長沙勞動路湘江隧道方案的地質論證

姚建偉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

1 概述

長沙城市道路現狀已經制約了城市的發展,瓶頸地段為穿越湘江的通道。目前，兩座湘江大橋已經遠遠不能滿足道路交通的需要。為緩解城市交通壓力,急需在勞動路一帶修建過江通道,經工程可行性研究確定為隧道方案。

勞動路湘江隧道位于長沙靈官渡口,東接勞動西路,西接牌樓口,下穿桔子洲。桔子洲將湘江劃為東西河道,桔子洲以東為湘江主河道,桔子洲以西的河道枯水季節河床暴露,成為大面積江灘,漫灘向西逐漸過渡至一級階地。區內地貌按其成因可分為剝蝕丘陵及河流侵蝕堆積兩大類型,剝蝕丘陵主要分布于場區最西部,整個場區基本位于河流侵蝕堆積地貌單元,階地面最高高程35～45 m,河床高程20 m左右,湘江4～6月為豐水期。

2 場區地質概況

2.1 地層巖性

過江隧道范圍內地層主要有第四系全新統(Q4)、中更新統(Q2)、土層以及白堊系下統(K1)、泥盆系中統(D2)地層,現從老至新敘述如下(見圖1)。

圖1 長沙勞動路湘江隧道工程地質縱斷面

(1)泥盆系中統跳馬澗組(D2t)

紫紅色石英砂巖,泥質粉砂巖,僅在湘江西岸局部存在,多覆蓋于第四系全新統松軟地層之下。

(2)泥盆系中統掑梓橋組(D2q)

灰巖和泥質灰巖,肉紅色,淺灰色,厚層狀,巖溶發育,溶洞,溶溝,溶槽較為普遍,僅存在于湘江西岸,大面積埋藏于桔子洲以西的第四系地層之下。

(3)白堊系下統(K1)

紫紅色暗紫色礫巖,砂礫巖夾有薄層狀泥質粉砂巖,厚層狀,多為鈣質泥巖膠結,礫石成分復雜,以砂巖,板巖,灰巖為主。受斷裂構造影響有溶蝕裂隙存在,強風化—弱風化,局部全風化呈土狀,在橘子洲以東大面積覆蓋于第四系土層之下。

(4)第四系中更新統(Q2)

褐紅色,褐黃色蠕蟲狀,網紋狀黏土,粉質黏土及砂礫石層,于湘江東岸地表大面積出露,厚2.6～3.3 m。

(5)第四系全新統(Q4)

除湘江東岸有人工填土及湘江西岸山坡坡腳有少量殘積粉質黏土之外,在隧道通過的湘江一級階地及河床部位為第四系全新統沖積層(Q4al)。

①素填土：主要為褐灰,褐黃色松散的粉質黏土夾砂巖塊石,砂礫石,厚2.4～12.1 m。

②粉質黏土及粉土,粉細砂層：褐黃色,灰色,厚1.8～6.4 m,位于一級階地二元結構表層。

③細砂夾粉質黏土：褐黃色,松散,厚2.4～6.3 m,位于一級階地二元結構下層。

④圓礫及砂礫石層：灰黃,褐黃色,飽和狀,磨圓分選良好,厚0～7.0 m,位于二元結構底層。該層間夾有紫紅,灰白條紋軟塑狀粉質黏土的透鏡體。

2.2 地質構造

長沙勞動路湘江隧道位于揚子準地臺的東南,緊鄰華南褶皺帶,構造以斷裂為主,褶皺次之。隧道位于岳麓山向斜的東南翼。

區域斷裂構造體系受NE向控制,另外有與河流走向基本一致的NNE向斷裂發育,區內沒有區域性大斷裂,但泥盆系灰巖和白堊系砂礫巖的接觸帶,砂礫巖強風化深度較大,因此有NNX向斷裂存在的可能,對隧道工程影響較大,應特別引起重視[1]。

2.3 水文地質條件

湘江流域的面積大,洪水位出現在每年的4～8月,最高洪水位39.18 m,

勞動路湘江隧道地下水主要類型如下。

(1)第四系松散地層孔隙水

主要位于第四系全新統(Q4)一級階地和漫灘的砂礫層中,地下水豐富。由于沒有良好的隔水層,直接受大氣降雨補給,并與湘江水直接連通。砂礫石層直接覆蓋于基巖(灰巖,砂礫巖)之上,因此地表水與地下水,地下淺層與深層水,孔隙水與基巖裂隙水、巖溶水有著十分密切的聯系。

