引汉济渭秦岭输水隧洞越岭段主要工程地质问题

王新华

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安710001)

引汉济渭工程位于陕西省南部的秦岭山区，工程跨越黄河、长江两大水系，呈线状分布，将汉江水调入渭河水系。

开发方案为，在汉江干流修建黄金峡水库枢纽，通过黄金峡抽水泵站经秦岭输水隧洞黄三段引水隧洞，将汉江的水引入三河口水库中，经调节后再通过秦岭输水隧洞越岭段送至黑河口，向关中地区城镇供水及向渭河补水。

秦岭输水隧洞越岭段从黄三段隧洞出口控制闸引水进洞，流入黑河口下游黄池沟，隧洞全长81.625 km。秦岭隧洞设计流量70m3/s，多年平均输水量15亿m3，比降为1/2500，采用圆型(D=6.92m/7.52m)或马蹄型(6.76×6.76m)结构。

1 输水隧洞越岭段工程地质条件

输水隧洞越岭段为引汉济渭工程的主要组成部分。工程区地质条件复杂，前人所做工作很少，可利用资料缺乏。因此详细查明其工程地质条件，准确预测、预报洞内可能发生的地质灾害和特殊地质问题，才能为输水隧洞越岭段的设计和施工提供科学依据。

1.1 地形地貌

引汉济渭秦岭隧洞位于秦岭西部山区，地貌总体受构造控制，在新构造作用影响下，经长期水流侵蚀、切割，形成了较为复杂的地貌单元。隧洞自南向北，横穿秦岭山脊，进出口两端为秦岭中低山区，中部为秦岭中高山区，最高山峰为2704.6m，隧洞全长65 km，最大埋深为2 012m。

2.2 地层岩性

本区地层岩性复杂多变。基岩为变质岩和岩浆岩两大类。变质岩主要有片岩、片麻岩、大理岩、变砂岩和千枚岩。岩浆岩主要为花岗岩、闪长岩、石英岩，以及少量的构造岩。除千枚岩、云母片岩和构造岩为软岩外，其余均为坚硬岩。岩浆岩主要分布在隧洞的中部，而变质岩主要分布在隧洞的进出口段。

1.3 地质构造

秦岭隧洞区在大地构造单元上属于秦岭褶皱系，区内次一级褶皱构造发育，褶皱带总体呈近东西向展布，主要发育有加里东期褶皱带和华力西、印支期褶皱带，褶皱形态复杂。因受侵入体和断裂构造的破坏，褶皱形态已不完整。但次一级褶皱，劈理及挠曲仍较发育。

秦岭隧洞区通过1条区域性大断裂商县—丹凤断裂，走向为近东西向，表现为压性，倾北，另1条为区域上的山阳—凤镇断裂，走向为北西西，表现为张性，倾北，该区域大断裂在隧洞通过区由于受华力西期闪长岩的侵入，表现为泥盆系中统刘岭群池沟组变质粉砂岩与华力西期石英闪长岩的侵入接触带，沿东西方向约13 km范围内尖灭。区域性大断裂具有切割深、延伸长、规模大的特点;其次还发育有16条地区性一般性断裂，走向多为近东西向，少量为北东向、北西向，多数表现为压性，少数表现为张性及平移性质，规模较小，多为较窄的破碎带，断带物质主要由碎裂岩、糜棱岩、断层角砾岩、断层泥砾组成。

本区新构造运动不明显，未见有活动断层。本区地震活动微弱，历史上小震较多，无较大历史地震记载。控制本区地震动的最大值为外围地震的影响，其值不大。据《中国地震动参数区划图》(GB/18306—2001)显示，在板房子—杨家山—老庄子一线(山阳—凤镇断裂)以北地区，地震动峰值加速度为0.1g，相应的地震基本烈度为Ⅶ度，以南地区地震动峰值加速度为0.05g，相应的地震基本烈度为Ⅵ度。

