九尾嶺斷裂的性狀及對深圳地鐵5號線的影響

李新元

（深圳市工勘巖土集團有限公司，廣東深圳 518063）

0 概況

深圳地鐵5號線西起前海灣，經(jīng)寶安中心、新安舊城區(qū)、西麗、大學城、龍華拓展區(qū)、坂田、布吉、至黃貝嶺，線路全長40.001 km。其中百鴿籠站至布心站區(qū)間北起龍崗區(qū)布吉街道辦百鴿籠，沿東南向呈弧形延伸，經(jīng)布心山莊，抵羅湖區(qū)東嘵路心怡花園一帶①鐵道第三勘察設計院集團有限公司.深圳地鐵5號線工程詳細勘察階段百鴿籠站至布心站區(qū)間巖土工程勘察報告[R].2008.。區(qū)間左線里程為DK33+207.52～DK34+794.45，全長約1587 m，右線里程大致相當。其中里程DK33+790～DK34+480段長約690 m穿越深圳九尾嶺斷裂主斷裂及次生斷裂影響范圍帶，該段地鐵軌底高程約8.680～11.453 m，埋深約29.7～73.1 m，采用的工法為礦山法施工。斷裂構造發(fā)育區(qū)工程、水文地質(zhì)條件復雜，對地鐵設計和施工影響較大，故應高度重視。

1 區(qū)域地質(zhì)構造

1.1 深圳區(qū)域地質(zhì)構造[1]

深圳總占地面積雖不大，但地形、地貌復雜，地貌單元多，東部以丘陵為主，西部以沖積和海積平原為主，中、北部以低臺地為主；目前地貌主要在晚更新期形成，主要原因是此期構造運動強烈，但構造運動又受到深圳北東、北西兩個方向的斷裂束聯(lián)合控制。

深圳市位于華南褶皺系的紫金—惠陽凹褶斷束中東西向高要—惠來斷裂帶的南側，北東向蓮花山斷裂帶西北支的五華—深圳斷裂亞帶的南西段展布區(qū)[1]。深圳地區(qū)地質(zhì)構造復雜，以斷裂構造為主，主要發(fā)育北東、北西兩組斷裂束，東西向斷裂次之，從規(guī)模、影響范圍、對工程建設活動的影響性來看，其中又以北東向斷裂最為顯著。就目前既有資料的豐富程度來看，北東向斷裂走向多介于N50°—70°E，在深圳中、東部發(fā)育密集，形成較大的斷裂束，如羅湖大斷裂、九尾嶺斷裂等，其主要在深圳中東部的南山、福田、羅湖、鹽田、大鵬5區(qū)揭露明顯，其可能是深圳中東部丘陵地貌發(fā)育、巖層露頭眾多、覆蓋層薄、開發(fā)較成熟，便于對斷層的調(diào)查研究工作，而西部平原地區(qū)地勢較平坦、第四系覆蓋層較厚、收集的資料較少等原因有一定的關聯(lián)性。

1.2 九尾嶺斷裂構造

根據(jù)《深圳市地質(zhì)圖說明書》中的相關劃分[2]，九尾嶺斷裂屬于深圳北東向斷裂深圳斷裂帶深圳斷裂束。往南西經(jīng)嶂背、荷坳、沙灣、九尾嶺，至泥崗，被北西向斷裂錯開后，斷續(xù)延伸至沙頭后進入深圳灣。走向北東50°～70°，北東段及中段傾向北西，傾角65°～85°，自九尾嶺往南西傾向南東，傾角40°～60°。斷層性質(zhì)為逆時針滑移為主，前期具壓扭后期具張扭性。斷層全長達50 km，延續(xù)性較好，寬5～20 m不等。該斷裂為一壓扭性斷裂，發(fā)生過反時針滑移，斷裂在平面上微呈反“S”形舒緩波狀展布。斷裂具有明顯的碎裂變形特征，在下石炭測水組及下中侏羅統(tǒng)塘廈組砂頁巖中發(fā)育了由厚大的破碎巖、構造角礫巖及硅化破碎帶構成的垅崗狀山脊。九尾嶺獨樹村一帶，破碎帶數(shù)米，影響帶寬度數(shù)十米不等，由破碎帶中心向兩側依次由斷層泥、糜棱巖、構造透鏡體、壓碎角礫巖和綠泥石化、硅化破碎巖組成，在獨樹村可見斷裂中的斷層泥上有清晰的斜向擦痕，驗證了斷裂擠壓、錯動的發(fā)展史。

