東莞至惠州城際軌道交通東江隧道主要工程地質問題研究

孫寶忠

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

下穿大型水系的隧道工程需采用綜合的勘察方法來研究其工程地質和水文地質問題[1]。廖全濤等采用淺層地震反射法對武漢長江隧道進行水上勘察，得出了淺層地震反射法結合地質調查可以較為準確地推測地質體的結論[2]。蒙明輝等采用綜合勘察方法研究重慶市江津區長江隧道的工程地質問題[3]，確定了該隧道的圍巖分級，但無法對隧道的涌水量進行計算。徐軍政采用地質調繪、鉆探、地震物探等方法，研究了廈門地鐵3號線跨海段的主要工程地質問題，從地質角度選擇了合理的線路縱斷面[4]，其優點為多種勘察方法可相互驗證，但是缺少隧道圍巖地層產狀、構造的直觀影響信息。蔡盛運用物探磁法查找地質構造，其優點為效率高且不受地形的限制，但是受周邊環境影響大，精度較低[5]。以下采用一孔多用(全景鉆孔攝像、聲波測井)、水文地質試驗、土工試驗等方法，研究東江隧道涌水、軟土大變形、軟巖變形等工程地質和水文地質特征。

1 工程概況

東莞至惠州城際軌道交通是珠三角城際交通網的重要組成部分，起點為東莞望洪站，終點為惠州客運北站，呈東西走向，正線全長99.841 km。東江隧道位于惠州市境內，隧道正線全長15.110 km，包括4站4區間。隧道下穿大型水系東江，地下車站及隧道周邊環境復雜，具有地層巖性多變、地下水豐富、工程地質和水文地質條件復雜等特點，為極高風險隧道[6]。東江隧道位置見圖1。

圖1 東江段隧道位置

2 工程地質特征

2.1 地形地貌

東江隧道主要位于惠陽斷陷盆地內的東江沖積平原區，地形平坦、開闊，房屋密集，交通便利。

2.2 地層巖性特征

上覆第四系①粉質黏土(軟-硬塑)、②淤泥質粉質黏土(流塑)、③細砂(稍密，飽和)、④粗砂(稍密，飽和)、⑤細圓礫土(中密，飽和)；下伏第三系含礫砂巖、泥質粉砂巖、泥巖，地層產狀為70°∠20～30°；侏羅系下統凝灰質粉砂巖；燕山期花崗閃長巖。地層巖性分布情況見圖2[6]。

圖2 東江隧道線路走向綜合地質剖面

東江段隧道洞身主要走行于含礫砂巖、粗砂、細圓礫土層。地下車站明挖穿越淤泥質粉質黏土、細砂、泥巖、泥質粉砂巖等地層。

其中，淤泥質粉質黏土的軟土大變形，粗砂、細圓礫土的強透水性，泥巖和泥質粉砂巖的遇水軟化、暴曬崩解等特點對隧道工程影響較大。

2.3 地質構造特征

東江隧道位于惠陽斷陷盆地內，主要受北東向的觀洞水庫斷裂、北北西向的惠州斷裂、近北東東向的樟木頭斷裂控制[8]。斷陷盆地控制了第三系、第四系的地層沉積及東江水系在盆地內的走向。東江隧道地質構造見圖3。

圖3 東江隧道地質構造

觀洞水庫斷裂、樟木頭斷裂自晚更新世以來無明顯的活動性，距離線路最近處約2.5 km，對隧道工程的影響較小。

惠州斷裂與東江隧道相交，對隧道影響較大。

3 水文地質條件

沿線地表水系主要為東江、西湖。東江為珠江水系干流之一，江面寬闊(550 m)，水流量大(7 000 m3/s)，四季通航。

東江隧道地下水類型為孔隙水、基巖裂隙水。①孔隙水：主要含水層為第四系全新統沖積砂層，其補給方式主要為大氣降水，排泄方式為大氣蒸發。東江北岸砂層中的孔隙水，其上部被沖積黏性土所覆蓋，具微承壓性；東江兩岸的孔隙水與東江水具有相互補給的特點。②基巖裂隙水：主要賦存于粉砂巖、含礫砂巖、花崗閃長巖的節理裂隙中，全、強風化層含水量較大，弱風化層含水量較小。孔隙水與基巖裂隙水局部具連通性。東江附近的基巖裂隙水受東江水直接滲入補給。

