東莞至惠州城際軌道交通東江隧道主要工程地質(zhì)問(wèn)題研究

孫寶忠

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

下穿大型水系的隧道工程需采用綜合的勘察方法來(lái)研究其工程地質(zhì)和水文地質(zhì)問(wèn)題[1]。廖全濤等采用淺層地震反射法對(duì)武漢長(zhǎng)江隧道進(jìn)行水上勘察，得出了淺層地震反射法結(jié)合地質(zhì)調(diào)查可以較為準(zhǔn)確地推測(cè)地質(zhì)體的結(jié)論[2]。蒙明輝等采用綜合勘察方法研究重慶市江津區(qū)長(zhǎng)江隧道的工程地質(zhì)問(wèn)題[3]，確定了該隧道的圍巖分級(jí)，但無(wú)法對(duì)隧道的涌水量進(jìn)行計(jì)算。徐軍政采用地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、地震物探等方法，研究了廈門地鐵3號(hào)線跨海段的主要工程地質(zhì)問(wèn)題，從地質(zhì)角度選擇了合理的線路縱斷面[4]，其優(yōu)點(diǎn)為多種勘察方法可相互驗(yàn)證，但是缺少隧道圍巖地層產(chǎn)狀、構(gòu)造的直觀影響信息。蔡盛運(yùn)用物探磁法查找地質(zhì)構(gòu)造，其優(yōu)點(diǎn)為效率高且不受地形的限制，但是受周邊環(huán)境影響大，精度較低[5]。以下采用一孔多用(全景鉆孔攝像、聲波測(cè)井)、水文地質(zhì)試驗(yàn)、土工試驗(yàn)等方法，研究東江隧道涌水、軟土大變形、軟巖變形等工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征。

1 工程概況

東莞至惠州城際軌道交通是珠三角城際交通網(wǎng)的重要組成部分，起點(diǎn)為東莞望洪站，終點(diǎn)為惠州客運(yùn)北站，呈東西走向，正線全長(zhǎng)99.841 km。東江隧道位于惠州市境內(nèi)，隧道正線全長(zhǎng)15.110 km，包括4站4區(qū)間。隧道下穿大型水系東江，地下車站及隧道周邊環(huán)境復(fù)雜，具有地層巖性多變、地下水豐富、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，為極高風(fēng)險(xiǎn)隧道[6]。東江隧道位置見圖1。

圖1 東江段隧道位置

2 工程地質(zhì)特征

2.1 地形地貌

東江隧道主要位于惠陽(yáng)斷陷盆地內(nèi)的東江沖積平原區(qū)，地形平坦、開闊，房屋密集，交通便利。

2.2 地層巖性特征

上覆第四系①粉質(zhì)黏土(軟-硬塑)、②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(流塑)、③細(xì)砂(稍密，飽和)、④粗砂(稍密，飽和)、⑤細(xì)圓礫土(中密，飽和)；下伏第三系含礫砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，地層產(chǎn)狀為70°∠20～30°；侏羅系下統(tǒng)凝灰質(zhì)粉砂巖；燕山期花崗閃長(zhǎng)巖。地層巖性分布情況見圖2[6]。

圖2 東江隧道線路走向綜合地質(zhì)剖面

東江段隧道洞身主要走行于含礫砂巖、粗砂、細(xì)圓礫土層。地下車站明挖穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等地層。

其中，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的軟土大變形，粗砂、細(xì)圓礫土的強(qiáng)透水性，泥巖和泥質(zhì)粉砂巖的遇水軟化、暴曬崩解等特點(diǎn)對(duì)隧道工程影響較大。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造特征

東江隧道位于惠陽(yáng)斷陷盆地內(nèi)，主要受北東向的觀洞水庫(kù)斷裂、北北西向的惠州斷裂、近北東東向的樟木頭斷裂控制[8]。斷陷盆地控制了第三系、第四系的地層沉積及東江水系在盆地內(nèi)的走向。東江隧道地質(zhì)構(gòu)造見圖3。

