山西省中部引黃工程地下泵站圍巖穩定分析評價

郝永剛

(山西省水利水電勘測設計研究院有限公司，山西 太原 030024)

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規劃”大水網建設中的重要工程，規劃年供水6.02億m3。中部引黃工程包括取水工程和輸水工程。輸水工程線路全長約384km，其中隧洞長度約382km。地下泵站位于取水工程的末端、出水池下部的山體內。泵站裝機容量96000kW，布置7臺機組，水泵設計揚程200m。地下泵站埋深170～195m，開挖尺寸為123.3m×20.3m×37.9m(長×寬×高)。

1 地下泵站工程地質

1.1 基本地質條件

地下泵站位于保德縣崔家愣村黃崖溝左岸山梁，該山梁走向S40°E，山梁頂部與黃崖溝溝底高差約150m。溝內中下部基巖出露，岸坡較陡，上部覆蓋第四系及上第三系地層，山頂地形較平緩。

地下水類型主要有碎屑巖裂隙水和碳酸鹽巖類巖溶裂隙水。碎屑巖裂隙水主要賦存于石炭系地層中，砂巖為相對含水層，泥頁巖為相對隔水層，根據鉆孔及抽水井水位觀測資料，碎屑巖裂隙水水量很小，基本為干孔。碳酸鹽巖類巖溶裂隙水含水層為灰巖，泥巖為相對隔水層。地下泵站地處天橋泉域排泄區，地下水整體由東向西流動，水力坡度為5‰。泵站處巖溶水水位高程834m，主要含水層為奧陶系中統上馬家溝組灰巖，灰巖滲透系數32.7～34.9m/d，具強透水性，且具一定承壓性。

1.2 巖石物理力學性質

地下泵站微風化巖石物理力學性質成果見表1。灰巖、泥質灰巖、泥質白云巖為中硬巖，泥灰巖多為軟巖—較軟巖。新鮮泥巖超聲波縱波波速值為4200m/s，新鮮灰巖超聲波縱波波速值為5500m/s。

表1 地下泵站微化風巖石物理性質試驗成果匯總

1.3 巖體完整性程度

巖體完整程度是圍巖分類的主要因素。一般情況下，巖體完整程度劃分指標見表2。

表2 巖體完整性程度劃分

續表

隨著鉆孔攝影技術的發展，提出一種評價巖體完整性的新方法——RMDI法。選取泵站部位典型鉆孔(ZK13DB-7)高程850～795m段孔內攝影成果，見圖1，相應高程范圍內的巖芯情況見圖2。按RMDI法逐段統計巖體完整性指數，并與相應段內巖芯RQD值及聲波資料進行對比，見表3。

圖1 鉆孔(ZK13DB-7)高程850～795m段孔內典型攝影圖

圖2 鉆孔(ZK13DB-7)高程850～795m段孔內典型巖芯照片

表3 鉆孔(ZK13DB-7)孔內攝影與相應段巖芯RQD值及聲波資料對比

1.4 地下水狀態

地下泵站處存在兩層碳酸鹽巖溶地下水。在區域巖溶地下水位之上的碳酸鹽巖層中，存在多層泥灰巖、白云巖等相對隔水層。一定條件之下，也可能滯留一部分地下水，形成碳酸鹽巖類裂隙巖溶層間水，這些層間地下水分布范圍不大，水量一般不穩定。隧洞開挖時，也可能引起涌水、突水，但持續時間不會太長。上層巖溶水水位高程913m左右，奧陶系中統峰峰組下段泥灰巖、角礫狀泥灰巖為相對隔水層。下層巖溶水水位高程834m左右，主要含水層為奧陶系中統上馬家溝組灰巖，具有一定承壓性。該段處于天橋泉域排泄區，水的來源豐富。地下泵站范圍內鉆孔未發現有大的溶洞、斷裂，主要結構面為層面及高傾角裂隙，發育程度輕度—中等，局部結構面處存在溶蝕現象。巖溶水水位高于開挖面30m左右，分析地下水狀態主要為線狀流水。經估算地下泵站廠房降水至開挖底高程以下0.5m時，影響半徑達1860.9m，基坑涌水量約33000～36000m3/d。施工及運行時，均存在地下水影響，且可能對泉域內水源地的供水量產生影響。建議采取適當的封堵措施進行處理，再進行開挖。對于灰巖洞段外水壓力折減系數取0.7，泥灰巖洞段外水壓力折減系數取0.3。

