羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程巖體風化特征

李愛國 曾劍華 何愛文 高健 喬帥 劉潤方

摘要：深圳市羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程隧洞埋深大、距離長、穿城區(qū)，圍巖巖性包括沉積巖、變質(zhì)巖和侵入巖等三大巖類，不同巖類、巖性風化特征差異較大，有槽狀風化、球狀風化等，隧洞穿越多種巖性的不同風化帶，也穿越兩處全、強風化深槽。采用巖體孔內(nèi)聲波測試、室內(nèi)試驗、巖礦組成鑒定等多種手段對三大巖類主要巖性風化特征、成因及物理力學特性進行了分析，研究了風化帶巖體對該工程的影響，并提出了處理建議。研究成果可為同類工程提供參考。

關鍵詞：輸水隧洞； 風化特征； 沉積巖； 變質(zhì)巖； 侵入巖； 羅田水庫； 鐵崗水庫

中圖法分類號： P642

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.015

0引 言

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞主體隧洞全長21.6 km，工程建筑物類型有城市長距離深埋隧洞、大尺寸超深豎井、大跨度地下閥室洞室群等。隧洞沿線和建筑物區(qū)地層巖性涉及沉積巖、變質(zhì)巖、侵入巖等3大巖類，新生代-元古代6套地層十多種巖性，工程建設涉及的空間范圍內(nèi)巖體劃分為全、強、弱、微等4個風化帶，不同地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地貌單元的巖體，其風化成因、風化深度、工程特性差異大。該工程隧洞、洞室、豎井等建筑物的圍巖、井壁或基礎存在穿越、坐落在不同風化帶巖體的情況，全、強風化巖體工程性狀差，隧洞、洞室、豎井穿越此類巖體，存在隧洞（井壁）圍巖坍塌、涌水突泥等主要工程地質(zhì)問題。研究工程區(qū)各類地層巖性的風化特征、風化成因、不同風化帶巖體的工程特性，對輸水隧洞路線、施工工藝選擇具重要的工程意義。

1基本地質(zhì)條件

工程區(qū)位于深圳市西部，大地構(gòu)造單元位于華南褶皺系—新華夏系蓮花山斷裂構(gòu)造帶南西段，構(gòu)造形跡以斷裂為主，分布有茅洲河向斜，地質(zhì)構(gòu)造較復雜［1-2］（圖1）。隧洞沿線有丘陵、臺地和沖洪積平原等地貌，地形總體兩端高、中間低；起始端為高臺地，地形起伏，溝壑縱橫，臺地頂高程40～80 m，溝谷寬一般20～40 m，谷底高程20～35 m；中部隧洞段穿越城區(qū)，為河流堆積地貌和低臺地，地勢平緩，地面高程3～16 m，并下穿水面寬度60～80 m的茅洲河；末端洞段為低丘陵和高臺地，地面高程30～214 m。沿線分布沉積巖、變質(zhì)巖、火成巖（噴出巖、侵入巖）三大類。沉積巖為侏羅系橋源組（J1q）、塘廈組（J1-2t）粉砂巖、泥巖、石英砂巖、砂礫巖、流紋巖等，分布在茅洲河兩岸。變質(zhì)巖為震旦系黃婆山組（Zh）石英片巖、片麻巖及混合花崗巖，分布在茅洲河北岸。侵入巖中白堊紀燕山四期（ηγ5K1、γβ3K1）主要有粗粒（斑狀）黑云母花崗巖、黑云母二長花崗巖和細粒黑云母花崗巖，奧陶紀加里東期（ηγO1）主要有片麻狀花崗巖、細粒黑云母二長花崗巖、斑狀花崗巖及混合花崗巖，分布在龜山公園以南。