圖3 東江隧道地質(zhì)構(gòu)造

觀洞水庫(kù)斷裂、樟木頭斷裂自晚更新世以來(lái)無(wú)明顯的活動(dòng)性，距離線路最近處約2.5 km，對(duì)隧道工程的影響較小。

惠州斷裂與東江隧道相交，對(duì)隧道影響較大。

3 水文地質(zhì)條件

沿線地表水系主要為東江、西湖。東江為珠江水系干流之一，江面寬闊(550 m)，水流量大(7 000 m3/s)，四季通航。

東江隧道地下水類型為孔隙水、基巖裂隙水。①孔隙水：主要含水層為第四系全新統(tǒng)沖積砂層，其補(bǔ)給方式主要為大氣降水，排泄方式為大氣蒸發(fā)。東江北岸砂層中的孔隙水，其上部被沖積黏性土所覆蓋，具微承壓性；東江兩岸的孔隙水與東江水具有相互補(bǔ)給的特點(diǎn)。②基巖裂隙水：主要賦存于粉砂巖、含礫砂巖、花崗閃長(zhǎng)巖的節(jié)理裂隙中，全、強(qiáng)風(fēng)化層含水量較大，弱風(fēng)化層含水量較小?？紫端c基巖裂隙水局部具連通性。東江附近的基巖裂隙水受東江水直接滲入補(bǔ)給。

4 主要工程地質(zhì)問(wèn)題及防護(hù)措施

4.1 隧道突涌水

東江隧道在西湖站—云山西路站區(qū)間的DK99+230～DK99+780段落下穿東江(水深超過(guò)15 m，流量7 000 m3/s)。東江BD2Z-DJCS-1鉆孔資料顯示：東江水深15 m；0.00～8.00 m為細(xì)砂；8.00～11.00 m為細(xì)圓礫土；11.00～19.60 m為強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖；19.60～33.60 m為弱風(fēng)化含礫砂巖。 隧道下穿東江段，隧道洞身走行于弱風(fēng)化含礫砂巖層內(nèi)，東江北岸隧道洞身走行于粗砂、細(xì)圓礫土層內(nèi)。

東江隧道含水層接受東江水補(bǔ)給，與東江有直接的水力聯(lián)系，存在隧道突涌水風(fēng)險(xiǎn)。突涌水是水下隧道需重點(diǎn)研究的地質(zhì)問(wèn)題[8]。因此，采用全景鉆孔攝像、聲波測(cè)井工程物探、水文地質(zhì)試驗(yàn)等方法，研究了該隧道的突涌水問(wèn)題。

(1)全景鉆孔攝像

為查明隧道洞身范圍的巖體完整性，采用了BHC-TV型數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)，進(jìn)行鉆孔全方位、全柱面觀測(cè)成像?？梢杂^測(cè)鉆孔中地質(zhì)體的地層巖性、巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、節(jié)理裂隙、地層產(chǎn)狀(傾向、傾角)等[9]， BD2Z-GDJ-09鉆孔的全景攝像見圖4、圖5。

圖4 強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖

圖5 弱風(fēng)化含礫砂巖

圖4顯示強(qiáng)風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石較破碎；圖5顯示弱風(fēng)化巖石節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，巖層產(chǎn)狀為260°∠17°。

(2)聲波測(cè)井

利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得的巖體縱波波速、實(shí)驗(yàn)室獲得的巖塊彈性縱波速度，計(jì)算巖體完整性系數(shù)，對(duì)巖體完整程度進(jìn)行劃分。巖體完整性系數(shù)計(jì)算公式為

KV=(Vpm/Vpr)2

(1)

式中Vpm——巖體彈性縱波速度；

Vpr——巖塊彈性縱波速度。

KV與巖體完整程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 KV與巖體完整程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

采用TH200-Y型巖體聲波參數(shù)測(cè)試儀對(duì)東江隧道BD2Z-GDJ-09鉆孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)巖體縱波波速測(cè)試，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了巖石彈性縱波速度測(cè)試，對(duì)應(yīng)的巖石完整性系數(shù)見表2。

