刘杨威

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

临夏州供水保障生态保护水源置换工程位于甘肃中南部，是解决临夏州康乐、广河、和政、东乡、临夏县和临夏市6个县(市)城乡生活、工业生产及北塬区农业灌溉供水，以集中水源置换区域现有分散水源，实现区域供水安全保障和生态修复，为临夏州黄河流域生态保护和高质量发展提供水资源支撑的水源置换工程，是一项长距离跨流域调水工程。线路建筑物以隧洞为主，连接段采用倒虹吸、暗渠等建筑物，总长约110 km。本工程设计引水流量11.5 m3/s，年引水量1.92亿 m3，工程等别为Ⅱ等，主要建筑物工程级别为2级。

1 基本工程地质条件

1.1 地形地貌

工程区总干线中后段的康乐县—和政县—临夏县—临夏市的广阔地域，属中、新生代断陷盆地，区内黄土广泛覆盖，沟壑纵，地形较破碎，树枝状横水系发育，山梁走向受沟谷控制，地形趋缓，山体浑圆。区内洮河及大夏河支流大致由西南流向东北，地势总体西南高东北低，高程2 000～2 800 m，相对高差100～300 m，总体形成黄土低中山梁峁与河(沟)谷相间的地貌景观。

1.2 地层岩性

工程区涉及到新近系临夏组(N2l)和第四系地层。新近系临夏组可分为四个岩性段：第一、二岩性段(N2l1-2)分布于东线脱甲山、刘家河、堡子沟，岩性为褐红色砾岩、砂砾岩、砂岩及砂质泥岩互层，岩层单层厚20～40 cm，部分砾岩单层厚大于50 cm，总体呈中厚～厚层状，该段厚56～534 m。第三岩性段(N2l3)为紫红色砂质泥岩、泥质粉(细)砂岩夹疏松砂岩和砂砾岩[1]，其岩相变化剧烈，总体呈中厚—厚层状，局部为薄层状。第四岩性段(N2l4)为砖红色泥岩、砂质泥岩[2]夹砂砾岩及薄层疏松砂岩，厚度大于354 m。第四系地层主要为黄土类土堆积，其次为河谷及山前盆地堆积，与工程关系较为密切的有中～上更新统洪积、风积、冲洪积物以及全新统冲洪积、洪积、坡积物，岩性主要为离石黄土、粉质粘土、马兰黄土、粉质壤土、砂壤土以及砂(卵)砾石等。

1.3 地质构造及地震

1.3.1 地质构造

工程区构造体系属西秦岭褶皱带，总干线跨越区域较大，其分段所处构造体系的差异，造成构造特征和构造影响程度的不同。以秦岭北缘断裂为界，南为西秦岭褶皱带，北为中、新生代断陷盆地。西秦岭褶皱带断层、褶皱发育，中、新生代盆地，盆地新生代地层中构造不发育，受构造作用轻微，断裂不发育，构造以舒缓开阔式褶皱为主。

1.3.2 地震及地震动参数

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)，工程区50年超越概率为10%时地震动峰值加速度为0.15～0.20 g，地震动反应谱特征周期为0.40～0.45 s，相应地震基本烈度Ⅶ度，区域构造稳定性较差。

1.4 物理地质现象

临夏盆地岩性软弱，主要的不良物理地质现象为滑坡，另外在一些冲切沟沟脑，黄土喀斯特较发育。该区大型滑坡多为推移式基岩滑坡，滑坡呈圈椅状，后缘滑壁陡峭，前缘发育沟道、河流，现状滑坡处极限稳定状态，前缘因沟道切割及坡水、洪水冲蚀，稳定性差，有小规模解体滑塌现象。区内小型黄土滑塌、基岩浅层滑坡、土溜体发育。沟脑、梁坡部位，稳定性差，遇强降雨，常有表层滑塌、土溜等现象，和政至临夏一带较多见。工程总干线多穿越该区，滑坡对隧洞进出口的选择影响较大。在线路的选线中，尽量避开了大、中型滑坡，但是小型滑坡在线路中时有分布。当建筑物布置到滑坡体上时，应将建筑物基础深入到滑动面以下的稳定岩土体上，并对滑坡体采取防护措施，避免再次滑动。

1.5 水文地质条件

工程区处在洮河、大夏河两大流域，分水岭位于和政县南阳山，引水线路经过的洮河主要支流有胭脂河、苏家集河、南沟、牙塘河，经过的大夏河主要支流有牛津河、榆林沟、槐树关河，地表水系发育，地表水资源的补给以降水补给为主。地表水和地下水水质均属低矿化度淡水，无硫酸盐腐蚀性，水质良好。