2巖體風化特征及成因

2.1巖體風化帶厚度特征

工程區(qū)內(nèi)巖性種類有二十余種，本文對357個鉆孔共26 401.59 m進尺的巖芯進行風化分帶，也對其中128個鉆孔共8 750 m進行縱波波速測試，采用波速比對風化分帶進行精準驗證，風化帶地質(zhì)特征見表1，聲波特征見表2，風化帶厚度、風化界限埋深特征見表3?？梢姽こ虆^(qū)巖體分全、強、弱和微風化4個帶，沉積巖風化帶較薄，變質(zhì)巖次之，加里東期侵入巖和燕山四期侵入巖最厚，三大巖類之間風化厚度差異顯著。此外，在加里東期侵入巖區(qū)，強風化下限最大埋深72.6 m，發(fā)育有風化深槽，在燕山四期花崗巖區(qū)發(fā)育有球狀風化（見表4），表明同一地層相同巖性也存在明顯的差異。

沉積巖全風化帶厚度平均2.3 m，強風化帶厚度平均4.8 m，風化帶厚度一般較薄。

變質(zhì)巖臺地區(qū)坡面上風化帶厚度一般較大，覆蓋層、全風化、強風化帶總厚度一般23～57 m，平均厚度約35 m，其中全風化、強風化帶平均總厚度約27 m，全風化帶厚度一般6～18 m，平均厚度15 m，沿斷層存在深槽厚度可達32～37 m，強風化帶厚度一般4～16 m，平均厚度12 m，沿斷層存在深槽的厚度可達30～39 m。溝谷、河槽內(nèi)，受沖刷剝蝕作用，覆蓋層和全風化、強風化帶厚度一般較薄，總厚度5～15 m，全風化帶厚度0～5 m，強風化帶厚度0～15 m。

奧陶紀早世加里東期侵入巖（ηγO1）分布在低臺地，風化帶普遍較厚，覆蓋層、全風化和強風化帶總厚度20～72.6 m，平均厚度37 m；全風化帶厚度一般15～25 m，平均厚度21 m；強風化厚度一般0～5 m，平均厚度4.9 m。發(fā)育“松崗河風化深槽”（樁號DK9+020～DK9+170）、“東方大道風化深槽”（樁號DK9+535～DK9+805）。其中，“松崗河風化深槽”段全風化、強風化帶平均厚度35 m，“東方大道風化深槽”段全風化、強風化帶平均厚度52 m。

白堊紀早世燕山四期侵入巖（ηγ5K1、γβ3K1），分布在低丘陵和高臺地區(qū)，丘陵區(qū)地形坡度較大的坡面、坡頂全風化—強風化帶薄，覆蓋層、全風化和強風化帶總厚度一般5～35 m，平均厚度約21 m，全風化帶厚度平均約10 m，強風化帶厚度平均約3 m。地形平緩的臺地全風化—強風化帶較厚，發(fā)育有“鐵崗水庫風化深槽區(qū)”，全風化和強風化帶總厚度一般32～58 m，平均厚度約43 m，全風化帶厚度平均約36 m，強風化帶厚度平均約2 m。

2.2巖體風化特征成因分析

巖體風化包括物理風化、化學風化和生物風化。物理風化是由溫度變化、風力侵蝕、流水侵蝕、水分凍結(jié)、冰川侵蝕等物理作用引起的礦物巖石發(fā)生物理變化的過程?；瘜W風化是地表巖石在水、氧及二氧化碳的作用下發(fā)生化學成分變化，并形成新礦物，分為溶解作用、水化作用、水解作用、碳酸化作用、氧化作用等類型。

巖體風化與巖石礦物成分、巖體完整性、地質(zhì)構(gòu)造部位和地形地貌、氣候等外部環(huán)境密切相關。區(qū)內(nèi)沉積巖、變質(zhì)巖、侵入巖和噴出巖均有揭露，巖性、巖礦組成復雜，根據(jù)造巖礦物在水中溶解度大小順序：方解石＞白云石＞橄欖石＞輝石＞角閃石＞斜長石＞正長石＞黑云母＞白云母＞石英，不同巖礦組成影響化學風化作用的類型和強烈程度；區(qū)內(nèi)發(fā)育北東（北東東）、北西兩組斷裂，次級斷層發(fā)育并伴隨有4組主要裂隙，破壞了巖體的完整性，由于受不同地質(zhì)構(gòu)造部位和巖體完整性的影響，風化作用的深度存在顯著差異；區(qū)內(nèi)屬丘陵、臺地和沖積平原地貌，不同地貌單元對風化帶巖體能否保留也有影響；工程區(qū)地處亞熱帶與熱帶過渡地帶，雨量充沛、氣候悶熱潮濕的環(huán)境有利于物理風化作用。

