冬奥会山区综合管廊1#支洞关键工程地质问题及地质选线

杨良权， 晋凤明， 袁鸿鹄， 孙宇臣， 张如满， 王魏东

(北京市水利规划设计研究院， 北京 100048)

2022年冬奥会综合管廊工程是北京冬奥会关键性工程，全线长7.9 km，将统筹安排造雪用水、生活用水、再生水、电力、电信及有线电视等管线入廊。工程的实施将为冬奥会延庆赛区提供市政管线能源输送支持，是维持保障延庆赛区国家高山滑雪中心、国家雪车雪橇中心、奥运村、媒体中心等设施的能源生命线。综合管廊的安全稳定运行，对于保障冬奥会延庆赛区的供水供电可靠性起着决定性的作用。

由于时间紧、任务重，为了保障综合管廊能在规定时间内顺利贯通，综合管廊设计有5个施工支洞，累计总长度1 309 m，施工后作为永久通风及车辆进出口。其中，1#支洞既是全断面隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)法施工段的终点，又是钻爆法施工段的起点，地形条件及地质条件又最为复杂，所以 1#支洞的线路选线问题是影响设计、施工进度的关键节点之一，甚至是工程能否顺利完工的关键节点之一。

山体隧洞工程地质问题的研究一直是国内外学者研究的重点和热点问题，石生明等[1]通过采用室内试验、现场测试和工程地质类比分析，对白龙江引水工程西秦岭1#隧洞的高地应力、岩爆、高地温、隧洞涌水及突水、有害气体等工程地质问题进行探讨；胡永占[2]通过地质调绘、现场钻探、综合物探、综合测井、水文试验等勘察方法查清了西安—十堰高速铁路穿越秦岭山区段的地质条件，对长大区域断裂、山区不稳定斜坡及岩溶发育等工程地质问题进行了综合分析； 杜宇本等[3]以地形地貌、气候和岩溶问题为主控因素的分区原则，构建了高速铁路岩溶工程地质区；王旺盛等[4]在勘察期通过大范围线路比选和综合勘察测试研究，选定了隧洞线路并基本查明其地质条件，对滇中引水工程香炉山深埋长隧洞高地震烈度区抗震与穿越活动性断裂抗断问题、涌突水(泥)与地下水环境影响问题、高地应力与硬岩岩爆及软岩大变形问题、高外水压力问题及穿越煤层、膨胀土特殊岩土工程地质问题等进行了深入分析；徐正宣等[5-7]通过综合技术手段川藏铁路雅安至林芝段工程地质环境，系统分析了主要工程地质问题,提出铁路减灾选线原则；杜小洲[8]针对秦岭输水隧洞施工过程中遇到的高地应力、岩爆、长距离施工通风、突涌水、硬岩掘进、围岩失稳、软岩变形、高地温等问题，开展了超长隧洞岩爆预测与防治、突涌水分析和防治、深层围岩基本工程特性、高地应力软岩变形及防治、TBM硬岩掘进等关键技术研究；肖云华等[9]对乌东德水电站两岸地下厂房主要工程地质问题进行了深入研究，并对各类工程地质问题的特点进行归纳总结，为设计采取针对性的处理措施奠定坚实的地质基础。

为了能够确定冬奥会山区综合管廊1#支洞线路路由，在前人研究成果及已有工程经验[10-11]基础上，现采用地质测绘、钻探、工程物探、原位测试、水文试验、室内试验的综合勘察技术方法结合建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术对1#支洞的主要工程地质问题进行深入研究，并对初定的选线路由(南线、北线)进行对比分析，综合给出优选方案。

1 地质背景及地质特征

1.1 复杂地形地貌特征

1#支洞场区(图1)内主要分布有沟谷地貌单位和低山地貌单元两大类。

图1 1 #支洞选址区位置示意图Fig.1 Location diagram of No.1 branch tunnel location area

(1) 沟谷地貌单元。沟谷地貌单元为2#支沟沟谷地段，支沟属于季节性河流，雨季时有暂时流水，汇入下游的佛峪口主沟中，流入佛峪口水库中。沟谷走向约25°，沟谷长约1.1 km，谷底纵坡约14.5%，流域面积约1 km2。沟谷形状呈由上游“V”形谷逐步过渡到中下游的“U”形谷，沟谷两侧山体植被覆盖较好，两岸坡度一般为35°～55°。

