長(zhǎng)沙隧道工程不良地質(zhì)作用及其風(fēng)險(xiǎn)分析

劉穎炯，彭柏興，李軍雄，段堅(jiān)堤

(長(zhǎng)沙市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007)

長(zhǎng)沙隧道工程不良地質(zhì)作用及其風(fēng)險(xiǎn)分析

劉穎炯?，彭柏興，李軍雄，段堅(jiān)堤

(長(zhǎng)沙市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007)

長(zhǎng)沙市即將建設(shè)的隧道工程包括營(yíng)盤路湘江隧道、南湖路湘江隧道、長(zhǎng)沙市軌道交通2號(hào)線和1號(hào)線一期工程。隧道工程沿線地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜，主要不良地質(zhì)作用為巖溶、斷裂及風(fēng)化槽谷。文章通過(guò)地質(zhì)調(diào)查、鉆探和物探等手段，對(duì)隧道工程沿線的不良地質(zhì)作用特征及分布進(jìn)行了歸納，對(duì)其工程影響進(jìn)行了討論，提出了應(yīng)對(duì)措施。

隧道工程；不良地質(zhì)作用；風(fēng)險(xiǎn)分析；工程對(duì)策

1 前 言

不良地質(zhì)作用(Adverse Geologic Actions)是指由地球內(nèi)力或外力產(chǎn)生的對(duì)工程可能造成危害的地質(zhì)作用，通常包括巖溶、滑坡、危巖和崩塌、泥石流、采空區(qū)、地面沉降、地震和活動(dòng)斷裂等[1]。在工程建設(shè)過(guò)程中，由不良地質(zhì)作用引發(fā)的危及人身、財(cái)產(chǎn)、工程環(huán)境安全的地質(zhì)災(zāi)害(Geologic Disater)屢見不鮮，不良地質(zhì)作用研究已成為巖土工程的重點(diǎn)之一，對(duì)隧道工程而言尤為突出[2～4]。

隨著長(zhǎng)、株、潭城市群于2007年被納入“兩型社會(huì)”試驗(yàn)區(qū)，長(zhǎng)沙呈現(xiàn)跨湘江兩岸發(fā)展的態(tài)勢(shì)，加快了軌道交通、過(guò)江隧道的工程建設(shè)。在建和擬建的隧道工程有營(yíng)盤路隧道、地鐵2號(hào)線一期工程，南湖路湘江隧道、地鐵1號(hào)線一期工程(圖1)。擬用工法包括礦山法、盾構(gòu)法、明挖法等多種。

長(zhǎng)沙隧道工程沿線交通干道縱橫，交通流量大，高樓林立、管網(wǎng)繁雜，貫穿一山(岳麓山)一江(湘江)兩洲(桔子洲、磨盤洲)三河(瀏陽(yáng)河、撈刀河、圭塘河)，涉及多種地貌單元、地質(zhì)構(gòu)造及巖性組合[5]。本文采用地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等手段和對(duì)既有勘察成果綜合分析，對(duì)長(zhǎng)沙隧道工程涉及的不良地質(zhì)作用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合分析，希望能對(duì)工程建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)控制有所裨益。

2 工程地質(zhì)條件概述

2.1 地質(zhì)構(gòu)造與地震背景

長(zhǎng)沙位于東南地洼區(qū)雪峰地穹系湘江地洼列幕阜地穹西南端的烏山洼凸區(qū)[6]，經(jīng)歷了槽、臺(tái)、洼三大構(gòu)造演化階段，現(xiàn)已進(jìn)入余動(dòng)期。中生代以降，形成了NENNE向展布的斷隆、斷陷。至燕山晚期，區(qū)域上處于整體緩慢間歇性抬升，缺失晚第三系地層，長(zhǎng)期的侵蝕、剝蝕，在近場(chǎng)地形成不同級(jí)別的剝夷面和低丘崗地，為第四系沉積物準(zhǔn)備了古地理?xiàng)l件。第四系構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以差異性升降運(yùn)動(dòng)為主，在場(chǎng)地內(nèi)形成了V級(jí)階地。

本區(qū)經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了較為復(fù)雜的構(gòu)造形跡，以斷裂為主，褶皺次之，構(gòu)造線方向以北東向?yàn)橹鱗7]。

