羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞地質(zhì)問題勘探與論證

曾劍華 孫云志 李愛國 高健 喬帥 賀小林

摘要：羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞依次穿越變質(zhì)巖、沉積巖和侵入巖三大巖類，沿線發(fā)育6條較大規(guī)模斷裂，下穿茅洲河、松崗河、阿婆髻水庫等地表水體，隧洞工程地質(zhì)條件復(fù)雜，軟弱圍巖變形、涌水突泥問題突出。通過現(xiàn)場(chǎng)勘察，基本查明了輸水隧洞沿線工程地質(zhì)條件和主要工程地質(zhì)問題。針對(duì)工程存在的主要地質(zhì)問題，施工中應(yīng)加強(qiáng)超前探測(cè)，選取合適的TBM掘進(jìn)設(shè)備，采取工程措施處理，確保工程順利實(shí)施。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)勘察； 隧洞工程； 涌水突泥； 軟弱圍巖變形； 超硬巖TBM適宜性; 羅田水庫； 鐵崗水庫

中圖法分類號(hào)： TV213.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.014

0引 言

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程深圳境內(nèi)配套項(xiàng)目之一。工程位于深圳市西北部，輸水隧洞自寶安區(qū)松崗東北部羅田水庫取水，往南引入鐵崗水庫和沿途水廠。工程設(shè)計(jì)規(guī)模260萬m3/d，輸水干線長21.68 km，過流斷面直徑5.2 m，其中TBM施工段長19.29 km，隧洞埋深約50～170 m。

1區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定及地震情況

為查明隧洞工程區(qū)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定和地震情況，進(jìn)行了隧洞區(qū)“場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)”專題工作。據(jù)專題報(bào)告成果，隧洞區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)以中新世以來地殼運(yùn)動(dòng)以區(qū)域性隆起為特征。挽近期，隧洞工程區(qū)在深圳斷裂帶及北西向斷裂聯(lián)合控制下，出現(xiàn)多次間歇性不均衡的升降運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為深圳市東部地區(qū)相對(duì)西部地區(qū)抬升速度較快，深圳斷裂以西普遍發(fā)育3級(jí)夷平面，深圳斷裂以東普遍發(fā)育4級(jí)夷平面［1-2］。以輸水隧洞線路為中心的8 km范圍內(nèi)無晚更新世以來的活動(dòng)斷裂構(gòu)造，亦無2級(jí)以上的地震發(fā)生，歷史最大地震對(duì)隧洞區(qū)影響的最大烈度為Ⅴ度。輸水隧洞范圍區(qū)屬構(gòu)造穩(wěn)定性較好區(qū)域。據(jù)GB 18306-2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，隧洞區(qū)基本地震動(dòng)峰值加速度為010 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度區(qū)。

2隧洞工程地質(zhì)條件

2.1地形地貌

輸水隧洞區(qū)兩端高、中間低，兩端屬丘陵地貌，地面高程一般50～248 m，最高點(diǎn)為阿婆髻山，峰頂高程248 m，中間為茅洲河沖洪積平原地貌的建城區(qū)，地面高程6～25 m。隧洞沿線有茅洲河、五指耙水庫、長流陂水、阿婆髻水庫、料坑河等地表水體分布［2］。

2.2地層巖性

隧洞區(qū)地表第四系分布廣泛，主要有第四系人工填土、全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)沖洪積及坡積、殘積層，沿線第四系總厚小于24 m（圖1～2及表1～2）。

2.3地質(zhì)構(gòu)造

輸水隧洞區(qū)構(gòu)造活動(dòng)頻繁，歷經(jīng)加里東運(yùn)動(dòng)至燕山運(yùn)動(dòng)期內(nèi)的多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了以北東向及北西向構(gòu)造為主的斷裂構(gòu)造，并發(fā)育有茅洲河向斜。

茅洲河向斜發(fā)育在輸水隧洞沿線茅洲河兩岸，向斜軸總體北西向延伸，向南東傾覆，兩翼寬約3 km，核部位于茅洲河至公明排洪渠之間，地層為侏羅系下中統(tǒng)塘廈組（J1-2t），兩翼地層為侏羅系下統(tǒng)橋源組（J1q），隧洞線路上北翼地層總體傾向南，產(chǎn)狀165°～230°∠20°～45°，南翼地層總體傾向東，產(chǎn)狀80°～105°∠30°～55°。