(2) 低山地貌单元。低山地貌单元的隧洞洞身段主要穿越山体，总体表现出中部高两侧低的地形特点，属于低山地貌单元。地貌成因以内动力地质作用为主，并经受长期强烈的剥蚀切割作用，拟选隧洞沿线多呈现山高、坡陡、谷深特点，山顶海拔690～736 m，山坡坡度30°～55°，坡面树木等植被茂密。

1.2 复杂地层岩性特征

场区地层岩性复杂多变，分布有第四系卵漂石、碎石土及燕山晚期侵入的花岗岩及安山岩等[12]。

Kfs为钾长石；Pl为斜长石；Q为石英；Bt为黑云母图2 粗中粒二长花岗岩显微镜下鉴定图Fig.2 Identification diagram of coarse-medium monzogranite under microscope

图3 碎裂岩化粗中粒花岗岩显微镜下鉴定图Fig.3 Microscopic identification of cataclastic rockized coarse-medium grained granite

图4 花岗质碎斑岩显微镜下鉴定图Fig.4 Identification of granitic porphyries under microscope

1.3 复杂地质构造特征

1.3.1 深大断裂构造

延矾盆地北缘断裂，是延庆—矾山次级盆北部边界，北起延庆东北端的营盘，往西南经黑峪口、龙庆峡口、黄柏寺、西羊坊、佛峪口、方家冲、蚕房营、狼山、八营、十营、张官营、前郝窑、果园、黑山寺北、口前西，终止在红土沟一带，整体走向NE，由一系列NNE、NE、NEE向不连续的次级活动断层组成。狼山以西次级活动断层呈右阶斜列，狼山以东锯齿状追踪延伸，长约105 km。断裂两侧地形反差明显，属倾滑正断层，断面倾向SE，倾角50°～80°。断裂切割了海驼山南麓第四纪中晚期冲洪积体系，沿断层迹线形成基岩断崖、断层三角面、断层陡坎等断错地貌，是一条晚更新世—全新世活动断层。位于场址东南，距场址最近处近不足1 km。

1.3.2 选址区断层构造

根据地质测绘、地质钻探，1#支洞选址区内存在多条断裂构造。断层主要展布方向为NNE向及NW向，以正断、高倾角为主，多伴随有岩脉侵入。具体详见表1。

表1 选址区及附近断层统计表Table 1 Statistical table of site selection area and nearby faults

对支洞选址影响较大的断层主要为断层F66，位于2#支沟沟谷右侧山坡，走向27°～40°，倾向300°，高倾角约75°。断层带内充填构造角砾岩，围岩节理化带宽5～10 m，断层面见有擦痕现象。地貌上表现为沟谷、山鞍等负地形。

钻孔取芯以碎块状为主、局部砂砾状，主要组成物质为断层角砾岩和花岗岩囊状风化砂，局部夹断层泥，断层规模较大，胶结程度较差，整体强度低。钻孔取芯的碎块状锤击易碎、手掰易断，花岗岩蚀变明显。断层部位钻孔取芯情况，如图5所示。

图5 山体段钻孔岩芯(54.8～64.8 m)Fig.5 Drilling core of mountain section ( 54.8～64.8 m )

为了进行多手段验证，在1#支洞选址区典型地段布置地震波CT测试2对钻孔，分别是DAXK108#-DAXK191#和DAXK187#-DAXK191#。钻孔信息如表2所示，其中DAXK108#钻孔为管廊主洞预留钻孔。

表2 钻孔信息统计表Table 2 Statistical table of borehole information

DAXK108#-DAXK191#钻孔地震波CT反演断面如图6所示。红色实线范围内地震波速度为1 600～2 800 m/s，推测岩体完整性相对较差；其余大部分范围地震波速度为2 800～4 500 m/s，推测岩体相对较完整。

图6 DAXK108#-DAXK191#钻孔地震波CT反演断面图Fig.6 Seismic wave CT inversion section of DAXK108#-DAXK191# borehole

DAXK187#-DAXK191#钻孔地震波CT反演断面如图7所示，红色实线范围内地震波速为1 800～2 800 m/s，推测岩体完整性相对较差；其余大部分范围地震波速度为2 800～4 900 m/s，推测岩体相对较完整。

图7 DAXK187#-DAXK191#钻孔地震波CT反演断面图Fig.7 Seismic wave CT inversion section of DAXK187 #-DAXK191 # borehole

