深圳市西部花崗巖分布區(qū)深埋隧洞地質(zhì)風險研究

馮建偉 雷世兵 曾劍華 何愛文 王銳 劉潤方

摘要：為了研究深埋隧洞TBM施工在穿越花崗巖分布區(qū)時可能遭遇的地質(zhì)風險，以貫穿深圳市西部的羅田水庫―鐵崗水庫輸水隧洞工程為例，通過野外地質(zhì)測繪、地球物理勘探和巖石室內(nèi)外試驗，探討燕山四期花崗巖的成因、類型，重點研究花崗巖的主要工程地質(zhì)特性，并對深埋隧洞突出的地質(zhì)風險進行預(yù)測。研究表明：深圳市西部地區(qū)的花崗巖主要為二長花崗巖和花崗閃長巖，微風化巖體具有良好的物理力學特性，巖石具有高―極高磨蝕性，受巖體風化、蝕變和斷裂構(gòu)造等影響性狀變差；隧洞TBM施工時突出的地質(zhì)風險主要有超硬巖適宜性、超深風化深槽、隧洞涌水和圍巖穩(wěn)定等問題。研究成果可以為類似大埋深（隧洞）工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：花崗巖； 工程地質(zhì)特性； 地質(zhì)風險； 深埋隧洞； 羅田水庫； 鐵崗水庫

中圖法分類號： TU451

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.017

0引 言

深圳市境內(nèi)花崗巖分布廣泛，花崗巖地層約占區(qū)內(nèi)面積50%以上。改革開放以來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，深圳市開展了大量的城市建設(shè)，高層建筑、市政交通等各類工程建設(shè)的開挖深度從20世紀80年代的一層地下室快速增長到現(xiàn)在的2～4層地下室，深度 20 m以上也屢見不鮮［1-2］，受限于城市規(guī)劃或當時技術(shù)手段，大部分工程開挖深度一般在30 m范圍內(nèi)。長期以來，國內(nèi)外眾多學者對花崗巖的研究集中在花崗巖的成因分類，以及花崗巖殘積土和全強風化帶的物理力學性質(zhì)等方面。學者在深圳地區(qū)對花崗巖的研究，主要圍繞花崗巖殘積土和全強風化帶內(nèi)的高邊坡、深基坑以及地下洞室圍巖穩(wěn)定性等問題開展［3-8］，為淺層地下工程建設(shè)積累了豐富經(jīng)驗。隨著深圳市城市地下空間利用需求的日益增長，新興的軌道交通、綜合管廊和跨區(qū)引調(diào)水等工程呈現(xiàn)出向地下更深處發(fā)展的趨勢，這些工程由于埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞施工過程中會遇到各種不良地質(zhì)條件并引發(fā)隧洞塌方、突涌水等危害，輕則影響施工進度，重則出現(xiàn)人員傷亡。因此，高度重視深埋隧洞施工中的各種地質(zhì)風險是很有必要的。

羅田水庫―鐵崗水庫輸水隧洞工程位于深圳市西部，是深圳市重大項目。工程輸水主干線全長21.6 km，采用深埋隧洞方案，埋深一般大于50 m（最大埋深175 m）。隧洞穿越的燕山四期花崗巖（ηγ5K1、γβ3K1）長度11.62 km、占主干線53.6%，在勘察過程中取得了該時期花崗巖的大量地質(zhì)資料，且該時期花崗巖在深圳西部分布范圍較廣，具有研究代表性。對羅田水庫―鐵崗水庫輸水隧洞工程燕山四期花崗巖的工程地質(zhì)特性和地質(zhì)風險進行研究，可以為類似大埋深（隧洞）工程提供借鑒。

1工程地質(zhì)背景

研究區(qū)在大地構(gòu)造位置上屬于華南地槽褶皺系（一級單元）的一部分，位于右江地槽褶皺系（二級單元）的永梅―惠陽拗陷（三級單元）中，是加里東褶皺基底上發(fā)育而成的晚古生代凹陷，其后被中、新生代構(gòu)造疊加、改造，形成以北東向斷裂為主，北西及東西向斷裂次之，加里東期混合花崗巖侵入及燕山期花崗巖大面積侵入的格局。由于地處新華夏蓮花山斷裂構(gòu)造帶南西段，并受到多期次的斷裂和巖漿活動，對地層破壞明顯，造成褶皺構(gòu)造展布形式難以確定，區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜。構(gòu)造形跡以斷層、裂隙為主。輸水隧洞穿越F1111、F4291、F3411、F3411-1、F11211、F3341、F1211等區(qū)域斷裂分支，斷裂及影響帶寬數(shù)米至數(shù)十米不等（圖1）。

