六盘山深埋长隧洞工程地质问题初步分析

郑宝平

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

白龙江引水工程是甘肃省继引大入秦、引洮供水工程之后又一大型引水工程，工程已列入国家“十三五”规划172项重点建设水利项目中。白龙江引水工程从甘肃省嘉陵江支流白龙江上游引水，向陇东南调水，重点解决泾渭河流域缺水的大型水资源配置工程，工程受水区为天水、平凉、庆阳3市20县区，工程任务是城乡生活和工业供水。白龙江引水工程地跨黄河、长江两大流域，穿越秦岭、六盘山两大分水屏障，属跨流域长距离引水工程，工程总干线长559.67km，其中六盘山引水隧洞为线路下段控制性工程，布置示意如图1所示。

水利部水利水电规划设计总院承担并牵头的国家重点研发计划课题《大埋深隧洞岩体工程特性测试技术与综合评价方法》，甘肃省水利水电水电勘测设计研究院有限责任公司为子课题合作单位。对白龙江引水工程大埋深隧洞工程地质问题的研究，一方面为工程建设服务，另一方面为课题研究提供技术支撑。

图1 白龙江引水工程总干线布置示意图

1 隧洞地质概况

隧洞位处六盘山中山区，洞长56.17km，最大埋深1040m，埋深大于600m洞段长11.68km，占比20.8%。洞身围岩涉及震旦系、三叠系、白垩系、古近系、新近系地层，深埋洞段主要以白垩系下统软质岩为主。隧洞位处祁连山造山带和鄂尔多斯地块交汇部位，地质构造复杂，隧洞通过六盘山断裂带主干断裂，断层走向与洞线大角度相交，花崖堡子向斜、庙庙梁背斜等褶皱构造卷入地层为白垩系下统和尚铺组，受六盘山旋回构造影响，变形较剧烈。隧洞位于六盘山水文地质区，以六盘山主脊为界，东为泾河水系，西为渭河水系，地下水类型主要为第四系孔隙水、基岩裂隙水和断层带脉状水。

2 隧洞主要工程地质问题

六盘山深埋长隧洞通过南北向构造基岩隆起带，隧洞长、埋深大、地质条件复杂，经工程地质测绘、勘(物)探、试验，结合工程地质类比，分析预测隧洞区地温、地应力、放射性、有害气体、活动性断裂的抗断与工程抗震、涌突水(泥)、软岩变形和煤矿采空区稳定性等工程地质问题，预先采取有效防治措施，对保证工程顺利实施至关重要。

2.1 地温问题

对隧洞沿线4个钻孔进行了地温测试，据气象资料、钻孔地温梯度曲线，利用经验公式推算恒温层埋藏深度40m，地温为10.0℃。地温测试成果见表1。

表1 六盘山区隧洞钻孔地温测试成果表

穿过恒温带后地温一般随深度的增大而递增，参考六盘山区已有地温资料，无地温异常现象。国内外一些资料表明，高地温多出现在埋深1500m以下[1]。综合各孔测试资料，该区地温梯度小于3℃/100m，属于地温正常区。

依据深埋隧洞地温预测经验公式：

T=t+(H-h)×Gr

(1)

式中，T—隧洞岩温；t—恒温层温度，取10℃；H—隧洞埋深；h—恒温层深度，取40m；Gr—平均地温梯度。

当平均地温梯度Gr=1.86时，预测隧洞埋深600～800m时，洞身地温在20.4～24.1℃；埋深800～1000m时，洞身地温在24.1～27.9℃；最大埋深1040m时，预测洞身地温28.6℃；大于28℃受地温影响的隧洞段长300m，占比0.53%，基本不存在高地温危害。

2.2 地应力问题

受印度板块与欧亚板块碰撞后持续的向北推挤和楔入力源作用，六盘山区新构造运动强烈，应力场的力源来自印度板块向北东方向的推挤，现今构造运动方位总体为NE向[2- 3]。分析六盘山区中强震震源机制，表明构造应力场以水平作用力为主，最大和最小主应力轴是近水平的，且最大主应力方向明显存在区域性。新构造应力场和现代构造应力场总体格架大体一致，主压应力方向稳定，为NE～NEE向，并具有明显的继承性。