（1） 沉積巖。

沉積巖全風化帶厚度平均2.3 m，強風化帶厚度平均4.8 m，風化帶厚度一般較薄，分析其原因主要有：① 巖礦組成。根據(jù)18組巖石切片鏡鑒分析，粉砂巖、細砂巖的礦物組份包括石英粉細砂巖組成的巖屑，含量48%～86%，膠結(jié)物包括有玉髓、絹云母、白云母、伊利水云母、鐵質(zhì)等。泥巖和粉砂質(zhì)泥巖礦物組份包括伊利水云母、絹云母，含量80%～90%，鐵質(zhì)和泥晶方解石，含量約5%～10%，石英粉細砂巖屑，含量約5%～10%，巖礦水溶解度低、抗風化能力強。② 巖體完整性。區(qū)內(nèi)該套沉積巖建造于中生代，歷燕山構(gòu)造運動和喜山構(gòu)造運動，地塊以間歇性抬升和差異性隆升為主，受擠壓形成傾覆南東的 “簸箕型”向斜—茅洲河向斜，伴生北東向、北西向兩組斷層，總體上該套地層厚度大、完整性好，不利于向巖體深部風化。③ 地形地貌、地下水。巖體埋深大、地下水侵蝕作用有限，沉積巖頂板埋深13～25 m，頂板高程-7～-14 m，地下水位低平，地下水滲流對巖礦溶解作用弱。

（2） 變質(zhì)巖。

① 巖礦組成，根據(jù)31組巖石切片鏡鑒分析可知，斜長石含量15%～65%，平均39%，鉀長石含量5%～45%，平均19%，石英含量3%～63%，平均27%，水溶解度高的巖礦成分含量高，抗風化能力差。② 巖體完整性，該套建造于新元古界震旦紀，經(jīng)歷多期構(gòu)造運動，屬區(qū)域變質(zhì)綠片巖相并動熱變質(zhì)作用疊加，巖體裂隙發(fā)育，有利于風化向深部發(fā)展。③ 地形地貌，丘陵區(qū)地形起伏小、坡度緩，剝蝕作用弱，利于風化帶巖體原位保留；水流沖刷作用下，溝谷、河槽內(nèi)，風化帶巖體被剝蝕，難以完全保留。

（3） 侵入巖。

加里東期侵入巖、燕山四期侵入巖具有風化帶總厚度大、以全風化帶為主、強和弱風化帶厚度小或缺失的特征，也存在槽狀風化和球狀風化現(xiàn)象。分析其原因主要有：① 巖礦組成上，根據(jù)56組巖石切片鏡鑒分析，兩期侵入巖均為花崗巖，長石含量高，除物理風化崩解作用外，在水和二氧化碳的水解作用和碳酸化作用下更易分解巖體。② 花崗巖具有粒狀結(jié)構(gòu)，巖體風化長石被分解后，巖體逐漸解體成石英顆粒為骨架的散體結(jié)構(gòu)，基巖裂隙水向四周滲透擴散為孔隙水，進一步促進水解作用和碳酸化作用，形成較厚的全風化帶。③ 兩期侵入巖中，燕山四期以二長花崗巖為主，斜長石和鉀長石總含量54%～83%，平均69%，加里東期經(jīng)區(qū)域動力和燕山期巖漿巖熱液侵入變質(zhì)作用，有片麻狀花崗巖和巖株形式的二長花崗巖或黑云花崗巖產(chǎn)出，片麻狀花崗巖中斜長石和鉀長石總含量35%～70%，平均57%，含量低于巖株的二長花崗巖或黑云花崗巖，因此地下水對長石礦物產(chǎn)生的水解作用和碳酸化作用更易于在二長花崗巖的巖株處形成風化深槽。④ 地形地貌，臺地區(qū)地形起伏小、坡度緩，剝蝕作用弱，利于風化帶巖體原位保留，而丘陵區(qū)溝谷深切，地形起伏大、坡度大，剝蝕作用相對強烈，不利于風化帶巖體原位保留。