長(zhǎng)沙隸屬長(zhǎng)江中下游地震亞區(qū)的麻城－岳陽(yáng)－寧遠(yuǎn)地震帶，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防烈度為6度。

圖1 長(zhǎng)沙市軌道交通及隧道工程分布示意圖

2.2 地形、地貌與地層

以湘江為界，西岸為剝蝕構(gòu)造丘陵，東部為湘江、瀏陽(yáng)河及撈刀河階地。沿線第四系地層有全新統(tǒng)人工填土層、沖洪積層(粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、圓礫)，第四系更新統(tǒng)沖洪積層(粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、圓礫)及殘積層，厚度一般10 m左右；基巖為白堊系內(nèi)陸湖相沉積的礫巖、泥質(zhì)粉砂巖，泥盆系海相－濱海相沉積的砂巖、泥巖和灰?guī)r以及元古界淺變質(zhì)板巖。

2.3 氣象、水文

長(zhǎng)沙市氣候上屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明、溫暖潮濕、雨量充沛、嚴(yán)寒期短。

區(qū)內(nèi)水系呈樹枝狀展布，湘江自南而北縱貫市區(qū)，水位變化幅度為8 m～15 m，平均流速約1 m/s，汛期流速高達(dá)2.6 m/s。豐水期為每年的5月～8月，水位30 m～34 m，史載最高洪水位39.18 m(1998)(吳淞口高程)；枯水期為每年10月至翌年 2月，平均水位27 m。在暮云市至三叉磯分別接納入瀏陽(yáng)河、撈刀河、溈水、靳江河等支流。水位、流量隨季節(jié)變化而變化。

地下水主要有四種類型:賦存于人工填土、新近沉積土及軟～流塑粉質(zhì)黏土中的上層滯水、第四系砂、礫層中的孔隙水、巖溶水及基巖裂隙水。

3 不良地質(zhì)作用及其分布

長(zhǎng)沙軌道交通及隧道工程涉及的不良地質(zhì)作用主要為巖溶、斷裂和風(fēng)化槽谷。

3.1 巖溶

可溶性巖石、具有溶解能力(含CO2)和足夠流量的水是巖溶形成的基本條件。一般地，硫酸鹽巖類和鹵素巖類巖溶發(fā)展速度較快，碳酸鹽巖則發(fā)育速度較慢，質(zhì)純層厚的巖層，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈且形態(tài)齊全，規(guī)模較大；含泥質(zhì)或其他雜質(zhì)的巖層，巖溶發(fā)育較弱，結(jié)晶粗大的巖石巖溶較為發(fā)育，結(jié)晶顆粒細(xì)小的巖石巖溶發(fā)育較弱。斷裂構(gòu)造在巖溶發(fā)育過(guò)程中，起著至關(guān)重要作用。

根據(jù)我院30年來(lái)的勘察成果歸納和總結(jié)，長(zhǎng)沙市區(qū)的巖溶主要分布于以下五大塊:河西洋湖垸片區(qū)、桃子湖片、望月湖片，河?xùn)|中山路以南、勞動(dòng)路以北，省政府二院以西范圍內(nèi)以及南二環(huán)附近的新開鋪小學(xué)—芙蓉路立交橋一帶。與正建和擬建的長(zhǎng)沙隧道工程相關(guān)聯(lián)的主要有桃子湖片與五一廣場(chǎng)片。

長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線一期工程的五一廣場(chǎng)站、蔡鍔路站、芙蓉廣場(chǎng)站位于湘江II級(jí)階地上，基巖為泥盆系棋子橋組厚層泥灰?guī)r、灰?guī)r、白云巖等可溶巖，第四系富水卵石層直接覆蓋其上，地下水豐富，具有較好的徑流條件，為地表水下滲提供了條件?；?guī)r中方解石含量＞90%、以泥晶為主，緊密鑲嵌狀，粒度 0.001 mm～0.02 mm，有利于巖溶發(fā)育；炭質(zhì)灰?guī)r及泥灰?guī)r方解石含量＜50%，且黃鐵礦微粒、塊狀、立方體狀晶體與巖質(zhì)有機(jī)物質(zhì)混生，不利于巖溶發(fā)育。