研究區(qū)地層由沉積巖、火山巖和侵入巖共同組成。沉積巖主要有寒武系和白堊系地層，次為泥盆系、石炭系、震旦系、南華系地層，二疊系、奧陶系、古近系地層零星分布?；鹕綆r主要是侏羅系地層。區(qū)內(nèi)侵入巖有加里東期、印支期、燕山二期―五期的花崗巖，其中隧洞工程主要穿越了加里東期和燕山四期的花崗巖。第四系厚度一般10～20 m，下伏基巖花崗巖居多。

2花崗巖巖石學特征

本次燕山四期花崗巖用于巖石學特征研究的樣品共20件，鑒定測試工作由中國地質(zhì)大學（武漢）分析測試中心完成。

燕山四期花崗巖呈肉紅夾灰白色、灰-灰白色，細粒、中粗-粗粒結(jié)構(gòu)為主，局部斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石主要礦物為石英（20%～32%）、鉀長石（10%～45%）和斜長石（15%～50%），次要礦物則為黑云母、角閃石等。此外還有白云母、絹云母和綠泥石的存在，表征部分巖石發(fā)生蝕變（表1）。

花崗巖分為花崗閃長巖和二長花崗巖兩類（圖2），總體上具有高硅、富堿（圖3）、貧鈣、低Mg、Ti、P等特點，其地球化學特征與物質(zhì)來源密切相關(guān)，屬于殼源重熔型花崗巖類（等同于徐克勤等提出的陸殼改造型）。按照ISMA分類方案，樣品具有Na2O含量低、鋁飽和指數(shù)高（A/CNK＞1.1）、鎂鐵質(zhì)礦物低等特點，花崗巖屬于鋁質(zhì)S型花崗巖（圖4）。

3花崗巖主要工程地質(zhì)特性

花崗巖是公認性能良好的巖石，是人類最早發(fā)現(xiàn)和利用的天然巖石之一?；◢弾r由于受自身礦物化學組分、氣候、地下水和地質(zhì)構(gòu)造等內(nèi)外因素的影響，呈現(xiàn)出不同于一般地層的工程地質(zhì)特點。本次在鉆孔內(nèi)采取了花崗巖巖樣進行室內(nèi)巖石物理力學等指標試驗，試驗成果按風化狀態(tài)進行了統(tǒng)計。

3.1風化規(guī)律

深圳市屬亞熱帶氣候，高溫多雨，為花崗巖的風化提供了有利條件。區(qū)內(nèi)燕山四期花崗巖分布于五指耙水庫以南，風化強烈，地貌上多為殘丘或低丘陵。綜合野外地質(zhì)測繪、鉆孔巖芯特點和縱波波速等（表2），花崗巖風化具有以下規(guī)律。

（1） 在垂直方向上具有明顯的分帶性，自上而下依次分為全風化、強風化、弱風化和微風化4個風化帶。各風化帶分布穩(wěn)定，一般不缺失，風化帶總厚度10～50 m，但厚薄不一，全風化帶厚度＞弱風化帶厚度＞強風化帶厚度。

（2） 在水平方向上，風化帶由北向南逐漸變厚。亞婆髻山（樁號15+500～17+700）以北為ηγ5K1花崗巖，風化帶厚度10～20 m；以南為γβ3K1花崗巖，風化帶厚度15～50 m。兩種不同時代花崗巖有較明顯的風化差異。

（3） 花崗巖以中粗粒結(jié)構(gòu)為主，細粒花崗巖分布范圍小，主要出露于大頭崗―亞婆髻兩座殘丘之間?？傮w上細粒花崗巖風化帶厚度比粗?；◢弾r小5～10 m，在一定程度上反映了細粒結(jié)構(gòu)巖石的抗風化能力相對較強。

3.2物理力學性質(zhì)

（1） 物理性質(zhì)。

表3為花崗巖的主要巖石物理性質(zhì)試驗統(tǒng)計結(jié)果，表內(nèi)省略了測試數(shù)據(jù)，均為有效試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計獲得的平均值，表4～6亦為此標準。