根據(jù)鉆探資料分析，在地鐵5號線附近，九尾嶺斷裂發(fā)育F1-1～F1-5共計5條次生斷裂和兩條小的共軛斷裂F1-6和F1-7。次生斷裂與主干斷裂大致平行，共軛斷裂與其交角約為65°～73°。根據(jù)鉆探資料及斷裂形成機理推測，九尾嶺斷裂為一壓扭性逆斷裂，次生斷裂均為正斷裂，其伴隨發(fā)育的小共軛斷裂多為張性斷裂。

在巖性構造方面，沿線場地自北向南依次發(fā)育侏羅系中統(tǒng)（J2）角巖、砂巖，加里東期混合花崗巖（M），震旦系混合巖（Z）；相互呈不整合接觸關系，局部呈斷層接觸。侏羅系中統(tǒng)砂巖零星穿插發(fā)育于角巖中，同角巖呈整合接觸關系。斷層破碎帶發(fā)育有斷層角礫巖，受構造影響局部巖石出現(xiàn)碎裂化、靡棱化構造。上部在風化作用下形成殘積層，局部地段存在坡積層和沖洪積層，地表為人工填土層。

2 構造與地鐵關系

深圳地鐵5號線布心—百鴿籠區(qū)間里程介于DK33+207.52～DK34+794.45，全長約1587 m，大致呈一寬緩的“S”曲線，大致里程DK33+919.7跨越九尾嶺斷裂，跨越范圍地鐵走向為N52°W，該范圍斷裂走向N55°E，故二者呈107°大角度相交，次生斷裂與地鐵線路呈105°～108°相交；共軛斷裂走向北偏西N15°W—N20°W，同地鐵線路交角介于32°～37°之間。斷裂構造與地鐵線路的關系具體見圖1、圖2。

圖1 深圳地鐵5號線與九尾嶺斷裂構造位置關系

圖2 九尾嶺斷裂及次生斷裂影響范圍縱斷面圖

3 斷裂對地鐵影響分析

3.1 斷裂穩(wěn)定性對地鐵的影響

3.1.1 斷裂自身穩(wěn)定性

九尾嶺斷裂隸屬區(qū)域大的斷裂蓮花山斷裂帶，據(jù)既有資料，蓮花山斷裂兩個活動頻繁期跨度及期間發(fā)生的地震情況統(tǒng)計見表1。

表1 蓮花山斷裂相關地震統(tǒng)計表

其主要原因是，蓮花山斷裂海豐段屬于構造應變能易于積累的場所，也是斷裂帶現(xiàn)今以黏滑方式活動較為突出的部位[3]。深圳段的北東向斷裂束則位于調(diào)整單元的疏通部位，發(fā)生高強度地震的可能性小。

深圳市為了監(jiān)測北東向斷裂是否導致地震的可能，大致沿深圳主要斷裂束NE向，按間距排5～10 km不等設置5個監(jiān)測站，經(jīng)1985—1986年一年的監(jiān)測周期，結果表明，羅湖區(qū)未發(fā)生微震活動。同時歷史記載表明，羅湖區(qū)附近500年來未發(fā)生過大于3級的地震。

羅湖區(qū)因為構造活動、或構造應力集中等因素導致地震的可能性極小，且第四紀以來，未發(fā)現(xiàn)新的構造運動的痕跡；由此說明區(qū)域穩(wěn)定性較好，不可能產(chǎn)生中、強地震，地鐵5號線不會因為構造導致的地震活動產(chǎn)生破壞作用。