其中，五一廣場(chǎng)站及五一廣場(chǎng)—芙蓉廣場(chǎng)區(qū)間，位于區(qū)域性斷裂張家咀－溁灣鎮(zhèn)－新塘灣斷裂(F85)與葫蘆坡－金盆嶺－炮臺(tái)子斷裂(F101)之間，灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育且多屬?gòu)堥_型，延伸較長(zhǎng)；且為白堊系神皇山組(KS)紫紅色泥質(zhì)砂巖類與泥盤系佘田橋組(D3S)灰?guī)r類的不整合接觸帶，有利于巖溶發(fā)育。巖溶形態(tài)表現(xiàn)為溶溝、溶槽、溶隙、溶洞等，規(guī)模大小不一，揭示洞體高度0.70 m～3.2 m，巖面起伏很大，溶蝕底板埋深介于17.20 m～63.20 m，平均35.6 m，主要為埋藏型巖溶，但規(guī)律性差，無(wú)序分布，體現(xiàn)了小區(qū)域場(chǎng)地內(nèi)巖溶發(fā)育的基本特點(diǎn)。

勞動(dòng)路隧道巖溶發(fā)育則受斷裂、巖性和不整合面控制[9]，分帶性良好。

圖2 龍王港高密度電法G3－3'法解譯圖[10]

3.2 斷層

長(zhǎng)沙經(jīng)歷了武陵—雪峰—加里東—印支—燕山—喜山等多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了北東向、北北東向、北西向、東西向褶斷構(gòu)造，構(gòu)成本區(qū)基本構(gòu)造骨架。與長(zhǎng)沙市在建軌道、隧道工程相關(guān)的區(qū)域性斷裂有F85、F101、F106斷裂(表1)。根據(jù)熱釋光測(cè)齡結(jié)果，其活動(dòng)年限為17萬(wàn)年～45萬(wàn)年，斷層活動(dòng)在晚更新世前，為非全新世斷裂，工程可不采取避讓措施。

地鐵2號(hào)線一期工程的勘察成果表明[10]，在汽車西站至溁灣鎮(zhèn)一帶的丘間谷地陡坡地段，由于受斷裂構(gòu)造影響，巖層節(jié)理裂隙較發(fā)育，物探異常明顯(圖 2)，并得到鉆探驗(yàn)證(表2)。

營(yíng)盤路湘江隧道沿軸線在傅家洲NK1＋306～NK1＋446、NK1＋597～NK1＋605、NK2＋130～NK2＋240地段遇斷層破碎帶[11](圖 3)，大致呈 NNE向展布，寬100 m～140 m，受該破碎帶影響，其東西兩側(cè)巖體破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，全風(fēng)化板巖結(jié)構(gòu)呈疏松的砂土狀、碎裂狀、角礫狀，巖芯多為巖屑、巖粉、碎石狀、塊狀等。

長(zhǎng)沙市軌道、隧道工程與斷裂構(gòu)造關(guān)系表 表1

長(zhǎng)沙軌道交通2號(hào)線一期工程斷層分布表 表2

圖3 營(yíng)盤路隧道地震反射剖面[11]

3.3 風(fēng)化溝槽

各隧道工程沿線基巖以白堊系泥質(zhì)砂巖、礫巖(局部為鈣質(zhì)礫巖)，板溪群板巖為主，泥盆系灰?guī)r次之。除灰?guī)r和鈣質(zhì)礫巖外，其他各類巖石水理性質(zhì)較差，具有遇水易軟化、失水干裂的特點(diǎn)，其中，中～微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的平均軟化系數(shù)分別為0.20、0.37，屬極易軟化巖石，巖石的軟化特性可造成巖體強(qiáng)度變化，強(qiáng)度降低。