1.4 水文地质条件

根据出露的地层岩性、地质构造特征，并结合含水介质的不同，地下水分为基岩裂隙水、岩溶裂隙水和第四系松散堆积层孔隙水三大类。

基岩裂隙水主要储存于基岩裂隙及区域大断裂破碎带中，依据储水裂隙成因的不同，可分为构造裂隙水、风化裂隙水及原生层理裂隙水。根据秦岭隧洞地区裂隙网络分布特征，基岩裂隙水类型又可分为网状(或层状)裂隙水及脉状裂隙水。岩溶裂隙水主要储存于岩溶裂隙中。第四系松散堆积层孔隙水主要储存于冲、洪积层中。

秦岭隧洞区地下水以潜水为主，局部具有弱承压性。但由于其含水介质的各向异性，使地下水的补给、径流、排泄条件十分复杂。

秦岭隧洞通过区地下水分为岭南、岭北两大水流系统，并根据断裂构造及地形地貌条件分为若干子水流系统，两大水流系统之间及其内部各子水流系统之间水力联系微弱，基本无统一的地下水面。因此，地下水补给、径流、排泄主要受地层、岩性、地质构造的控制。

岭南属汉江水系，发育的较大河流有蒲河及其一级支流木河、石板沟，流量较大，其他一级支沟还有萝卜峪沟、九关沟、里长沟、古里沟、石桥沟等，沟中地表水流量较大;岭北属渭河水系，发育的较大河流有黑河及其一级支流王家河和虎豹河，常年有水。同时，这几条河流也为测区最低的地下水排泄基准面，使得地下水以近南北向径流排泄。此外，各主要有水支流也形成各自的小流域系统。受断裂构造及局部地形地貌的影响，各子水流系统(即支流水系)地下水径流方向与区域径流方向有所不同。

秦岭隧洞地下水补给来源主要为大气降水及地表河沟水。秦岭隧洞通过区沟谷发育，这些沟谷一般都分别构成一个小的、独立的地下水循环系统。由于斜坡地形使降水很快以片流、泉水形式向地表排泄;枯水期地表水虽然也向地下水补给，但由于地表水径流量有限，对地下水的补给量不会太大。

地下水的排泄方式，除以河流、沟谷作线状排泄外，还以泉点作点状排泄。秦岭隧洞区出露有许多泉点，多数分布于断层附近，并多以串珠状产出，也说明这些断层属阻水断层。

2 秦岭输水隧洞越岭段主要工程地质问题

2.1 高地应力与岩爆问题

对深埋隧洞而言，其硐室稳定不可避面受到高地应力与岩爆的威胁，秦岭输水隧洞越岭段洞身埋深大，隧洞围岩主要为硬脆岩，同时部分洞段穿越高地应力区，因此具备了发生岩爆的工程地质条件。

秦岭输水隧洞越岭段洞身深孔地应力测试结果表明，三项主应力的关系为:SH＞Sh＞SV，具有较为明显的水平构造应力的作用，且地应力值较大。根据岩石的极限抗压强度(Rc)与垂直隧洞轴线的最大主应力(σmax)之比对岩体初始应力场作出评估，在SZK－1孔隧洞埋深部位(约365m)处，Rc/σmax=3.43＜4，在 SZK－2孔隧洞埋深部位(约251m)处，Rc/σmax=3.57＜4，均说明存在极高初始应力，有发生岩爆的地应力条件。根据巴顿的切向应力准则，将围岩的切向应力(σθ)与岩石的极限抗压强度(Rc)之比作为判断岩爆的判据。在SZK－1孔隧洞埋深部位(约365m)处，σθ/Rc=0.712＞0.7，在 SZK－2孔隧洞埋深部位(约 251m)处，σθ/Rc=0.719＞0.7，从两个孔的计算结果可以看出，在相应的埋深条件下，由于隧洞的开挖，洞室附近产生应力集中，均可能发生岩爆。

类比秦岭铁路特长隧道岩爆段地质条件，可以发现同时具备下列条件的洞段岩爆灾害的可能性较大。

1岩质坚硬，弹性模量大，抗压强度高，新鲜岩石饱和抗压强度均大于60 MPa的脆性岩石。

2所有发生岩爆地段，都是受地质构造影响轻微，断裂构造不发育，节理不发育—较发育，岩体体积节理数JV值多为2～8条/m3。岩体完整性系数均大于0.55，岩体完整或较完整，为Ⅰ、Ⅱ类围岩。