1.5 主要結構面狀態及產狀修正

地下泵站范圍內主要結構面為層面、節理裂隙。巖層近水平分布，產狀為N25°W/SW∠2°～6°，地表調查發育三組高傾角裂隙：?N75°E/NW或SE∠80°，裂隙面平直，寬1～3mm，充填，延伸一般3～5m，裂隙間距0.5～1m；?N25°W/NE或SW∠70°，裂隙面較粗糙，寬度0.5～2mm，有少量泥質充填，裂隙間距1.2～3m；?N65°W/NE或SW∠73°，裂隙面較粗糙，寬度0.5～2mm，有少量泥質充填，裂隙間距為1.2～3m。此外，據泵站范圍內鉆孔攝像成果，對地下泵站高程795～850m范圍內進行裂隙統計，巖層層面多閉合，局部張開，沿層面有溶蝕現象，孔壁發育三組高傾角裂隙，產狀同地表接近，垂直向上裂隙間距多大于3m。

對于圍巖工程地質分類來說，結構面狀態是指地下洞室某一洞段內比較發育的、強度最弱的結構面的狀態，包括寬度、充填物、起伏粗糙和延伸長度等情況。產狀修正所考慮的主要結構面是對地下工程巖體穩定影響大、起著控制作用的結構面。包括其產狀、發育程度及結合程度等因素。

對規模較大的地下泵站來說，一般要對邊墻、端墻及頂拱分別進行圍巖分類及穩定性評價。對本工程而言，對邊墻、端墻穩定起控制作用的主要為與之夾角較小且傾向臨空面的陡傾角結構面；對頂拱起主要控制作用的是緩傾角結構面。

1.6 地應力

泵站處ZK13DB-1鉆孔水壓致裂法地應力測量成果見表4。地下泵站埋深范圍內以水平主應力σH為主，水平主應力隨深度而增加，高程840.0m以下水平主應力隨深度增加幅度變小，主要與地下泵站所處地形位置有關。地下泵站開挖范圍處于高程800～841m之間，依據表4測量成果，采用插值法計算地下泵站開挖范圍內最大水平主應力σH為11.56～11.70MPa，最小水平主應力σh為5.98～6.17MPa，垂直主應力σv為4.63～5.63MPa。最大水平主應力方向為NE30°。

表4 ZK13DB-1孔水壓致裂地應力測量結果

巖體初始應力分級采用最大主應力(σH)、巖石強度應力比(R/σH)兩個指標進行。其中R為巖石單軸飽和抗壓強度，計算得灰巖強度應力比值為5.10～5.16，泥灰巖強度應力比值為1.54～1.56。從最大主應力量級來看，區內屬中等應力；從巖石強度應力值來看，灰巖為中等地應力，泥巖為極高地應力。

2 地下泵站位置選擇及長軸方向確定

地下洞室的位置和軸向選擇直接關系到其運行條件、圍巖穩定性、支護形式及施工安全，也是影響地下洞室工程量及其造價的主要因素，甚至關系到工程的成敗。

結合工程建設進展情況，積極開展質量監督巡查工作，每年年初制定工作計劃，邀請有關領導和專家組成巡查組，對監督的在建大中型工程，開展1至2次全面的質量監督巡查工作，對巡查發現的問題及時提出質量監督巡查通報，分年度有側重地對混凝土、金屬結構以及土方等專項施工重要節點開展巡查。

2.1 位置選擇

本工程地下泵站跨度較大(長約123m，寬約20.3m，高約37.9m)，由運行條件確定地下泵站底板開挖高程為802.6m，頂拱開挖高程在841.0m附近。其位置選擇關系到圍巖條件的優劣以及施工的難易程度。場地內水文地質條件為：灰巖段內主要溶蝕現象為溶孔溶隙，考慮地形、巖性、結構面發育及其巖體完整程度等因素，地下泵站位于黃崖溝左岸山梁，該山梁走向S40°E，山梁頂部與黃崖溝溝底高差約150m；地下泵站應盡可能向山梁中部布置，保證圍巖有足夠的厚度。場地東南側發育F1正斷層，產狀N50°W/SW∠75°，斷層帶寬3～5m，斷距60～70m，斷層影響帶寬約50m，受斷層影響，地下泵站要避開斷層影響帶。

