摘要：以榆林黄河东线马镇引水工程为例，分析了引水隧洞围岩的的工程地质特性，评价了隧洞存在的主要工程地质问题，着重研究了在隧洞施工过程中遇到的围岩稳定、软岩变形、涌水、饱和红黏土成洞等不良地质现象并提出了预防和处理措施，同时提出了隧洞施工方法建议，可作为类似工程设计和施工的参考。
关键词：引黄工程；引水隧道；围岩稳定；软岩变形；饱和红黏土
1引言
榆林黄河东线马镇引水工程[1]是榆林市委、市政府落实“五新战略”任务，实现“三大目标”确定的阶段性重大基础设施项目之一，且列入《陕西省“十三五”水利发展规划》。榆林黄河东线马镇引水工程总体规模年引水量2.9亿m3，供水对象主要为窟野河河谷区、榆神工业园区（含锦界）、榆林城区周边各园区。
榆林引黄工程出库推荐线路总长78.66km，以隧洞为主。共布置4条隧洞（其中1#隧洞为压力隧洞，其余3条隧洞均为明流隧洞），全长69.7km，占总输水线路的88.7％。
引水工程地质条件复杂，存在围岩稳定、涌水、软岩变形、湿陷性黄土及饱和红黏土、采空区等引起的重大工程地质问题。
2引黄工程隧洞地质环境
工程从神木境内的马镇乡葛富村黄河干流取水，经水源一级泵站及二级泵站两级加压、隧洞输水后，进入黄石沟沉沙调蓄库，经沉沙、调蓄出库后，由多级泵站提水，输水线路穿越窟野河、秃尾河等一直向西向南方向行进，将黄河水输送到神木、榆林的各用水户，工程末点为榆阳石峁水库。
2.1地形地貌
区地势总体呈西北高东南低，由北西向东南倾斜。地貌形式主要有沙漠地貌区、沙盖黄土梁峁地貌区、黄土丘陵沟壑地貌区和河谷阶地地貌区。沙漠地貌区分布于长城沿线以北、窟野河以西广大地区，府谷县北侧、窟野河东侧有少量分布。长城沿线以南为黄土丘陵沟壑地貌区，与沙漠区接壤部位有沙盖黄土梁、峁区过渡带，窟野河以东至黄河沿岸为峡谷丘陵地貌区，沿河谷两岸分布有河流漫滩及阶地地貌区。
2.2新构造运动
区域上属于陕北高原拱起地块。该区新构造运动主要表现为地壳振荡性上升，西部地壳上升幅度明显大于东部，在地势上表现为西高东低、北高南低。在地貌上表现为西部以风沙活动为主的剥蚀地貌，地势平坦。东部为以流水作用为主的侵蚀地貌，冲沟发育。
工程区大地构造部位属中朝准地台陕甘宁台坳的主体陕北台凹内。工程区属于华北地层区，总体为单斜地层，走向近南北，倾向西或南西、北西，倾角3°～10°。地质构造总特征是褶皱轻微，断层少见。
工程区地处长期相对稳定的地台区，构造运动微弱，位于地震活动较弱的榆林-府谷地震带，地震出现频率小且强度低。据历史地震目录及相关资料，都为6级以下地震，未见有地震形成的灾害记录。自1970年有台网记录以来也没有记录到一次4.7级以上地震，地震活动较弱。根据 1：400 万《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），本地区地震动峰值加速度 a＝0.05g，相应的抗震基本烈度为Ⅵ度第二组；地震特征周期0.35s～0.45s。
2.3水文地质条件
区内地下水按含水介质及赋存条件可分为：第四系松散层孔隙潜水、基岩孔隙裂隙潜水和基岩裂隙承压水。地下水分布极不均匀，富水性相差悬殊，大部分地区地下水较贫乏，西部沙漠滩地区地下水最为丰富。隧洞部位不部分有地下水分布，对工程影响很大。
2.4地层岩性
工程涉及到的地层主要为第四系松散堆积物及三叠系、侏罗系砂、泥岩。其中黄土类土广泛分布，具有中高压缩性、中强湿陷性和弱透水性，作为渠道地基土存在湿陷变形和冻胀破坏问题，需进行工程处理。作为隧洞围岩，属极不稳定的Ⅴ级围岩，成洞条件差，开挖时需加强支护。
3隧洞主要工程地质问题
3.1围岩稳定问题
引水隧洞穿越的地层岩性主要为砂岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩互层，总体上以砂岩为主，且工程区砂岩交错层理发育，岩层单斜，倾向西或北西，倾角3°～10°。洞身穿越的岩层走向与洞线方向夹角一般小于30°，岩层近于水平；砂岩为较硬岩，粉砂质泥岩和泥质粉砂岩为相对软弱岩体，工程区基岩多呈中薄层～巨厚层，整体性相对较好，对于洞室稳定相对有利。
