山西省坪上应急引水工程3#隧洞施工地质条件及评价

郝海龙

（忻州市水利机械工程处，山西 忻州 034000）

1 基本情况

1.1 工程概况

山西省坪上应急引水工程是在坪上水库总体方案的基础上，为了充分利用坪上的泉水资源，按照与坪上水库近期、远期相结合的原则提出的，目的是向忻府区、定襄县和原平市提供工业用水、城市及农村饮用水。工程近期设计引水量1.6 m3/s，年引水量3 500 万m3。

坪上应急引水工程包括水源工程和供水工程两大部分。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、加压泵站。引水线路有两条：其一为水泉湾水源地，经水泉湾泵站，沿滹沱河右岸引水至隧洞出口调压池；其二清水河水源地，经李家庄泵站至甲子湾隧洞，供水工程主要建筑物包括供水管道、中途加压站、水池。供水管道自甲子湾引水隧洞出口调压池开始沿滹沱河右岸河漫滩埋设，在济胜桥西瑶池村西南岸穿越滹沱河，向西南方向至季庄到调压池，由调压池向南自流供水至定襄蓄供水点调节池、忻府供水点调节池，向西沿瑶三公路经横山村、于家庄、向阳村、白村，在寺家庄西北方向折向北，穿越约1.4 km 的3#隧洞后至西荣华村，在停旨头村西南穿越滹沱河至原平市供水点调节池。

原设计桩号19+377.8—21+600 段为3#隧洞。进口高程802.0 m，出口高程801.5 m，城门洞形，宽2.5 m，高2.9 m。桩号19+377.8—19+953.7 段为进口段，桩号21+570—21+600 段为隧洞出口段。

1.2 原勘察资料的主要工程地质结论

桩号19+377.8—19+953.7 段为隧洞进口明挖段，地处边山地带，发育地层为第四系上更新统坡洪积物。岩性为淡黄色低液限粉土（亚砂土）夹碎石，结构松散。块碎石主要成分为变质岩。磨圆度呈次棱角一次圆状，一般粒径为10～40 cm，含孤石，为中等压缩性土。

桩号19+953—21+570 段为洞身段，出露地层为元古界滹沱群豆村亚群大石岭组。谷泉山段，岩性为钙质石英岩，灰白～浅红色，块状结构，岩石坚硬。南台木岭段，为绢千枚岩，浅红色，千枚状结构，块状结构，岩性坚硬。南台组寿阳山段为变质砾岩，青灰—浅红色块状构造，岩性坚硬，强风化，厚度为1.5～5.5 m。

桩号20+630—21+400 段为出口明挖段，发育地方为第四系坡洪积物，岩性为低液限土，淡黄色、黄褐色、结构稍密实，层厚25～54 m。其中桩号20+100—21+570 为土洞段，中等压缩性土，表层湿陷，湿陷深度约6.0 m，高于隧洞顶板。岩洞段发育有近南北走向及北东南两走向两组节理裂隙，大多张开，该组节理裂隙走向基与隧洞走向一致，围岩稳定性差，围岩类别为Ⅳ类。

桩号21+510—21+600 段，为隧洞出口段，隧洞穿越南台组寿阳山段变质砾岩，岩性坚硬，在强风化及节理裂隙等不利结构面的影响下，岩体较破碎，施工时应清除不稳定块体。

2 地质构造

工程总体处于吕梁山太行断块，五台山穹隆的系舟山掀斜向斜与阜平穹状隆起构造单元接壤处，西部为滹沱河新裂陷。主要发育北东向地质构造，南北向、东西向等地质构造仅在南部有分布。区域稳定性，本区域地壳大面积拱起，穹隆抬升，新断陷下降，形成断陷盆地，盆地与隆起带老断层复活呈S 型展布，盆地内部地质构造复杂，周边多为正断层与基岩山区相接。本区地壳以差异升降运动为主。山区持续明显上升，盆地相对下降，现今处于相对稳定时期。

3#洞穿越五台山余脉平顶山，构造上为忻定盆地北部隆起带，组成的地层岩性为元古界滹沱群石英岩，绢欠枚岩。开挖揭露隧洞内有大的断裂和褶皱穿过，次一级构造节理裂隙和构造破碎带极为发育，从总体看构造处于相对稳定区。