表2 含礫砂巖巖體完整性系數(shù)

表2顯示：強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖破碎；弱風(fēng)化含礫砂巖巖體較完整。

(3)水文地質(zhì)試驗(yàn)

在東江隧道鉆孔BD2Z-DJCS-1進(jìn)行了非完整潛水抽水水文地質(zhì)試驗(yàn)，得到滲透系數(shù)K的取值。

①細(xì)砂層：滲透系數(shù)K=5.0 m/d，具中等透水性；

②粗砂層：滲透系數(shù)K=50.0 m/d，具強(qiáng)透水性；

③細(xì)圓礫土層：滲透系數(shù)K=75.0 m/d，具強(qiáng)透水性；

④強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖：滲透系數(shù)K=1.0 m/d，具中等透水性；

⑤弱風(fēng)化含礫砂巖：滲透系數(shù)K=0.05 m/d，具弱透水性。

東江隧道下穿東江段的隧道洞頂走行于弱風(fēng)化含礫砂巖層內(nèi)，隧道正常涌水量可采用裘布依理論公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，即

(2)

式中Qs——隧道正常涌水量/(m3/d)；

K——含水體滲透系數(shù)/(m/d)；

H——洞底以上潛水含水層厚度/m；

h——洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深/m(按0考慮)；

Ry——隧道涌水地段的引用補(bǔ)給半徑/m；

r——洞身橫斷面等價(jià)圓半徑(按3.85 m計(jì))；

L——隧道通過(guò)含水體長(zhǎng)度/m(按10 m計(jì))。

下穿東江段東江隧道洞身走行于弱風(fēng)化含礫砂巖層內(nèi)，按照裘布依理論公式計(jì)算的隧道涌水量見表3。

表3 隧道涌水量估算

東江隧道洞身為弱風(fēng)化含礫砂巖，其隧道涌水量估算為4.38 m3/d。

東江北岸GDK100+030～GDK100+246段落：隧道洞身走行于粗砂、細(xì)圓礫土層內(nèi)，按照裘布依理論公式計(jì)算的隧道涌水量見表4。

表4 隧道涌水量估算

注：滲透系數(shù)取粗砂與細(xì)圓礫土的平均值(62.5 m/d)。

東江隧道洞身穿越粗砂、細(xì)圓礫土層，其隧道涌水量估算為123.7 m3/d。

全景鉆孔攝像和聲波測(cè)井成果顯示，弱風(fēng)化含礫砂巖巖體節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體完整性較好。水文地質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果顯示，弱風(fēng)化含礫砂巖層與東江地表水的水力聯(lián)系較差。

鉆探揭示，下穿東江段的含礫砂巖弱風(fēng)化面埋深在20 m左右。下穿東江段的隧道洞身走行于弱風(fēng)化含礫砂巖層中，可以有效避免隧道突涌水問(wèn)題(弱風(fēng)化含礫砂巖層的隧道突涌水風(fēng)險(xiǎn)較低)。

東江北岸GDK100+030～GDK100+246段落：隧道洞身走行于粗砂、細(xì)圓礫土層內(nèi)，隧道洞身內(nèi)的含水層水頭低于東江江底高程，盾構(gòu)施工時(shí)易形成較大的水頭差，若工作面及隧道洞身防水措施不當(dāng)，極易引發(fā)隧道突涌水，淹沒(méi)隧道，對(duì)人員和設(shè)備造成災(zāi)難性的破壞。該段落隧道突涌水風(fēng)險(xiǎn)極高，為施工階段監(jiān)測(cè)、防護(hù)的重點(diǎn)地段[10]。

隧道內(nèi)易產(chǎn)生突涌水問(wèn)題的土層主要為④粗砂、⑤細(xì)圓礫土。在隧道開挖過(guò)程中，應(yīng)特別重視粗砂、細(xì)圓礫土層引發(fā)的隧道突涌水問(wèn)題，施工時(shí)應(yīng)做好防排水措施[11]。