3.1.2 區(qū)域應力對斷裂的影響

斷裂的形成、運動均是地應力影響的結果，地應力聚集區(qū)且得不到有效地釋放，當?shù)貞Υ笥趲r土體的抗剪強度（某些時候是抗拉），則易導致巖土體間的相互錯動，發(fā)生規(guī)模大小不等的構造運動甚至導致地震。正常情況下，地下垂直應力主要來自于上部巖土體的自重，水平應力同垂直應力視土性不同呈一定的對應關系，且垂直應力大于水平應力。

垂直應力：δv=γh

水平應力：δh=K0δv

式中：γ為重度；h為深度；K0為巖土體的水平側壓力系數(shù)。

但地表經(jīng)外營力和內(nèi)營力（主要來是構造營力）的影響，水平應力和垂直應力不全滿足一定的對應關系，甚至部分地區(qū)的水平應力遠大于垂直應力，應以實際測量為準。

深圳地質(zhì)局聯(lián)同相關單位，利用鉆孔內(nèi)部水壓法和壓磁法在深圳體育館、八卦嶺等地區(qū)（同擬建隧道高程大致相當）進行了實際地應力測試工作[3]。實測地應力數(shù)值、九尾嶺附近地鐵鉆探巖芯取樣實驗相關參數(shù)統(tǒng)計見表2。從表2數(shù)據(jù)分析，九尾嶺斷裂附近巖石單軸無側限抗壓強度值是地應力最大壓應力的10.11～32.14倍，巖石抗剪強度是地應力最大剪應力的3.65～23.41倍?？梢姡谀壳暗牡貞l件下，巖石自身的強度遠大于地應力提供的破壞力，九尾嶺斷裂不會因為地應力導致的剪切破壞而發(fā)生新的構造運動，故斷裂穩(wěn)定性好。

羅湖區(qū)域的最大主壓應力的方向約為N50°W[3]，地鐵影響范圍內(nèi)九尾嶺斷裂斷裂走向約N54°E，二者夾角約為104°，屬于比較穩(wěn)定的大夾角范圍。該段地鐵線路走向約為N51°W，與地應力最大壓應力方向基本一致，屬于非常合理和穩(wěn)定的線路選擇方案。

表2 地應力數(shù)值與巖石參數(shù)統(tǒng)計表

3.1.3 區(qū)域構造運動趨勢

據(jù)原地礦部在羅湖地區(qū)進行斷裂活動性監(jiān)測結論顯示：羅湖區(qū)域斷裂上下兩盤呈近“8”字形周期性相對運動軌跡，年周期內(nèi)上下盤絕對運動量幾乎不變，相對活動量亦非常微弱。同時根據(jù)區(qū)域內(nèi)的建筑物的監(jiān)測結果顯示：高層建筑的變形主要在自身的重力作用下，對持力層的壓縮變形，與區(qū)域的斷裂構造活動無相關性；根據(jù)近年九尾嶺斷裂影響范圍內(nèi)建筑物的監(jiān)測亦可表明，斷裂活動性微弱。由此可推斷，故九尾嶺斷裂不存在突發(fā)活動性的可能，穩(wěn)定性較好，對地鐵5號線的安全運營有保障。

