陜北地區引調水線路工程主要工程地質問題分析

王 帆

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 咸陽 712000）

1 引言

近年來,陜北地區引調水線路工程是事關優化陜北地區水資源配置、破解缺水困局的重中之重,能夠有效緩解陜北地區水資源供需矛盾,同時對促進陜北地區經濟社會快速發展具有舉足輕重的作用。區域引調水線路工程也是當前陜北地區貫徹落實黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略的重要舉措,對陜北地區經濟社會高質量發展和國家能源化工基地建設起到強有力的水資源支撐作用。

陜北地區引調水線路工程主要涉及管線工程、輸水隧洞、各類建筑物的主要工程地質問題,在廣泛的工程實踐和資料收集過程中,總結分析了陜北地區引調水線路工程遇到的相關工程地質問題,為類似工程提供參考借鑒,對有效地提高工程地質勘察工作效率有重要意義。

2 陜北區域地質概況

陜北地區總面積約為8.3 萬km2,占陜西省總面積約為40%,陜北地區平均海拔1224 m,主要為黃土高原地貌,地勢總體呈西北高東南低,地貌形態主要有堆積-侵蝕形成的河谷階地區、沙漠區及構造剝蝕形成的沙蓋黃土梁、峁區和黃土丘陵溝壑區等地貌景觀。陜北沙漠區主要分布在陜西北部長城以北毛烏素沙漠南緣位置,地形整體較為平坦,以活動沙丘、沙壟為主。陜北地區出露的地層主要以第四紀及陸相中生代地層最為發育,缺失志留系和泥盆系。基巖主要以內陸河湖相砂、泥巖互層,僅奧陶系出露海相灰巖,第四系主要以黃土為主,另有沖洪積沉積物[1]。

陜北黃土高原位于我國西北,區內大部分屬于暖溫帶半干旱氣候,水資源相對稀缺。陜北黃土高原河流均屬于黃河水系,河流依地勢高低,自西北至東南方向流淌,河流流經深厚的黃土地區,地面割切破碎,致使區內黃土梁、峁、溝谷發育,水土流失嚴重[2]。

陜北黃土高原板塊上屬于華北地層,大地構造屬中朝準地臺,位于鄂爾多斯盆地向斜中段的東翼和東南角。總體為單斜地層,走向近南北,傾向西或南西、北西,傾角1°～5°。區內地質構造總體特征褶皺輕微,少見斷層,地震出現頻率小且強度低。陜北黃土高原區域構造穩定性分級為穩定性好。

3 管線及建筑物主要工程地質問題

陜北地區引調水管線及倒虹、泵站等建筑物基礎主要為黃土、沙漠及河谷階地沖洪積堆積物,主要涉及砂土液化、黃土濕陷、土壤腐蝕、邊坡穩定及凍土深度等工程地質問題[3]。

3.1 砂土液化

陜北地區地震出現頻率小且強度低,根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》,陜北地區地震基本烈度大部分為Ⅵ度,可不進行地震液化判別,砂土液化問題不突出。但管線基若為砂層,承載力一般不滿足管基要求,不能直接作為基礎,應進行工程處理,建議對細砂進行夯實處理。

3.2 黃土濕陷性

陜北地區管線基礎主要為第四紀風積黃土和黃土狀壤土,根據資料收集,陜北地區大部分黃土場地為自重濕陷性場地,濕陷等級較高,濕陷深度約20 m。根據工程實踐及引水線路工程特點,建議采用整片土（灰土）墊層處理,要求墊層的壓實系數應≥0.97,并采取嚴格防水措施。

3.3 邊坡穩定

陜北地區一般管線沿線地形起伏較大,在施工開挖時,存在邊坡穩定問題,對土質邊坡建議綜合坡比1∶0.75～1∶1.0,單坡高6 m～8 m,臺寬不小于3 m,并應做好坡面排水設計。

3.4 凍土深度

陜北地區平均海拔較高,冬季氣溫普遍較低,工程實踐中應充分考慮工程區標準季節性凍土最大深度,可根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）附錄F《中國季節性凍土標準凍深線圖》以及結合實際調查,確定工程區標準季節性凍土最大深度。同時應根據《凍土工程地質勘察規范》（GB 50324-2014）評價工程區季節性凍土平均凍脹率及凍脹等級。

4 隧洞主要工程地質問題

近年來,陜北地區大中型引調水工程主要以砂、泥巖內大直徑輸水隧洞為主,因而主要涉及圍巖穩定、隧洞涌水、有害氣體等工程地質問題及隧洞TBM 施工適宜性評價等問題[4]。

