引江补汉工程超长输水隧洞线路地质比选

吴树良，邓争荣，王吉亮，刘 凯，齐凌轩

（1.长江岩土工程有限公司，430010，武汉；2.长江三峡勘测研究院有限公司，430074，武汉；3.国家大坝安全工程技术研究中心，430010，武汉）

一、引江补汉工程三类方案概述

引江补汉工程布局研究了三类方案，即从长江三峡库区引水至丹江口水利枢纽大坝上游水库（简称坝上方案）、引水至丹江口水利枢纽大坝下游汉江河道（简称坝下方案）以及坝下坝上结合方案（为双线引水方案）。各方案经对工程区地形地质条件、环境敏感区分布、施工条件等因素进行综合考虑，拟定了各类方案比选输水线路方案。经综合研究，三类方案技术上均不存在制约因素，但坝下方案技术风险总体可控，经济性最好，供水成本最低，推荐坝下方案。坝下方案输水线路拟定了4条比选线路，分别为从长江三峡水库左岸秭归县归州镇取水至汉江丹江口水利枢纽大坝下游右岸安乐河的归安线，从长江三峡水库左岸太平溪镇龙潭溪取水至汉江丹江口水利枢纽大坝下游右岸安乐河的龙安1线、龙安2线、龙安3线。

归安线及龙安1线、龙安2线、龙安3线线路长分别为192 km、195 km、216 km、233 km，均全程采用有压单洞自流输水，隧洞长度分别为191 km、194.3 km、215 km、232.2 km，均属超长输水隧洞，等效洞径10.2～10.5 m。各比选线路隧洞全线拟采用“TBM+钻爆法”组合的施工方案，归安线及龙安1线、龙安2线、龙安3线TBM法施工洞段长度分别为131.9 km、119.5 km、90.2 km、85.2 km。4条线路共布置施工支洞138条，其中，归安线共26条，总长46.5 km；龙安1线共30条，总长48.8 km；龙安2线共38条，总长56.5 km；龙安3线共44条，总长75.2 km。

二、工程地质概况

引江补汉工程地质勘察采用了地质测绘及调查、钻探、物探、现场试验及测试、室内试验等综合勘察手段，并采用了千米级特深钻孔工程勘察及测试技术、大顶角超深斜孔钻探关键技术等先进勘探技术。坝下方案完成主要勘察工作量有：1∶2 000～1∶10 000比例尺地质测绘5 970 km2，1∶50 000岩溶水文地质调查1 380 km2；钻探布置以控制地层及构造为主，总工作量34 360 m/308孔；地面物探剖面基本全线路覆盖，音频大地电磁测深物探剖面589 km、高密度电法物探剖面69 km；进行了孔内压水试验、弹性模量测试、地应力测试、有害气体及放射性测试，断裂带原位力学试验等；还进行了大量的室内岩石物理力学性质试验。

工程区处于中国地势第二阶梯东缘向第三阶梯过渡地带，属大巴山系以及秦岭山系，以中山为主，地势总体呈中间高南北低、西高东低的特征。区内山间河谷发育，总体上地形地貌复杂多样。各线路中，归安线隧洞最大埋深1 656 m，平均埋深660m；龙安1线隧洞最大埋深1182m，平均埋深540 m；龙安2线隧洞最大埋深1 285 m，平均埋深490 m；龙安3线隧洞最大埋深1 037 m，平均埋深390 m。

工程区跨越2个一级大地构造单元，以城口-房县断裂、襄樊-广济断裂为界，北部为秦岭褶皱系（I），南部为扬子准地台（Ⅱ），地质构造复杂。线路隧洞涉及的主要褶皱有黄陵断穹、聚龙山复式向斜、金斗-鞍子寨倒转背斜、寺坪-牛头山倒转复式向斜；穿越主要区域性断裂有雾渡河断裂、通城河断裂、远安断裂、转转岩-上泉坪断裂、阳日-九道断裂、城口-房县断裂（青峰断裂带北边界断裂）、白河-谷城断裂、两郧断裂。其中城口-房县断裂、通城河断裂为工程活动断裂。

