引红济石越岭隧洞TBM法施工工程地质条件评价及对策

孙云博

(水利部陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，陕西 咸阳71200)

引红济石调水工程位于陕西省太白县境内，是陕西省南水北调工程规划的西线调水方案，工程拟将长江水系的褒河支流红岩河水跨流域调入黄河水系石头河支流桃川河，年调水量0.94亿m3，属Ⅱ等大(二)型水利工程。

引红济石调水工程由关山引水枢纽和引水隧洞两大部分组成。引水枢纽由混凝土重力式溢流坝、冲砂闸、进水闸和输水暗渠四部分组成，设计坝顶高程1 478.50 m，溢流堰顶高程1 471.50 m，坝顶长95 m。引水隧洞沿太白盆地南缘布置，进口位于关山坝址下游560 m处的红岩河谷左岸，进口高程1 468.47 m，出口位于五里坡东桃川河左岸，出口高程1 443.72 m，洞线全长 19.73 km。

1 隧洞工程地质条件

设计施工方案采用钻爆法+TBM法施工，由桩号8+600～19+735 m段设计采用TBM法施工。由隧洞出口进洞开始由东向西掘进，TBM施工洞段总长11.135 Km。

TBM施工洞段8+600～12+185 m，其中10+000 m以前，地貌属侵蚀中山，围岩以条带状大理岩为主，夹角闪片岩、片麻岩、绿泥石片岩及碳质片岩等。岩体呈块状、层状结构。大理岩中存在溶蚀裂隙，地下水活动复杂，钻进过程中漏浆量较大，ZK14揭示大理岩强风化厚13m，ZK14、ZK15揭示存在裂隙承压水。以后为冰碛台地，冰碛物厚100～150 m，基岩顶板一般高于洞底150 m，隧洞埋深一般约300 m，最大约400 m。深部层理倾角25°～30°，该段工程地质条件复杂，围岩呈软硬相间，围岩可钻性适宜性较差。属稳定性差的Ⅲ类～不稳定的Ⅳ类围岩，建议 fk=2～4，k0=3～10 MPa/cm，E0=3～7GPa，μ =0.25～0.3。桩号 9+203 ～9+363 m，洞室穿越F1断层，断层带岩体为极不稳定的Ⅴ类围岩。建议 fk=0.8，k0=1.0 MPa/cm。12+185～15+210 m、15+210～19+100 m、19+100～19+735 m 段地质条件如下表1。

表1

2 TBM法施工洞段存在的主要工程地质问题

2.1 围岩的可钻性评价

围岩的可钻性从围岩强度、耐磨性、完整程度等方面来评价，评价的具体指标为饱和抗压强度、硬度、石英含量等。通过大量的室内试验确定:大理岩饱和抗压强度为54.7 MPa，硬质片岩为104 MPa，花岗岩为175 MPa，属中硬 ～坚硬岩石，强度高，耐磨性好，使刀具消耗大。大理岩、片岩中所夹的云母片岩Rb=30 MPa，碳质片岩Rb=20 MPa，属软质岩石，强度低，可钻性差。岩体的完整程度大理岩呈块状～层状结构，完整性较好，片岩呈中厚层状～层状结构，由于风化层厚度大，完整性较差，花岗岩由于受构造、风化影响，完整性差。岩石矿物含量隧洞沿线按不同岩性取样6组，试验成果汇总如表2。

表2 岩石矿物成份鉴定含量表

综上所述，隧洞围岩的饱和抗压强度 Rb=54.7～175 MPa，属坚硬岩石，适合TBM施工，但刀具消耗大，硬质岩中软岩夹层可钻性及适宜性较差，设计应充分考虑这一因素。

2.2 岩溶问题

TBM法施工洞段，8+600～12+185 m长3.585 km属大理岩洞段，岩溶发育程度一般较弱，但很不均一，岩溶形态以溶隙、溶孔为主，且有少量小溶洞，对TBM施工影响不大。据线路钻孔揭示地下岩溶不发育，除ZK28抽水孔在高程1 525 m(距洞底70 m)发育一直径0.9 m的溶洞外，其它钻孔仅见少量的溶孔，一般溶隙较发育，溶孔一般＜1 cm，大者约2～3 cm，高度小于0.5 cm。大理岩与片麻岩结合紧密，未见接触带发生溶蚀现象。