輸水隧洞自北向南發(fā)育規(guī)模較大斷裂有F1111（長安斷裂）［1］、F4921（燕川斷裂）、F3411（臺(tái)水口斷裂）、F1121（樓村斷裂）、F3341（黃草坑頂斷裂）、F1211（玉律斷裂）等斷裂，性狀見表3。斷裂及影響帶寬數(shù)米至數(shù)十米不等，另外鉆孔揭露近百條數(shù)厘米至數(shù)米寬的小規(guī)模斷層，中陡傾角為主。

2.4巖體風(fēng)化

輸水隧洞區(qū)位于亞熱帶與熱帶過渡地帶，雨量充沛，氣候悶熱潮濕，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，隨巖性、地貌單元不同，其風(fēng)化特征存在顯著差異，沉積巖風(fēng)化帶厚度一般較薄，變質(zhì)巖、侵入巖呈全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化，一般較厚，其中侵入巖還存在球狀風(fēng)化與不均一風(fēng)化特征，且在河道、沖溝等部位多發(fā)育風(fēng)化深槽。巖體以垂直風(fēng)化為主，從上向下多具漸變的特點(diǎn)。隧洞區(qū)主要巖組風(fēng)化特征見表4。

2.5水文地質(zhì)

輸水隧洞區(qū)地表水主要受大氣降水補(bǔ)給。地下水主要包括上部土體、全強(qiáng)風(fēng)化帶孔隙水和深部巖體的斷層水、裂隙水，均主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，丘陵區(qū)地下水排泄主要向兩側(cè)低地排泄，平原區(qū)主要通過地表水網(wǎng)向茅洲河排泄。

地下水按賦存介質(zhì)可分為第四系孔隙水和基巖裂隙水。

第四系孔隙水主要分布于沖洪積層砂層中，為孔隙潛水，局部具承壓性，含水層包括細(xì)砂、中砂、礫砂層等，厚度0.8～14.4 m，具中等—強(qiáng)透水性，斷續(xù)、連續(xù)分布于隧洞區(qū)，地下水位埋深淺，一般1.0～6.4 m。

基巖裂隙水主要分布于巖體裂隙中，富水程度受裂隙、斷層、斷裂發(fā)育控制，局部具承壓性。鉆探期間進(jìn)行終孔水位觀測(cè)，完成10個(gè)長期觀測(cè)孔觀測(cè)，地下水位埋深1.6～8.0 m（個(gè)別高出地表），平原區(qū)水位0.02～10.12 m；丘陵區(qū)水位隨地勢(shì)變化較大，水位高程13.77～72.63 m。

根據(jù)注水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)、微水振蕩試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，第四系填土層、沖洪積淤泥質(zhì)黏土層為微—弱透水，第四系沖洪積中粗砂層為中等透水，礫砂層為中等—強(qiáng)透水，第四系殘積層為微—中等透水，基巖全風(fēng)化層多為中等透水，黃婆山組（Zh）全風(fēng)化層局部可呈強(qiáng)透水性。弱風(fēng)化及微風(fēng)化基巖以微透水—弱透水為主。各類強(qiáng)風(fēng)化巖體、斷層及影響帶具弱—中等透水性，部分?jǐn)鄬泳邚?qiáng)透水性。

輸水隧洞區(qū)地表水、地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)多具微腐蝕性，局部為弱—中等腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)一般具弱腐蝕性，局部為中等腐蝕性。

根據(jù)勘察揭露線路區(qū)地下水位及長期觀測(cè)地下水位資料，總體上劃分為三個(gè)水文地質(zhì)單元，第一單元為進(jìn)水口丘陵區(qū)至大頭崗山之間（見圖1），區(qū)內(nèi)茅洲河為最低侵蝕基準(zhǔn)面，地下水受大氣降水補(bǔ)給，向茅洲河排泄；第二單元為大頭崗山至阿婆髻山之間，與第一單元以大頭崗山分水嶺為界，區(qū)間內(nèi)長流陂水為最低侵蝕基準(zhǔn)面，大頭崗山南坡地下水向南運(yùn)移，阿婆髻山北坡地下水向北運(yùn)移，向長流陂水排泄，入長流陂水庫后沿新橋河終匯入茅洲河；第三單元為阿婆髻山至鐵崗水庫出口，與第二單元以阿婆髻山分水嶺為界，沿線地下水向兩側(cè)低地排泄，流入料坑河后入鐵崗水庫，終匯入珠江口。

