(tǒng)坡洪積層（Q4dPl），巖性為亞砂土含碎石，成分雜亂，碎石呈棱角狀，粒徑5～7 cm，夾有大孤石，粒徑在100 cm以上，松散。中下部為第四系上更新Q3dPl坡洪積物，巖性為碎石土，質(zhì)雜、夾大孤石，粒徑在100 cm 以上。碎石土呈微膠結(jié)，硬質(zhì)膠結(jié)，下部為中更新統(tǒng)坡洪積物Q2dPl，膠結(jié)稍好，但一般都能采用機械開挖，除大孤石外，可不用放炮開挖。

樁號0+006.6—0+133.6 段，揭露地層巖性為元古界滹沱群豆村亞群大石嶺組盤道嶺段（pt1dp），巖性為絹千枚巖，灰綠色、塊狀結(jié)構(gòu)，巖石致密堅硬，產(chǎn)狀NE75°NW、＜48°。

樁號0+133.6—0+384 段，揭露的地層為元古界滹沱群豆村亞群大石嶺組谷泉山段（pt1dg），巖性為鈣質(zhì)石英巖，灰白-淺肉紅色，塊狀結(jié)構(gòu)，致密堅硬，巖層產(chǎn)狀同上。

樁號0+384—0+404 段，揭露地層巖性為元古界滹沱群南臺組木山嶺段（pt1nm），巖性為絹千枚巖，呈灰綠色，塊狀結(jié)構(gòu)，巖性稍軟。

樁號0+404—0+587.6 段，本段揭露地層為元古界滹沱群南臺組谷泉山段（pt1dg），巖性為鈣質(zhì)石英巖，圍巖中sio2含量增多，巖石堅硬，開挖困難。

樁號0+587.6—0+644 段，該段揭露地層巖性為元古界滹沱群南臺組木山嶺段（pt1nm），巖性為絹千枚巖，巖性軟，分化深，強度低。

樁號0+644—0+684 段，揭露地層巖性為元古界滹沱群豆村亞群南臺組木山嶺段（pt1nm），巖性為鈣質(zhì)石英巖絹千枚巖。絹千枚巖灰綠色，塊狀結(jié)構(gòu)，弱分化。鈣質(zhì)石英巖為灰白色，致密堅硬。

樁號0+684—1+095.659 段，揭露地層巖性為元古界滹沱群豆村亞群南臺組木山嶺段（pt1nm），巖性為絹千枚巖，灰綠色，塊狀結(jié)構(gòu)，巖性軟。

樁號1+095.659—1+331.659 段，為土洞段，揭露地層巖性為第四系上更新統(tǒng)坡洪積物（Q3dPl），巖性為亞砂土及沙壤土，灰黃色、成分以粉粒為主，此為粉砂、細砂，結(jié)構(gòu)松散，顆粒均勻，下部為中更新統(tǒng)坡洪積物（Q2dPl），巖性為棕紅色亞粘土含碎石，稍密實。

樁號1+331.659—1+429.659 段，為隧洞出口段，揭露地層巖性為元古界滹沱群豆村亞群南臺組壽陽山段石英巖，青灰—淺紅色，塊狀結(jié)構(gòu)，巖性堅硬。

樁號1+429.659—1+444.65 段為出口明挖段，下部為元古界滹沱群壽陽山段變質(zhì)礫巖，塊狀結(jié)構(gòu)，巖性堅硬，巖層產(chǎn)狀NE70°NW＜60°，上部為第四系全新統(tǒng)坡洪積碎石土。

3.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

從全洞段開挖情況看，巖層產(chǎn)狀無較大變化，基本是走向NE75°傾向NW 約65°。

未發(fā)現(xiàn)大的褶鄒和斷裂構(gòu)造通過隧洞洞身。但有部分小的斷裂，多斜交洞軸，除此節(jié)理裂隙及構(gòu)造破碎發(fā)育，使整體巖石遭到破壞。

樁號0+086.6—0+106.6 段，發(fā)育有一條斷層，產(chǎn)狀NE75°NW、＜60°，斷層破碎帶寬5～7cm，斷層性質(zhì)不祥。樁號0+106.6—0+126.6 段，發(fā)育一條斷層，斷層破碎帶寬0.5～1.0m，性質(zhì)不詳。樁號約0+902 處，為一正斷層，產(chǎn)狀NW、NE、＜70°，斷層破碎帶寬2 m，充填角礫及石渣，沿斷層帶坍塌掉塊嚴重。樁號0+933 處為正斷層，斷層帶寬20 cm，充填角礫及巖硝。

構(gòu)造破碎帶在全洞段極為發(fā)育，特別是在樁號0+076.6—0+126.6 段、0+126.6—0+424 段、0+540—0+724 段及0+844—1+004 各段，破碎帶最寬約2 m，一般為5～10 cm。