3无地下水活动，岩体干燥，为Ⅰ、Ⅱ类围岩。绝大多数岩爆洞段皆为贫水段，有少数岩爆段属弱富水段，而在富水段落无岩爆。

4绝大多数岩爆发生在埋深大于500m的洞段，位于岭脊前后，少数岩爆发生在埋深较浅50～350m，沿隧洞轴向，洞身段对应地表皆为地形急骤变化的陡坡地段。

从岩爆段隧洞埋深条件分析，秦岭隧洞高地应力区也主要分布在埋深大于500m的洞段。而在隧洞浅埋段斜坡应力集中带内，也存在局部应力集中，有发生岩爆的可能性。岩爆的等级以中等—轻微为主，局部可能发生强烈岩爆。

根据有关资料以及秦岭地区深钻孔地应力实测资料，分析认为秦岭隧洞区地应力较高，当在坚硬完整、干燥无水的Ⅰ、Ⅱ类围岩地段的花岗岩、闪长岩地层中进行开挖时，由于应力集中，在掌子面或离掌子面一倍左右洞径的地段便有发生岩爆、甚至发生较强烈岩爆的可能。预测隧洞通过岭脊花岗岩、闪长岩地段约20 km范围内岩爆在所难免。因此，设计施工均应采取措施，确保人身和设备安全。

目前防治岩爆常采取的措施有加强现场岩爆监测、喷洒高压水、加强临时支护、设临时防护网、改善施工方法等。

2.2 高地温与热害问题

一般认为，当洞内气温达到26℃至28℃以上时，就对人体有影响，有害以至于影响工作效率，而必须采取一定的降温措施。

秦岭隧洞通过地段最大高程2 530m，隧洞最大埋深1 925m，根据区域地质资料和本次地质调查，隧洞区无活动性断裂及近代火山岩浆活动，也未发现温泉、热泉等，故该区应处于“正常增温区”。本区年平均气温值为13℃。类比距本工程约70～80km已成西康铁路秦岭特长隧道和西康公路秦岭终南山隧道的工程实践和经验公式，地下水活跃带地温梯度为16.7℃/1 000m，地下水滞留带地温梯度为22.3℃/1 000m，结合秦岭隧洞SZK－1、SZK－2孔测井资料计算的实测地温梯度，经综合分析后初步估算，隧洞埋深最大处原岩温度约为37℃。对隧洞施工有一定影响，必须保证工作面施工所需的足够通风量以及采取防热措施。

通过工程类比，秦岭隧洞区的地热状况具有以下几个特点:

1)北秦岭最后封闭于早古生代晚期，岩浆活动对该区现在的浅部地温场没有影响。岩浆岩、变质岩及各类构造岩，热物理性质较为接近。隧洞区附近无温泉、地下热水分布。

2)隧洞区无断裂构造引起的地温升高异常。

3)地下水发育地段，地温比正常背景值偏低，地温梯度偏小。该区地表下约360m以上地段，一般都具有地下水补给，径流、排泄条件良好，地下水丰富、运移活跃的特点，地温场受到歪曲，地温梯度比正常背景值偏小。

4)断层带往往因为节理裂隙发育，地下水补给、径流、排泄条件良好，地下水丰富、运移活跃的特点，一般亦具有地温偏低、地温梯度偏小的特点。

5)隧洞区地表下360m以下，特别是随着深度的不断增加，地下水的补给、径流、排泄条件都会愈来愈差，一般都具有地下水运移不活跃的特点，地温梯度一般约为2.15℃/100m～2.29℃/100m，代表了该区深部地质体的正常增温。

6)既有西康铁路秦岭特长隧道的研究结果表明:地形起伏变化很大的、高海拔的秦岭岭脊与其岭南、岭北两侧相对较低的低海拔地区相比，按照同一地温梯度考虑，秦岭岭脊的地温偏低。