在地鐵2號(hào)線一期工程之體育公園站普遍分布著因溶蝕風(fēng)化作用而形成的風(fēng)化溝槽，具體表現(xiàn)為近砂狀的全風(fēng)化礫巖＜6－2a＞，顯示出風(fēng)化程度的突變性:全風(fēng)化層＜6－2a＞直接介于中風(fēng)化礫巖＜6－2＞之間，其上、下均無(wú)過(guò)渡的強(qiáng)風(fēng)化礫巖層，與常規(guī)的風(fēng)化漸變性不同。鉆探施工時(shí)不返水現(xiàn)象。該層呈條帶狀、成層狀，層面產(chǎn)狀與區(qū)域地層產(chǎn)狀基本一致。左線層頂標(biāo)高自南向北呈8.5°傾斜、底板傾角約8.33°；右線層頂標(biāo)高自南向北呈8.14°傾斜、底板傾角變化較大[12]。

4 風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策

4.1 風(fēng)險(xiǎn)分析

文獻(xiàn)[13]認(rèn)為“在以工程項(xiàng)目正常施工為目標(biāo)的行動(dòng)過(guò)程中，如果某項(xiàng)活動(dòng)或客觀存在中以導(dǎo)致承險(xiǎn)體系統(tǒng)發(fā)生直接或間接損失的可能性，那么就稱該工程存在風(fēng)險(xiǎn)”。不良地質(zhì)作用的客觀存在，常常會(huì)給隧道工程建設(shè)帶來(lái)如下風(fēng)險(xiǎn):

(1)巖溶巖面起伏，導(dǎo)致上覆土層地基壓縮變形不均；洞穴頂板變形造成地基和隧道圍巖支護(hù)體系的失穩(wěn)；巖溶水的動(dòng)態(tài)變化往往產(chǎn)生突泥、突水，給施工和建筑物使用造成極大的危害；土洞坍落形成地表塌陷；溶蝕作用還會(huì)導(dǎo)致巖體的滲透性變異，給工程治水帶來(lái)難題。

(2)斷裂作用必然在兩盤圍巖中產(chǎn)生大量裂隙、導(dǎo)致巖體完整性差，影響巖體穩(wěn)定性和承載性能；斷層使巖體受到不同程度的切割，導(dǎo)致巖體物理力學(xué)性質(zhì)變異和嚴(yán)重不均勻，開挖時(shí)易出現(xiàn)拱頂坍塌、側(cè)壁失穩(wěn)等安全事故；斷層往往成為裂隙水的活動(dòng)通道，破碎、巖體具有一定的滲透能力，涌水量較大，嚴(yán)重影響巖體強(qiáng)度和抗沖刷能力，施工時(shí)易造成突水、管涌與突涌事故。長(zhǎng)沙市芙蓉路電纜隧道曾因此塌方和漏水造成多次停工。當(dāng)開挖的洞室或坑道與斷層以較小的角度相交時(shí)，由于開挖使作用于斷層面的正應(yīng)力減小，降低了斷層面的摩擦阻力，常引起斷層突然活動(dòng)而形成巖爆，對(duì)施工破壞性極大。

(3)風(fēng)化溝槽中存在的風(fēng)化殘留物，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)強(qiáng)度較低，抗滑、抗變形及抗?jié)B性能差，直接影響建筑物的穩(wěn)定與安全:當(dāng)作為基坑坑壁地層時(shí)，受水浸泡或擾動(dòng)時(shí)易發(fā)生坍塌，釀成災(zāi)害；當(dāng)作為樁周土?xí)r，易發(fā)生塌孔和清渣困難，造成基樁擴(kuò)徑、斷樁或樁底沉渣過(guò)厚現(xiàn)象，影響基樁質(zhì)量；作為基礎(chǔ)持力層時(shí)，因其水理性質(zhì)較差，均勻性差，可能對(duì)地基土均勻性和變形產(chǎn)生較大影響；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在其中穿越時(shí)，常會(huì)因巖層的軟、硬變化而對(duì)施工工期帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)[14]。

4.2 應(yīng)對(duì)措施

“物探＋鉆探”是巖溶、斷裂、風(fēng)化槽等不良地質(zhì)作用勘察的常用手段。為應(yīng)對(duì)地質(zhì)條件的不確定性，需要全線連續(xù)進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和圍巖評(píng)價(jià)，以地質(zhì)分析為主，長(zhǎng)距離宏觀預(yù)報(bào)與短距離精準(zhǔn)預(yù)報(bào)相結(jié)合、超前探孔與物探結(jié)合，多種物探方法相驗(yàn)證，定性和定量相結(jié)合的超前預(yù)案。廣州軌道交通5號(hào)線采用高密度電阻率、加密鉆孔和電磁波深孔CT分析巖溶地層，在國(guó)內(nèi)首次順利完成了巖溶段盾構(gòu)隧道施工。