为获取隧洞区三向应力指标，现场采用常规水压致裂法，在白垩系地层钻孔中进行了地应力测试。测得现今应力场状态以水平应力为主，方向为N40W～N280E，与隧洞岩层多小角度相交，对围岩稳定有较大影响。隧洞区在测深范围83～433m内，最大水平主应力σH为3.6～13.7MPa，最小水平应力σh为3.4～9.9MPa，垂直应力σz为2.1～11.0MPa，最大水平主应力方向的侧压力系数(σH/z)范围为1.0～2.7。对隧洞深埋段采用线性回归公式σH=0.0253H+2.3；σh=0.0185H+1.8；σz=γH推导得出，埋深600～1040m最大水平主应力σH为17.5～27.6MPa，为中～高地应力，深埋洞段均系软质岩类，存在软岩变形破坏稳定问题。

2.3 放射性及有害气体问题

据《甘肃省东部1∶20万铀矿区域地质图说明书》，输水线路区域的放射性异常(铀矿床、矿点、矿化点)主要分布在宕昌县～甘谷县之间。六盘山隧洞段均处于天然放射性背景场正常值范围内，背景区的伽玛照射量率一般在(0.77～4.64)nc·kg-1h-1。

在六盘山洞线选取三个代表性钻孔进行放射性测井测试工作，测试结果：BZK05全井段统计计算天然放射性为0.26～4.50PA/Kg，天然放射性最大处深度为335.30～336.50m，厚度为1.20m，平均为0.85PA/Kg；BZK06- 1全井段统计计算天然放射性为0.23～1.83PA/Kg，平均为0.93PA/Kg；BZK09全井段统计计算天然放射性为0.22～1.73PA/Kg，平均为0.44PA/Kg。测试孔均未发现放射性异常的层段，测孔周围地层的天然放射性未达到异常范围，对施工人员的身体和输水质量不造成损害。

根据SL 629—2014《引调水线路工程地质勘察规范》附录F规定[4]，隧洞有害气体主要包括CO、CO2、NO2、SO2、NH3、H2S、CH4等。经初判隧洞穿越策底河段局部通过侏罗系(J)煤系地层，可能赋存有害气体。建议优化布置形式，施工中加强通风、检测。

2.4 穿越活动性断裂时引起的隧洞抗剪断与工程抗震问题

隧洞穿越六盘山区域断裂，该断裂带为一规模宏大的高角度逆冲兼左旋走滑断层，断裂带总体走向NW，长约90km，破碎带宽30～50m，局部宽达百余米。据最新研究成果，为全新世活动断裂[5]。断裂的北段哨口～海家庄段可看到1920年海原8级地震的地表破裂带和地表变形带，并有砂土液化等现象；据前人古地震研究结果，该段4.6万年以来有6次古地震事件发生，产生崩塌的最新一次地震是公元600年秦陇地震，震级近7级，并发现地震地表破裂。水平位错大于垂直位错，最大垂直位移为1.3m，最大水平位移约5.5m。根据断裂所处的大地构造位置，断层的活动性、一次地震活动量和平均活动速率，以及历史地震的震级，认为六盘山东麓断裂具有发生7级以上地震的危险性。隧洞抗剪断与工程抗震问题突出，目前国内外多采用扩大洞室断面几何尺寸，洞中套软管，适当加大洞径，使软管在洞内有活动余地，采用这样的方法提高引水隧洞抗剪断和减震性能。

2.5 深埋隧洞涌水、突水(泥)问题

隧洞水文地质条件复杂，沿线规模较大冲沟常年有流水，可见多处泉水出露点，分布高程高于隧洞。沿线钻孔内均有地下水，局部具承压性，地下水位均高于隧洞，大地电磁测深深埋隧洞段地下水位高于洞底高程500m以上，存在高外水压力。隧洞发育六盘山深大断裂带及六盘山褶皱系，有利于地下水富集、运移，在向斜核部常富存有较丰富的地下水，在韩店一带钻孔地下水具承压性，流量较大，说明地下水部分来源于深部。因此，在高外水压力作用下，初判隧洞穿越富水岩层、断裂、褶皱构造洞段存在涌水、突水(泥)可能性。

据已有水文资料，参考六盘山已建铁路、公路隧道涌水资料，分别采用地下径流深度法、水均衡法和地下水动力学法估算隧洞正常涌水量为35000m3/d，最大总涌水量为63000m3/d。根据SL 629—2014附录E隧洞涌水量预测，采用古德曼经验公式，对六盘山隧洞主要涌突水段进行了最大涌水量和单位涌水量预测，见表2。