3.2 斷裂帶的工程、水文地質(zhì)特性對地鐵隧道的影響評價

3.2.1 工程地質(zhì)特性

構造影響范圍內(nèi)地層結構為：上覆厚度較小的第四系覆蓋層，主要由填土（Qml4）、坡積層（Qdl4）、殘積層（Qel）。填土主要由松散、局部稍密的黏性土組成，含少量碎塊石、建筑垃圾；坡積層、殘積層以粉質(zhì)黏土為主，土質(zhì)較均勻；該層厚度較小，均位于地鐵洞身結構范圍以上，影響甚微，在此不做討論。下伏基巖為加里東期混合花崗巖（M）和少量的震旦系混合巖（Z），位于斷裂帶處主要發(fā)育斷層角礫巖、碎裂巖，局部糜棱化嚴重，為糜棱巖。洞身結構范圍內(nèi)的主要為中、微風化混合花崗巖和斷層角礫巖；其中中等風化混合花崗巖巖體完整性在空間上嚴重不均勻，巖體呈塊狀、碎塊狀，局部較完整；部分地段受構造影響碎裂化，巖體呈碎石狀，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。微風化混合花崗巖巖體較破碎，局部較完整，巖芯多為短柱狀、碎塊狀，巖質(zhì)堅硬、新鮮，局部夾構造強風化帶，其特征為劈理化及綠泥石化，質(zhì)軟（見圖3），巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ～Ⅳ級。

圖3 微風化混合花崗巖芯

斷層角礫巖礦物成分較復雜，角礫大小不一，定向陡傾節(jié)理強烈發(fā)育（見圖4），局部可見擦痕（見圖5），巖體破碎，巖體強度差異大；局部靡棱化，巖質(zhì)軟且不新鮮，多由次生礦物或鈣質(zhì)膠結，膠結物泡水沿節(jié)理、裂隙面易軟化。巖體基本質(zhì)量等級為級Ⅴ級。

3.2.2 水文地質(zhì)特性

為了查明場地地下水條件，對洞身結構影響范圍內(nèi)的巖層進行了抽水試驗工作，并采取穩(wěn)定地下水樣進行了室內(nèi)水質(zhì)簡分析；選取4個混合花崗巖試驗段和3個構造角礫巖試驗段，采用潛水完整井單孔抽水法，各試驗段分別抽取3個穩(wěn)定降深，其試驗結果統(tǒng)計見表3。

圖4 定向節(jié)理發(fā)育

圖5 擦痕

從試驗數(shù)據(jù)可見，無論是混合花崗巖及構造角礫巖不同試驗段的滲透系數(shù)值較離散，且構造角礫巖更嚴重；同地區(qū)非斷裂構造影響范圍的混合花崗巖滲透系數(shù)經(jīng)驗值一般為0.5～1.5 m/d，可見構造影響范圍的滲透系數(shù)值普遍偏大。

表3 滲透系數(shù)統(tǒng)計表

地下水取水試驗結果表明：p H值介于5.9～7.3，侵蝕性CO2介于5.7～21.22 mg/L，地下水總礦化度為137.10～391.60 mg/L，為低礦化水—中礦化水，再結合 Cl-、Mg2+、OH-、NH+、等離子的含量，根據(jù)現(xiàn)行勘察相關規(guī)范判別：在直接臨水或強透水層的環(huán)境下地下水對混凝土結構具弱腐蝕性，在弱透水層中不具腐蝕性；對鋼筋混凝土結構中鋼筋不具腐蝕性[4]。

3.2.3 對地鐵隧道的影響評價

（1）隧道洞身結構范圍內(nèi)的巖體破碎，節(jié)理裂隙劇烈發(fā)育，強度差異大，承載力特征值fak介于280～3000 kPa；巖體基本質(zhì)量等級多為Ⅳ～Ⅴ級。礦山法施工隧道形成臨空面后，局部應力雖重布，但擬建沿線不屬于地應力聚集區(qū)，且?guī)r體破碎，巖質(zhì)強度差異很大，故出現(xiàn)巖崩的可能性??；節(jié)理、裂隙將巖體切割成大小不等、形狀各異的巖塊，破碎的巖體不容易形成自然拱，再加上施工擾動因素（如爆破作業(yè)）影響，給施工過程造成嚴重的阻礙 ，拱頂臨空面上的巖體易剝落、掉塊甚至發(fā)生冒頂事故，側壁及掌子面易發(fā)生小范圍的坍塌事故，亦或因坍塌牽引發(fā)生拱頂?shù)拿绊斒鹿?。?jù)統(tǒng)計，近10年地鐵隧道礦山法施工安全事故，其中冒頂坍塌占比55%[6]；且目前對破碎帶的影響預測技術還處于發(fā)展階段，無法有效地預測，所以加強破碎帶地段隧道的地質(zhì)超前預報和超前支護尤其重要。根據(jù)類似經(jīng)驗，地質(zhì)鉆探、地質(zhì)分析或掌子面物探法是較好的超前預報手段[7]。超前支護可選用先進行破碎段注漿充填，再進行管棚支護的方法[6]。構造影響范圍帶內(nèi)的隧道施工應將超前支護、監(jiān)控量測、信息化施工作為控制重點，做到“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”。