由表3可知，巖石的密度、孔隙率等指標離散性小，表明了花崗巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，礦物分布均勻，巖石可按各向同性材料考慮；細粒結(jié)構(gòu)花崗巖的密度指標大于粗粒結(jié)構(gòu)花崗巖，而吸水率、飽水率和孔隙率等指標小于粗粒結(jié)構(gòu)花崗巖；各類花崗巖的密度指標隨著風化加深均呈降低趨勢，吸水率、飽水率和孔隙率指標均呈增加趨勢。

（2） 力學性質(zhì)。巖石的力學性質(zhì)主要包括強度和變形兩個方面。巖石強度一般包括抗壓強度和抗剪強度等；巖石變形是巖石在荷載作用下發(fā)生的物理現(xiàn)象，彈性模量、變形模量和泊松比是目前工程界最常用的變形指標。區(qū)內(nèi)花崗巖的強度和變形性質(zhì)試驗統(tǒng)計結(jié)果見表4和表5。

由表4、表5可知：隨著風化加深，巖石強度逐漸降低，變形性質(zhì)加強；各類花崗巖力學性能從高到底依次為細?；◢弾rηγ5K1→粗粒花崗巖ηγ5K1→粗?；◢弾rγβ3K1。

巖石各力學性質(zhì)指標之間差異很大。但注意到的是，物理性質(zhì)、縱波波速、力學性質(zhì)等都隨著風化程度的加深而有規(guī)律的變化，縱波波速、單軸抗壓強度、彈性模量和變形模量等對風化狀態(tài)較為敏感，且這些指標具有很好的相關(guān)性（圖5、圖6）。

（3） 巖體透水性。

據(jù)現(xiàn)場500余組壓水試驗（其中斷層破碎帶壓水試驗22段）和10組微水振蕩試驗成果（表6），兩種花崗巖透水性相差不大，均以微透水—弱透水為主，斷層發(fā)育、巖體破碎段以弱—中等透水為主，局部強透水。

（4） 磨蝕性。

TBM在巖層中掘進中，不可避免地會遇到刀具磨損問題。刀具磨損與工程地質(zhì)條件有很大關(guān)系，尤其與隧洞圍巖的巖石磨蝕性密切相關(guān)。巖石的磨蝕性一般用巖石磨蝕性指數(shù)CAI值來表示，主要利用巖石試樣與鋼質(zhì)針錐之間進行劃刻摩擦而測得，它的大小反映了巖石對TBM刀盤和刀具的磨損程度，通常由巖石等效石英含量和單軸抗壓強度等共同確定。依據(jù)Cerchar試驗室CAI分級標準（鋼針硬度54～56）［9］，當CAI值位于2.0～4.0時，巖石具有高磨蝕性；當CAI值位于4.0～6.0時，巖石具有極高磨蝕性。區(qū)內(nèi)微風化花崗巖的磨蝕性指數(shù)CAI值2.95～5.38，巖石具有高―極高磨蝕性（表7）。

3.3不良地質(zhì)體

不良地質(zhì)體指由地球作用產(chǎn)生的，對工程建設(shè)具有危害性的局部地質(zhì)體。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，受地形地貌、斷裂構(gòu)造和巖性控制，隧洞沿線分布的不良地質(zhì)體主要有斷層破碎帶、風化槽、軟硬巖體分界面、地層蝕變帶和超硬巖等。除超硬巖外，這些不良地質(zhì)體處巖體的力學強度會降低，工程性狀變差，且透水、富水性較強，隧洞施工時存在圍巖穩(wěn)定和突涌水等問題。

4深埋隧洞地質(zhì)風險預(yù)測

隧洞開挖采用TBM施工，洞身大部分位于微風化花崗巖中，巖體總體上具有良好的工程地質(zhì)特性，受不良地質(zhì)體的影響，突出的地質(zhì)風險主要有超硬巖TBM適宜性、超深風化深槽、隧洞涌水和圍巖穩(wěn)定等問題。

4.1超硬巖TBM適宜性問題

大頭崗―亞婆髻兩座殘丘之間分布有細?；◢弾r，隧洞穿越長度約1.1 km，微新巖石單軸飽和抗壓強度一般大于150 MPa（最大達201 MPa），強度高，為超硬巖；石英含量高，磨蝕性試驗CAI值5.38，耐磨性強；圍巖聲波波速4 800～5 700 m/s，完整性系數(shù)Kv=0.84，圍巖較完整—完整，除玉律斷裂及其影響帶外，圍巖以Ⅱ類為主。

