長沙勞動路湘江隧道方案的地質(zhì)論證

姚建偉

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

1 概述

長沙城市道路現(xiàn)狀已經(jīng)制約了城市的發(fā)展,瓶頸地段為穿越湘江的通道。目前，兩座湘江大橋已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足道路交通的需要。為緩解城市交通壓力,急需在勞動路一帶修建過江通道,經(jīng)工程可行性研究確定為隧道方案。

勞動路湘江隧道位于長沙靈官渡口,東接勞動西路,西接牌樓口,下穿桔子洲。桔子洲將湘江劃為東西河道,桔子洲以東為湘江主河道,桔子洲以西的河道枯水季節(jié)河床暴露,成為大面積江灘,漫灘向西逐漸過渡至一級階地。區(qū)內(nèi)地貌按其成因可分為剝蝕丘陵及河流侵蝕堆積兩大類型,剝蝕丘陵主要分布于場區(qū)最西部,整個場區(qū)基本位于河流侵蝕堆積地貌單元,階地面最高高程35～45 m,河床高程20 m左右,湘江4～6月為豐水期。

2 場區(qū)地質(zhì)概況

2.1 地層巖性

過江隧道范圍內(nèi)地層主要有第四系全新統(tǒng)(Q4)、中更新統(tǒng)(Q2)、土層以及白堊系下統(tǒng)(K1)、泥盆系中統(tǒng)(D2)地層,現(xiàn)從老至新敘述如下(見圖1)。

圖1 長沙勞動路湘江隧道工程地質(zhì)縱斷面

(1)泥盆系中統(tǒng)跳馬澗組(D2t)

紫紅色石英砂巖,泥質(zhì)粉砂巖,僅在湘江西岸局部存在,多覆蓋于第四系全新統(tǒng)松軟地層之下。

(2)泥盆系中統(tǒng)掑梓橋組(D2q)

灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r,肉紅色,淺灰色,厚層狀,巖溶發(fā)育,溶洞,溶溝,溶槽較為普遍,僅存在于湘江西岸,大面積埋藏于桔子洲以西的第四系地層之下。

(3)白堊系下統(tǒng)(K1)

紫紅色暗紫色礫巖,砂礫巖夾有薄層狀泥質(zhì)粉砂巖,厚層狀,多為鈣質(zhì)泥巖膠結(jié),礫石成分復(fù)雜,以砂巖,板巖,灰?guī)r為主。受斷裂構(gòu)造影響有溶蝕裂隙存在,強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化,局部全風(fēng)化呈土狀,在橘子洲以東大面積覆蓋于第四系土層之下。

(4)第四系中更新統(tǒng)(Q2)

褐紅色,褐黃色蠕蟲狀,網(wǎng)紋狀黏土,粉質(zhì)黏土及砂礫石層,于湘江東岸地表大面積出露,厚2.6～3.3 m。

(5)第四系全新統(tǒng)(Q4)

除湘江東岸有人工填土及湘江西岸山坡坡腳有少量殘積粉質(zhì)黏土之外,在隧道通過的湘江一級階地及河床部位為第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)。

①素填土：主要為褐灰,褐黃色松散的粉質(zhì)黏土夾砂巖塊石,砂礫石,厚2.4～12.1 m。

②粉質(zhì)黏土及粉土,粉細(xì)砂層：褐黃色,灰色,厚1.8～6.4 m,位于一級階地二元結(jié)構(gòu)表層。

③細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土：褐黃色,松散,厚2.4～6.3 m,位于一級階地二元結(jié)構(gòu)下層。

④圓礫及砂礫石層：灰黃,褐黃色,飽和狀,磨圓分選良好,厚0～7.0 m,位于二元結(jié)構(gòu)底層。該層間夾有紫紅,灰白條紋軟塑狀粉質(zhì)黏土的透鏡體。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