2.6地應(yīng)力

輸水隧洞沿線共布置地應(yīng)力測(cè)試7個(gè)鉆孔，變質(zhì)巖區(qū)1個(gè)，沉積巖區(qū)2個(gè)，加里東期侵入巖2個(gè)，燕山期侵入巖2個(gè)。

沉積巖區(qū)實(shí)測(cè)的最大主應(yīng)力方向?yàn)镹31°W～N43°W，最大水平主應(yīng)力1.6～8.1 MPa，屬低地應(yīng)力水平狀態(tài)，最大值深度為85 m，位于隧洞底板以下16 m處。洞身段附近最大水平主應(yīng)力2.9～3.6 MPa。

變質(zhì)巖區(qū)實(shí)測(cè)的最大主應(yīng)力方向N40°E～N68°E，最大水平主應(yīng)力3.5～6.5 MPa，屬低地應(yīng)力水平狀態(tài)。最大值深度為90 m，位于隧洞底板以下30 m處。洞身段附近最大水平主應(yīng)力3.5～4.6 MPa。

加里東期侵入巖區(qū)最大主應(yīng)力方向N33°E～N37°E，最大水平主應(yīng)力5.5～10.7 MPa，屬低—中等地應(yīng)力水平狀態(tài)。最大值深度為86.0 m，位于隧洞底板以下16.8 m處。洞身段附近最大水平主應(yīng)力 6.3～6.4 MPa。

燕山期侵入巖區(qū)孔深120 m以上最大主應(yīng)力方向N23°E～N27°E，孔深120 m以下最大主應(yīng)力方向N30°W～N42°W，最大水平主應(yīng)力4.4～15.1 MPa，屬低—中等地應(yīng)力水平狀態(tài)，最大值孔深為120.5 m，位于隧洞底板以下5.7 m處。洞身段附近最大水平主應(yīng)力10.7～15.1 MPa。

2.7有毒害氣體及放射性

對(duì)輸水隧洞共18個(gè)鉆孔和玉律溫泉進(jìn)行有害氣體現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及室內(nèi)檢測(cè)，在17個(gè)鉆孔孔內(nèi)進(jìn)行放射性檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示：

（1） 沉積巖區(qū)無有毒有害氣體超標(biāo)。

（2） 變質(zhì)巖（Zh）區(qū)CO超標(biāo)，個(gè)別孔CH4、HS2、SO2、Cl2超標(biāo)。

（3） 燕山四期（ηγ5K1、γβ3K1）侵入巖區(qū)CO超標(biāo)，個(gè)別孔CH4、Cl2超標(biāo)。

（4） 加里東期（ηγO1）侵入巖區(qū)CO超標(biāo)。

（5） 隧洞區(qū)測(cè)試未發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)超標(biāo)。

2.8地 溫

輸水隧洞勘察中對(duì)沿線22個(gè)鉆孔進(jìn)行了地溫測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，一般孔深20 m以上為變溫層，地溫受氣候影響。

沉積巖區(qū)鉆孔測(cè)溫深度90 m，孔深15～90 m，溫度25.8～26.3 ℃，向下略有升高，地溫梯度約0.7 ℃/100 m。

變質(zhì)巖區(qū)鉆孔測(cè)溫深度95～120 m，孔深10 m以下，溫度24.2～27.5 ℃，向下逐漸升高，地溫梯度約1.5 ℃/100 m。

加里東期侵入巖區(qū)鉆孔深度90 m，孔深10 m以下，溫度26.5～27.1 ℃，向下略有升高，地溫梯度約0.75 ℃/100 m。

燕山期侵入巖區(qū)鉆孔測(cè)溫深度46～135 m，孔深15～45 m，為一般恒溫層，溫度24.3～27.2 ℃，45 m以下，溫度24.6～284 ℃，向下溫度逐漸升高，地溫梯度一般為（1.1～2.5） ℃/100 m。

3隧洞主要工程地質(zhì)問題

3.1隧洞涌水突泥

輸水隧洞沿線地下水位埋深淺，地表水體分布廣，隧洞圍巖中存在全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化巖體、斷層破碎帶，此類地質(zhì)體具備儲(chǔ)水、導(dǎo)水的地質(zhì)條件，存在涌水突泥問題。