对局部埋深较深的引水隧洞段，基岩处于厚～巨厚层，产状近水平，局部可能存在有较稀疏且延伸较长的结构面，含少量裂隙水，在力学性质上可视为均质、各向同性的连续介质，应力与应变呈直线关系，这类岩体的变形破坏主要有岩爆和脆性开裂：局部高地应力集中的位置，围岩开挖后，可能产生岩爆现象。脆性开裂常出现在拉应力集中部位，如洞顶和岩柱位置，当天然应力比值系数λ<1/3时，拉应力常集中在洞顶，拉应力超过围岩抗拉强度时，产生拉张破坏，从而导致洞顶塌方。这些都会对地下隧洞施工和人员安全都造成危害。
引水隧洞沿线洞身多位于基岩中，岩体结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育，层状岩体的变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等因素控制，引水隧洞工程可能涉及到的破坏主要为沿层面张裂、折断坍塌，弯曲内鼓等。近水平的围岩，洞顶岩层可视为两端固定的梁板，在顶板压力的作用下，梁板将产生下沉弯曲、开裂，当梁板围岩较薄时，如不及时支撑，任其发展，则将逐层折断剥落，进而断裂坍塌，形成洞顶三角形坍塌体。
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此外，引水隧洞沿线地质构造运动不明显，工程地质条件相对较简单，据地质勘察资料表明，沿引水隧洞线未发现活动断层和构造破碎带，隧洞范围内岩体相对较完整，围岩稳定性相对较好，针对施工时沿线局部可能会出现的如上所述围岩稳定性问题而导致隧洞塌方，施工过程中应在加强地质预报的同时，及时采取相应的支护加固措施。
3.2涌水问题
根据地质资料和现场勘察资料，引水隧洞沿线，洞身多位于整体完整性较好的三叠系砂岩或砂质泥岩中，岩体透水性以弱～微透水为主，局部中等透水；一般条件下，岩体本身不易发生规模较大的集中渗流、涌水或暴发性突水。但引水隧洞深埋地下，开挖过程中可能会遇到断层、挤压破碎带、不同结构面的组合等，这些部位影响隧洞围岩稳定性并可能成为隧洞涌水的通道。考虑到第四系松散孔隙水和基岩裂隙水的存在，雨季施工时，尤其是大雨、暴雨等恶劣天气条件下，第四系松散孔隙水和基岩裂隙水水量的增加。例如隧洞穿越牛栏沟淤地坝段，其上有一常年过水的水渠，可能会持续向下渗透，可能影响围岩稳定性，对隧洞施工安全造成潜在的威胁。
针对可能出现的涌水问题，在增设排水孔和一般排水设施基础上，在穿越河沟段、构造岩体破碎段应先期打导孔进行地下水情预报并根据情况可采用预先封堵的方式进行施工，以防止大量突水，影响施工安全。
3.3塑性变形问题
工程区广泛出露三叠系及侏罗系碎屑沉积岩地层，岩性以砂岩、粉砂岩、泥岩为主，软硬相间，其中泥岩夹层为软岩地层；泥岩胶结程度差，颗粒较细，结构松散，含有亲水性黏土矿物及较大的比表面积具有遇水软化、失水崩解的特性，水理性质差。
软岩洞段在一定的应力作用下可能产生一定的塑性变形，尤其是泥岩含量较高的洞段，由于岩体强度及抗变形能力较弱，若不及时采取支护措施，将可能产生径向塑性变形，出现挤压变形及掌子面稳定问题；另外，泥岩具有遇水软化、失水崩解的特性，强度大幅度降低，特别是在埋深较大，地质构造发育洞段，可能会给隧洞安全施工带来较大影响，需要采取适当的工程处理和变形监测措施。
3.4黄土隧洞塌方问题[2]
