王晓燕，张怀军，姜冰川

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 工程概况

穿黄隧洞由进水竖井段、河底平洞段及斜井段组成。其中，进口位于黄河南岸解山村边，桩号6+ 534.518，底高程27.30 m；出口位于黄河北岸位山，桩号7+067.157，底高程27.30 m。隧洞水平投影长532.639 m，隧洞实长585.38 m。其中，竖井段实长82.25 m；平洞段实长307.17 m，纵坡1/1 000，起始底高程-32.17 m，尾端高程-33.09 m；斜井段实长195.96 m，斜井坡度20°。设计隧洞内径D＝7.5 m。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

穿黄隧洞工程地处孤山残丘地貌单元边缘地带，出口位于黄河位山险工段。黄河两岸堤外开阔平坦，北大堤堤顶高程约50 m，堤内位山呈孤丘出露、山顶高程约52 m。南岸解山村边筑有单薄的生产堤，堤顶高程43 m。两岸位山与解山之间河底为一隐伏基岩山脊，山脊顶最低处高程14 m，宽100余米。该段黄河近东西流向，上下游河道宽约600 m，险工段位山、解山之间为一河道卡口，河道宽约280 m。穿黄倒虹隧洞在位山、解山之间黄河底隐伏山脊穿过，埋深40～70 m。

2.2 地层岩性

隧洞围岩主要为古生界寒武系（∈）：中统张夏组（∈2z）和上统崮山组（∈3g）地层和第四系全新统（Q4）土层。

2.2.1 古生界寒武系（∈）

（1）张夏组（∈2z）：按岩性分为11层，隧洞围岩为该岩组9～11层。

第九层（∈2z9）：岩性为厚层灰岩、粗晶灰岩，缝合线发育，见黑色泥膜，微风化-新鲜，层厚20 m，层顶高程-30～-35 m。

第十层（∈2z10）：岩性为鲕状灰岩，鲕粒明显，深灰色、中厚层状，微风化-新鲜，层厚15m，层顶高程-15～-20m，该层为隧洞主要围岩。

第十一层（∈2z11）：岩性为豹皮状、隐晶致密状灰岩，中厚-厚层状，弱风化状，层厚28 m，层顶高程0～10 m，分布在隧洞竖井及斜井上部。

（2）崮山组（∈3g）：按岩性分3层。

第一层（∈3g1）：岩性主要为薄层夹中厚层紫色、灰绿色泥质页岩，强风化状，层厚7 m，层顶高程7～15 m，分布在隧洞竖井及斜井中部。

第二层（∈3g2）：岩性为薄板状灰岩夹页岩、中厚层竹叶状灰岩，强风化状，层厚23 m，层顶高程32～35 m，分布在隧洞竖井及斜井中上部。

第三层（∈3g3）：岩性为薄层灰岩与页岩互层，强风化状，出露层厚15 m，分布在斜井上部。

岩层产状平缓，走向NE60～80°，倾向NW，倾角2～5°。

2.2.2 新生界第四系

全新统土层。隧洞进、出口分布有冲积（Q43al）砂壤土、人工填筑（Q4r）砂壤土和碎石土，厚度1～5 m。

2.3 地质构造

2.3.1 断层

受北东向区域构造形迹影响，穿黄隧洞地段断层产状多为北东走向，倾角较陡。探洞开挖揭露断层12条，规模不大，破碎带及其影响带宽度在0.5～5.0 m之间。其中，破碎带以糜棱岩、构造角砾岩为主，影响带为碎裂岩。地下水长期侵蚀断层及影响带有不同程度溶蚀现象，局部充填棕色粘泥。断层分布情况及特征见表1。

表1 穿黄隧洞断层统计

2.3.2 裂隙

围岩裂隙属中等发育程度，切割深，局部较密集，倾角较陡，多在75°以上，产状以走向NE20～40°一组为主，多为闭合状，较大溶隙有溶蚀现象；走向NW300～330°一组次之，并有张开及溶蚀现象，宽0.1～2 cm。裂隙充填方解石薄膜、结晶体或棕红色泥质。

2.4 水文地质条件

本段工程地下水主要有第四系孔隙水和灰岩岩溶裂隙水两种类型。

第四系孔隙水赋存于河底粉细砂及黄河两岸土层中。由于黄河在穿黄隧洞地段为地上“悬河”，河水补给松散层孔隙水，两岸松散层孔隙水近河地段埋深3～4 m。

张夏组灰岩为穿黄隧洞的主要含水层，岩溶裂隙水主要赋存于断层破碎带及溶隙中。据探洞开挖涌水综合分析，由于断层和裂隙垂向切割较深并伴有溶蚀现象，使得隧洞段黄河水、孔隙水和岩溶裂隙水“三水连通”。因此，隧洞围岩渗（涌）水量较大，且渗（涌）多发生在围岩风化破碎、断层及其影响带或贯通较好溶隙部位。地下水水化学类型主要为HCO3· Cl·SO4-Na·Ca·Mg型，对普通混凝土无腐蚀性。

2.5 岩溶及发育特征

前期勘察、探洞隧洞开挖表明，未发现大的岩溶洞穴，岩溶发育程度张夏组（∈2z）灰岩高于崮山组（∈3g）灰岩地层，其中张夏组（∈2z）豹皮状灰岩溶蚀较为明显，蜂窝状溶孔较为多见。另一特点是岩溶形成受岩性和构造控制较为明显，岩溶多沿断层和裂隙垂向发育，隐蔽分布情况复杂，尤其断层和裂隙交汇处更为发育，且连通性较好并有张开现象，构成水力联系的主要通道，探洞开挖及隧洞施工时这些部位曾有突发涌水。