2.3 地下水

根据遥感工程地区报告，TBM法施工洞段小罐子以东(桩号8+600～10+080 m)长1.48 km为地下水富集区。特别是F1等断层破碎带为溶隙承压水富集区。该段施工初期可能出现高压水流和较大的突发涌水。根据1#施工支洞揭示大理岩洞段的涌水以线状滴水和股状涌水为主，该段洞500余m的大理岩段观测涌水量为2 000～2 200 m3/d。根据涌水量问题报告，引水隧洞小罐子一线涌水量为0.12 m3/s，出口段为0.9 m3/s。出现较大和较长的突水性线状涌水洞段，将会影响TBM设备的运行和安全，使其无法正常工作。建议在TBM施工洞段，对可能存在重大工程地质问题的地段，重视加强超前预测预报工作，方法可采用超前TSP技术或超前平洞、钻孔等，进行地下洞室涌水量、断层破碎带、岩爆等不良地质问题预测，以便采取相应的防护措施。

2.4 断层破碎带问题

TBM法施工洞段在桩号9+728～9+859 m、15+191～15+225 m 、17+111～17+143 m、18+266～18+294 m、18+623～18+664 m 穿过 F1、F27、F28、F29、F32等 5 条断层。其中F1与洞线交角小，规模较大，断层破碎带沿洞线出露宽度160 m。F27、F28、F29与洞线近直交，倾角大，断层破碎带沿洞线出露宽度约30 m。断层破碎带及其影响带，岩体呈散体状或破碎，为极不稳定的Ⅴ类围岩，地下水活动强烈，施工时TBM遇到的主要危险是被岩层夹住，进退不得甚至被塌方的岩石埋掉。为避免此类危险事故的发生，最大限度发挥TBM施工的优越性能，应采取必要的辅助措施。建议根据地质情况采用喷锚、挂网、固结灌浆等综合措施加固岩体和排水减压。在通过最困难地层时，采用人工开挖顶部导坑、必要时采用钻爆法处理。

总之TBM施工洞段围岩以硬质岩为主，岩体完整性较好，属稳局部定性差的Ⅲ类～不稳定的Ⅳ类围岩。但大理岩洞段有云母片岩、碳质片岩等软岩层或软弱夹层;片岩段岩相复杂，岩性变化大，软硬相间岩层结构给TBM选型有一定的制约;全洞段位于地下水位以下，地下水丰富，可能存在层间裂隙承压水，施工时可能有突发涌水和存在较高的承压水头。TBM施工洞段地质条件复杂多变，存在涌水、破碎岩体、软弱夹层等问题。建议施工中认真对待，加强施工地质工作。选择的TBM应安装地质雷达、超前钻探等预测设备，并能对不良地质体进行加固、排水及灌浆的辅助设备。

3 结论和建议

(1)引水线路位于太白盆地中南部，隧洞穿越的地层岩性主要为秦岭群变质岩及少量的花岗岩。其中花岗岩洞段长约1 km，占整个隧洞的5%，大理岩洞段位于隧洞的中段，长6 km左右，约占31%，其余为片麻岩、片岩约占64%。洞室全部位于基岩之中，围岩软硬相间，以弱～微风化为主，多属稳定性差的Ⅲ类围岩;但在隧洞桩号3+510～6+700 m、6+700～7+500 m、8+010～12+390 m、12+390～19+285 m洞段有云母片岩、炭质片岩、绿泥石片岩等软弱岩层和软弱夹层分布，对洞室稳定和施工不利。在ZK14孔以东主要洞段中，硬质岩中夹有软质岩或软弱夹层，岩性相变大，结构不均一，预测施工中突发涌水量较大，但软弱岩层和软弱夹层对TBM法施工有一定的影响，建议设计在设备选型时应考虑该段线路的工程地质特点，对深埋长隧洞工程应加强超前地质预报，加强新探测技术、方法的利用。

(2)加强施工地质工作，及时编录，校核前期勘察成果，进行施工阶段补充勘察工作，对影响洞室稳定和施工安全的构造、涌水、岩爆、有害气体、地温等不良地质现象进行预测预报。

(3)针对TBM法施工洞段的地质条件和存在的主要工程地质问题，建议设计选用适合的TBM机器类型，应配备超前TSP技术钻探、平硐等探测预报，加固围岩、预注灌浆及超前测试(如地质雷达)设备，并应做好地质编录与预报。

［1］陕西引红济石调水工程地质勘察报告.(初步设计阶段)陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院.

［2］张照煌，李福田.全断面隧道掘进机施工技术.中国水利水电出版社.

［3］水利水电工程地质勘察规范(GB50487—2008).

［4］中小型水利水电工程地质勘察规范.(SL55—2005).