南京東部山區(qū)礦山法施工的地鐵隧道水文地質災害及對策研究

鄭 軍 朱 斌 張伯林 蔣 波 萬佳俊 楊昊坤

（1.南京地鐵集團有限公司，210008，南京；2.江蘇省地質調查研究院，210018，南京；3.南京大學地理學院，210093，南京//第一作者，高級工程師）

南京東部山區(qū)礦山法施工的地鐵隧道水文地質災害及對策研究

鄭 軍1朱 斌1張伯林1蔣 波2萬佳俊2楊昊坤3

（1.南京地鐵集團有限公司，210008，南京；2.江蘇省地質調查研究院，210018，南京；3.南京大學地理學院，210093，南京//第一作者，高級工程師）

結合含水巖層（組）、地質構造、地形地貌、水文氣候等特征，對南京東部山區(qū)進行水文地質分區(qū)。在確定了不同地質體的滲透系數(shù)等參數(shù)的基礎上，采用多種計算方法對不同水文地質單元內既有和新建礦山法隧道的典型地段標志點進行了涌水量和襯砌外水壓力計算。結果表明：水文地質單元Ⅴ屬強富水區(qū)，地鐵建設風險高；其它單元內，張性、張扭性斷裂控制了不同含水層的富水程度。建議加強支護和排水，確保南京地鐵建設和運營安全。

南京；地鐵隧道；礦山法施工；水文地質

南京東部的寧鎮(zhèn)山脈，受南京-湖熟斷裂影響，延至城中突然中斷，形成了獨特的地形地貌特征：該斷裂東北側的山體較高、基巖出露多、埋深淺，屬寧鎮(zhèn)斷凸區(qū)（以下簡稱“東部山區(qū)”）；而該斷裂西南側的山體較矮、以較平坦的平原和崗地為主，屬寧蕪火山斷陷盆地區(qū)［1-2］。截至2017年4月，南京地鐵運營線網(wǎng)長度達259 km，已建的地鐵1、2、3、4號線的部分區(qū)間隧道均穿越了東部山區(qū)，而規(guī)劃新建的南京地鐵6、7、8號線，以及寧句城際鐵路、寧揚城際鐵路等線路也將穿越東部山區(qū)。穿越東部山區(qū)的隧道通常采用礦山法施工。

由南京地鐵多年建設與運營的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)：部分礦山法施工隧道在掘進過程中會遭遇涌突水問題，其安全風險與施工難度較高。在運營期間，通常采用的“全包防水”隧道襯砌會完全封堵地下水，使襯砌外壁持續(xù)承受較高地下水壓力，極易導致襯砌難以承受并被擊穿，從而引發(fā)道床隆起變形的問題。

南京地鐵2號線的苜蓿園大街站—下馬坊站區(qū)間隧道就曾發(fā)生類似事件。此外，南京東部山區(qū)也曾發(fā)生典型礦山工程事故。1981年，棲霞山鉛鋅銀礦開采引起的巖溶地面塌陷事故，甚至一度造成明鏡湖湖水漏盡［3］；2006年，龍王山石膏礦特大突水災害不僅改變了礦區(qū)及外圍的地下水流場，而且引發(fā)了礦區(qū)地面沉降變形，對地表附屬物產(chǎn)生了破壞作用，造成了包括礦山關閉在內的巨大財產(chǎn)損失［4］。這些案例表明：南京東部山區(qū)水文地質條件存在多樣性，其貯水、導水構造賦存規(guī)律復雜，基巖水的性質及發(fā)育機理難以準確判斷。這成為困擾南京地鐵隧道礦山法施工建設與運營的主要難題。因此，有必要對該區(qū)域內礦山法施工地鐵隧道穿越基巖區(qū)的水文地質特征進行分析，加強對既有基巖隧道的涌突水案例和過高的地下水壓力作用于隧道襯砌引發(fā)事故的分析研究，并預測富水區(qū)隧道的涌水量及襯砌外水壓力，以便采取相應的對策，有效遏制涌突水、道床隆起等事故的發(fā)生，保障地鐵的施工與運營安全。

1 研究區(qū)的地質概況

1.1 含水巖層（組）的劃分

研究區(qū)內的地質構造及水文地質分區(qū)圖見圖1。根據(jù)基巖的地層年代、巖性特征及賦水程度，可將基巖地層分為 2類［1-2］。

（1）巖溶水含水巖層（組）有：三疊系周沖村組巖溶水含水層（角礫狀灰?guī)r），三疊系上青龍組-下青龍組巖溶裂隙水含水巖組（灰?guī)r），二疊系棲霞組-石炭系裂隙巖溶水含水巖組（灰?guī)r、白云巖），震旦系燈影組-寒武系-奧陶系巖溶裂隙水含水巖組（白云巖、灰?guī)r）。