3巖體風化對工程影響與處理建議

3.1風化巖體工程地質(zhì)特性

輸水隧洞圍巖總體以微風化巖體為主，花崗巖區(qū)的松崗河風化深槽（K9+035～K9+195）、東方大道風化深槽（K9+560～K9+830）、鐵崗水庫深厚風化區(qū)（K21+375～K21+675.49）與隧洞密切相關，本文主要研究全風化帶巖體物理力學特性（表5～6）。

3.2風化巖體對輸水隧洞線路、埋深選擇影響和處理建議

輸水隧洞開挖洞徑6.7 m，線路埋深50～80 m，隧洞圍巖以弱、微風化為主，局部位于全、強風化帶中。

3.2.1風化巖體產(chǎn)生的工程地質(zhì)問題

松崗河風化深槽：洞身位于強風化粗粒斑狀黑云母二長花崗巖、片麻狀花崗巖巖體中，洞頂強風化巖體厚度不足2 m，屬極軟巖、軟巖。洞頂以上兩倍洞徑至洞底巖體聲波波速Vp，min=1 903 m/s，Vp，max=4 919 m/s，平均值2 939 m/s，Kv=0.24，巖體較破碎—破碎，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)，洞室極不穩(wěn)定，屬Ⅴ類圍巖，隧洞最大涌水量3 876 m3/d，正常涌水量1 855 m3/d。

東方大道風化深槽：其中樁號K9+560～K9+700，洞身位于全風化巖體中，聲波波速Vp，min=1 885 m/s，Vp，max=3 805 m/s，平均值2 255 m/s，Kv=0.14，巖體破碎，散體結(jié)構(gòu)，圍巖以Ⅴ類為主，局部Ⅳ類，圍巖極不穩(wěn)定，洞室存在坍塌。樁號K9+700～K9+830，洞頂位于強、弱風化帶界線附近，巖性為片麻狀花崗、細粒黑云母花崗巖；洞頂上覆強、弱風化巖體厚度1.7～3.1 m，一倍洞徑范圍內(nèi)風化巖體聲波波速Vp，min=2 017 m/s，Vp，max=5 451 m/s，平均值3 135 m/s，Kv=0.27，碎裂、碎塊結(jié)構(gòu)，巖體較破碎—破碎，圍巖極不穩(wěn)定，洞頂圍巖存在坍塌；邊墻為微風化片麻狀花崗巖、細粒黑云母花崗巖，巖石Rb=61.6 MPa、74 MPa，堅硬巖，磨蝕性試驗CAI值5.25，巖體聲波波速Vp，min=3 103 m/s，Vp，max=5 762 m/s，平均值4 954 m/s，Kv=0.68，巖體完整性差—較完整；該段洞室圍巖上軟、下硬，綜合評定為Ⅴ類圍巖。東方大道風化深槽段隧洞最大涌水量5 647 m3/d，正常涌水量2 453 m3/d。

鐵崗水庫風化深槽：隧洞位于全風化粗粒斑狀黑云母二長花崗巖中，部分隧洞洞身圍巖跨全風化、強風化、弱風化、微風化4類風化帶。洞室圍巖不穩(wěn)定—極不穩(wěn)定，圍巖以Ⅴ類為主，局部Ⅳ類，隧洞最大涌水量5 885 m3/d，正常涌水量2 144 m3/d。