（2）隧道洞身結構范圍內(nèi)主要為基巖裂隙水，構造及影響范圍內(nèi)基巖節(jié)理、裂隙為其主要滲流通道和貯存空間；構造及影響范圍帶節(jié)理、裂隙發(fā)育規(guī)律性較差，受其影響，地下水滲流呈線狀、條帶狀或局部呈面狀滲流，受節(jié)理裂隙閉合程度和充填情況影響，水量亦不均勻；因隧道埋深大，地下水垂直向補給量充足，故隧道內(nèi)水壓較大、水量豐富，是隧道施工較大的不利因素。地下水主要存在三方面的不利影響，其一是地下水的浸泡會使軟質(zhì)巖體抗剪強度降低，變形加大；地下滲流沖刷節(jié)理裂隙內(nèi)的充填物，加劇巖體失穩(wěn)，進一步誘發(fā)掉塊、坍塌甚至冒頂。其二是隨地下水向隧道內(nèi)滲流、排泄，導致淺層水位降低，引起地面沉降，危及路面、既有建筑物和管線管道的安全。其三是帶水作業(yè)施工條件差，環(huán)境惡劣，安全風險大，不符合安全文明施工要求。故針對該隧道防水工作應遵循“以防為主、剛柔結合、多道防線、因地制宜、綜合治理”的原則。設置三道防水線，即初期支護、防水層、二次襯砌，三道防線相輔相成[8]。另外結合超前支護階段的注漿充填亦能起到較好的防水效果。

4 結論

九尾嶺斷裂屬深圳斷裂束的主要斷裂之一，屬一壓扭性逆斷裂，在其下盤發(fā)育多條與其走向近一致的次生斷裂和與其大角度相交的共軛斷裂。通過對區(qū)域和構造自身穩(wěn)定性、地應力對構造對影響、構造與地鐵的關系等方面綜合分析顯示：九尾嶺斷裂的自身穩(wěn)定性較好，不會因自身穩(wěn)定性問題對地鐵線路造成危害；地鐵選路的走向選擇與斷裂構造呈大角度相交、與區(qū)域地應力大主應力方向呈小角度相交為較穩(wěn)定的方案。構造影響范圍巖體破碎、節(jié)理裂隙劇烈發(fā)育、巖體強度差異大，發(fā)生巖崩可能性極??；巖體掉塊、局部坍塌甚至冒頂事故應作為施工控制重點，可采用超前地質(zhì)預報、超前預加固等手段有效地改善斷層破碎帶范圍的工程地質(zhì)條件。斷裂構造帶及節(jié)理裂隙是地下水的良好通道和貯存空間，滲透系數(shù)及水量在空間上差異性較大，隧道埋深大，故地下水壓力較大，水量豐富；地下水對巖體存在軟化和對節(jié)理裂隙存在沖刷及加劇圍巖失穩(wěn)、淺部水位下降、地表不均勻沉降等不利影響。故應加強地下水的防控、水位和地表監(jiān)測措施。構造破碎帶地段的隧道施工，充分了解工程、水文地質(zhì)條件是前提，有針對性地采取措施，做到安全、高效、快速施工才是最終目的。