（2）裂隙水含水巖層（組）有：侏羅系象山群-三疊系范家塘組，黃馬青組裂隙含水巖組（長石石英砂巖，砂礫巖，粉砂巖、泥巖），泥盆系五通組-志留系茅山組裂隙含水巖組（砂巖、砂礫巖），微弱裂隙含水巖組（泥巖、頁巖），侵入巖裂隙含水巖組（侵入巖）。

1.2 地質構造及斷裂分析

研究區(qū)內，褶皺格架大致由3個復背斜和2個復向斜間夾組成，并有發(fā)育走向各異、規(guī)模不等的多條斷裂切割了上述褶皺格架，形成了似棋盤格狀的構造格局。

如圖1所示，區(qū)內主要發(fā)育的斷裂較多，①近東西向弧形逆掩斷裂：楊坊山-長林村逆掩斷裂（F1）、徐家山-金子山逆掩斷裂（F2），均具壓扭性；② 北西向斷裂：南京-湖熟斷裂（F3）、高莊-山口村斷裂（F4）、西流-墳頭斷裂（F5）、廟山-狼山斷裂（F6），均具張扭性；③ 北北西向斷裂：東陽-湯山斷裂（F7）、攝山鎮(zhèn)-漳橋斷裂（F8），具張性、張扭性；④北北東向斷裂：東花村-同心村斷裂（F9）、瓜埠-鐵心橋斷裂（F10）、燕子磯-邁皋橋斷裂（F11），具逆沖、逆平移、壓扭性質；⑤ 北東東向斷裂：邁皋橋-棲霞山斷裂（F12），具張性；⑥ 近東西向斷裂：幕府山-焦山斷裂（F13）、定淮門-馬群斷裂（F14），均為張性正斷層［1-2］。

1.3 水文地質單元分區(qū)

以巖層（組）賦水性的差異為基礎，結合地質構造、地形地貌、水文氣候等因素的影響，將本研究區(qū)劃分為 7個水文地質單元（見圖 1 的 I、II、III、IV、V、VI、VII）。

2 南京地鐵礦山法隧道的涌水量與襯砌外水壓力計算

根據(jù)研究區(qū)內各水文地質單元的特征，結合南京地鐵的線網(wǎng)分布，選取了24處地鐵沿線典型地段標志點。通過搜集歷史水文地質資料、已建線路巖土工程勘察報告、現(xiàn)場水文地質試驗報告等，確定了相應的水文地質參數(shù)。

圖1 研究區(qū)的地質構造及水文地質分區(qū)圖

根據(jù)文獻［7］、［9］及［10-12］，采用多種計算方法對典型地段標志點處的隧道涌水量和襯砌外水壓力進行計算。計算結果見表1。

根據(jù)表1的計算結果，結合7個水文地質單元的不同特征進行分析。

（1）標志點10～16均位于水文地質單元V內，其涌水量值明顯高于其它地質單元。這是因為此處的地質環(huán)境組合為“三疊系周沖村組角礫狀灰?guī)r+向斜核部+張扭性斷裂或壓扭性斷裂的上盤+崗間洼地”，屬強富水區(qū)。該區(qū)地鐵建設風險高。規(guī)劃新建的南京地鐵8號線靈山站—仙林中心站區(qū)間將穿越此處，若采用礦山法掘進，涌突水風險極大。

表1 南東地鐵沿線典型地段標志點涌水量與襯砌外水壓力

（2）標志點5、7位于水文地質單元III內，其涌水量較大且具有一定的承壓性。這是因為此處鄰近F14張性斷裂，屬中等富水區(qū)。該區(qū)地鐵建設風險較高。類似的標志點 17、18、19、21、22 及 23，均鄰近張性、張扭性斷裂。特別是標志點23處的地質環(huán)境組合為“二疊系棲霞組灰?guī)r+向斜核部+張扭性斷裂”，屬強富水區(qū)，該處地鐵建設風險高。規(guī)劃新建的寧句城際鐵路線部分區(qū)間隧道將經(jīng)過該標志點附近，建議采取有效的風險應對措施。

（3）標志點3、6位于水文地質單元III內，其涌水量較大。這是因為此處鄰近F1斷裂（見圖2）。該斷裂雖屬逆掩斷層，具壓性；但其上盤巖性為角礫狀灰?guī)r，易發(fā)育淺部巖溶；且該斷裂鄰近致密、完整的板倉侵入巖體，構成了良好的隔水邊界。該處特殊的地質環(huán)境組合為“可溶性巖層+壓性斷裂的上盤+侵入巖體的阻水性+崗間洼地+充足的地表匯水”，屬中等富水區(qū)，該處地鐵建設風險較高。南京地鐵1號線南京站—紅山動物園站區(qū)間、南京地鐵4號線王家灣站—聚寶山站區(qū)間的涌突水均屬此類地質環(huán)境組合引發(fā)的災害。