破碎帶內(nèi)多充填巖硝和碎塊巖石及紅粘土，有空隙，密實差。產(chǎn)狀多為NW280°-320°、NE、＜65-75°及NW、SE、＜57-80°。該組構(gòu)造發(fā)育，受此影響圍巖坍塌現(xiàn)象嚴重，圍巖類別與原勘測類別出入較大。

全洞段節(jié)理極為發(fā)育，多為剪節(jié)理，產(chǎn)狀多為NW346°左右，傾向NE，傾角70～80°。節(jié)理面平直，多閉合，無填充物，節(jié)理方向與隧洞方向呈小角度斜交，對隧洞開挖十分不利，超挖現(xiàn)象嚴重，而且多處節(jié)理發(fā)密集，節(jié)理間距只有5～10 cm。圍巖多呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，超挖很難控制，經(jīng)綜合評定，整個隧洞Ⅳ類圍巖占大部分。

經(jīng)實際觀測，整個隧洞基本處于干燥狀態(tài)，無地下水活動，地下水對圍巖穩(wěn)定無影響。

3.2 主要工程地質(zhì)問題及施工處理

一是3#隧洞巖洞段為元古界滹沱群老地層，地史上曾受過多次構(gòu)造運動，因此巖體比較破碎，多呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，斷層和構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，巖層面總體傾向下游，主要節(jié)理走向與洞軸方向呈小角度斜交，特別是山體的兩側(cè)圍巖穩(wěn)定性很差，超挖很難控制，為此采用了小藥量、短進尺、先導洞后成型，但效果甚微，超挖問題仍未徹底解決。

二是樁號0+416—0+587.6 段，開挖揭露的地層巖性為元古界滹沱群豆村亞群大石嶺組谷泉山段，巖性為鈣質(zhì)石英巖，微風化，節(jié)理裂隙少見，整體塊狀結(jié)構(gòu)，但該段巖石Sio2成分明顯增多，巖石斷口可看到硅質(zhì)礦物成分，光澤鮮艷，巖石變得特別堅硬，按水工施工開挖等級，可達到十六級，顯然屬特別堅硬巖石，增加了施工開挖難度，也增加了鉆桿和鉆頭的消耗，采取的施工措施為增加炮孔，加大藥量，效果明顯，成型很好。

3.3 工程地質(zhì)評價

依據(jù)《水利水電工程施工地質(zhì)規(guī)范》對開挖后圍巖進行分類：樁號0+006.6—0+421.6 段為Ⅳ類圍巖，樁號0+421.6-0+587.6 段為Ⅲ類圍巖，樁號0+587.6-0+884 段為Ⅳ類圍巖，樁號0+884-0+904 段為Ⅴ類圍巖，樁號0+904-1+024 段為Ⅳ類圍巖，樁號1+024-1+084 段為Ⅴ類圍巖，樁號1+084—1+311.659 段為Ⅴ土類圍巖，樁號1+311.659—1+341.659 段為Ⅴ類圍巖。樁號1+341.659—1+349.659 段為Ⅳ類圍巖，樁號1+349.659-1+369.659 段為Ⅴ類圍巖，樁號1+369.659—1+429.659 段為Ⅳ類圍巖。

綜上所述，隧洞所處地形地貌以及開挖揭露的地層巖性。從地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動和巖層的分化程度看，巖體狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面特征、開挖后洞圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，可將全洞分為76 段，其中：原設計Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖沒有；開挖后Ⅲ類圍巖評定有9 段，占總數(shù)的11.8%；原計劃提供穩(wěn)定性差的Ⅳ類圍巖有59 段，開挖后評有47 段，占總數(shù)的61.8%；原設計提供的Ⅴ類圍巖只有5 段，開挖后變?yōu)? 段，占總數(shù)的9.2%；原設計提供的Ⅴ類土洞圍巖有15 段，開挖后評有13 段，占總段數(shù)的17.1%。

通過分析可知，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖占整個隧洞的88.2%，從而說明整個3#隧洞工程地質(zhì)條件較差，施工難度及投入較大。

4 結(jié)論與建議

總體來看，3#隧洞Ⅳ類、Ⅴ類圍巖占隧洞段比重最大，故圍巖處于穩(wěn)定性差和不穩(wěn)定狀態(tài)，其主要原因是3#隧洞地層巖性為元古界變質(zhì)巖，地質(zhì)史上曾經(jīng)受過多次地殼運動，地質(zhì)構(gòu)造復雜，節(jié)理裂隙及構(gòu)造破碎帶極為發(fā)育，巖體成塊狀，鑲嵌結(jié)構(gòu)，加上各結(jié)構(gòu)面的組合不利于圍巖穩(wěn)定，軟弱結(jié)構(gòu)面走向與隧洞平行，或小角度斜交，非常不利于隧洞開挖和圍巖穩(wěn)定，成型差，因此多處出現(xiàn)拱頂塌落、超挖問題，加之土洞段是第四系全新統(tǒng)現(xiàn)代坡洪積物，結(jié)構(gòu)松散，成洞條件更差。因此，3#隧洞工程條件欠佳，開挖成洞后，應對隧洞進行加固處理，以保證隧洞安全。