1.3.3 节理构造

受区域构造的影响，1#支洞选址区花岗岩区岩体结构面较为发育，主要发育3组节理。

(1)J1。走向北西(340°～350°)、倾向70°～80°、倾角35°～55°。

(2)J2。走向北西(270°～280°)、倾向0°～10°、倾角45°～65°。

(3)J3。走向北东(70°～80°)、倾向340°～350°、倾角55°～75°。

主要节理的走向玫瑰花图如图8所示。

图8 岩体主要结构面(走向)玫瑰花图Fig.8 Rose diagram of main structural plane (strike) of rock mass

1.4 复杂水文地质特征

1#支洞选址区内水文地质条件复杂，分布有地表水、第四系孔隙潜水及构造裂隙水。

场区内的2#支沟内无长流水，沟谷旱季多为干涸，雨季时有适当流水急流，与季节关联大。调查期间，沟内有小细流，流量不大。

沟谷区内主要为第四系孔隙潜水，地下水位埋深为15.8～22.1 m，水位高程为665～673 m，含水层为沟谷洪冲积卵漂石覆盖层。其补给源主要为大气降水、沟谷两侧山体基岩裂隙水及沟谷上游地下径流补给，排泄方式主要为向下游流入佛峪口主沟。地下水位变化大，潜水水位随季节变化，年变幅一般为3～5 m。

场区山体地下水以构造裂隙水为主，地下水位埋深为30～41 m，水位高程为677～680.5 m，含水层为断层破碎带及节理裂隙密集带。地下水高于隧洞洞顶为10～25 m。大气降水及侧向径流是地下水的主要补给源，排泄方式主要以向下游及山间沟谷径流排泄为主。

1.5 不良地质作用

1.5.1 不稳定斜坡

1#支洞选址区内仅分布一处不稳定斜坡，主要位于2#支沟的北部，坡高一般为20～40 m，坡度一般为25°～42°，坡长一般为90～180 m。不稳定斜坡特征详见表3。

表3 不稳定斜坡现状特征表Table 3 Characteristics of unstable slopes

1.5.2 崩塌

崩塌主要表现为2#支沟南部斜坡上的危岩体，崩塌特征是地形坡度大，一般坡面角度在40°～90°，坡高较高，坡体上岩体节理裂隙较发育，或风化较为严重，在外部触发作用下(降雨或人类工程活动)，易发生崩落现象，具体特征指标见表4。

表4 崩塌现状特征表Table 4 Characteristics of collapse status

1.5.3 泥石流沟(冲沟)

在充分利用遥感解译工作基础上，对选址区进行了泥石流地质灾害调查，经地质测绘与调查，分析可知，选址区内的泥石流沟(冲沟)规模为小规模，流域面积在0.96 km2，山坡平均坡度约20.3°，沟谷相对高差在350 m。具体特征内容详见表5。

表5 泥石流沟(冲沟)现状特征表Table 5 Debris flow gully ( gully ) status characteristics table

2 主要工程地质问题

2.1 不良地质作用问题

1#支洞穿越沟谷区、低山区两类地貌单元，地形地貌复杂。沟谷区段将采用明挖法施工、穿山段采用钻爆法施工。沟谷区地势低，发育有不稳定斜坡、崩塌及泥石流灾害，在明挖施工前要采用相应的工程措施对多灾种分别进行治理。

2.2 断裂构造影响问题

2.2.1 深大断裂及发震断裂

延矾盆地北缘断裂，整体走向NE，由一系列NNE、NE、NEE向不连续的次级活动断层组成。断裂两侧地形反差明显，属倾滑正断层，断面倾向SE，倾角50°～80°。断裂切割了海驼山南麓第四纪中晚期冲洪积体系，沿断层迹线形成基岩断崖、断层三角面、断层陡坎等断错地貌，是一条晚更新世-全新世活动断层。该断裂是区内的主要发震断层，断层上揭露出多次古地震事件。位于场址东南，距场址最近处约1 km。在选址时要针对活动断裂进行场地地震安全性评价，保障工程选址的合理性。

2.2.2 小型断裂

1#支洞选址区分布有多条断裂构造，对支洞影响较大。经勘测，断层带内多充填构造角砾岩，围岩节理化带宽大于5 m，断层面多能见有擦痕现象。地貌上表现为沟谷、山鞍等负地形。经钻探，取芯以碎块状为主、局部砂砾状，主要组成物质为断层角砾岩和花岗岩囊状风化砂，局部夹断层泥，胶结程度较差，整体强度低。断裂构造对围岩稳定影响较大，设计时要采取相应的支护措施。