综合以上分析可知:该区除地表下360m以上地段因地下水发育，地温场受到歪曲以外，其深部地温场正常。

目前防治热害常采取的措施是加强通风、喷淋冷水、个体防护、采用绝热风管、人工制冷等。

2.3 放射性问题

根据秦岭铁路隧道地面测量及测井资料综合分析，放射性异常主要集中在断裂带附近，分布无规则。这是因为断裂带中多有伟晶岩脉侵入，其中含有一定放射性物质;而断裂带的破碎岩石亦常常吸附了一些放射性矿物，造成构造淋积型异常。据铁路隧道施工监测，放射性指标未超出允许范围，对人员与运营无危害。

秦岭隧洞的深孔自然伽马测井表明，在萝卜峪沟(SZK～1)钻孔的局部段落(385～398m)有异常出现(相当于335γ)，分析认为这与花岗岩脉侵入有关。

借鉴秦岭铁路隧道的资料，并通过对秦岭隧洞区的地面测量及测井资料分析，隧洞区地层岩性天然放射性的背景值一般为20γ～50γ，居民世代在此生活，身体未受影响的客观情况。初步预测隧洞通过段不会有较大的放射性岩体存在，不排除局部有放射性异常的存在，建议在后续勘察中进一步探测并应在隧洞施工过程中加强监测，视具体情况采取防护措施。

2.4 围岩稳定问题

秦岭隧洞通过2条区域性大断层和16条地区性一般性断层，多呈北西西—近东西向在测区连续展布，采用秦岭隧洞时，无法绕避。断层破碎带物质多由断层泥砾、角砾岩、糜棱岩、碎裂岩等组成，松散、破碎、含水。隧洞围岩自稳能力差，施工时容易发生围岩失稳现象。

目前常采取的防治措施是开挖通过破碎带时采取小药量的爆破、短进尺、分部、台阶法开挖等方法，尽量避免因施工扰动引发坍塌。对于已出现的小型坍塌、掉块等围岩失稳，要及时采取喷锚支护措施和施做永久衬砌。在预计将通过较大断层带时，要做好超前地质预报，根据预报结果，研究施工方案，必要时采取超前预注浆等岩体预加固措施。

2.5 隧洞施工涌(突)水、涌泥问题

隧洞通过各断层破碎带、大理岩地段，由于构造裂隙水及岩溶较发育，地下水循环较快，施工中有可能产生突然涌水现象。在通过断层泥砾带、含泥质地层的影响带时有可能产生突水涌泥现象。

既有西康铁路秦岭特长隧道开挖时揭露了多处集中突、涌水段，主要分布于断层带及影响带。经平导及地面取样做氚、氘、氧放射性同位素分析，隧道区地下水属大气降水补给，浅埋地段以近几年入渗的大气降水为主，深埋地段以40～50年前入渗的降水为主，局部地段还存在上述两个时代降水的混合水。但不论何时形成的地下水，隧道所涌之水均为储存于非均质各向异性的裂隙含水介质中的静储量，与地表水体无直接水力联系。据秦岭隧洞区2个深钻孔的水文地质资料揭示，区内地下水主要活跃于120～360m的深度范围内，其它埋深范围或水量较少，或水流处于滞流状态。在此环境下，预测秦岭隧洞施工中有水，但出水点分布不均，主要在断带及影响带、节理密集带、软弱结构面、岩脉和岩溶分布地段，出现大段落突然涌水的可能性不大。但由于断裂带物质组成和岩化程度的不均一，特别是断层中还有泥砾等软弱夹层，因此，对局部可能出现的较大涌水仍须有所防备。预测隧洞通过岭北QF3、f6、f7、f8、f14、f15断层带时，可能出现较大突然涌水涌泥。