“先探測(cè)，再處治”，是隧道巖溶處治的基本原則。適當(dāng)增加隧道穿越溶洞發(fā)育區(qū)段的埋深，以最大限度地避開溶洞，對(duì)充填型溶洞則可采用全斷面超前帷幕注漿。

對(duì)斷裂而言，它的導(dǎo)水性及其對(duì)圍巖整體穩(wěn)定性的影響對(duì)隧道施工威脅極大，施工時(shí)須采取有效措施，以防止涌水及坍塌，必要時(shí)應(yīng)采用全斷面帷幕注漿，采用“注漿一段、開挖一段、段段推進(jìn)”。

對(duì)風(fēng)化溝槽中的殘積物，為解決局部地段成樁困難或盾構(gòu)穿越難問(wèn)題，應(yīng)進(jìn)行先行止水或泥漿護(hù)壁，控制好泥漿濃度，確保施工質(zhì)量；基坑開挖前，宜先進(jìn)行隔水、補(bǔ)強(qiáng)措施，防止坑壁坍塌、影響護(hù)壁樁的作用；對(duì)全風(fēng)化礫巖＜6－2a＞溶蝕風(fēng)化土體進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，確定方案前應(yīng)進(jìn)行施工勘察、平行試驗(yàn)、試樁試驗(yàn)等，確保措施可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

5 結(jié) 論

長(zhǎng)沙市的隧道工程受巖溶、斷裂及風(fēng)化溝槽等不良地質(zhì)作用影響，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地基土不均勻，工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件較差，存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)。由于巖土工程的不確定性，利用常規(guī)的勘察手段徹底地查明不良地質(zhì)作用是不現(xiàn)實(shí)的，也是不可能的。因此，在施工階段，進(jìn)行施工勘察是十分必要的。這需要建設(shè)、施工、監(jiān)理、設(shè)計(jì)和勘察單位的通力合作和信息共享，做到精心勘察、精心設(shè)計(jì)、精細(xì)化施工。

“我國(guó)是世界上隧道和地下工程最多、最復(fù)雜、今后發(fā)展最快的國(guó)家”(王夢(mèng)恕，2002)，在山嶺隧道和水下隧道建設(shè)中，對(duì)巖溶、破碎帶的處治積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。已有工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明，只有地質(zhì)資料翔實(shí)，風(fēng)險(xiǎn)分析得當(dāng)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施到位、通過(guò)加強(qiáng)施工期的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作和信息化施工，采取合理有效的應(yīng)對(duì)措施，重大安全事故是完全可以避免的。

[1]GB 50021－2001.巖土工程勘察規(guī)范[S].

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[11]長(zhǎng)沙市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.長(zhǎng)沙市營(yíng)盤路湘江隧道巖土詳細(xì)勘察報(bào)告.2009

[12]長(zhǎng)沙市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.長(zhǎng)沙市軌道交通2號(hào)線一期工程勘察3標(biāo)巖土詳細(xì)勘察報(bào)告.2009

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Analysis on the Adverse Geologic Actions and Risks of Tunnels in ChangSha City

Liu YingJiong，Peng BaiXing，Li JunXiong，Duan JianDi
(Institute of Investigation＆Design，Changsha 410007，China)

The tunnels that is being constructed consists of YUANBAN tunnel，the first phase of metro line 1＆2. The engineering geology are very complicated.The major existing adverse geologic actions are karst，fault and weathering trough.The status of adverse geologic actions are found by means of field survey，drilling and physical exploration.It’s possible influence during constructing is consider，the solutions to avoid the similar accidents in the future are put forward too.

tunnel engineering；adverse geologic actions；risk analysis；countermeasure

1672－8262(2010)05－158－05

P642.4

A

2010—06—28

劉穎炯(1956—)，男，高級(jí)工程師，注冊(cè)土木工程師(巖土)，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)等技術(shù)管理工作。