4 主要工程地質問題及防護措施

4.1 隧道突涌水

東江隧道在西湖站—云山西路站區間的DK99+230～DK99+780段落下穿東江(水深超過15 m，流量7 000 m3/s)。東江BD2Z-DJCS-1鉆孔資料顯示：東江水深15 m；0.00～8.00 m為細砂；8.00～11.00 m為細圓礫土；11.00～19.60 m為強風化含礫砂巖；19.60～33.60 m為弱風化含礫砂巖。 隧道下穿東江段，隧道洞身走行于弱風化含礫砂巖層內，東江北岸隧道洞身走行于粗砂、細圓礫土層內。

東江隧道含水層接受東江水補給，與東江有直接的水力聯系，存在隧道突涌水風險。突涌水是水下隧道需重點研究的地質問題[8]。因此，采用全景鉆孔攝像、聲波測井工程物探、水文地質試驗等方法，研究了該隧道的突涌水問題。

(1)全景鉆孔攝像

為查明隧道洞身范圍的巖體完整性，采用了BHC-TV型數字式全景鉆孔攝像系統，進行鉆孔全方位、全柱面觀測成像。可以觀測鉆孔中地質體的地層巖性、巖石結構、構造、節理裂隙、地層產狀(傾向、傾角)等[9]， BD2Z-GDJ-09鉆孔的全景攝像見圖4、圖5。

圖4 強風化含礫砂巖

圖5 弱風化含礫砂巖

圖4顯示強風化巖體節理裂隙發育，巖石較破碎；圖5顯示弱風化巖石節理裂隙不發育，巖體較完整，巖層產狀為260°∠17°。

(2)聲波測井

利用現場測試獲得的巖體縱波波速、實驗室獲得的巖塊彈性縱波速度，計算巖體完整性系數，對巖體完整程度進行劃分。巖體完整性系數計算公式為

KV=(Vpm/Vpr)2

(1)

式中Vpm——巖體彈性縱波速度；

Vpr——巖塊彈性縱波速度。

KV與巖體完整程度的對應關系見表1。

表1 KV與巖體完整程度的對應關系

采用TH200-Y型巖體聲波參數測試儀對東江隧道BD2Z-GDJ-09鉆孔進行了現場巖體縱波波速測試，并在實驗室進行了巖石彈性縱波速度測試，對應的巖石完整性系數見表2。

表2 含礫砂巖巖體完整性系數

表2顯示：強風化含礫砂巖破碎；弱風化含礫砂巖巖體較完整。

(3)水文地質試驗

在東江隧道鉆孔BD2Z-DJCS-1進行了非完整潛水抽水水文地質試驗，得到滲透系數K的取值。

①細砂層：滲透系數K=5.0 m/d，具中等透水性；

②粗砂層：滲透系數K=50.0 m/d，具強透水性；

③細圓礫土層：滲透系數K=75.0 m/d，具強透水性；

④強風化含礫砂巖：滲透系數K=1.0 m/d，具中等透水性；

⑤弱風化含礫砂巖：滲透系數K=0.05 m/d，具弱透水性。

東江隧道下穿東江段的隧道洞頂走行于弱風化含礫砂巖層內，隧道正常涌水量可采用裘布依理論公式進行預測，即

(2)

