劉穎炯，彭柏興，李軍雄，段堅堤

(長沙市勘測設(shè)計研究院，湖南長沙 410007)

長沙隧道工程不良地質(zhì)作用及其風(fēng)險分析

劉穎炯?，彭柏興，李軍雄，段堅堤

(長沙市勘測設(shè)計研究院，湖南長沙 410007)

長沙市即將建設(shè)的隧道工程包括營盤路湘江隧道、南湖路湘江隧道、長沙市軌道交通2號線和1號線一期工程。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。文章通過地質(zhì)調(diào)查、鉆探和物探等手段，對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，對其工程影響進(jìn)行了討論，提出了應(yīng)對措施。

隧道工程；不良地質(zhì)作用；風(fēng)險分析；工程對策

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、地震和活動斷裂等[1]。在工程建設(shè)過程中，由不良地質(zhì)作用引發(fā)的危及人身、財產(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之一，對隧道工程而言尤為突出[2～4]。

隨著長、株、潭城市群于2007年被納入“兩型社會”試驗區(qū)，長沙呈現(xiàn)跨湘江兩岸發(fā)展的態(tài)勢，加快了軌道交通、過江隧道的工程建設(shè)。在建和擬建的隧道工程有營盤路隧道、地鐵2號線一期工程，南湖路湘江隧道、地鐵1號線一期工程(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、鉆探等手段和對既有勘察成果綜合分析，對長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，希望能對工程建設(shè)的風(fēng)險控制有所裨益。

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、洼三大構(gòu)造演化階段，現(xiàn)已進(jìn)入余動期。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，長期的侵蝕、剝蝕，在近場地形成不同級別的剝夷面和低丘崗地，為第四系沉積物準(zhǔn)備了古地理條件。第四系構(gòu)造運(yùn)動以差異性升降運(yùn)動為主，在場地內(nèi)形成了V級階地。

本區(qū)經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動，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)造線方向以北東向為主[7]。

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

圖1 長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

長沙市氣候上屬中亞熱帶濕潤季風(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)育過程中，起著至關(guān)重要作用。

根據(jù)我院30年來的勘察成果歸納和總結(jié)，長沙市區(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。與正建和擬建的長沙隧道工程相關(guān)聯(lián)的主要有桃子湖片與五一廣場片。

長沙地鐵2號線一期工程的五一廣場站、蔡鍔路站、芙蓉廣場站位于湘江II級階地上，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，五一廣場站及五一廣場—芙蓉廣場區(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－炮臺子斷裂(F101)之間，灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育且多屬張開型，延伸較長；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，無序分布，體現(xiàn)了小區(qū)域場地內(nèi)巖溶發(fā)育的基本特點。

勞動路隧道巖溶發(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，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)熱釋光測齡結(jié)果，其活動年限為17萬年～45萬年，斷層活動在晚更新世前，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)，并得到鉆探驗證(表2)。

營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。

長沙市軌道、隧道工程與斷裂構(gòu)造關(guān)系表 表1

長沙軌道交通2號線一期工程斷層分布表 表2

圖3 營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，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、下均無過渡的強(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)險分析及對策

4.1 風(fēng)險分析

文獻(xiàn)[13]認(rèn)為“在以工程項目正常施工為目標(biāo)的行動過程中，如果某項活動或客觀存在中以導(dǎo)致承險體系統(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”。不良地質(zhì)作用的客觀存在，常常會給隧道工程建設(shè)帶來如下風(fēng)險:

(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；溶蝕作用還會導(dǎo)致巖體的滲透性變異，給工程治水帶來難題。

(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，施工時易造成突水、管涌與突涌事故。長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，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而形成巖爆，對施工破壞性極大。

(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，受水浸泡或擾動時易發(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、斷樁或樁底沉渣過厚現(xiàn)象，影響基樁質(zhì)量；作為基礎(chǔ)持力層時，因其水理性質(zhì)較差，均勻性差，可能對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，常會因巖層的軟、硬變化而對施工工期帶來風(fēng)險[14]。

4.2 應(yīng)對措施

“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)報和圍巖評價，以地質(zhì)分析為主，長距離宏觀預(yù)報與短距離精準(zhǔn)預(yù)報相結(jié)合、超前探孔與物探結(jié)合，多種物探方法相驗證，定性和定量相結(jié)合的超前預(yù)案。廣州軌道交通5號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，在國內(nèi)首次順利完成了巖溶段盾構(gòu)隧道施工。

“先探測，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，對充填型溶洞則可采用全斷面超前帷幕注漿。

對斷裂而言，它的導(dǎo)水性及其對圍巖整體穩(wěn)定性的影響對隧道施工威脅極大，施工時須采取有效措施，以防止涌水及坍塌，必要時應(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、試樁試驗等，確保措施可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

5 結(jié) 論

長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。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、精細(xì)化施工。

“我國是世界上隧道和地下工程最多、最復(fù)雜、今后發(fā)展最快的國家”(王夢恕，2002)，在山嶺隧道和水下隧道建設(shè)中，對巖溶、破碎帶的處治積累了一定的經(jīng)驗。已有工程建設(shè)經(jīng)驗表明，只有地質(zhì)資料翔實，風(fēng)險分析得當(dāng)、風(fēng)險預(yù)防措施到位、通過加強(qiáng)施工期的超前地質(zhì)預(yù)報工作和信息化施工，采取合理有效的應(yīng)對措施，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].

[2]崔玖江.隧道與地下工程施工技術(shù)現(xiàn)狀及問題對策[J].施工技術(shù)，2001，30(1):3～6

[3]陳龍，黃宏偉.巖石隧道工程風(fēng)險淺析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(1):110～115

[4]焦斌權(quán)，靳曉光，李曉紅.巖溶區(qū)隧道圍巖－支護(hù)體系穩(wěn)定性研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與工程學(xué)報，2004，15(3): 78～82

[5]彭柏興.長沙地鐵勘察若干問題的探討[J].城市勘測，2008(2):140～146

[6]陳國達(dá).地洼學(xué)說文選[M].長沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社，1986

[7]湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)局.長沙地區(qū)1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告[M].北京:地質(zhì)出版社，1989

[8]中國有色金屬工業(yè)長沙勘察院.長沙市軌道交通2號線一期巖土工程勘察2標(biāo)詳細(xì)勘察報告.2009

[9]彭柏興，李凱，雷金山.長沙市勞動路湘江隧道巖溶發(fā)育特征及其影響[J].城市勘測，2010(1):157～161

[10]中冶地集團(tuán)西北巖土工程有限公司.長沙市軌道交通2號線一期巖土工程勘察1標(biāo)詳細(xì)勘察報告.2009

[11]長沙市勘測設(shè)計研究院.長沙市營盤路湘江隧道巖土詳細(xì)勘察報告.2009

[12]長沙市勘測設(shè)計研究院.長沙市軌道交通2號線一期工程勘察3標(biāo)巖土詳細(xì)勘察報告.2009

[13]黃宏偉.隧道及地下工程建設(shè)中的風(fēng)險管理研究進(jìn)展[J].地下空間與工程學(xué)報，2006，2(1):13～20

[14]李希元，閆靜雅，孫艷萍.盾構(gòu)隧道施工工程事故的原因與對策[J].地下空間與工程學(xué)報，2005，1(6):968～971

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，高級工程師，注冊土木工程師(巖土)，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計等技術(shù)管理工作。