表2 六盘山隧洞岩石涌水量估算表

(2)

式中，Q0—隧洞通过含水体地段的最大涌水量，m3/d；K—含水体渗透系数，m/d；H—静止水位至洞身横断面等价圆中心距离，m；d—洞身横断面等价圆直径，m；L—隧洞通过含水体的长度，m。

对隧洞涌突水段通常采用堵排结合措施。堵采用冻结法、掌子面预注浆法和深孔预注浆法等；排常采用集水井抽排到洞外。

2.6 软岩变形问题

隧洞长56.17km，埋深大，最大埋深1040m，围岩主要为白垩系、古近系、新近系地层，初判围岩类别为Ⅳ～Ⅴ类，岩石单轴饱和抗压强度一般小于30MPa，均属软质岩，经统计软质岩分布洞段长约50.1km，占比89.2%，见表3。

表3 六盘山隧洞软岩埋深及特性表

根据钻孔地应力实测成果，由弹性理论计算出隧洞不同埋深应力值及垂直洞轴线方向的最大初始应力值，见表4。

表4 隧洞不同埋深应力值及垂直洞轴线方向的最大初始应力值

注：围岩单轴饱和抗压强度Rc取26MPa

根据SL 629—2014岩体地应力分级，六盘山输水隧洞当埋深小于304m时，最大主应力小于10MPa，为低地应力；埋深304～700m时，最大主应力10～20MPa，为中等地应力，段长21.83Km；埋深大于700m时，最大主应力大于20MPa，为高地应力，段长9.14Km；最大埋深1040m时，地应力为27.6MPa。中高地应力条件下，软岩工程性质复杂[6]，目前还没有统一判据。结合国内外工程实例总结，当岩石强度应力比S<4时，一般会出现应力超限，形成塑性区，围岩稳定性差；当S<2时，围岩变形显著，围岩不稳定。初判隧洞埋深大于300m时，S=1～2.7，存在软岩大变形破坏的可能，变形洞长约31km，占比55.2%。隧洞围岩多为层状结构，变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等因素控制，破坏形式主要为岩层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。

已建312国道和平天铁路六盘山隧道、引洮工程总干7#隧洞[7]，均出现软岩变形塌方造成TBM卡机事故。工程经验表明，高地应力状态下的软岩隧洞，施工中会不可避免地发生大变形，需采取合适的处理措施，实施动态监测反馈，优化隧洞衬护结构设计和施工方法。

2.7 隧洞通过煤矿采空区稳定性问题

隧洞出口段通过华亭煤炭生产基地，煤炭开采已有四百多年的历史，目前已形成华亭和安口两个较大的采空塌陷区。采空塌陷区仍处于发展期，在一定范围内，采空区的变形尤其是周边地带的蠕动变形形成的拉裂缝、规模和时间具有极大的随机性，地表变形达到稳定状态的延续时间很长，对其进行定性或定量的变形稳定预测都是比较困难的。

经现场勘(物)探和地质测绘，区内发育近南北向展布的华亭～策底向斜，核部侏罗系地层是主要储煤层，埋深几十米至几百米不等。鉴于水利工程对地质环境的要求及工程失事对社会、经济和环境的影响程度，为保证隧洞长期安全运行。在规划选线时，与华煤集团对接，采取了避让措施，后期仍需进一步优化线路和隧洞设计。

3 结语

鉴于深埋长隧洞工程地质勘察工作难度较大，存在的工程地质问题复杂，大量的勘探工期较长，费用较高，因此深埋长隧洞工程宜采取整体构思、循序渐进、分阶段逐步加深的勘察方式。

对于影响工程安全性、经济性和进度等方面的重大工程地质问题，如六盘山区域断裂带活动性和抗断问题、涌突水(泥)问题和软岩变形问题，建议开展专题研究工作，有效指导设计和施工。

随着社会经济的发展，我国西北地区已建或在建的长距离线性工程日益增多。如引汉济渭、引大入秦、引洮供水工程等长距离引调水工程；兰渝铁路、天平铁路和宝兰高铁等铁路工程；青兰、平天、渭武高速等公路工程。这些工程与白龙江引水工程所处区域的地质环境存在一定的相似性，可供借鉴。