各线路隧洞穿越地层岩性复杂多样，火成岩、变质岩、沉积岩三大岩类均有分布，碳酸盐岩与碎屑岩总体呈相间分布。穿越的地层岩性主要有中、晚元古代岩浆岩，包括：闪长岩、花岗岩、辉绿岩等，蓟县系片麻岩、片岩，震旦系、寒武系、奥陶系、二叠系及三叠系灰岩、白云岩夹页岩，志留系页岩、砂质页岩、粉砂岩，侏罗系、白垩系及新近系黏土质粉砂岩、粉砂岩、黏土岩、砂砾岩等；其中三叠系上统、侏罗系下统地层中夹有煤层。各线路隧洞围岩工程地质初步分类结果见表1。

表1 各线路输水隧洞围岩工程地质初步分类结果

比选线路区地应力水平总体偏高，丘陵、岗地和平原区隧洞布置高程范围内地应力水平总体不高，属中等偏低应力及以下水平。

经对地质测绘、钻探、物探、现场试验及测试等综合勘察手段获得的资料综合分析，隧洞施工存在涌水突泥、高外水压力、软岩变形、坚硬岩岩爆、活动断裂活动性影响、对地表水及地下水环境影响、浅埋洞段围岩稳定性、有害气体及放射性与高地温等主要工程地质问题。

三、线路地质比选

1.比选原则

为降低施工期与运行期安全风险，尽量节约投资，线路比选应遵循如下基本原则：

①对于重大工程地质问题，应“绕避优先、避劣趋良”。

②尽量减少穿越大规模区域性断裂长度。

③尽量减少穿越强可溶岩地层长度。

④尽量绕避重大岩溶地下水环境影响问题。

⑤线路顺畅、长度较短、施工布置便利、施工方案可行、经济合理。

2.比选地质因素

在对输水隧洞各比选线路工程地质分析论证后，从输水隧洞工程地质条件、主要工程地质问题、与施工有关的地质条件三方面选择差异明显的地质因素，按其影响程度和重要性，划分为关键地质因素、重要地质因素和一般地质因素三类，详见表2。

表2 比选地质因素的选择及分类

3.地质比选

（1）关键地质因素比较

①隧洞穿越区域性断裂带来的影响

线路比选应尽量选择穿越区域性断裂洞段长度最短的线路，尤其是对线路地质比选影响突出的青峰断裂带。青峰断裂带是线路区一级大地构造单元的分界断裂带，带内发育一系近平行列分支断层，断层数量“西少东多”，断裂带总宽度“西窄东宽”。各线路穿越区域性断裂和青峰断裂带情况对比详见表3。

线路穿越区域性断裂归安线条数最少，龙安1、2线和3线相当；穿越青峰断裂带情况，归安线、龙安1线于西侧通过，穿越其分支断层数量及规模均远小于龙安2线和龙安3线，其可能遭遇断裂（层）带涌水突泥、断裂（层）软弱带大变形及围岩稳定等重大工程地质问题的影响相对更少。

②隧洞穿越可溶岩带来的影响

线路比选应尽量选择穿越可溶岩洞段最少的线路，尤其是对线路地质比选影响突出的聚龙山复式向斜强可溶岩分布区。对各线路穿越可溶岩洞段长度对比分析见表3。

聚龙山复式向斜区分布二叠系和三叠系强可溶岩组，其空间形态呈“西窄东宽”的喇叭形，发育有区内规模最大的岩溶水系统，地下水由西侧补给、向东侧排泄。龙安1线和归安线穿越该区西侧，穿越长度最短，仅约3 km，处于岩溶水系统补给区，隧洞穿越埋藏型可溶岩；龙安2线穿越该区中部，穿越长度约38 km，处于岩溶水系统径流区；龙安3线穿越该区东部，穿越长度约40 km，主要处于岩溶水系统排泄区；龙安2线、龙安3线隧洞均穿越裸露型可溶岩。