細?；◢弾r具有極高磨蝕性，TBM刀具磨損大，會造成施工進度緩慢和施工成本明顯增加。根據(jù)SL 629-2014《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中附錄C隧洞TBM施工適宜性分級標準，細?；◢弾r的巖體完整，圍巖穩(wěn)定，巖體強度對掘進效率有明顯影響，地質(zhì)條件適宜性差，TBM施工適宜性為C級。

4.2超深風化深槽

隧洞穿越區(qū)大部分為微風化花崗巖，巖體總體屬于堅硬巖，力學性能良好。但在勘察過程中，發(fā)現(xiàn)有多處風化深槽，巖體主要為全、強風化巖。風化深槽屬于特殊風化類型，形成機制較為復(fù)雜，主要形成于地形低洼、不同巖性接觸部位和斷裂帶。經(jīng)過現(xiàn)場鉆孔加密、鉆孔聲波和地面物探微動探測復(fù)核后發(fā)現(xiàn)，隧洞沿線共分布5處風化深槽，累計長度約600 m，其中不同期次花崗巖的接觸部位和斷裂帶處的風化深度遠超50 m。

風化深槽破壞了巖體的完整性，降低了巖體強度，增強了巖體滲透性能，常在風化槽底富集地下水，甚至形成“水盆”。因此，風化深槽也是一種地質(zhì)缺陷，除了引起隧洞圍巖穩(wěn)定問題和基底不均勻沉降外，更要重視TBM掘進進入“水盆”引發(fā)隧洞突水問題。

4.3隧洞涌水問題

輸水隧洞主要在基巖中穿越，基巖地下水位埋藏淺，均在隧洞頂板以上，全段隧洞有涌水風險。線路南北高為丘陵地貌，中間低為平原地貌，依據(jù)地形地貌、地層巖性和斷層發(fā)育情況，研究區(qū)總體上劃分為3個水文地質(zhì)單元（圖7）。第Ⅰ單元為羅田水庫進水口至大頭崗山之間，區(qū)內(nèi)茅洲河為最低侵蝕基準面，地下水受大氣降水補給，向茅洲河排泄。第Ⅱ單元為大頭崗山至阿婆髻山之間，與第Ⅰ單元以大頭崗山分水嶺為界，區(qū)間內(nèi)長流陂水為最低侵蝕基準面，大頭崗山南坡地下水向南運移，阿婆髻山北坡地下水向北運移，向長流陂水排泄，入長流陂水庫后沿新橋河終匯入茅洲河。第Ⅲ單元為阿婆髻山至鐵崗水庫出口，與第Ⅱ單元以阿婆髻山分水嶺為界，沿線地下水向兩側(cè)低地排泄，流入料坑河后入鐵崗水庫，終匯入珠江口。

燕山四期花崗巖位于第Ⅱ單元和第Ⅲ單元內(nèi)，隧洞圍巖主要為微風化花崗巖，一般具有極微―弱透水性；局部斷層帶和裂隙發(fā)育部位，巖體破碎，具中等透水性。根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》采用地下水動力學法計算隧洞和斷層帶涌水量，正常涌水量預(yù)測采用佐藤邦明經(jīng)驗公式與柯斯嘉科夫公式（表8），最大涌水量預(yù)測采用佐藤邦明經(jīng)驗公式與古德曼經(jīng)驗公式（表9）。

根據(jù)計算結(jié)果，隧洞正常涌水量預(yù)測值為113 109 m3/d。研究區(qū)內(nèi)隧洞主要涌水斷層段為F1121-2及影響帶、F3341及影響帶，最大涌水量預(yù)測值分別為15 940 m3/d、38 192 m3/d。

4.4隧洞圍巖穩(wěn)定問題

研究區(qū)發(fā)育F1121-1（樓村斷裂-1分支）、F1121-2（樓村斷裂-2分支）、F1121-3（樓村斷裂-3分支）、F3341（黃草坑頂斷裂）、F3341-1（黃草坑頂斷裂-1分支）、F1211（玉律斷裂）等6條規(guī)模較大的斷裂，斷裂帶為碎裂巖或碎粉巖，主要由斷層泥、巖屑夾巖塊或巖塊夾巖屑等組成，圍巖類別以Ⅴ為主，不穩(wěn)定―極不穩(wěn)定，存在圍巖穩(wěn)定問題，需及時或提前采取支護措施。