3 工程地质条件及评价

3.1 竣工工程地质条件

3.1.1 地形地貌

3#隧洞地处平顶山区，从定襄县玉会村北穿越平顶山，于原平市子干乡南郭下村出口，进口高程802.0 m，出口高程800.5 m，地形最高点高程为1 162 m，隧洞最大埋深约360.5 m，山体为单斜构造，隧洞全长1 423.659 m，其中岩洞段长1 167.659 m，土洞段长256 m，进口段自然边坡约30°，边坡稳定，洞顶以上边坡陡，约55°。为单薄山脊，边坡稳定性极差，但对隧洞安全不会造成太大威胁。出口段，约200 余m 的土洞段，地形平缓，高差不足20 m，土洞段总体相对稳定。

3.1.2 地层岩性

根据开挖揭露的地层岩性，工程区主要有滹沱群变质岩，第四系冲洪积物，按其特征分以下几段：

桩号0+025.013—0-113.852 段，为隧洞进口明挖段，地处边山地带，发育地层上部为第四系全新统坡洪积层（Q4dPl），岩性为亚砂土含碎石，成分杂乱，碎石呈棱角状，粒径5～7 cm，夹有大孤石，粒径在100 cm以上，松散。中下部为第四系上更新Q3dPl坡洪积物，岩性为碎石土，质杂、夹大孤石，粒径在100 cm 以上。碎石土呈微胶结，硬质胶结，下部为中更新统坡洪积物Q2dPl，胶结稍好，但一般都能采用机械开挖，除大孤石外，可不用放炮开挖。

桩号0+006.6—0+133.6 段，揭露地层岩性为元古界滹沱群豆村亚群大石岭组盘道岭段（pt1dp），岩性为绢千枚岩，灰绿色、块状结构，岩石致密坚硬，产状NE75°NW、＜48°。

桩号0+133.6—0+384 段，揭露的地层为元古界滹沱群豆村亚群大石岭组谷泉山段（pt1dg），岩性为钙质石英岩，灰白-浅肉红色，块状结构，致密坚硬，岩层产状同上。

桩号0+384—0+404 段，揭露地层岩性为元古界滹沱群南台组木山岭段（pt1nm），岩性为绢千枚岩，呈灰绿色，块状结构，岩性稍软。

桩号0+404—0+587.6 段，本段揭露地层为元古界滹沱群南台组谷泉山段（pt1dg），岩性为钙质石英岩，围岩中sio2含量增多，岩石坚硬，开挖困难。

桩号0+587.6—0+644 段，该段揭露地层岩性为元古界滹沱群南台组木山岭段（pt1nm），岩性为绢千枚岩，岩性软，分化深，强度低。

桩号0+644—0+684 段，揭露地层岩性为元古界滹沱群豆村亚群南台组木山岭段（pt1nm），岩性为钙质石英岩绢千枚岩。绢千枚岩灰绿色，块状结构，弱分化。钙质石英岩为灰白色，致密坚硬。

桩号0+684—1+095.659 段，揭露地层岩性为元古界滹沱群豆村亚群南台组木山岭段（pt1nm），岩性为绢千枚岩，灰绿色，块状结构，岩性软。

桩号1+095.659—1+331.659 段，为土洞段，揭露地层岩性为第四系上更新统坡洪积物（Q3dPl），岩性为亚砂土及沙壤土，灰黄色、成分以粉粒为主，此为粉砂、细砂，结构松散，颗粒均匀，下部为中更新统坡洪积物（Q2dPl），岩性为棕红色亚粘土含碎石，稍密实。

桩号1+331.659—1+429.659 段，为隧洞出口段，揭露地层岩性为元古界滹沱群豆村亚群南台组寿阳山段石英岩，青灰—浅红色，块状结构，岩性坚硬。

桩号1+429.659—1+444.65 段为出口明挖段，下部为元古界滹沱群寿阳山段变质砾岩，块状结构，岩性坚硬，岩层产状NE70°NW＜60°，上部为第四系全新统坡洪积碎石土。

3.1.3 地质构造

从全洞段开挖情况看，岩层产状无较大变化，基本是走向NE75°倾向NW 约65°。

未发现大的褶邹和断裂构造通过隧洞洞身。但有部分小的断裂，多斜交洞轴，除此节理裂隙及构造破碎发育，使整体岩石遭到破坏。

桩号0+086.6—0+106.6 段，发育有一条断层，产状NE75°NW、＜60°，断层破碎带宽5～7cm，断层性质不祥。桩号0+106.6—0+126.6 段，发育一条断层，断层破碎带宽0.5～1.0m，性质不详。桩号约0+902 处，为一正断层，产状NW、NE、＜70°，断层破碎带宽2 m，充填角砾及石渣，沿断层带坍塌掉块严重。桩号0+933 处为正断层，断层带宽20 cm，充填角砾及岩硝。