防護(hù)措施：采用泥水式盾構(gòu)掘進(jìn)施工工法；根據(jù)實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)整與開挖地層相適應(yīng)的掘進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度、出土量及注漿量[12]。

4.2 軟土大變形

西湖站下穿西湖，結(jié)構(gòu)底板埋深17.5 m，采用明挖法施工。西湖區(qū)域表層分布有淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，主要呈灰黑色，流塑狀，多夾腐殖物，厚2.5～4.9 m。室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)試的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的巖土物理力學(xué)指標(biāo)值見表5。

表5 巖土物理力學(xué)指標(biāo)值

西湖區(qū)域的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土具有高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度、高靈敏度、明顯的觸變和流變特性等軟土特征。在基坑開挖過(guò)程中極易造成土體結(jié)構(gòu)破壞、強(qiáng)度降低。淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的排水固結(jié)時(shí)間很長(zhǎng)，易造成工后沉降大、沉降不均勻等問(wèn)題[6]。

防治措施：軟土對(duì)本工程深基坑的影響較大，應(yīng)進(jìn)行軟土地基處理，并加強(qiáng)基坑支擋防護(hù)。

4.3 軟巖變形

西湖站、云山西路站、客運(yùn)北站及其區(qū)間隧道均位于惠陽(yáng)斷陷盆地內(nèi)，發(fā)育第三系含礫砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖。西湖站-云山西路站區(qū)間隧道鉆孔BD2Z-XS-42弱風(fēng)化泥巖、BD2Z-YSZ-9弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別見表6、表7。

表6 泥巖抗壓強(qiáng)度 MPa

表7 泥質(zhì)粉砂巖抗壓強(qiáng)度 MPa

巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：弱風(fēng)化泥巖在天然狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度為18.67～19.63 MPa，軟化系數(shù)為0.28～0.37。弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖在天然狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度為18.76～21.63 MPa，軟化系數(shù)為0.41～0.53。泥巖和泥質(zhì)粉砂巖均屬于軟巖，泥巖和泥質(zhì)粉砂巖浸水后易崩解，巖石強(qiáng)度明顯降低，尤其是泥巖的強(qiáng)度降低更為明顯。泥巖和泥質(zhì)粉砂巖失水爆曬后會(huì)發(fā)生龜裂。因此，東江隧道工程范圍內(nèi)的泥巖和泥質(zhì)粉砂巖抗風(fēng)化能力均較低[13]。

西湖站、云山西路站、客運(yùn)北站及隧道區(qū)間部分淺埋地段為明挖法施工。泥巖和泥質(zhì)粉砂巖的抗風(fēng)化能力很差，施工過(guò)程中易遭受暴曬，發(fā)生龜裂、巖石變形，風(fēng)化后巖石強(qiáng)度和地基承載力明顯降低，嚴(yán)重影響構(gòu)筑物的穩(wěn)定性，需要采取相應(yīng)措施。

防護(hù)措施：加強(qiáng)防排水，防止基坑積水，及時(shí)對(duì)基坑壁、底進(jìn)行封閉防護(hù)，避免發(fā)生浸水軟化；防止巖石爆曬脫水后發(fā)生龜裂和崩解。西湖站、云山西路站、客運(yùn)北站均采用了地下連續(xù)墻等工程措施，起到截水、支擋防護(hù)的雙重作用，對(duì)基坑起到了較好的保護(hù)作用。

4.4 流砂

云山西路站局部地段分布有1.0～2.6 m的③細(xì)砂層，GDK104+247～GDK104+927區(qū)間隧道分布有1.9～7.9 m厚的③細(xì)砂層，均為明挖法施工。在基坑開挖過(guò)程中需進(jìn)行人工降水，使得基坑外圍地下水位高于基坑內(nèi)的地下水位，導(dǎo)致地下水由四周流向基坑內(nèi)，易發(fā)生流砂問(wèn)題[14]。流砂發(fā)生時(shí)，地下水?dāng)y帶大量的粉細(xì)砂土涌入基坑，從而引發(fā)基坑邊坡失穩(wěn)、坍塌及地面塌陷等次生地質(zhì)災(zāi)害，危及基坑周邊行人、車輛及建(構(gòu))筑物安全。