2 极软岩工程地质特性

2.1 新近系临夏组第一、二段(N2l1-2)岩性工程地质特性

新近系临夏组第一、二段(N2l1-2)分布于东线脱甲山、刘家河、堡子沟，东线4#洞出口至5#洞进口为该套地层。岩性为褐红色砂砾岩、含砾砂岩及泥质砂岩，主要物理力学指标见表1。

表1 新近系临夏组岩石主要物理性质试验成果表

2.1.1 物理性质[3]

砂砾岩：以钙质胶结为主，岩体呈厚层状结构，裂隙不发育，较为完整。遇水软化且少量崩解。其颗粒组成：60～2 mm占31.8%～65.3%，2～0.5 mm占12%～14.1%，0.5～0.25 mm占4.4%～8.1%，0.25～0.075 mm占2.5%～14.3%，<0.075 mm占12.9%～20%。干密度2.1～2.3 g/cm3，平均值2.2 g/cm3，含水量12.6%，孔隙率5.5%，孔隙率低。钻孔岩芯特征：钻进过程中机械破坏严重，岩芯多呈散体状，少量呈短柱状。岩芯遇水后有软化现象，仅局部有崩解现象。

泥质砂岩：泥质胶结，中厚层状结构，裂隙不发育，岩体结构完整。干密度2.12～2.36 g/cm3，平均值2.15 g/cm3，含水量6%～15%，平均值9.7%，孔隙率23.2%。钻孔岩芯特征：岩芯多呈柱状，一般长度15～20 cm，最长约100 cm。岩芯遇水后有软化现象且部分崩解，浸水一定时间均100%崩解成泥状、碎块状，全部崩解所需时间不一，一般2～3 h，水理性质较差。

2.1.2 力学性质

砂砾岩、含砾砂岩：天然状态抗压强度9.2～26 MPa，均值18.5 MPa，凝聚力0.5～0.6 MPa，平均值0.55 MPa，内摩擦角34°～38°，平均值36°。根据钻孔压水试验，其透水率在2.4～3.9 Lu。砂砾岩属极软岩，抗剪强度低，弱透水。

泥质砂岩：天然状态抗压强度3.8～9.2 MPa，平均值6.7 MPa，凝聚力0.1～0.3 MPa，平均值0.2 MPa，内摩擦角32°～34°，平均值33°。根据钻孔压水试验，其透水率在0.6～2.2 Lu之间。属极软岩，抗剪强度较低，岩体透水性差，具微—弱透水性。

总之，第一、二段(N2l1-2)岩性均属极软岩，颗粒组成以粗颗粒为主，砂砾岩强度高于泥质砂岩，二者胶结程度不一，总体上胶结程度较差，遇水易软化、崩解，水理性质差，砂砾岩透水性强于泥质砂岩，工程地质性质差。

2.2 新近系临夏组第三段(N2l3)岩性工程地质特性

主要分布于牛津河以西，构成18#隧洞后段至22#隧洞围岩及连接段部分基础持力层，岩性主要为砂质泥岩夹泥质粉砂岩、泥岩，偶夹疏松砂岩及砂砾岩。

2.2.1 物理性质

砂质泥岩：泥质胶结，胶结程度较差，厚层状结构，裂隙不发育，岩体结构完整。其颗粒组成：>0.075 mm的砂占17.2%～20.5%，0.075～0.005 mm粉粒占48.8%～50.7%，≤0.005 mm的粘粒含量占30.7%～32.1%。干密度1.8～2.16 g/cm3，平均值1.90 g/cm3，含水量10.1%～18.3%，平均值14.1%，孔隙率31.75%～33.46%，平均值32.6%。钻孔岩芯特征：岩芯多呈柱状，一般长度20～30 cm，最长约150 cm，岩芯遇水后有软化现象明显且崩解现象较为明显。砂质泥岩胶结程度差，颗粒较细，含有亲水性黏土矿物及较大的比表面积，遇水后具有极强崩解特性，在不到30 min的时间内即全部崩解为泥砂状，水理性质差。

泥质砂岩：为夹层，夹层厚度一般0.5～1 m，最大3.2 m，泥质胶结，胶结程度差，中厚层状结构，裂隙不发育，岩体较完整。干密度1.91～2.12 g/cm3，平均值2.0，含水量7.2%～18.4%，平均值11.7%，孔隙率25%～32.93%，平均值28.12%。钻孔岩芯特征：岩芯多呈柱状，一般长度20～40 cm，最长约120 cm。浸水一定时间均100%崩解成泥状、碎块状，全部崩解所需时间不一，一般3 h，水理性质差。

2.2.2 力学性质

砂质泥岩：天然状态抗压强度2.0～3.3 MPa，均值2.7 MPa，凝聚力0.08～0.15 MPa，平均值0.12 MPa，内摩擦角28°～32°，平均值30°。根据钻孔压水试验，其透水率在0.4～1.66 Lu之间。砂质泥岩属极软岩，强度低，微—弱透水。