此外，不同期次花崗巖的接觸部位，在動力變質(zhì)和熱液變質(zhì)作用下，形成蝕變帶。蝕變花崗巖多見高嶺土化、黏土化，部分蝕變段呈砂礫狀無強度，屬極軟巖、軟巖。蝕變帶巖體完整性差―較完整，散體結(jié)構(gòu)為主、少量鑲嵌結(jié)構(gòu)，且具有快速鼓脹崩解特征，這些部位的圍巖極不穩(wěn)定，洞室圍巖存在坍塌問題，建議開挖過程中快挖快撐。

5結(jié) 論

（1） 燕山四期花崗巖主要呈粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，由花崗閃長巖和二長花崗巖組成；樣品具有Na2O含量低、鋁飽和指數(shù)高（A/CNK＞1.1）、鎂鐵質(zhì)礦物低等特點，按照ISMA分類方案，花崗巖屬于鋁質(zhì)S型花崗巖。

（2） 花崗巖風化強烈，垂直分帶性明顯，風化總厚度10～50 m，各風化帶厚薄不一，弱風化帶厚度較薄；水平方向上，風化帶由北向南逐漸變厚。細?；◢弾r風化總厚度比粗?；◢弾r小5～10 m，反映了細粒結(jié)構(gòu)巖石的抗風化能力相對較強。

（3） 花崗巖的物理力學性能與其結(jié)構(gòu)和風化狀態(tài)密切相關(guān)，總體上ηγ5K1細粒花崗巖物理力學性能最優(yōu)，ηγ5K1和γβ3K1的粗?；◢弾r兩者相差不大。

（4） 隧洞開挖采用TBM施工，洞身微風化花崗巖總體上具有良好的工程地質(zhì)特性，突出的地質(zhì)風險主要有：

① ηγ5K1細?；◢從ノg性極高，TBM刀具磨損大，巖體強度對掘進效率有明顯影響，地質(zhì)條件適宜性差，TBM施工適宜性為C級。

② 隧洞沿線共分布5處風化深槽，累計長度約600 m，主要形成于地形低洼、不同巖性接觸部位和斷裂帶，可能引發(fā)隧洞圍巖穩(wěn)定、基底不均勻沉降和突涌水等地質(zhì)問題。

③ 依據(jù)地形地貌、地層巖性和斷層發(fā)育情況，隧洞工程總體上劃分為三個水文地質(zhì)單元。根據(jù)計算結(jié)果，隧洞正常涌水量預(yù)測值為113 109 m3/d，而斷層是隧洞主要涌水點，最大涌水量38 192 m3/d位于F3341斷層。

④ 區(qū)內(nèi)6條大斷裂和花崗巖蝕變帶等部位，由于工程性狀差，圍巖不穩(wěn)定―極不穩(wěn)定，類別以Ⅴ為主，需及時或提前采取支護措施。

參考文獻：

［1］付文光，楊志銀.深圳地區(qū)基坑工程30年發(fā)展綜述［J］.巖土工程學，2010，32（增2）：562-565.

［2］楊志銀，付文光，吳旭君，等.深圳地區(qū)基坑工程發(fā)展歷程及現(xiàn)狀概述［J］.巖石力學與工程學報，2013，32（增1）：2730-2745.

［3］劉廣寧，黃長生，齊信，等.西江上游封開段花崗巖邊坡變形破壞宏觀判據(jù)研究［J］.人民長江，2021，52（1）：96-101，113.

［4］張昌新，鄭太航，余志江.深圳地區(qū)花崗巖地層巖土工程特性及對地鐵工程的影響［J］.鐵道勘察，2014，26（5）：26-29.

［5］王銳，胡坤生，張延倉，等.羅田-鐵崗輸水隧洞圍巖蝕變花崗巖特性［J］.人民長江，2021，52（增2）：79-82，98.

［6］曹權(quán)，項偉，王鳳華，等.深圳地區(qū)花崗巖球狀風化體地下分布規(guī)律統(tǒng)計分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40（5）：87-96.

［7］宋立峰，孔德坊.深圳地區(qū)全、強風化花崗巖承載力探討［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，1996，7（4）：41-45.

［8］張運標，陳枝東，張領(lǐng)帥.深圳地區(qū)燕山期花崗巖風化帶劃分及鑒別［J］.廣東土木與建筑，2020，27（1）：9-13.

（編輯：黃文晉）