2.3 水文地质环境复杂问题

2.3.1 隧洞岩体透水性大

针对1#支洞选址区，布置钻孔进行孔内压水试验。结果显示，花岗岩透水率q为1.20～10.40 Lu，平均值3.48 Lu，其中1 Lu=1 L/(min·MPa·m)，具弱-中等透水性；安山岩(闪长岩)透水率q为1.20～1.80 Lu，平均值1.50 Lu，具弱透水，局部局中等透水性。

岩体破碎带、节理裂隙密集带无法卡塞试验，实际岩体透水率将会比试验成果偏大。沟谷之间的岩体基岩渗透性可就近参考统一类型岩体透水率，按地质原理综合分析，其渗透性总体上比沟谷处岩体相对较弱。地质测绘的断层破碎带，综合分析其具中等透水性。孔内压水试验成果统计表详见表6。

表6 孔内压水试验成果统计表Table 6 Statistical results of water pressure test in holes

同时，在选址区内进行钻孔简易抽水试验，依据工程类别法，采用潜水完整孔法进行计算。抽水试验成果表明，计算出岩体等效渗透系数为4.8 m/d，具体计算参数见表7。由于岩体透水性主要依靠结构裂隙，透水性不具均一性，实际岩体透水率将会比试验成果存在一定差异。

表7 水文地质参数计算结果统计表Table 7 Statistical table of calculation results of hydrogeological parameters

在隧道施工时应警惕溶洞和隧道突水对工程建设的影响，岩体较破碎段应该做好防排水预案和支护措施。

2.3.2 地下水涌水量大

1#支洞隧洞开挖会揭露地下水，地下水会沿构造节理裂隙、断层破碎带、节理密集带产生滴水、线状流水，局部可能会发生涌水，特别是断层破碎带涌水的可能性更大。

为判断隧洞涌水量，分别进行了正常涌水量及最大涌水量计算分析。

(1) 正常涌水量。按降水入渗法估算，公式为

Qs=2.74αWA

(1)

式(1)中：Qs为隧洞通过含水体地段的正常涌水量，m3/d；α为降水入渗系数，取经验值0.3；W为年降水量，取张山营站多年平均值450 mm；A为隧洞通过含水体地段的集水面积，km2，取汇水面积约南线1、北线2。经计算，推断南线、北线隧洞正常涌水量为370 m3/d和550 m3/d。

(2) 最大涌水量。按古德曼经验公式法估算，公式为

Q0=L(2πKH)/ln(4H/d)

(2)

式(2)中：Q0为隧洞通过含水体地段的最大涌水量，m3/d；K为含水体渗透系数，综合考虑抽水试验与压水试验成果，建议值取2 m/d；H为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离，取28 m；d为洞身横断面等价圆直径，取毛洞洞径6.3 m；L为隧洞通过含水体的长度，取断层及断层破碎带南线取95 m、北线取150 m。经计算，推断南线、北线断层破碎带隧洞最大涌水量为12 000 m3/d和19 000 m3/d。

综合分析认为，上述正常涌水量及最大涌水量计算式均为经验公式，基岩水文地质条件复杂，地下水运动主要受构造节理裂隙以及断层等结构面控制，含水岩组为非均质，不同断面涌水形式、涌水量差异性会很大，估算涌水量只能说明宏观量级，可作为设计及施工措施参考。

2.4 围岩稳定问题

1#支洞选址区隧洞围岩地形地貌、岩性、风化程度、地质构造、埋深等因素分析，按照水电分类(hydropower classifying，HC)法，进行围岩工程地质分类，给出1#支洞选址区隧洞围岩类别分级特征表，见表8。其中，南线Ⅴ类围岩长度小计112 m、占比64.1%，Ⅳ类围岩长小计20 m、占比11.4%；北线Ⅴ类围岩长度小计120 m、占比35.9%，Ⅳ类围岩长小计194 m、占比58.1%。

表8 1#支洞隧洞围岩分级工程特征表Table 8 No.1 branch tunnel surrounding rock classification engineering feature table