地下泵站開挖范圍內上部為峰峰組下段第一巖組(O2f1-1)泥灰巖、泥質白云巖，該層底板高程分布在829.5～847m，頂板高程多在842.8～861.8m，厚度變化范圍5.5～18.7m。其下為上馬家溝上段(O2s3)厚層灰巖夾薄層泥灰巖。開挖范圍內巖體為微風化狀態。灰巖為中硬—堅硬巖，泥灰巖多為軟巖。區內巖溶地下水位埋深835m，局部存在上層滯水。根據平面及空間上巖層產狀、巖性分布及巖體完整程度，選取了相對有利于圍巖穩定的地段，確定地下泵站位置。

2.2 長軸方向確定

其長軸方向確定對洞室穩定至關重要。長軸方向的確定主要考慮其與巖體最大主應力方向及巖體優勢結構面走向之間的夾角。一般情況下，對于初始應力場級別為高地應或極高地應力時，地應力狀態是廠房軸線方向選擇的重要因素，地應力在以水平主應力為主時，最大水平主應力方向與地下洞室長軸方向夾角越小，越有利于地下洞室的穩定。地下泵站處最大水平主應力σH為11.56～11.70MPa，最大水平主應力優勢方向為NE24～30。相對泥灰巖來說，區內為極高地應力。地下泵站長軸方向要盡量與最大水平主應力方向平行。對于灰巖來說，為中等地應力，優勢結構面對地下泵站長軸線選擇更重要，優勢結構面與長軸夾角較大時，對廠房地下圍巖的穩定有利。巖層產N25°W/SW∠2°～6°。巖體優勢結構面方向為N50°W。

綜合考慮地應力和結構面等因素，確定地下泵站長軸方向為N24°E。軸線與最大水平主應力近平行，與主要優勢結構面呈大角度相交，對圍巖穩定有利。

3 地下泵站圍巖工程地質分類

圍巖分類是對地下巖體工程地質特性進行綜合分析、概括和評價的方法，是許多地下工程的設計、施工和運行經驗的總結，故分類的實質是廣義的工程地質類比。影響圍巖質量和穩定性的因素不外乎地質因素和工程因素兩類，地質因素主要包括巖體的強度，巖體的結構和完整程度、結構面狀態，地下水狀態，初始地應力狀態等。工程因素主要包括洞室的軸線方向，斷面形狀及尺寸以及施工開挖方法、爆破方式等。

圍巖分類的方法有很多種，本文主要選用《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487—2008)、國標BQ《工程巖體分級標準》(GB 50218—2014)、RMR法進行分類和對比。

3.1 GB 50487—2008圍巖分類

地下水泵站灰巖、泥質灰巖、泥質白云巖為中硬巖，泥灰巖多為軟巖—較軟巖，巖體完整程度為較完整。主要結構面呈微張—閉合狀，泥灰巖中多泥質充填，灰巖中多無充填，一般延伸3～5m。頂拱泥灰巖位于巖溶地下水水位以上，僅受上層滯水影響，呈滲水或滴水狀，邊墻多位于巖溶地下水位以下，呈流水狀。地下泵站長軸方向N24°E，巖層近水平，影響上、下游邊墻穩定的主要結構面為第②組，產狀N25°W/NE或SW∠70°，與下、上游邊墻成49°相交；影響端墻穩定的主要結構面為第③組，產狀N65°W/NE或SW∠73°，與端墻近平行；影響頂拱穩定的主要結構面為層面。強度應力比值灰巖為5.10～5.16，泥灰巖為1.54～1.56。

依據上述條件，地下泵站圍巖分類見表5。地下泵站泥灰巖段為Ⅴ類圍巖，灰巖段為Ⅲ類圍巖。

表5 地下泵站圍巖工程地質分類(GB 50487—2008法)

3.2 國標BQ方法地下工程巖體分級

國標BQ法工程巖體質量分級分兩步進行，第一步為巖體基本質量分級，依據巖石的堅硬程度和巖體的完整程度兩個基本參數確定巖體基本質量 BQ值，對巖體進行初步分級。第二步為工程巖體詳細定級，考慮地下水狀態、巖體初始應力狀態、結構面的方向和組合等因素，對巖體的基本質量BQ值進行修正得到[BQ]值，進行詳細定級見表6。

表6 地下泵站巖體質量分級(國標BQ方法)