4.1 圍巖穩定

陜北地區地層主要為中生代、古生代內陸河湖相砂、泥巖互層,巖層多呈中厚-巨厚層,地質構造運動不顯著,同時,相關工程地質條件相對較為簡單。在進行隧洞圍巖穩定行分析時,首先應按工程地質特征,依據《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487-2008）中“圍巖工程地質分類”標準,同時考慮以巖石強度、巖體完整程度、結構面狀態、地下水以及主要結構面產狀為判別依據,并結合洞身段可能存在的軟弱夾層,對引水線路圍巖類別進行詳細劃分,并給出各類圍巖地質參數建議值。

圍巖穩定分析應充分考慮巖體結構面特征,同時考慮各層間錯動及泥化夾層等軟弱結構面發育情況。因受巖層產狀及巖層組合等因素控制了陜北地區一般層狀巖體的變形破壞。輸水隧洞工程可能涉及到的破壞主要為沿層面張裂、折斷坍塌,彎曲內鼓等。針對隧洞施工過程中沿線局部有可能會出現的以上所涉及的圍巖穩定性問題而導致的隧洞塌方,因而施工過程中應在特別加強地質預報,并及時采取相應的支護加固措施。

陜北地區砂、泥巖中隧洞圍巖類別一般主要以Ⅲ類～Ⅴ類圍巖為主,其中Ⅲ類圍巖洞室局部穩定性差,建議噴混凝土、噴錨支護、拱頂系統錨桿。Ⅳ類圍巖洞室不穩定,建議隧洞開挖后需及時支護,并噴錨掛網,必要時可全部襯砌或設鋼拱架,需注意施工期安全。Ⅴ類圍巖洞室極不穩定,成洞條件非常差,開挖需支護緊跟或超前支護,需要全斷面襯砌。

根據收集工程資料,陜北地區洞室泥巖存在膨脹性及崩解性。一般隧洞泥巖屬低耐崩解性,說明泥巖易崩解。洞室大多處于地下水位以下,巖體處于飽和狀態,洞室開挖后,洞周泥巖很短時間脫水崩解,對洞室的穩定影響較大。洞室開挖后需要及時地進行噴護封閉。

4.2 有害氣體

陜北地區地層局部夾有煤層或煤線,該地層短隧洞可能存在有害氣體,一般應進行了有害氣體測試,同時施工開挖應加強有害氣體監測。

4.3 隧洞涌水

對隧洞最大涌水量進行預測也是一項重要分析工作,一般根據勘探及試驗資料,依據《引調水線路工程地質勘察規范》（SL 629-2014）附錄E 中的E.3.3 第一條和第二條,分別應用古德曼預測法和佐藤邦明預測法對隧洞最大涌水量進行預測。

4.4 隧洞TBM 施工適宜性評價

依據參考文獻及同類工程經驗,影響隧洞TBM 施工穩適宜性的因素主要有巖石的完整程度、單軸飽和抗壓強度、硬度、耐磨性等。

大多數硬巖TBM 在Rc=30 MPa～150 MPa 的巖石中掘進效率高,所以陜北地區該強度的砂巖、泥巖比較適宜TBM 施工。TBM 在巖石中掘進效率與巖體的完整系數呈正相關,即完整系數越大掘進效率越高,當完整系數大于0.75,掘進效率開始下降。砂巖耐磨性等級為低耐磨性～中等耐磨性,TBM施工條件好。

應用TBM 施工隧洞過程中常見的地質災害為圍巖失穩塌方、涌水突水、軟巖大變形等。根據地質編錄統計,TBM施工隧洞圍巖失穩塌方主要發生在節理密集帶,失穩塌方段主要為不穩定的Ⅳ類圍巖。輸水隧洞巖性若為泥巖,屬于軟巖,耐崩解性低。一般洞室均處于地下水位以下,巖體處于飽和狀態,洞室開挖后,洞周泥巖很短時間脫水崩解,很可能存在軟巖大變形。建議采取超前地質預報；適當超挖及快速通過；及時支護等措施。

可根據《引調水線路工程地質勘察規范》（SL 629-2014）附錄C.0.2 進行隧洞TBM 施工適宜性分級；陜北地區一般砂巖地層中Ⅲ類圍巖,TBM 施工為基本適宜～適宜,隧洞為Ⅳ類圍巖,TBM 施工為基本適宜～適宜性差,隧洞為Ⅴ類圍巖是不適宜采用TBM 施工。

5 結論

近年來,陜北地區多個大中型引調水線路工程的建設是優化陜北黃土高原水資源配置、破解缺水困局的關鍵所在,同時,陜北地區引調水工程也是進一步加快推進黃河流域生態保護和高質量發展的重要工程措施。對陜北地區已有引調水線路工程存在的主要工程地質問題進行總結分析,對今后同類工程地質勘察工作開展具有一定的工程實用價值。