（1） 全強(qiáng)風(fēng)化巖體涌水突泥。

樁號(hào)K9+035～K9+195，該段長160 m，洞身位于強(qiáng)風(fēng)花崗巖（ηγO1）中；洞頂強(qiáng)風(fēng)化巖體厚度不足2 m，屬極軟巖、軟巖。洞頂以上巖體破碎，巖體呈散體結(jié)構(gòu)，洞室極不穩(wěn)定，強(qiáng)風(fēng)化巖體具中等透水性，為富含水層，隧洞存在涌水突泥問題。

樁號(hào)K9+560～K9+700，該段長約140 m，洞身位于全風(fēng)化花崗巖（ηγO1）中，巖體破碎，散體結(jié)構(gòu)，全風(fēng)化巖體具中等透水性，為主要含水層，中等—強(qiáng)富水性，存在涌水、突泥（沙）問題。

樁號(hào)K9+700～K9+830，該段長約130 m，洞頂位于強(qiáng)、弱風(fēng)化花崗巖（ηγO1）帶界線附近；洞頂以上巖體較破碎—破碎，具中等透水性，存在涌水、突泥（沙）問題。

對(duì)輸水隧洞穿越上述風(fēng)化深槽隧洞段進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)，結(jié)果見表5。當(dāng)TBM施工穿越上述洞段時(shí)，全強(qiáng)風(fēng)化巖體在滲流作用下，易引起涌水、突泥（沙）、塌方，甚至地面塌陷。

（2） 斷裂破碎帶涌水突泥。

輸水隧洞自北向南穿越F1111、F4921、F3411、F1121、F3341、F1211及其分支等規(guī)模較大的斷裂?？辈爝^程中，對(duì)各斷裂帶進(jìn)行了壓水試驗(yàn)、提水試驗(yàn)、微水振蕩式滲透試驗(yàn)?？辈旖Y(jié)果表明，斷裂帶主要為中等透水，部分為強(qiáng)透水或弱透水。TBM施工穿越上述斷裂帶時(shí)，易引發(fā)涌水、突泥（沙）。對(duì)隧洞穿越各斷裂進(jìn)行了涌水量預(yù)測(cè)，結(jié)果見表6。

3.2軟弱圍巖變形

輸水隧洞穿越泥巖及泥質(zhì)粉砂巖層（J1-2t、J1q）、全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化花崗巖帶（ηγO1）、斷層破碎帶等軟弱圍巖，這些巖體強(qiáng)度低，一般為Ⅴ類圍巖，在重力、地下水及地應(yīng)力等作用下，存在軟弱圍巖變形問題，造成TBM卡機(jī)，影響其正常掘進(jìn)。

（1） 泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、巖屑砂巖段圍巖變形分析。

輸水隧洞樁號(hào)K4+010～K6+880穿沉積巖區(qū)（茅洲河向斜），主要巖性為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、巖屑砂巖、石英砂巖等，主要為Ⅴ類圍巖。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果，微風(fēng)化泥巖變形模量0.6 GPa，單軸飽和抗壓強(qiáng)度4.3 MPa，屬極軟巖，并具有遇水膨脹、失水開裂快速風(fēng)化崩解特征；微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖變形模量2.7 GPa，單軸飽和抗壓強(qiáng)度16.6 MPa，屬較軟巖；微風(fēng)化巖屑砂巖變形模量0.6 GPa，單軸飽和抗壓強(qiáng)度6.9 MPa，屬軟巖。根據(jù)圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比判別，圍巖存在擠出變形風(fēng)險(xiǎn)。

（2） 全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖洞段圍巖變形分析。

隧洞樁號(hào)K9+035～K9+195及K9+560～K9+830穿全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖體較破碎—破碎，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)—散體結(jié)構(gòu)，主要為Ⅴ類圍巖；全風(fēng)化巖體呈土狀，性狀與砂性土相似，具塑性；強(qiáng)風(fēng)化巖體多呈碎石土狀、碎塊狀；由全強(qiáng)風(fēng)化巖體構(gòu)成的圍巖極不穩(wěn)定，圍巖存在坍塌、擠出變形風(fēng)險(xiǎn)。

