長沙隧道工程不良地質作用及其風險分析

劉穎炯，彭柏興，李軍雄，段堅堤

(長沙市勘測設計研究院，湖南長沙 410007)

長沙隧道工程不良地質作用及其風險分析

劉穎炯?，彭柏興，李軍雄，段堅堤

(長沙市勘測設計研究院，湖南長沙 410007)

長沙市即將建設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。隧道工程沿線地質條件相當復雜，主要不良地質作用為巖溶、斷裂及風化槽谷。文章通過地質調查、鉆探和物探等手段，對隧道工程沿線的不良地質作用特征及分布進行了歸納，對其工程影響進行了討論，提出了應對措施。

隧道工程；不良地質作用；風險分析；工程對策

1 前 言

不良地質作用(Adverse Geologic Actions)是指由地球內力或外力產生的對工程可能造成危害的地質作用，通常包括巖溶、滑坡、危巖和崩塌、泥石流、采空區、地面沉降、地震和活動斷裂等[1]。在工程建設過程中，由不良地質作用引發的危及人身、財產、工程環境安全的地質災害(Geologic Disater)屢見不鮮，不良地質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，長沙呈現跨湘江兩岸發展的態勢，加快了軌道交通、過江隧道的工程建設。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、地質構造及巖性組合[5]。本文采用地質調查、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作用現狀進行了綜合分析，希望能對工程建設的風險控制有所裨益。

2 工程地質條件概述

2.1 地質構造與地震背景

長沙位于東南地洼區雪峰地穹系湘江地洼列幕阜地穹西南端的烏山洼凸區[6]，經歷了槽、臺、洼三大構造演化階段，現已進入余動期。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，為第四系沉積物準備了古地理條件。第四系構造運動以差異性升降運動為主，在場地內形成了V級階地。

本區經歷了多次構造運動，形成了較為復雜的構造形跡，以斷裂為主，褶皺次之，構造線方向以北東向為主[7]。

長沙隸屬長江中下游地震亞區的麻城－岳陽－寧遠地震帶，設計地震分組為第一組，抗震設防烈度為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人工填土層、沖洪積層(粉質黏土、粉細砂、圓礫)，第四系更新統沖洪積層(粉質黏土、粉細砂、圓礫)及殘積層，厚度一般10 m左右；基巖為白堊系內陸湖相沉積的礫巖、泥質粉砂巖，泥盆系海相－濱海相沉積的砂巖、泥巖和灰巖以及元古界淺變質板巖。

2.3 氣象、水文

長沙市氣候上屬中亞熱帶濕潤季風氣候區，四季分明、溫暖潮濕、雨量充沛、嚴寒期短。

區內水系呈樹枝狀展布，湘江自南而北縱貫市區，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 不良地質作用及其分布

長沙軌道交通及隧道工程涉及的不良地質作用主要為巖溶、斷裂和風化槽谷。

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展速度較快，碳酸鹽巖則發育速度較慢，質純層厚的巖層，巖溶發育強烈且形態齊全，規模較大；含泥質或其他雜質的巖層，巖溶發育較弱，結晶粗大的巖石巖溶較為發育，結晶顆粒細小的巖石巖溶發育較弱。斷裂構造在巖溶發育過程中，起著至關重要作用。

根據我院30年來的勘察成果歸納和總結，長沙市區的巖溶主要分布于以下五大塊:河西洋湖垸片區、桃子湖片、望月湖片，河東中山路以南、勞動路以北，省政府二院以西范圍內以及南二環附近的新開鋪小學—芙蓉路立交橋一帶。與正建和擬建的長沙隧道工程相關聯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巖、灰巖、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。灰巖中方解石含量＞90%、以泥晶為主，緊密鑲嵌狀，粒度 0.001 mm～0.02 mm，有利于巖溶發育；炭質灰巖及泥灰巖方解石含量＜50%，且黃鐵礦微粒、塊狀、立方體狀晶體與巖質有機物質混生，不利于巖溶發育。

其中，五一廣場站及五一廣場—芙蓉廣場區間，位于區域性斷裂張家咀－溁灣鎮－新塘灣斷裂(F85)與葫蘆坡－金盆嶺－炮臺子斷裂(F101)之間，灰巖節理裂隙發育且多屬張開型，延伸較長；且為白堊系神皇山組(KS)紫紅色泥質砂巖類與泥盤系佘田橋組(D3S)灰巖類的不整合接觸帶，有利于巖溶發育。巖溶形態表現為溶溝、溶槽、溶隙、溶洞等，規模大小不一，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，但規律性差，無序分布，體現了小區域場地內巖溶發育的基本特點。

勞動路隧道巖溶發育則受斷裂、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

長沙經歷了武陵—雪峰—加里東—印支—燕山—喜山等多次構造運動，形成了北東向、北北東向、北西向、東西向褶斷構造，構成本區基本構造骨架。與長沙市在建軌道、隧道工程相關的區域性斷裂有F85、F101、F106斷裂(表1)。根據熱釋光測齡結果，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一帶的丘間谷地陡坡地段，由于受斷裂構造影響，巖層節理裂隙較發育，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，其東西兩側巖體破碎，風化強烈，全風化板巖結構呈疏松的砂土狀、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、隧道工程與斷裂構造關系表 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 風化溝槽