黄土在其变形过程中要经历变异、破坏和重堆积等作用，遭受过破坏的地质体在环境因素盖边师再变形和再破坏，在这一过程中，隧洞围岩的存在状态发生重要的变化。首先在黄土内蓄存一定的应力，这种应力使黄土变形，在应力应变曲线上留有痕迹。黄土的这种变形特征与一般岩土的变形很不相同，这是因为黄土结构是土体破坏方式和破碎程度的表征。影响隧洞围岩稳定性的因素有地质方面的，如初始应力、地形地貌，黄土的工程性质和地下水等；也有施工方面的，如隧洞形状尺寸、支护方法和时间、施工方法等，但起主导作用的是地质因素，即黄土的工程特性（内因）和地质工程环境（诱因）。黄土围岩失稳从部位来说，有拱顶悬垂与塌落失稳、侧壁突出与滑移失稳、以及底拱鼓胀与隆起失稳，破坏形式从程度来说，有楔体失稳、有层状剥离以及松散体失稳。
在黄土体中开挖地下洞室，改变了土体中原来的应力分布状态，尤其是因开挖形成了临空面，造成了土体发生变形和位移的自由空间。如果洞室周边的围岩的强度不足以承受作用在它上面的荷载，它就会想洞室内发生变形和位移，以致失稳，向洞内塌落或滑落，造成塌方。如果不采取措施控制围岩继续变形和位移，给予支护或加固，那么，塌方将会进一步发展，最终或达到一种自然稳定状态，形成所谓自然拱，或直至把洞室空间完全填塞再无临空面时为止。因此，在隧洞施工过程中，一般都要设置支护或衬砌。对于稳定性差或不稳定的围岩，更应及时地给予支护。
3.5饱和红粘土隧洞施工问题[3]
饱和红黏土隧洞分布在4#隧洞，该层红黏土大多为洪积成因，饱和红黏土具有弱透水性和强持水性，因而具有较高的灵敏度和较大的触变性。受上层滞水、构造裂隙、粘粒含量及钙质胶结程度等因素的影响，土层工程性质复杂多变，对隧洞围岩稳定性影响较大。
采用常规法（钻爆法）施工排水困难，易发生塌方。采用泥水平衡盾构法施工，容易引起了泥裹刀及隧洞纵坡超限等。根据分析比较，盾构法施工过程中不用排水，可保持洞室围岩的水环境稳定，同时该方法可快速封闭围岩，保证洞室围岩稳定，可满足设计施工要求。
4结论
通过对榆林东线引黄工程出库推荐线路隧洞围岩结构、构造及工程性质的研究，针对在工程施工过程中可能存在的工程地质问题进行了探讨。
（1）引水隧洞沿线地质构造运动不明显，工程地质条件相对较简单，据地质勘察资料表明，沿引水隧洞线未发现活动断层和构造破碎带，隧洞范围内岩体相对较完整，围岩稳定性相对较好，施工时沿线局部可能会出现围岩稳定性问题而导致隧洞塌方，施工过程中应在加强地质预报的同时，及时采取相应的支护加固措施。
（2）引水隧洞深埋地下，开挖过程中可能会遇到断层、挤压破碎带、不同结构面的组合等，这些部位影响隧洞围岩稳定性并可能成为隧洞涌水的通道。在穿越河沟段、构造岩体破碎段应先期打导孔进行地下水情预报并根据情况可采用预先封堵的方式进行施工。
（3）基岩隧洞岩性以砂岩、粉砂岩、泥岩为主，软硬相间，其中泥岩夹层为软岩地层；泥岩具有遇水软化、失水崩解的特性，强度大幅度降低，特别是在埋深较大，地质构造发育洞段，可能会给隧洞安全施工带来较大影响，需要采取适当的工程处理和变形监测措施。
（4）在黄土体中开挖地下洞室，改变了土体中原来的应力分布状态，如果洞室周边的围岩的强度不足以承受作用在它上面的荷载，它就会想洞室内发生变形和位移，以致失稳，向洞内塌落或滑落，造成塌方。对于稳定性差或不稳定的围岩，应及时地给予支护。
（5）红饱和红黏土具有弱透水性和强持水性，因而具有较高的灵敏度和较大的触变性，对隧洞围岩稳定性影响较大。根据土层工程特性，建议采用盾构法施工。
参考文献
[1]榆林黄河东线引水工程可行性研究阶段地质勘察报告[R].陕西:陕西省水利电力勘测设计研究院,2018.
[2]陈新建.黄土隧道工程地质灾害主要类型及分析评价(硕士学位论文)[D]西安:长安大学.2004.06
[3]程向民.晋西北上第三系红黏土工程特性与隧洞施工[J].资源环境与工程, 2013,27(4):390～393.
论文作者:郝霆
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/6
标签：隧洞论文; 围岩论文; 工程论文; 泥岩论文; 榆林论文; 黄土论文; 地貌论文; 《基层建设》2019年第22期论文;