長沙勞動路湘江隧道位于揚子準(zhǔn)地臺的東南,緊鄰華南褶皺帶,構(gòu)造以斷裂為主,褶皺次之。隧道位于岳麓山向斜的東南翼。

區(qū)域斷裂構(gòu)造體系受NE向控制,另外有與河流走向基本一致的NNE向斷裂發(fā)育,區(qū)內(nèi)沒有區(qū)域性大斷裂,但泥盆系灰?guī)r和白堊系砂礫巖的接觸帶,砂礫巖強(qiáng)風(fēng)化深度較大,因此有NNX向斷裂存在的可能,對隧道工程影響較大,應(yīng)特別引起重視[1]。

2.3 水文地質(zhì)條件

湘江流域的面積大,洪水位出現(xiàn)在每年的4～8月,最高洪水位39.18 m,

勞動路湘江隧道地下水主要類型如下。

(1)第四系松散地層孔隙水

主要位于第四系全新統(tǒng)(Q4)一級階地和漫灘的砂礫層中,地下水豐富。由于沒有良好的隔水層,直接受大氣降雨補(bǔ)給,并與湘江水直接連通。砂礫石層直接覆蓋于基巖(灰?guī)r,砂礫巖)之上,因此地表水與地下水,地下淺層與深層水,孔隙水與基巖裂隙水、巖溶水有著十分密切的聯(lián)系。

在湘江東岸第四系中更新統(tǒng)(Q2)的白砂井砂礫層含有較豐富的地下水。

(2)基巖裂隙水

主要蘊藏于白堊系(K1)砂礫層中,受巖性控制和斷裂構(gòu)造的影響,地下水較發(fā)育。由于上部覆蓋第四系砂礫層,基巖裂隙水與砂礫層和湘江水均有緊密的水力聯(lián)系。

(3)巖溶水

主要蘊藏于桔子洲以西地段泥盆系中統(tǒng)掑梓橋組灰?guī)r地層中,巖溶(溶洞,溶溝,溶槽)發(fā)育,巖溶地下水豐富?，F(xiàn)代湘江主航道位于桔子洲以東,但從地質(zhì)縱斷面分析,湘江的古河道應(yīng)位于湘江西岸的漫灘地帶,侵蝕基準(zhǔn)面最低。由于第四系砂礫巖層覆蓋灰?guī)r之上,該層與砂礫層和湘江水均有極強(qiáng)的水力聯(lián)系。

綜上所訴,隧道范圍的水文地質(zhì)條件復(fù)雜,地表水與各種類型的地下水水力聯(lián)系密切,查明水文地質(zhì)條件是工程成敗的關(guān)鍵[2]。

3 隧道修建的災(zāi)害地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題

因過江隧道埋深淺,雖然地層較為簡單,但通過巖性有碳酸鹽巖,砂礫巖以及第四系的松散地層,所以隧道地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重且頻繁發(fā)生,是一個工程地質(zhì)復(fù)雜的隧道。在工程可行性研究過程中,隧道工法有礦山和盾構(gòu)法兩種，無論上述兩種工法中的任何一種,在湘江兩岸均需明挖施工,特別是湘江兩岸連同漫灘地帶,初步施工方案均是采用明挖,湘江中心地段采用暗挖[3-4]。

3.1 明挖地段將會出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害

湘江西岸明挖段上部為粉細(xì)砂及砂礫石層,下部多為灰?guī)r,位于湘江古河道上,施工將會出現(xiàn)如下問題：

①基坑底為粉細(xì)砂和松軟黏性土?xí)r,在地下水頭作用下會出現(xiàn)涌水,涌泥,涌砂,基底易潰決。

②灰?guī)r基坑抽水會引起周邊地表的坍塌,造成環(huán)境地質(zhì)的惡化,當(dāng)坍塌延伸至江水位之下,會形成江水倒灌,基坑被涌水淹沒將隨時可能出現(xiàn)。

③巖溶發(fā)育,溶洞,溶溝,溶槽隨處可見,填充物呈半充填—全充填狀態(tài),基巖面不平,深淺差異,軟硬不一,基底不實,應(yīng)力集中,造成隧道建筑的明顯沉降和結(jié)構(gòu)物的破壞，工程難度以湘江西岸(含漫灘段)隱伏灰?guī)r地區(qū)最為艱巨。