大理岩，主要分布于岭南郭家坝和古里沟之间，岩溶较发育，岩体中发育有溶蚀小沟槽、钟乳石、小溶洞及岩溶泉水。经初步调查及访问当地居民，基本情况如下，线路AK10+200右侧900m有一泉水，四亩地乡人畜饮水依靠该处泉水，经实测，出水量约为770m3/d;线路AK11+600左侧1.1～1.2 km左右，发育三处溶洞，名叫大龙洞、二龙洞、三龙洞，最大的大龙洞洞口高3m，宽8～9m，溶洞洞口被杂物覆盖，周围溶蚀现象发育，二龙洞无水，大龙洞和三龙洞有水，经实测，大龙洞出水量约为700m3/d，三龙洞出水量约为320m3/d。此外，还有部分大理岩呈透镜体分布于岭北王家河沟冉家梁和西坡之间，以及虎豹河沟口处。

通过现场调查分析，龙洞标高在1 418m左右，四亩地岩溶大泉点标高在756m左右，说明当时的侵蚀基准面高程分别为1 418m和756m，岩溶分布区内河流的最低侵蚀基准面高程为688m，秦岭隧洞标高在601～607m。在线路位置是否有纵向水力联系，深部是否有其它溶洞，还需进一步做工作，通过现场访问调查得知，在大龙洞沟，小龙洞沟，三狼沟，桃园子地区均发育有溶洞，因此下一阶段还应该做详细的调查，以便查明线路附近岩溶水的发育情况及对隧洞施工的影响程度。

由于岭南大理岩分布地段岩溶较发育，预测隧洞通过岭南大理岩分布地段时，可能出现较大突然涌水涌泥。因此，对局部可能出现的较大涌水须有所防备。

目前常采取的措施是应采取小药量爆破掘进，以排为主，排、堵结合的措施，切实设置好排水沟，对于反坡段的排水，除设立永久充足的泵站外，还要配备移动泵站。另外，在施工接近可能产生突然涌水地段时，应做好超前地质预报，以探明掌子面前方隧洞的水文地质情况，必要时对掌子面前方围岩进行预注浆加固。

2.6 软岩变形问题

秦岭隧洞通过各断层泥砾带、云母片岩、千枚岩中局部破碎的炭质千枚岩地段，由于岩质软弱，洞室埋深较大，地应力值相对较高，施工中有可能产生软岩塑性变形现象。

例如，兰新二线铁路乌鞘岭特长隧道施工掘进时通过了F7断层及千枚岩地段，先后出现初期支护收敛变形，局部出现掉块、开裂、挤入、钢架扭曲变形现象，随后变形进一步加剧，大部分地段出现收敛性大变形，已不同程度的侵入限界，最大挤入变形量达1.05m。产生大变形的原因是由于隧道位于岭脊地段，存在多重作用的复杂应力状态，地应力值相对较高，岩体强度低，岩质软弱，以及隧道在大断面开挖后不能及时封闭和二次衬砌未能紧跟，导致围岩松弛与应力调整。

借鉴既有铁路乌鞘岭特长隧道施工资料，并通过对秦岭隧洞深钻孔实测地应力资料的分析，洞室通过断层泥砾带、云母片岩、千枚岩中局部破碎的炭质千枚岩地段，在大埋深条件下，如果地层中存在高地应力，预测秦岭隧洞开挖后围岩中将释放应力，易发生塑性大变形，造成片帮剥落、掉块，断面收敛变形大、成洞困难。

目前常采取的措施是遵循“锚、注、喷一体化(锚、注为核心)围岩加固—支护”的施工原则，在大变形隧道的支护、控制方面是卓有成效的。

2.7 环境地质问题

1)隧洞施工穿过埋深较浅和岩溶发育地段，可能会出现地下水的大量流失，引发地表水的加速下渗及部分泉水的干涸。

2)隧洞开挖将有大量的弃碴，施工中必须选择合适场地集中放妥善处理，尽量避免产生新的泥石流和水污染问题危及沟、河下游居民的生命财产安全及农田、水利设施的安全。

3)隧洞工程处于秦岭腹地，通过佛坪大熊猫自然保护区及黑河水库水源保护区，因此，针对隧洞施工中将会产生的生产、生活污水，应采取必要处理措施防止污染环境。

[1]GB50487－2008.水利水电工程地质勘察规范[S].

[2]陕西省引汉济渭工程地质勘察报告(内部资料)2011.