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

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化作用而形成的風化溝槽，具體表現為近砂狀的全風化礫巖＜6－2a＞，顯示出風化程度的突變性:全風化層＜6－2a＞直接介于中風化礫巖＜6－2＞之間，其上、下均無過渡的強風化礫巖層，與常規的風化漸變性不同。鉆探施工時不返水現象。該層呈條帶狀、成層狀，層面產狀與區域地層產狀基本一致。左線層頂標高自南向北呈8.5°傾斜、底板傾角約8.33°；右線層頂標高自南向北呈8.14°傾斜、底板傾角變化較大[12]。

4 風險分析及對策

4.1 風險分析

文獻[13]認為“在以工程項目正常施工為目標的行動過程中，如果某項活動或客觀存在中以導致承險體系統發生直接或間接損失的可能性，那么就稱該工程存在風險”。不良地質作用的客觀存在，常常會給隧道工程建設帶來如下風險:

(1)巖溶巖面起伏，導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體系的失穩；巖溶水的動態變化往往產生突泥、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生大量裂隙、導致巖體完整性差，影響巖體穩定性和承載性能；斷層使巖體受到不同程度的切割，導致巖體物理力學性質變異和嚴重不均勻，開挖時易出現拱頂坍塌、側壁失穩等安全事故；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，嚴重影響巖體強度和抗沖刷能力，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)風化溝槽中存在的風化殘留物，結構松散，力學強度較低，抗滑、抗變形及抗滲性能差，直接影響建筑物的穩定與安全:當作為基坑坑壁地層時，受水浸泡或擾動時易發生坍塌，釀成災害；當作為樁周土時，易發生塌孔和清渣困難，造成基樁擴徑、斷樁或樁底沉渣過厚現象，影響基樁質量；作為基礎持力層時，因其水理性質較差，均勻性差，可能對地基土均勻性和變形產生較大影響；當盾構機在其中穿越時，常會因巖層的軟、硬變化而對施工工期帶來風險[14]。

4.2 應對措施

“物探＋鉆探”是巖溶、斷裂、風化槽等不良地質作用勘察的常用手段。為應對地質條件的不確定性，需要全線連續進行地質超前預報和圍巖評價，以地質分析為主，長距離宏觀預報與短距離精準預報相結合、超前探孔與物探結合，多種物探方法相驗證，定性和定量相結合的超前預案。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，在國內首次順利完成了巖溶段盾構隧道施工。

“先探測，再處治”，是隧道巖溶處治的基本原則。適當增加隧道穿越溶洞發育區段的埋深，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，它的導水性及其對圍巖整體穩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，必要時應采用全斷面帷幕注漿，采用“注漿一段、開挖一段、段段推進”。

對風化溝槽中的殘積物，為解決局部地段成樁困難或盾構穿越難問題，應進行先行止水或泥漿護壁，控制好泥漿濃度，確保施工質量；基坑開挖前，宜先進行隔水、補強措施，防止坑壁坍塌、影響護壁樁的作用；對全風化礫巖＜6－2a＞溶蝕風化土體進行固結灌漿處理，確定方案前應進行施工勘察、平行試驗、試樁試驗等，確保措施可靠、經濟合理。

5 結 論

長沙市的隧道工程受巖溶、斷裂及風化溝槽等不良地質作用影響，地層結構復雜，地基土不均勻，工程地質條件和水文地質條件較差，存在較大的施工風險。由于巖土工程的不確定性，利用常規的勘察手段徹底地查明不良地質作用是不現實的，也是不可能的。因此，在施工階段，進行施工勘察是十分必要的。這需要建設、施工、監理、設計和勘察單位的通力合作和信息共享，做到精心勘察、精心設計、精細化施工。

“我國是世界上隧道和地下工程最多、最復雜、今后發展最快的國家”(王夢恕，2002)，在山嶺隧道和水下隧道建設中，對巖溶、破碎帶的處治積累了一定的經驗。已有工程建設經驗表明，只有地質資料翔實，風險分析得當、風險預防措施到位、通過加強施工期的超前地質預報工作和信息化施工，采取合理有效的應對措施，重大安全事故是完全可以避免的。

[1]GB 50021－2001.巖土工程勘察規范[S].

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

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

[4]焦斌權，靳曉光，李曉紅.巖溶區隧道圍巖－支護體系穩定性研究[J].中國地質災害與工程學報，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.地洼學說文選[M].長沙:中南工業大學出版社，1986

[7]湖南省地質礦產局.長沙地區1∶5萬區域地質調查報告[M].北京:地質出版社，1989

[8]中國有色金屬工業長沙勘察院.長沙市軌道交通2號線一期巖土工程勘察2標詳細勘察報告.2009

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

[10]中冶地集團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標詳細勘察報告.2009

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

[12]長沙市勘測設計研究院.長沙市軌道交通2號線一期工程勘察3標巖土詳細勘察報告.2009

[13]黃宏偉.隧道及地下工程建設中的風險管理研究進展[J].地下空間與工程學報，2006，2(1):13～20

[14]李希元，閆靜雅，孫艷萍.盾構隧道施工工程事故的原因與對策[J].地下空間與工程學報，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、設計等技術管理工作。