3.3 RMR分類

RMR分類是1973年由Bieniawski提岀的，主要用于隧洞等地下洞室圍巖分類。RMR值計算主要考慮巖石單軸抗壓強度、巖石質量指標(RQD)、結構面間距、結構面狀況、地下水狀態、結構面方位等六個方面因素。結構面節理裂間距大于2m，層面0.5～2m；主要結構面呈微張—閉合狀，泥灰巖中多泥質充填，灰巖中多無充填，結構面多平直粗糙，風化程度為微風化；地下泵站頂拱及上部泥灰巖節理水壓力與最大主應力比值小于0.10，地下水狀態為潮濕狀，下部灰巖泥灰巖節理水壓力與最大主應力比值取0.30，地下水狀態為淋水狀；影響上、下游邊墻穩定的主要結構面為第②組，產狀N25°W/NE或SW∠70°，與下、上游邊墻成49°相交，存在逆傾向開挖，結工程影響的評價為較好；影響端墻穩定的主要結構面為第③組，產狀N65°W/NE或SW∠73°，與端墻近平行，對工程影響的評價為很不利；影響頂拱穩定的主要結構面為層面，對工程影響的評價為較好。RMR值見表7。地下泵站頂拱泥灰巖為Ⅳ類巖體，邊墻及端墻巖體為Ⅲ類巖體。

表7 地下泵站巖體RMR分類

3.4 分類評價及對比

上述三種分類方法分類結果及巖體評價見表8。GB 50487—2008法與國標BQ方法圍巖分類一致，將地下泵站泥灰巖段劃分為Ⅴ類圍巖，灰巖段劃分為Ⅲ類圍巖；RMR法與上述兩種規范方法劃分類型主要區別在于對泥灰巖段的劃分上，RMR法將邊墻段泥灰巖劃分Ⅲ類圍巖，將頂拱泥灰巖劃為Ⅳ類圍巖。分析認為，對本工程地下泵站圍巖來說，GB 50487—2008法和國標BQ方法分類更趨合理，地下泵站跨度較大，泥灰巖易風化及軟化，且從強度應力比值看，為高地應力區，不穩定。RMR法分類未考慮地應力影響，對埋深較大的較軟巖圍巖分類有一定局限性。建議的圍巖物理力學參數見表9。

表8 三種分類方法分類結果及巖體質量評價

表9 圍巖物理力學指標建議值

4 圍巖穩定評價及建議

4.1 硬質巖

地下泵站處硬質巖主要為灰巖，分布于地下泵站中下部，強度應力比值5.10～9.68，屬低—中等地應力，圍巖類別為Ⅲ類，圍巖穩定主要受結構面控制。

上、下游邊墻走向N24°E，巖層近水平發育，三組陡傾角節理裂隙與上游邊墻成49°～56°相交，整體穩定性較好。左、右側端墻走向N66°W，其中第③組陡傾角裂隙走向與端墻走向近平行，且存在傾向臨空一側的裂隙，穩定性差。需視分布情況采取噴錨支護進行加固。此外，地下泵站巖溶地下水位較高，水量豐富，開挖時存在較高的靜、動水壓力，施工期和運行期均存在大量圍巖滲水的問題。建議對地下泵站四周采用帷幕灌漿的方式將地下水封閉后，再對廠房進行開挖。

4.2 軟質巖

地下泵站處軟質巖主要為泥灰巖，分布于地下泵站頂拱及上部，強度應力比值1.56～3.01，屬高—極高地應力，圍巖類別為Ⅴ類。圍巖破壞主要以塑形變形為主。泥灰巖巖性較軟，易風化，在地下水的作用下易軟化，洞室穩定性極差。建議開挖前，對頂拱分布的泥灰巖層采用高壓固結灌漿進行處理，提高該巖層的強度和整體性；并在開挖后及時采用格柵鋼架和噴錨支護措施對開挖面進行封閉，防止其在空氣中暴露時間過長；隨后及時進行施工廠房頂拱的鋼筋混凝土襯砌，并用錨索將襯砌與圍巖拉結為一體，防止圍巖變形過大。

5 結 語

a. RQD值受鉆進及巖層影響較大，以RMDI值劃分巖體完整性與完整性系數Kv劃分結果一致。

b. GB 50487—2008法和國標BQ方法圍巖類別基本一致，RMR法分類未考慮地應力影響，對埋深較大的較軟巖圍巖分類有一定局限性。

c.地下泵站圍巖類別灰巖為Ⅲ類，泥巖段為Ⅴ類。灰巖段圍巖穩定主要受結構面控制，除端墻外，圍巖穩定性較好；泥灰巖段圍巖破壞以塑性變形為主，易風化，受水易軟化，受地應力影響，穩定性極差。

d.區內巖溶地下水位較高，施工期和運行期均存在大量圍巖滲水的問題。建議對地下泵站四周進行帷幕灌漿，并對頂拱泥灰巖層采用高壓固結灌漿進行處理，提高該巖層的強度和整體性。