构造破碎带在全洞段极为发育，特别是在桩号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，破碎带最宽约2 m，一般为5～10 cm。

破碎带内多充填岩硝和碎块岩石及红粘土，有空隙，密实差。产状多为NW280°-320°、NE、＜65-75°及NW、SE、＜57-80°。该组构造发育，受此影响围岩坍塌现象严重，围岩类别与原勘测类别出入较大。

全洞段节理极为发育，多为剪节理，产状多为NW346°左右，倾向NE，倾角70～80°。节理面平直，多闭合，无填充物，节理方向与隧洞方向呈小角度斜交，对隧洞开挖十分不利，超挖现象严重，而且多处节理发密集，节理间距只有5～10 cm。围岩多呈碎块状结构，超挖很难控制，经综合评定，整个隧洞Ⅳ类围岩占大部分。

经实际观测，整个隧洞基本处于干燥状态，无地下水活动，地下水对围岩稳定无影响。

3.2 主要工程地质问题及施工处理

一是3#隧洞岩洞段为元古界滹沱群老地层，地史上曾受过多次构造运动，因此岩体比较破碎，多呈碎块状结构，断层和构造节理发育，岩层面总体倾向下游，主要节理走向与洞轴方向呈小角度斜交，特别是山体的两侧围岩稳定性很差，超挖很难控制，为此采用了小药量、短进尺、先导洞后成型，但效果甚微，超挖问题仍未彻底解决。

二是桩号0+416—0+587.6 段，开挖揭露的地层岩性为元古界滹沱群豆村亚群大石岭组谷泉山段，岩性为钙质石英岩，微风化，节理裂隙少见，整体块状结构，但该段岩石Sio2成分明显增多，岩石断口可看到硅质矿物成分，光泽鲜艳，岩石变得特别坚硬，按水工施工开挖等级，可达到十六级，显然属特别坚硬岩石，增加了施工开挖难度，也增加了钻杆和钻头的消耗，采取的施工措施为增加炮孔，加大药量，效果明显，成型很好。

3.3 工程地质评价

依据《水利水电工程施工地质规范》对开挖后围岩进行分类：桩号0+006.6—0+421.6 段为Ⅳ类围岩，桩号0+421.6-0+587.6 段为Ⅲ类围岩，桩号0+587.6-0+884 段为Ⅳ类围岩，桩号0+884-0+904 段为Ⅴ类围岩，桩号0+904-1+024 段为Ⅳ类围岩，桩号1+024-1+084 段为Ⅴ类围岩，桩号1+084—1+311.659 段为Ⅴ土类围岩，桩号1+311.659—1+341.659 段为Ⅴ类围岩。桩号1+341.659—1+349.659 段为Ⅳ类围岩，桩号1+349.659-1+369.659 段为Ⅴ类围岩，桩号1+369.659—1+429.659 段为Ⅳ类围岩。

综上所述，隧洞所处地形地貌以及开挖揭露的地层岩性。从地质构造、地下水活动和岩层的分化程度看，岩体状态、结构面特征、开挖后洞围岩稳定状态，可将全洞分为76 段，其中：原设计Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩没有；开挖后Ⅲ类围岩评定有9 段，占总数的11.8%；原计划提供稳定性差的Ⅳ类围岩有59 段，开挖后评有47 段，占总数的61.8%；原设计提供的Ⅴ类围岩只有5 段，开挖后变为7 段，占总数的9.2%；原设计提供的Ⅴ类土洞围岩有15 段，开挖后评有13 段，占总段数的17.1%。

通过分析可知，Ⅳ类、Ⅴ类围岩占整个隧洞的88.2%，从而说明整个3#隧洞工程地质条件较差，施工难度及投入较大。

4 结论与建议

总体来看，3#隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩占隧洞段比重最大，故围岩处于稳定性差和不稳定状态，其主要原因是3#隧洞地层岩性为元古界变质岩，地质史上曾经受过多次地壳运动，地质构造复杂，节理裂隙及构造破碎带极为发育，岩体成块状，镶嵌结构，加上各结构面的组合不利于围岩稳定，软弱结构面走向与隧洞平行，或小角度斜交，非常不利于隧洞开挖和围岩稳定，成型差，因此多处出现拱顶塌落、超挖问题，加之土洞段是第四系全新统现代坡洪积物，结构松散，成洞条件更差。因此，3#隧洞工程条件欠佳，开挖成洞后，应对隧洞进行加固处理，以保证隧洞安全。