3.2.2選線和處理措施地質(zhì)建議

隧洞選線和埋深方面，輸水隧洞線路平面上總體近南北向布置，在光明城區(qū)穿松崗河風化深槽、東方大道風化深槽部位，東側(cè)緊鄰根玉路，西側(cè)為漢海達高新科技園，平面上已無避讓調(diào)線的余地。在埋深上，風化深槽底界最大埋深72.6 m，若完全避開深槽，隧洞頂板埋深需達80 m，作為該段始發(fā)的五指耙工作井井深將近90 m，無疑給地質(zhì)條件差的該豎井施工帶來極大困難。因此地質(zhì)人員建議在避免隧洞洞身跨全、強、弱多個風化帶的前提下，埋深適當上抬縮短風化深槽隧洞段的長度，采取預灌漿處理措施或選擇合適的TBM型號解決隧洞坍塌和涌水涌沙問題。鐵崗水庫風化深槽隧洞段位于出水口隧洞段，隧洞自深至淺，須穿全、強風化帶，平面和豎向均無避讓條件，建議先支護再開挖。

灌漿處理和TBM選型方面，松崗河風化深槽、東方大道風化深槽分布在TBM2段，分別位于根玉路與東方大道交叉口的北側(cè)和南側(cè)，交通繁忙，封閉現(xiàn)有道路在地表進行灌漿加固處理困難，建議選擇對全風化巖體適宜的TBM型號，此外，TBM2段其他隧洞段圍巖為微風化的泥巖、粉砂巖、石英砂巖及花崗巖等，軟硬兼有，巖石強度差異大，采用雙模式TBM較為適宜。鐵崗水庫風化深槽采用礦山法，且地表屬環(huán)境敏感區(qū)，不具備地表灌漿預處理的條件，建議采用超前小導管注漿結(jié)合鋼拱架臨時支護形式。

3.3風化巖體對超深豎井支護結(jié)構(gòu)深度的影響和處理建議

花崗巖區(qū)五指耙水廠分水井，井深66 m，外徑42.6 m，豎井開挖范圍內(nèi)風化帶厚度較大，全風化厚10.1～20.9 m，底板高程-8.28～7.81 m。強風化厚1.0～4.8 m，底板高程-6.28～-13.20 m。弱風化厚3.2～8.9 m，底板高程-17.70～3.81 m。全風化巖體強度低，井壁直立開挖不能自穩(wěn)；強、弱風化巖體和微風化巖體上部多為碎塊狀散體結(jié)構(gòu)—碎裂結(jié)構(gòu)，厚度較大（13～27 m），且分布不穩(wěn)定，工作井開挖存在掉塊和井壁坍塌的風險；此外微風化巖體中隨機分布有綠泥化、高嶺土化或黏土化的蝕變花崗巖，強蝕變巖體呈砂狀、碎塊夾巖屑狀、泥狀，井壁開挖不能自穩(wěn)，存在井壁穩(wěn)定問題。對全、強和弱風化巖體需采取地下連續(xù)墻進行支護，地下連續(xù)墻應深入微風化巖體并延伸至蝕變花崗巖以下一定深度。

花崗巖區(qū)鐵崗工作井，井深66 m，外徑29.4 m，豎井開挖范圍內(nèi)風化帶厚度大，全風化厚32.9～49.0 m，底板高程-9.68～0.23 m；強風化厚0～3.9 m，底板高程-13.51～-0.87 m；弱風化厚0.4～9.6 m，底板高程-19.20～-7.92 m。全、強風化巖體強度低，井壁直立開挖不能自穩(wěn)，存在井壁穩(wěn)定問題；弱、微風化強度較高，較完整—完整，井壁穩(wěn)定。建議對全、強風化巖體采取地下連續(xù)墻進行支護，因弱風化帶厚度小且分布不均，建議地下連續(xù)墻深入微風化巖體一定深度。

4結(jié) 語

本文通過對深圳羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程區(qū)三大巖各風化帶巖體進行大量勘探、聲波測試、物理力學性質(zhì)試驗、巖石礦物組鑒定，分析了各巖類風化帶厚度特征的成因和工程地質(zhì)特性，研究了風化帶巖體對工程的影響，并提出了處理建議，對指導同類工程建設在選線選址、工程處理規(guī)避重大安全風險方面具有重要意義。

參考文獻：

［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］長江勘測規(guī)劃設計有限責任公司.羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程初步設計報告：第三篇工程地質(zhì)［R］.武漢：長江勘測規(guī)劃設計有限責任公司，2021.

（編輯：黃文晉）