泥质砂岩：天然状态抗压强度3.9～7.8 MPa，平均值6.4 MPa，凝聚力0.1～0.3 MPa，平均值0.2 MPa，内摩擦角32°～34°，平均值33°。根据钻孔压水试验，其透水率在1.75～2.22 Lu之间，属弱透水岩体[4]。

根据本次勘察成果，并结合引洮供水一期工程[9]勘察经验，第三段(N2l3)岩性比第一、二段(N2l1-2)干密度小，一般小于2.2 g/cm3，最小为1.8 g/cm3；天然含水量较大，一般大于7%，最大达18.3%；孔隙率较大，远大于硬岩，小于密实的土类，一般25%左右。该岩组极软岩胶结程度较第一、二段(N2l1-2)岩性差，颗粒较细，泥质砂岩强度高于砂质泥岩，砂质泥岩含有亲水性黏土矿物较泥质砂岩多，遇水后具有强崩解特性[5]，砂质泥岩在不到30 min的时间内即全部崩解为泥砂状，泥质砂岩全部崩解所需时间不一，一般3 h，二者水理性质差。通过试验观察，极软岩全部崩解所用的时间有所不同，崩解时间的快慢与其含水状况和风化程度有关，一般天然含水量大，则全部崩解所用的时间较长，相反在含水量较小或干燥情况下遇水则迅速崩解，全部崩解时间一般不超过10 min。

2.3 新近系临夏组第四段(N2l4)岩性工程地质特性

分布于苏集河至牛津河之间，构成13#隧洞至18#隧洞前段围岩，岩性主要为泥岩，局部夹砂质泥岩、砂砾岩及疏松砂岩[9]。

2.3.1 物理性质

泥岩：泥质胶结，胶结程度差，厚层状结构，裂隙不发育，岩体结构完整。其颗粒组成：> 0.075 mm的砂占4.9%～14.9%，0.075～0.005 mm粉粒占48.8%～62.3%，≤0.005 mm的粘粒含量占31.3%～35.8%。干密度1.75～1.80 g/cm3，平均值1.78 g/cm3，含水量19.3%～25.1%，平均值21.1%。钻孔岩芯特征：岩芯多呈柱状，一般长度20～40 cm，最长约160 cm，岩芯遇水后有软化现象明显且崩解现象明显。泥岩胶结程度差[6]，颗粒细，含有亲水性黏土矿物及较大的比表面积，遇水后具有极强崩解特性，在不到30 min的时间内即全部崩解为泥状，水理性质差。对照有关标准，其≤0.005 mm的粘粒含量占31.3%～35.8%，无荷载膨胀率8.7%～9.1%，不具有膨胀性。

砂质泥岩：为夹层，厚度一般0.5～1.5 m，泥质胶结，中厚层状，裂隙不发育，岩体结构完整。其颗粒组成：>0.075 mm的砂占8.0%～14.8%，0.075～0.005 mm粉粒占59.1%～76.8%，≤0.005 mm的粘粒含量占15.2%～26.1%。干密度1.75～1.99 g/cm3，平均值1.82，含水量5.2%～21.6%，平均值16.8%，孔隙率25.19%～36.99%，平均值31.93%。浸水后在不到30 min的时间内即全部崩解为泥砂状，水理性质差。其无荷载膨胀率0.52%，对照有关标准，无膨胀性。

砂砾岩：为夹层，一般厚度1～2 m，厚者达5 m，泥质胶结为主，胶结程度差，钻孔岩心呈砂砾状，局部为泥钙质胶结，胶结程度较好，钻孔岩心呈短柱状、柱状。其颗粒组成：>2 mm的砾石占65.3%，2～0.075 mm的砂占18.9%，≤0.075 mm粉粘粒占12.9%。干密度1.82～1.92 g/cm3，平均值1.87 g/cm3，含水量13.3%～18.6%，平均值15.73%。

疏松砂岩：为夹层，主要分布在13#～18#隧洞，厚度一般0.5～2 m，厚者达5 m，泥质胶结，胶结程度差，钻孔岩心为砂状。其颗粒组成：>2 mm的砾石占8.1%，2～0.075 mm的砂占54.6%，0.075～0.005 mm粉粒占25%，≤0.005 mm的粘粒含量占12.3%。

2.3.2 力学性质

泥岩：天然状态抗压强度0.4～0.75 MPa，均值0.51 MPa，凝聚力0.07～0.12 MPa，平均值0.10 MPa，内摩擦角28°～33°，平均值30°。根据钻孔压水试验，其透水率在0.45～2.77 Lu之间。泥岩属极软岩，强度低，属微～弱透水。