湘江東岸明挖段表層為第四系中更新統(tǒng)白砂井的砂礫石層和棕紅色網(wǎng)紋狀黏土,砂礫石層地下水較發(fā)育,下部為白堊系的砂礫巖，基坑開挖在臨江地段可能受到江水滲透的威脅。另受白砂井沙礫層的補(bǔ)給,基坑涌水量大,局部基底可能出現(xiàn)潰決。

網(wǎng)紋狀黏土、粉質(zhì)黏土以及湘江兩岸灰?guī)r,泥質(zhì)灰?guī)r全風(fēng)化的紅土,一般屬膨脹土,邊坡容易失穩(wěn)?；娱_挖抽水可能造成兩側(cè)建筑物及道路變形,地下水動態(tài)變化及地下設(shè)施破壞[5]。

3.2 隧道暗挖(礦山法,盾構(gòu)法)將會出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害

(1)隧道暗挖的灰?guī)r地段,由于淺埋淺,灰?guī)r頂板薄,巖溶發(fā)育,水溶洞,溶槽,溶溝,溶隙會出現(xiàn)突水,涌泥,淹沒隧道等災(zāi)害地質(zhì)問題,一旦地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生,會遭受無法估量的損失[4]。

(2)隧道涌水、抽水會引起地表塌陷,管道疏通導(dǎo)致江水涌入,隧道涌水量猛增,淹井、淹洞不可避免,事故處理十分棘手。

(3)巖溶發(fā)育,隧道周邊巖質(zhì)軟硬不一,對各種工法均會造成安全,質(zhì)量等方面的危害。隧頂、邊墻易坍塌,工程處理難度大；隧底出現(xiàn)充填或半充填的溶洞、溶槽,基底不實,沉降差異,加固措施困難,造價會大幅度飆升[6]。

暗挖巖溶段隧道,巖溶地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)已不可避免,不僅勘察階段需要仔細(xì)查明,及時施工階段同樣要開展施工地質(zhì)工作,做好地質(zhì)超前預(yù)報。同時隧道應(yīng)采用預(yù)加固和全封閉方案,使巖溶地質(zhì)災(zāi)害得到有效的預(yù)防[7]。

4 評價和建議

(1)根據(jù)工程地質(zhì)條件論述,對長沙勞動路湘江隧道工程地質(zhì)條件有了深刻的認(rèn)識,鑒于上述工程地質(zhì)問題的復(fù)雜性,從地質(zhì)角度考慮,橋梁方案優(yōu)于隧道方案,對采用水下隧道方案宜持慎重態(tài)度。

(2)采用水下隧道方案除詳勘應(yīng)按地質(zhì)復(fù)雜隧道布置外,再初勘階段應(yīng)做地質(zhì)災(zāi)害評估,施工階段應(yīng)加強(qiáng)施工地質(zhì)工作,做好超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報[8],為避免地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生,隧道設(shè)計必須采取穩(wěn)妥可靠的措施。

[1] TB10027—2001 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[2] TB10049—2004 鐵路水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[3] 劉志剛,趙 勇,李 忠.隧道施工地質(zhì)工作方法[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報,2000,13(4):1-5

[4] TB10204—2002 鐵路隧道施工規(guī)范[S]

[5] TB10119—2000 鐵路隧道防排水技術(shù)規(guī)范[S]

[6] 王夢怒.對巖溶地區(qū)隧道施工水文地質(zhì)超前預(yù)報的意見[J].鐵道勘察,2004(1):7-10

[7] 李術(shù)才,李樹忱,張慶送,等.溶巖裂隙水與不良地質(zhì)情況超前預(yù)報研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,26(2):217-225

[8] 劉志剛.概論巖溶或地質(zhì)復(fù)雜隧道隧洞地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),2003(2):1-5