2.6 物理力学性质

2.6.1 岩石物理力学试验

隧洞围岩为古生界寒武系张夏组（∈2z）厚层、中厚层灰岩和崮山组（∈3g）薄层灰岩、页岩，岩性、风化及完整程度不一。探洞开挖期间，对各类岩石取样进行了物理力学性质试验，从表2中可以看出隧洞主要围岩张夏组灰岩地层力学指标较高，围岩地质条件较好。试验成果见表2。

表2 穿黄隧洞岩石物理力学试验成果

表3 穿黄隧洞围岩力学指标建议参数

根据穿黄隧洞围岩分类情况，隧洞围岩力学指标建议参数见表3。

2.6.2 地应力测试

探洞开挖期间对张夏组地层进行地应力测试，工程区地应力以水平向构造应力为主，最大主应力方向为NW340～350°，与探洞轴线夹角6°左右。最大主应力值7～8MPa，中间主应力值3～4 MPa，最小主应力值1～2MPa。最大主应力方向与探洞轴向近于平行，对隧洞围岩稳定有利。

2.6.3 静力弹性模量测试

测试施力方向分别为与岩层层面垂直和平行。崮山组（∈3g）岩层的测试值：垂直层面弹性模量为0.4～1.72 GPa，平行层面为2.83～5.17 GPa。张夏组（∈2z）岩层的测试值：垂直层面为13.95～16.54 GPa，平行层面为94.11～128.73 GPa。

3 工程地质问题

3.1 隧洞开挖涌水

隧洞在黄河底穿过且位于主要区域含水层内，埋深40～70 m，外水压力大，围岩虽经探洞帷幕灌浆及后期加固灌浆阻水处理，对外水内渗起到了控制作用，但帷幕在地下水长期侵蚀下局部效果降低。隧洞开挖时在进行超前探水及灌浆处理过程中，依然发生了多处涌水，这也说明本地区构造和岩溶地下水空间分布的极不均匀性。通过采取封堵、灌浆、喷锚等技术措施，均达到了止水效果。

3.2 隧洞外水压力

隧洞围岩位于寒武系崮山组、张夏组灰岩含水地层中，水文地质条件具有黄河水、孔隙水、岩溶裂隙水“三水相通”特征。黄河水位高程一般40～41 m，隧洞在黄河北岸斜洞、河底平洞水位以下埋深7～70 m。在穿黄探洞施工和除险加固期间对隧洞钻孔涌水水压测量，斜洞围岩外水压力随洞深递增、外水压力为0.1～0.6 MPa，平洞段外水压力基本为0.6 MPa左右，为黄河水位至隧洞埋深处静水压力。考虑到隧洞钻灌阻水帷幕在地下水长期潜蚀作用下阻水失效，围岩外水压力较大，隧洞衬砌必须考虑围岩外水压力问题。

3.3 隧洞围岩稳定

进水竖井围岩为崮山组和张夏组灰岩地层，岩层分布平缓，高程5 m以上崮山组地层呈强风化状，裂隙发育，属Ⅳ类围岩，围岩稳定性条件差。高程5 m以下张夏组灰岩属Ⅱ类围岩，围岩中两组陡倾角裂隙和岩溶发育，裂隙交叉切割在井壁易形成局部超挖岩体，竖井下部弯管段岩体应力集中，开挖岩体卸荷不利于围岩稳定，采取了适宜开挖和支护措施。

平洞段从寒武系张夏组中厚-厚层致密状灰岩和鲕状灰岩中穿过，岩体微风化-新鲜，完整性较好，围岩以Ⅱ～Ⅲ类为主。主要断层和裂隙走向为NE30～70°、倾角75°以上，与隧洞交角较大，对隧洞围岩稳定有利。断层及影响带宽度0.5～2 m左右者围岩为Ⅳ类，其中F3、F12、F6、F4断层附近围岩为Ⅴ类，施工过程中对其特别监测。

出水斜井段上部围岩为崮山组薄层灰岩与页岩，呈强风化状，近水平层面及裂隙发育，岩体破碎，围岩稳定性较差，属Ⅳ类围岩。斜井段崮山组地层北东向裂隙与洞轴近于直交，北西向一组裂隙与洞轴近于平行，裂隙倾角陡，裂隙与层面组合切割在顶拱可形成不稳定岩体，建议加强施工期超前预测，以便采取有效支护措施。

3.4 隧洞进出口边坡稳定

隧洞进出口上部为厚2～5 m的碎石土，结构松散；中下部为崮山组薄层灰岩夹页岩，呈强风化状，岩体破碎。明槽开挖深约16 m，施工期对边坡进行了喷锚加固处理。

4 结语

（1）穿黄隧洞的主要工程地质问题为涌水和涌砂问题。

（2）洞室围岩稳定问题、斜洞段崮山组明槽及覆盖层碎石土边坡稳定问题不可忽视。虽然进行了喷锚保护，但是还要进行观测与询查。

（3）断层带的渗透稳定问题。断层带内多为角砾岩和碎块岩及灌浆后的水泥结石，如果在外水压力的作用下细颗粒被带出发生管涌及突然涌水就会造成不必要的麻烦。

（4）通过开挖中发现的情况看涌水类型多变，有的出现清水，有的出现黄水，还有的先出现黑水（有腥臭味和夹有泥砂）、后出现黄水及粉细砂。由此可以看出，“三水相通”的观点是有根据的。