砂质泥岩：天然状态抗压强度0.8～2.8 MPa，平均值1.5 MPa，凝聚力0.08～0.20 MPa，平均值0.12 MPa，内摩擦角30°～33°，平均值32°。根据钻孔压水试验，其透水率在1.7～2.3 Lu之间，属弱透水。

砂砾岩：天然状态抗压强度0.2～1 MPa，平均值0.51 MPa，根据钻孔压水试验，其透水率在2.97～7.27 Lu之间，属弱透水。

根据本次勘察成果，第四段(N2l4)岩性比第三段(N2l3)岩性干密度小，一般小于2.0 g/cm3，最小为1.72 g/cm3，略高于老黄土；天然含水量较大，一般大于10%，最大达25.1%；孔隙率较大，远大于硬岩，小于密实的土类，一般30%左右。该岩组极软岩胶结程度较第三段(N2l3)岩性差，颗粒较细，强度低[7]。砂质泥岩强度高于泥岩，砂砾岩和疏松砂岩胶结差，基本为散体状，强度很低。该岩组含有亲水性黏土矿物较泥质砂岩多，遇水后具有极强崩解特性，在不到30 min的时间内即全部崩解为泥砂状，水理性质差。

3 极软岩隧洞的工程地质问题分析评价及建议

极软岩构成的隧洞围岩岩体一般较完整，其围岩稳定性取决于岩石强度性质、所处应力环境及地下水渗流。根据现行围岩分类标准，由极软岩构成的围岩均为极不稳定的Ⅴ类围岩。以上各岩组由于工程地质性质有所差异且所处地质环境不同，其围岩稳定性亦有差异。

砂砾岩、含砾砂岩作为隧洞围岩[8]，分布于总干渠3#隧洞及4#隧洞前段，属极不稳定的Ⅴ类围岩，因其胶结程度、成岩作用、水理性质、力学性质较差。该类围岩隧洞开挖应及时支护，及时衬砌，必要时超前支护。

泥岩、砂质泥岩，呈中厚层—巨厚层层状结构，围岩岩体较完整，一般不含地下水，但在浅埋风化层和断层破碎带附近的围岩地下水活动微弱，多呈滴渗水状。由于属极软岩，隧洞开挖后，由于应力集中，当埋深大于100 m时围岩将产生塑性变形，隧洞周边一定范围内的围岩处于塑性变形状态，在剪应力作用下出现向洞内挤入的剪切滑移、底鼓等收敛变形现象，并随着埋深和时间的增大塑性区范围将进一步增大，埋深大于300 m时围岩将产生较大的塑性变形，相对变形量将大于2.5%，隧洞自稳时间很短。围岩稳定性极差，属Ⅴ类围岩。应及时挂网喷锚、系统锚杆及钢拱架支护。另外，因泥岩具长期流变特性，二次衬砌应充分考虑围岩流变压力。

疏松砂岩：属极软岩，强度低，胶结差，呈超固结砂状，围岩中有少量地下水，属不良围岩，施工时受震动影响易产生液化进而发生涌砂。该层主要分布在新近系临夏组第四段岩性组，构成13#～18#隧洞局部洞段围岩，但其为夹层，钻孔揭示最大厚度5 m，但由于岩层较平缓，倾角为6°～8°，隧洞穿越5m厚疏松砂岩长度可达30～50 m。施工中应高度重视，TBM施工时应快速通过。

4 结语

通过以上对各岩组的工程地质特性综合分析，各岩组均为极软岩，岩性软弱，水理性质不良。因所处地层岩组的不同，其岩性和颗粒组成有所不同，各岩组强度也有差异。

(1)从各岩组颗粒级配来看，各岩组颗粒级配变化较大，颗粒粗细程度总体由老至新逐渐变细，即第一、二段(N2l1-2)岩石颗粒较粗，以砂砾岩为主，第三段(N2l3)岩石颗粒次之，以砂质泥岩为主，第四段(N2l4)岩石颗粒较细，以泥岩为主，同时可以看出，同一岩组内岩石颗粒也有变化，同一岩组内颗粒级配的变化反映出沉积时水流的变化，不同岩组颗粒级配的变化反映出沉积环境的变化。

(2)从岩石强度来看，各岩组岩石均为极软岩，各岩组岩石强度由老至新逐渐变低，即第一、二段(N2l1-2)岩石强度高于第三段(N2l3)岩组，第四段(N2l4)岩石成岩程度最差，强度低。

(3)总体上，红色碎屑岩类是一种特殊的极软岩类，从岩石固有的特性来说，其具有软的特性；从工程应用来看，岩石强度低，承载力低，变形大。