式中Qs——隧道正常涌水量/(m3/d)；

K——含水體滲透系數/(m/d)；

H——洞底以上潛水含水層厚度/m；

h——洞內排水溝假設水深/m(按0考慮)；

Ry——隧道涌水地段的引用補給半徑/m；

r——洞身橫斷面等價圓半徑(按3.85 m計)；

L——隧道通過含水體長度/m(按10 m計)。

下穿東江段東江隧道洞身走行于弱風化含礫砂巖層內，按照裘布依理論公式計算的隧道涌水量見表3。

表3 隧道涌水量估算

東江隧道洞身為弱風化含礫砂巖，其隧道涌水量估算為4.38 m3/d。

東江北岸GDK100+030～GDK100+246段落：隧道洞身走行于粗砂、細圓礫土層內，按照裘布依理論公式計算的隧道涌水量見表4。

表4 隧道涌水量估算

注：滲透系數取粗砂與細圓礫土的平均值(62.5 m/d)。

東江隧道洞身穿越粗砂、細圓礫土層，其隧道涌水量估算為123.7 m3/d。

全景鉆孔攝像和聲波測井成果顯示，弱風化含礫砂巖巖體節理裂隙不發育，巖體完整性較好。水文地質試驗結果顯示，弱風化含礫砂巖層與東江地表水的水力聯系較差。

鉆探揭示，下穿東江段的含礫砂巖弱風化面埋深在20 m左右。下穿東江段的隧道洞身走行于弱風化含礫砂巖層中，可以有效避免隧道突涌水問題(弱風化含礫砂巖層的隧道突涌水風險較低)。

東江北岸GDK100+030～GDK100+246段落：隧道洞身走行于粗砂、細圓礫土層內，隧道洞身內的含水層水頭低于東江江底高程，盾構施工時易形成較大的水頭差，若工作面及隧道洞身防水措施不當，極易引發隧道突涌水，淹沒隧道，對人員和設備造成災難性的破壞。該段落隧道突涌水風險極高，為施工階段監測、防護的重點地段[10]。

隧道內易產生突涌水問題的土層主要為④粗砂、⑤細圓礫土。在隧道開挖過程中，應特別重視粗砂、細圓礫土層引發的隧道突涌水問題，施工時應做好防排水措施[11]。

防護措施：采用泥水式盾構掘進施工工法；根據實測監測數據，調整與開挖地層相適應的掘進參數，嚴格控制掘進速度、出土量及注漿量[12]。

4.2 軟土大變形

西湖站下穿西湖，結構底板埋深17.5 m，采用明挖法施工。西湖區域表層分布有淤泥、淤泥質粉質黏土層，主要呈灰黑色，流塑狀，多夾腐殖物，厚2.5～4.9 m。室內土工試驗測試的淤泥質粉質黏土的巖土物理力學指標值見表5。

表5 巖土物理力學指標值

西湖區域的淤泥質粉質黏土具有高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強度、高靈敏度、明顯的觸變和流變特性等軟土特征。在基坑開挖過程中極易造成土體結構破壞、強度降低。淤泥和淤泥質粉質黏土的排水固結時間很長，易造成工后沉降大、沉降不均勻等問題[6]。

防治措施：軟土對本工程深基坑的影響較大，應進行軟土地基處理，并加強基坑支擋防護。

4.3 軟巖變形

西湖站、云山西路站、客運北站及其區間隧道均位于惠陽斷陷盆地內，發育第三系含礫砂巖、泥質粉砂巖、泥巖。西湖站-云山西路站區間隧道鉆孔BD2Z-XS-42弱風化泥巖、BD2Z-YSZ-9弱風化泥質粉砂巖的巖石抗壓強度試驗結果分別見表6、表7。

表6 泥巖抗壓強度 MPa

表7 泥質粉砂巖抗壓強度 MPa

巖石抗壓強度試驗結果表明：弱風化泥巖在天然狀態下的單軸抗壓強度為18.67～19.63 MPa，軟化系數為0.28～0.37。弱風化泥質粉砂巖在天然狀態下的單軸抗壓強度為18.76～21.63 MPa，軟化系數為0.41～0.53。泥巖和泥質粉砂巖均屬于軟巖，泥巖和泥質粉砂巖浸水后易崩解，巖石強度明顯降低，尤其是泥巖的強度降低更為明顯。泥巖和泥質粉砂巖失水爆曬后會發生龜裂。因此，東江隧道工程范圍內的泥巖和泥質粉砂巖抗風化能力均較低[13]。

西湖站、云山西路站、客運北站及隧道區間部分淺埋地段為明挖法施工。泥巖和泥質粉砂巖的抗風化能力很差，施工過程中易遭受暴曬，發生龜裂、巖石變形，風化后巖石強度和地基承載力明顯降低，嚴重影響構筑物的穩定性，需要采取相應措施。