（3） 斷層破碎帶圍巖變形分析。

隧洞經(jīng)過區(qū)6條較大規(guī)模斷層（裂）主斷帶主要為斷層泥、碎裂巖、碎粉巖等軟弱構(gòu)造巖，該類巖體屬軟巖，呈土狀或散體結(jié)構(gòu)，一般為Ⅴ類圍巖，穩(wěn)定性極差，圍巖存在坍塌、擠出變形風(fēng)險(xiǎn)。

3.3高外水壓力

輸水隧洞穿越大頭崗山和阿婆髻山隧洞埋深可達(dá)150～175 m，沿線地表地下水埋深較淺，一般數(shù)米，個(gè)別為二十余米，存在高外水壓力。

勘察過程中調(diào)查隧洞上部經(jīng)過的外環(huán)高速大頭崗附近長流陂隧道，開挖過程中存在股狀涌水的情況（隧道洞底高程74 m），分析由隧道穿越大頭崗山F1121斷裂或裂隙密集帶等儲(chǔ)水構(gòu)造引發(fā)。根據(jù)巖體滲透性和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查據(jù)規(guī)范對(duì)外水壓力進(jìn)行折減，成果見表7。

3.4超硬巖TBM適宜性差

輸水隧洞樁號(hào)K14+120～K15+280圍巖為細(xì)粒黑云母花崗巖，巖體堅(jiān)硬，根據(jù)巖石室內(nèi)試驗(yàn)成果，微風(fēng)化—新鮮巖體飽和抗壓強(qiáng)度最高達(dá)211 MPa，磨蝕性試驗(yàn)CAI值5.38，耐磨性強(qiáng)；圍巖聲波波速4 800～5 760 m/s，Kv=0.82，圍巖巖體較完整—完整，圍巖以Ⅱ類為主，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比S＞4。TBM施工適宜性為C級(jí)，巖體強(qiáng)度對(duì)掘進(jìn)效率有明顯影響，易損壞刀具，存在超硬巖TBM適宜性差的問題。

3.5有毒有害氣體問題

根據(jù)勘察成果，變質(zhì)巖（Zh）區(qū)和侵入巖區(qū)（ηγO1、ηγ5K1、γβ3K1）CO均超標(biāo)，個(gè)別鉆孔CH4、HS2、SO2、Cl2超標(biāo)。輸水隧洞存在有毒有害氣體問題，建議在施工過程中做好監(jiān)測(cè)預(yù)防工作，加強(qiáng)通風(fēng)、排放措施。

3.6高地溫與熱害問題

據(jù)深圳本地資料，輸水隧洞樁號(hào)K14+125附近東側(cè)發(fā)育中高熱玉律溫泉（上升泉），距離隧洞軸線最近約920 m。玉律地?zé)崽锫癫販\，受北東東向玉律斷裂（F1211）控制，平面上為長方橢圓形，地?zé)岙惓７秶洪L度約220 m，寬約50～120 m，面積約0.20 km2，熱源深度一般在50～70 m之間，北淺南深，探明最大水溫高達(dá)71 ℃。

勘察過程中對(duì)隧洞線路玉律溫泉附近12個(gè)鉆孔進(jìn)行地溫測(cè)試，根據(jù)成果隧洞洞身一定范圍內(nèi)地溫為25.5～27.5 ℃，低于28 ℃，也未發(fā)現(xiàn)地溫異常。鑒于高地?zé)釋?duì)工程影響的重要性、復(fù)雜性，建議施工期加強(qiáng)樁號(hào)K13+600～K15+300段監(jiān)測(cè)，并預(yù)留防控措施。

4結(jié) 論

（1） 通過大量的勘察基本查明了輸水隧洞沿線工程地質(zhì)條件和主要工程地質(zhì)問題，為工程建設(shè)提供了可靠翔實(shí)的地質(zhì)資料。

（2） 針對(duì)工程存在的主要地質(zhì)問題，施工中應(yīng)加強(qiáng)超前探測(cè)，選取合適的TBM掘進(jìn)設(shè)備，或采取工程措施處理，確保工程順利實(shí)施。

參考文獻(xiàn)：

［1］《深圳地質(zhì)》編寫組.深圳地質(zhì)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2009.

［2］長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告（第三篇工程地質(zhì)）［R］.武漢：長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2021.

（編輯：黃文晉）