羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程巖體風(fēng)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(fēng)化特征差異較大，有槽狀風(fēng)化、球狀風(fēng)化等，隧洞穿越多種巖性的不同風(fēng)化帶，也穿越兩處全、強(qiáng)風(fēng)化深槽。采用巖體孔內(nèi)聲波測試、室內(nèi)試驗(yàn)、巖礦組成鑒定等多種手段對(duì)三大巖類主要巖性風(fēng)化特征、成因及物理力學(xué)特性進(jìn)行了分析，研究了風(fēng)化帶巖體對(duì)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(guān)鍵詞：輸水隧洞； 風(fēng)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(hào)： P642

文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)涉及的空間范圍內(nèi)巖體劃分為全、強(qiáng)、弱、微等4個(gè)風(fēng)化帶，不同地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地貌單元的巖體，其風(fēng)化成因、風(fēng)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(chǔ)存在穿越、坐落在不同風(fēng)化帶巖體的情況，全、強(qiáng)風(fēng)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(fēng)化特征、風(fēng)化成因、不同風(fēng)化帶巖體的工程特性，對(duì)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(fù)雜［1-2］（圖1）。隧洞沿線有丘陵、臺(tái)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(tái)地，地形起伏，溝壑縱橫，臺(tái)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(tái)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(tái)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(jì)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(xì)粒黑云母花崗巖，奧陶紀(jì)加里東期（ηγO1）主要有片麻狀花崗巖、細(xì)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(fēng)化特征及成因

2.1巖體風(fēng)化帶厚度特征

工程區(qū)內(nèi)巖性種類有二十余種，本文對(duì)357個(gè)鉆孔共26 401.59 m進(jìn)尺的巖芯進(jìn)行風(fēng)化分帶，也對(duì)其中128個(gè)鉆孔共8 750 m進(jìn)行縱波波速測試，采用波速比對(duì)風(fēng)化分帶進(jìn)行精準(zhǔn)驗(yàn)證，風(fēng)化帶地質(zhì)特征見表1，聲波特征見表2，風(fēng)化帶厚度、風(fēng)化界限埋深特征見表3。可見工程區(qū)巖體分全、強(qiáng)、弱和微風(fēng)化4個(gè)帶，沉積巖風(fēng)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(fēng)化厚度差異顯著。此外，在加里東期侵入巖區(qū)，強(qiáng)風(fēng)化下限最大埋深72.6 m，發(fā)育有風(fēng)化深槽，在燕山四期花崗巖區(qū)發(fā)育有球狀風(fēng)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(fēng)化帶厚度平均2.3 m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度平均4.8 m，風(fēng)化帶厚度一般較薄。

變質(zhì)巖臺(tái)地區(qū)坡面上風(fēng)化帶厚度一般較大，覆蓋層、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化帶總厚度一般23～57 m，平均厚度約35 m，其中全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化帶平均總厚度約27 m，全風(fēng)化帶厚度一般6～18 m，平均厚度15 m，沿?cái)鄬哟嬖谏畈酆穸瓤蛇_(dá)32～37 m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般4～16 m，平均厚度12 m，沿?cái)鄬哟嬖谏畈鄣暮穸瓤蛇_(dá)30～39 m。溝谷、河槽內(nèi)，受沖刷剝蝕作用，覆蓋層和全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般較薄，總厚度5～15 m，全風(fēng)化帶厚度0～5 m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度0～15 m。

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

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

2.2巖體風(fēng)化特征成因分析

巖體風(fēng)化包括物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化。物理風(fēng)化是由溫度變化、風(fēng)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。化學(xué)風(fēng)化是地表巖石在水、氧及二氧化碳的作用下發(fā)生化學(xué)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(fēng)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(guān)。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(fù)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(xué)風(fēng)化作用的類型和強(qiáng)烈程度；區(qū)內(nèi)發(fā)育北東（北東東）、北西兩組斷裂，次級(jí)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(fēng)化作用的深度存在顯著差異；區(qū)內(nèi)屬丘陵、臺(tái)地和沖積平原地貌，不同地貌單元對(duì)風(fēng)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(fēng)化作用。

（1） 沉積巖。

沉積巖全風(fēng)化帶厚度平均2.3 m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度平均4.8 m，風(fēng)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(xì)砂巖的礦物組份包括石英粉細(xì)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(xì)砂巖屑，含量約5%～10%，巖礦水溶解度低、抗風(fēng)化能力強(qiáng)。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(yùn)動(dòng)和喜山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，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(fēng)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(duì)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(fēng)化能力差。② 巖體完整性，該套建造于新元古界震旦紀(jì)，經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，屬區(qū)域變質(zhì)綠片巖相并動(dòng)熱變質(zhì)作用疊加，巖體裂隙發(fā)育，有利于風(fēng)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(fēng)化帶巖體原位保留；水流沖刷作用下，溝谷、河槽內(nèi)，風(fēng)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(fēng)化帶總厚度大、以全風(fēng)化帶為主、強(qiáng)和弱風(fēng)化帶厚度小或缺失的特征，也存在槽狀風(fēng)化和球狀風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(kuò)散為孔隙水，進(jìn)一步促進(jìn)水解作用和碳酸化作用，形成較厚的全風(fēng)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(dòng)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(duì)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(fēng)化深槽。④ 地形地貌，臺(tái)地區(qū)地形起伏小、坡度緩，剝蝕作用弱，利于風(fēng)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(duì)強(qiáng)烈，不利于風(fēng)化帶巖體原位保留。