防護(hù)措施：采用地下連續(xù)墻，可以起到防水、支護(hù)、承重的三重作用。

4.5 基坑開挖引發(fā)周邊地面及建筑物變形

西湖站毗鄰西湖，周邊建(構(gòu))筑物密集，行人、車輛流動(dòng)密度大，地下管線密布，周邊環(huán)境復(fù)雜，地下水埋深較淺(1.70～3.10 m)，基坑開挖深度大(25.00～27.58 m)，巖土條件較差?；娱_挖易產(chǎn)生邊坡滑塌、流泥、突(涌)水、流沙、地表沉降、塌陷等次生災(zāi)害，導(dǎo)致鄰近建(構(gòu))筑物的變形、傾斜或管道破裂，危及周邊行人、車輛、建(構(gòu))筑物安全[15]。

防治措施：加強(qiáng)基坑防護(hù)、防排水措施。采用“地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐”措施。

4.6 惠州斷裂

惠州斷裂于GDK95+500～GDK95+560段落與隧道軸向呈60°相交，穿越線路長(zhǎng)度為60 m，對(duì)隧道工程影響較大。惠州斷裂為惠陽(yáng)斷陷盆地的西部邊界，該斷裂帶北端的梅湖一帶曾發(fā)生過(guò)數(shù)次3級(jí)以下的小震，顯示斷裂的地震活動(dòng)性較弱，頻度較低。

隧道穿越該斷裂帶范圍內(nèi)的地下水埋深為4.0～6.0 m，覆蓋層厚度為6.0～9.0 m，隧道洞頂埋深為31.0～33.0 m，斷裂破碎帶內(nèi)巖石極破碎，強(qiáng)富水。斷裂帶周邊的隧道洞身范圍均為強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，富水性較好。該斷裂帶在縱、橫向上均可以得到豐富的補(bǔ)給水。

隧道洞身穿越該斷裂帶長(zhǎng)度大，斷裂帶強(qiáng)富水，若采用大斷面開挖或掘進(jìn)尺度過(guò)大，均易造成隧道坍塌、突泥、突水等次生地質(zhì)災(zāi)害。

防治措施：①開展多類型超前預(yù)報(bào)工作，包括綜合物探超前探測(cè)法、水平鉆孔超前探測(cè)法、洞內(nèi)綜合地質(zhì)法、圍巖大變形預(yù)測(cè)法；②應(yīng)遵循“縮短開挖、減弱爆破、加強(qiáng)支護(hù)、增加量測(cè)頻率”的指導(dǎo)原則，嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)開挖進(jìn)尺；如果圍巖變化較大，應(yīng)及時(shí)制定相應(yīng)的補(bǔ)救措施。

5 結(jié)論

(1)下穿東江段隧道洞身走行于弱風(fēng)化含礫砂巖層段落：巖體較完整，隧道涌水量較小，隧道突涌水的風(fēng)險(xiǎn)較小。隧道洞身穿越粗砂、細(xì)圓礫土段落：隧道涌水量較大。

(2)淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層物理性質(zhì)較差，軟土變形易造成工后沉降大、沉降不均勻等問(wèn)題。

(3)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖屬于軟巖，抗風(fēng)化能力很差，浸水后易崩解、變形，影響構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。

(4)流沙、軟土沉降等易引發(fā)基坑周邊地面及建筑物變形。

(5)惠州斷裂帶強(qiáng)富水，易造成隧道坍塌、突泥、突水等次生地質(zhì)災(zāi)害。

(6)主要工程地質(zhì)問(wèn)題：隧道突涌水、軟土變形、軟巖變形、流沙、惠州斷裂、基坑開挖引發(fā)周邊地面及建筑物變形。這些工程地質(zhì)問(wèn)題可以采取相應(yīng)的工程措施進(jìn)行處理，工程具有可行性。