从隧洞穿越可溶岩情况尤其是聚龙山复式向斜强可溶岩区比较而言：

龙安1线穿越可溶岩尤其是强可溶岩洞段最短，穿越聚龙山复式向斜洞段位于其岩溶水系统补给区，且位于相对隔水层以下，隧洞遭遇岩溶系统管道的可能性低；龙安2线附近为聚龙山复式向斜岩溶水系统径流区、龙安3线附近多为排泄区；龙安2线、龙安3线输水隧洞虽遭遇岩溶水系统主管道的可能性小，但其靠近上部强溶蚀带，隧洞顶板与上方岩溶水系统管道底板距离由龙安2线处往龙安3线处逐渐缩短，隧洞开挖后由溶缝（隙）等结构面网络沟通其上方岩溶水系统管道水流产生涌水的风险增大；各施工支洞均由地表向输水隧洞开挖连接，经垂直渗流区、水平径流区，遭遇岩溶问题的概率极高，在强可溶地层中的施工支洞开挖过程中遭遇岩溶问题的可能性较大。龙安2线、龙安3线施工支洞布置无法避开聚龙山复式向斜强可溶岩分布区，遭遇岩溶系统管道的概率远大于龙安1线。

（2）重要地质因素比较

重要地质因素比较详见表3，比较而言：龙安1线隧洞穿越软质岩洞段合计长度最短；龙安3线隧洞埋深超过1 000 m洞段长度最短；涌水（Q＞18 m3/d·m）洞段长度龙安1线最短；坚硬岩强烈岩爆洞段长度龙安3线无；软岩严重和极严重变形洞段合计长度，各线路基本相当；隧洞围岩类别Ⅳ、Ⅴ类累计长度及占比，龙安1线最少。

（3）一般地质因素比较

一般地质因素比较见详表3，比较而言：TBM施工不适宜洞段合计长度占比，龙安1线最少；隧洞拟采用TBM施工洞段适宜（A）、基本适宜（B）洞段合计长度，龙安1线最多。

表3 各比选线路输水隧洞工程地质比较

施工支洞穿越可溶岩分布洞段总占比，龙安2线最少，龙安1线、归安线基本相当，龙安3线最多；软质岩分布洞段长度，龙安1线最少；Ⅳ、Ⅴ类围岩合计总占比，龙安1线最少。

4.比选地质意见

各比选线路隧洞均具备成洞的基本地质条件，在地质上无控制性制约因素。归安线及龙安1线、龙安2线隧洞埋深大，岩爆和软岩变形问题突出；龙安3线穿越青峰断裂带及强岩溶发育区洞段相对较长，隧洞断裂发育洞段围岩稳定性及岩溶涌水突泥问题突出。

经对各线路隧洞关键地质因素、重要地质因素及一般地质因素工程地质比较，龙安1线整体占优，在关键地质因素隧洞穿越区域性断裂带和可溶岩带来的影响上具有明显优势，特别是其遭遇断裂（层）和岩溶涌水突泥问题的风险相对低于其他比选线路。因此，从地质角度，推荐选择龙安1线为引江补汉工程输水线路。

四、结 论

①输水隧洞具有线路长、埋深大、地形地貌复杂、地层岩性多样、地质构造复杂、岩溶水文地质条件复杂、地应力水平总体偏高等特点。存在涌水突泥、高外水压力、软岩大变形、活动断裂活动性影响、坚硬岩岩爆、对地表水及地下水环境影响、有害气体及放射性、高地温等主要工程地质问题。

②在对输水隧洞各比选线路工程地质分析论证后，选择差异明显的地质因素，创新性地提出了按其影响程度和重要性划分为关键地质因素、重要地质因素和一般地质因素三类，进行综合地质比选的方法，对其他引调水工程线路比选研究具有借鉴意义。

③经对输水隧洞各比选线路三类地质因素进行综合比较，龙安1线整体占优，在关键地质因素隧洞穿越区域性断裂和穿越可溶岩带来的影响上具有明显优势，特别是其遭遇断裂（层）和岩溶涌水突泥问题的风险相对低于其他比选线路，推荐龙安1线为坝下方案输水隧洞线路。