3 地质选线原则及线路比选

3.1 1#支洞地质选线基本原则

基于冬奥会综合管廊1#支洞场区地形地貌、地质构造及水文地质环境复杂，综合利用工程地质测绘、钻探、工程物探、原位测试、水文试验、室内试验及BIM技术的综合勘察成果，提出了针对1#支洞的基本选线原则。

(1) 场区内地貌条件复杂，路线应尽量避开不稳定斜坡地段、潜在泥石流沟等灾害易发区段，特别是无法避开穿越2#支沟时，应有预留足够的过水行洪通道，避免形成山洪灾害、泥石流灾害。必要时采取一定的治理措施。

(2) 场区内地质构造复杂，虽无多条区域性深大断裂和发震断裂，但区内断层密集且交错，线路尽可能短距离、大角度且以简单工程类型通过断层及其破碎带。

(3) 场区水文地质环境复杂，特别是地下水问题突出，地下水对破碎岩体影响较大，在设计与施工中，隧道选线应尽量避免穿越大型储水构造部位，特别是避开场区内断层破碎带。

(4) 场区内的花岗岩受断层影响，多以碎裂化结构、碎斑结构为主，且多为地下水发育地段，穿山段隧道应尽量避开破碎状花岗岩地层，尽量选择较完整或较破碎岩体通过。

3.2 1#支洞线路比选

1#支洞线路方案主要比选了北线、南线两个方案(图9) 。两方案均近东西向垂直穿越山脊与主洞衔接。影响两个方案选线的主要地质因素为地质灾害的分布范围、围岩情况、断层构造发育情况等。

图9 比选方案设计路由Fig.9 Scheme design routing

北线方案隧道进口地形平缓，埋深较浅。支洞洞口施工条件较好，交通方便。隧道埋深相对较深，洞顶最大埋深约160 m。洞口及其附近主要发育不稳定斜坡、泥石流灾害，规模较小。区内延矾盆地北缘断裂虽为深大断裂和发震断裂，且距设计线路最短距离不足1 km，但经地震安全性评价，该断裂对工程影响小。北线路由方案穿越断层4条，其中3条(F71、F74、F75)与路由呈大角度相交、仅1条(F76)为小角度相交且分布有50 m断层破断带(图10)。地层岩性多以花岗岩为主，局部为安山岩、闪长岩，隧道围岩级别为Ⅳ～Ⅴ。基岩地下水多以节理裂隙水、断层裂隙水、为主，最大涌水量约19 000 m3/d。设计路由区内主要发育不稳定斜坡、泥石流等地质灾害，其灾害规模小，采用工程措施可消除安全隐患，总体上地质灾害对工程建设影响小。

图10 比选路由与断层结构关系的展示图(BIM)Fig.10 Display of the relationship between route selection and fault structure (BIM)

南线方案隧道进口地形相对较陡，但施工条件较好，交通较方便。隧道埋深较小，最大埋深约80 m。洞口及其附近主要发育崩塌、泥石流等灾害，采用一定措施较容易治理。沿线主要穿越断层1条，该断层为小角度相交，与路由呈近似平行且分布有45 m断层破断带。地层岩性多以花岗岩为主，局部为安山岩、闪长岩，隧道围岩级别为Ⅳ～Ⅴ。基岩地下水多以节理裂隙水、断层裂隙水、为主，最大涌水量约12 000 m3/d。设计路由区内主要发育崩塌、泥石流等地质灾害，其灾害规模小，采用一定工程措施即可消除安全隐患。

南线、北线方案沿线具体情况详见表9。

表9 各方案主要比选指标统计表Table 9 Statistical table of main comparison indexes for each scheme

4 结论

通过地质测绘、钻探、工程物探、原位测试、水文试验、室内试验及BIM的综合勘察技术方法对冬奥会综合管廊1#支洞选址区的主要工程地质问题进行了深入研究与分析。主要得出以下结论。

(1) 针对突出地质问题采用的综合勘察技术方法科学有效，不但能够查清设计和施工面临的工程地质问题，更能极大缩短了勘察周期和建设周期，近而保证了工程的顺利实施。

(2) 研究表明，断层带破碎、突水涌水、围岩稳定为1#支洞突出的工程地质问题，虽然选址区内仍存在不稳定斜坡、崩塌、泥石流等灾害，但其规模小、易治理。

(3) 在地质选线原则基础上，并结合BIM三维模型，从线路长度、地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、隧洞围岩级别、地质灾害及施工作业条件等方面对北线、南线方案进行了比选，确定了地质条件相对较优的南线方案。