（4）標志點7是4個襯砌外水壓力值中最大值所在處。這是因為，此處鄰近F14張性斷裂，并接受寧鎮(zhèn)山脈海拔最高的紫金山坡面的大氣降水補給，從而造成襯砌外水壓力不斷積蓄達最大值。鄰近此點的南京地鐵2號線苜蓿園大街站—下馬坊站區(qū)間，就曾發(fā)生因襯砌外水壓力高于正常值而引發(fā)道床隆起、運營中斷的事件。類似的標志點6位于紫金山的北坡洼地，由于板倉侵入巖體和下部斷層面上的斷層泥均具一定的阻水特性，該處地下水具有承壓性。鄰近標志點6的南京地鐵4號線王家灣站—聚寶山站區(qū)間建設時曾出現(xiàn)水頭壓力過高、初襯不穩(wěn)的問題，其設計單位為此專門進行了優(yōu)化設計［13］。

圖2 F1斷裂處的地質剖面示意圖

3 南京地鐵礦山法隧道水文地質災害的對策

根據(jù)南京東部山區(qū)水文地質分區(qū)圖及所計算的典型地段標志點的涌水量和襯砌外水壓力值，建議在地鐵建設中，綜合采用電探法、地質雷達等物理探測手段，對高和較高建設風險的地鐵區(qū)段進行探查，及時采取有效的對策與手段將風險降至最低。

南京地鐵礦山法施工隧道設計時，建議合理選擇襯砌外水壓力值，優(yōu)化仰拱設計參數(shù)，避免仰拱扁平的斷面設計，以有效改善襯砌結構的受力條件，減小水壓力對襯砌仰拱部位受力的不利影響。在非主城區(qū)域修建隧道時，建議考慮“防排結合”的設計思路［13］。針對富水的大斷面隧道，建議將仰拱與墻腳作為隧道長期安全監(jiān)控的重點部位。

4 結論

（1）結合含水巖層（組）、地質構造、地形地貌、水文、氣候等特征，南京東部山區(qū)可劃分為7個水文地質單元。

（2）采用多種計算方法對各水文地質單元內既有和新建礦山法施工地鐵隧道的典型地段標志點進行了涌水量和襯砌外水壓力計算。水文地質單元Ⅴ屬于強富水區(qū)，該單元地鐵建設風險高。其它地質單元內，張性、張扭性斷裂控制了不同含水層的富水程度。特別是“可溶性巖層+壓性斷裂的上盤+侵入巖體的阻水性+崗間洼地+充足的地表匯水”的特殊地質環(huán)境組合，形成了中等富水區(qū)。該區(qū)的地鐵建設風險較高。

（3）建議在設計中選擇適宜的防水設計方案，加強對隧道仰拱結構斷面尺寸的優(yōu)化；在施工中采取有效的超前物探手段，加強支護和排水，以確保南京地鐵建設和運營安全。

［1］ 江蘇省地質礦產(chǎn)局.江蘇省及上海市區(qū)域地質志［M］.北京：地質出版社，1984.

［2］ 江蘇省地質礦產(chǎn)局.寧鎮(zhèn)山脈地質志［M］.南京：江蘇科學技術出版社，1984.

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Hydrogeological Hazard of Metro Tunnel in Eastern Hilly AreaofNanjingCitybyMiningMethodandCountermeasures

ZHENGJun，ZHUBin，ZHANGBolin，JIANGBo，WAN Jiajun，YANG Haokun

According to the information，such as the aquifer or aquifer groups，tectonics，geomorphology，surface water system and climate，the hydrogeological units are zoned in the eastern hilly area of Nanjing City.By determining the parameters of permeability coefficient and so on，the water inrush value and water pressure on the lining structures of the marking points in typical sections are calculated，which are located in the builtup and planning mining tunnels.The calculation results indicate that the hydrogeological unitⅤbelongs to the waterenriched area，so the hazard risk of metro tunnel construction would be relatively high.While in the other units，the tensional and trans-tensional faults can control the degree of water storage capacity in different aquifers.It is suggested that the support and drainage shall be strengthened for the safety of Nanjing metro tunnels both in construction and operation phases.

Nanjing； metro tunnel； mining method construction；hydrogeology

First-author′s address Nanjing Metro Group Co.，Ltd.，210008，Nanjing，China

U452.2+7

10.16037/j.1007-869x.2017.12.013

2017-04-07）