3巖體風(fēng)化對(duì)工程影響與處理建議

3.1風(fēng)化巖體工程地質(zhì)特性

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

3.2風(fēng)化巖體對(duì)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(fēng)化為主，局部位于全、強(qiáng)風(fēng)化帶中。

3.2.1風(fēng)化巖體產(chǎn)生的工程地質(zhì)問題

松崗河風(fēng)化深槽：洞身位于強(qiáng)風(fēng)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(qiáng)風(fēng)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(fēng)化深槽：其中樁號(hào)K9+560～K9+700，洞身位于全風(fēng)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(hào)K9+700～K9+830，洞頂位于強(qiáng)、弱風(fēng)化帶界線附近，巖性為片麻狀花崗、細(xì)粒黑云母花崗巖；洞頂上覆強(qiáng)、弱風(fēng)化巖體厚度1.7～3.1 m，一倍洞徑范圍內(nèi)風(fēng)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(fēng)化片麻狀花崗巖、細(xì)粒黑云母花崗巖，巖石Rb=61.6 MPa、74 MPa，堅(jiān)硬巖，磨蝕性試驗(yàn)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(píng)定為Ⅴ類圍巖。東方大道風(fēng)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(fēng)化深槽：隧洞位于全風(fēng)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(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化4類風(fēng)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(fēng)化深槽、東方大道風(fēng)化深槽部位，東側(cè)緊鄰根玉路，西側(cè)為漢海達(dá)高新科技園，平面上已無避讓調(diào)線的余地。在埋深上，風(fēng)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(dá)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(qiáng)、弱多個(gè)風(fēng)化帶的前提下，埋深適當(dāng)上抬縮短風(fēng)化深槽隧洞段的長度，采取預(yù)灌漿處理措施或選擇合適的TBM型號(hào)解決隧洞坍塌和涌水涌沙問題。鐵崗水庫風(fēng)化深槽隧洞段位于出水口隧洞段，隧洞自深至淺，須穿全、強(qiáng)風(fēng)化帶，平面和豎向均無避讓條件，建議先支護(hù)再開挖。

灌漿處理和TBM選型方面，松崗河風(fēng)化深槽、東方大道風(fēng)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(jìn)行灌漿加固處理困難，建議選擇對(duì)全風(fēng)化巖體適宜的TBM型號(hào)，此外，TBM2段其他隧洞段圍巖為微風(fēng)化的泥巖、粉砂巖、石英砂巖及花崗巖等，軟硬兼有，巖石強(qiáng)度差異大，采用雙模式TBM較為適宜。鐵崗水庫風(fēng)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(yù)處理的條件，建議采用超前小導(dǎo)管注漿結(jié)合鋼拱架臨時(shí)支護(hù)形式。

3.3風(fēng)化巖體對(duì)超深豎井支護(hù)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(fēng)化帶厚度較大，全風(fēng)化厚10.1～20.9 m，底板高程-8.28～7.81 m。強(qiáng)風(fēng)化厚1.0～4.8 m，底板高程-6.28～-13.20 m。弱風(fēng)化厚3.2～8.9 m，底板高程-17.70～3.81 m。全風(fēng)化巖體強(qiáng)度低，井壁直立開挖不能自穩(wěn)；強(qiáng)、弱風(fēng)化巖體和微風(fēng)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(fēng)險(xiǎn)；此外微風(fēng)化巖體中隨機(jī)分布有綠泥化、高嶺土化或黏土化的蝕變花崗巖，強(qiáng)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(duì)全、強(qiáng)和弱風(fēng)化巖體需采取地下連續(xù)墻進(jìn)行支護(hù)，地下連續(xù)墻應(yīng)深入微風(fēng)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(fēng)化帶厚度大，全風(fēng)化厚32.9～49.0 m，底板高程-9.68～0.23 m；強(qiáng)風(fēng)化厚0～3.9 m，底板高程-13.51～-0.87 m；弱風(fēng)化厚0.4～9.6 m，底板高程-19.20～-7.92 m。全、強(qiáng)風(fēng)化巖體強(qiáng)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(fēng)化強(qiáng)度較高，較完整—完整，井壁穩(wěn)定。建議對(duì)全、強(qiáng)風(fēng)化巖體采取地下連續(xù)墻進(jìn)行支護(hù)，因弱風(fēng)化帶厚度小且分布不均，建議地下連續(xù)墻深入微風(fēng)化巖體一定深度。

4結(jié) 語

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

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（編輯：黃文晉）