防護措施：加強防排水，防止基坑積水，及時對基坑壁、底進行封閉防護，避免發生浸水軟化；防止巖石爆曬脫水后發生龜裂和崩解。西湖站、云山西路站、客運北站均采用了地下連續墻等工程措施，起到截水、支擋防護的雙重作用，對基坑起到了較好的保護作用。

4.4 流砂

云山西路站局部地段分布有1.0～2.6 m的③細砂層，GDK104+247～GDK104+927區間隧道分布有1.9～7.9 m厚的③細砂層，均為明挖法施工。在基坑開挖過程中需進行人工降水，使得基坑外圍地下水位高于基坑內的地下水位，導致地下水由四周流向基坑內，易發生流砂問題[14]。流砂發生時，地下水攜帶大量的粉細砂土涌入基坑，從而引發基坑邊坡失穩、坍塌及地面塌陷等次生地質災害，危及基坑周邊行人、車輛及建(構)筑物安全。

防護措施：采用地下連續墻，可以起到防水、支護、承重的三重作用。

4.5 基坑開挖引發周邊地面及建筑物變形

西湖站毗鄰西湖，周邊建(構)筑物密集，行人、車輛流動密度大，地下管線密布，周邊環境復雜，地下水埋深較淺(1.70～3.10 m)，基坑開挖深度大(25.00～27.58 m)，巖土條件較差。基坑開挖易產生邊坡滑塌、流泥、突(涌)水、流沙、地表沉降、塌陷等次生災害，導致鄰近建(構)筑物的變形、傾斜或管道破裂，危及周邊行人、車輛、建(構)筑物安全[15]。

防治措施：加強基坑防護、防排水措施。采用“地下連續墻+內支撐”措施。

4.6 惠州斷裂

惠州斷裂于GDK95+500～GDK95+560段落與隧道軸向呈60°相交，穿越線路長度為60 m，對隧道工程影響較大。惠州斷裂為惠陽斷陷盆地的西部邊界，該斷裂帶北端的梅湖一帶曾發生過數次3級以下的小震，顯示斷裂的地震活動性較弱，頻度較低。

隧道穿越該斷裂帶范圍內的地下水埋深為4.0～6.0 m，覆蓋層厚度為6.0～9.0 m，隧道洞頂埋深為31.0～33.0 m，斷裂破碎帶內巖石極破碎，強富水。斷裂帶周邊的隧道洞身范圍均為強風化花崗閃長巖，節理裂隙發育，巖體破碎，富水性較好。該斷裂帶在縱、橫向上均可以得到豐富的補給水。

隧道洞身穿越該斷裂帶長度大，斷裂帶強富水，若采用大斷面開挖或掘進尺度過大，均易造成隧道坍塌、突泥、突水等次生地質災害。

防治措施：①開展多類型超前預報工作，包括綜合物探超前探測法、水平鉆孔超前探測法、洞內綜合地質法、圍巖大變形預測法；②應遵循“縮短開挖、減弱爆破、加強支護、增加量測頻率”的指導原則，嚴格控制現場開挖進尺；如果圍巖變化較大，應及時制定相應的補救措施。

5 結論

(1)下穿東江段隧道洞身走行于弱風化含礫砂巖層段落：巖體較完整，隧道涌水量較小，隧道突涌水的風險較小。隧道洞身穿越粗砂、細圓礫土段落：隧道涌水量較大。

(2)淤泥、淤泥質粉質黏土層物理性質較差，軟土變形易造成工后沉降大、沉降不均勻等問題。

(3)泥巖和泥質粉砂巖屬于軟巖，抗風化能力很差，浸水后易崩解、變形，影響構筑物的穩定性。

(4)流沙、軟土沉降等易引發基坑周邊地面及建筑物變形。

(5)惠州斷裂帶強富水，易造成隧道坍塌、突泥、突水等次生地質災害。

(6)主要工程地質問題：隧道突涌水、軟土變形、軟巖變形、流沙、惠州斷裂、基坑開挖引發周邊地面及建筑物變形。這些工程地質問題可以采取相應的工程措施進行處理，工程具有可行性。