在湘江東岸第四系中更新統(Q2)的白砂井砂礫層含有較豐富的地下水。

(2)基巖裂隙水

主要蘊藏于白堊系(K1)砂礫層中,受巖性控制和斷裂構造的影響,地下水較發育。由于上部覆蓋第四系砂礫層,基巖裂隙水與砂礫層和湘江水均有緊密的水力聯系。

(3)巖溶水

主要蘊藏于桔子洲以西地段泥盆系中統掑梓橋組灰巖地層中,巖溶(溶洞,溶溝,溶槽)發育,巖溶地下水豐富?，F代湘江主航道位于桔子洲以東,但從地質縱斷面分析,湘江的古河道應位于湘江西岸的漫灘地帶,侵蝕基準面最低。由于第四系砂礫巖層覆蓋灰巖之上,該層與砂礫層和湘江水均有極強的水力聯系。

綜上所訴,隧道范圍的水文地質條件復雜,地表水與各種類型的地下水水力聯系密切,查明水文地質條件是工程成敗的關鍵[2]。

3 隧道修建的災害地質和環境地質問題

因過江隧道埋深淺,雖然地層較為簡單,但通過巖性有碳酸鹽巖,砂礫巖以及第四系的松散地層,所以隧道地質災害嚴重且頻繁發生,是一個工程地質復雜的隧道。在工程可行性研究過程中,隧道工法有礦山和盾構法兩種，無論上述兩種工法中的任何一種,在湘江兩岸均需明挖施工,特別是湘江兩岸連同漫灘地帶,初步施工方案均是采用明挖,湘江中心地段采用暗挖[3-4]。

3.1 明挖地段將會出現的地質災害

湘江西岸明挖段上部為粉細砂及砂礫石層,下部多為灰巖,位于湘江古河道上,施工將會出現如下問題：

①基坑底為粉細砂和松軟黏性土時,在地下水頭作用下會出現涌水,涌泥,涌砂,基底易潰決。

②灰巖基坑抽水會引起周邊地表的坍塌,造成環境地質的惡化,當坍塌延伸至江水位之下,會形成江水倒灌,基坑被涌水淹沒將隨時可能出現。

③巖溶發育,溶洞,溶溝,溶槽隨處可見,填充物呈半充填—全充填狀態,基巖面不平,深淺差異,軟硬不一,基底不實,應力集中,造成隧道建筑的明顯沉降和結構物的破壞，工程難度以湘江西岸(含漫灘段)隱伏灰巖地區最為艱巨。

湘江東岸明挖段表層為第四系中更新統白砂井的砂礫石層和棕紅色網紋狀黏土,砂礫石層地下水較發育,下部為白堊系的砂礫巖，基坑開挖在臨江地段可能受到江水滲透的威脅。另受白砂井沙礫層的補給,基坑涌水量大,局部基底可能出現潰決。

網紋狀黏土、粉質黏土以及湘江兩岸灰巖,泥質灰巖全風化的紅土,一般屬膨脹土,邊坡容易失穩?；娱_挖抽水可能造成兩側建筑物及道路變形,地下水動態變化及地下設施破壞[5]。

3.2 隧道暗挖(礦山法,盾構法)將會出現的地質災害

(1)隧道暗挖的灰巖地段,由于淺埋淺,灰巖頂板薄,巖溶發育,水溶洞,溶槽,溶溝,溶隙會出現突水,涌泥,淹沒隧道等災害地質問題,一旦地質災害產生,會遭受無法估量的損失[4]。

(2)隧道涌水、抽水會引起地表塌陷,管道疏通導致江水涌入,隧道涌水量猛增,淹井、淹洞不可避免,事故處理十分棘手。

(3)巖溶發育,隧道周邊巖質軟硬不一,對各種工法均會造成安全,質量等方面的危害。隧頂、邊墻易坍塌,工程處理難度大；隧底出現充填或半充填的溶洞、溶槽,基底不實,沉降差異,加固措施困難,造價會大幅度飆升[6]。

暗挖巖溶段隧道,巖溶地質災害出現已不可避免,不僅勘察階段需要仔細查明,及時施工階段同樣要開展施工地質工作,做好地質超前預報。同時隧道應采用預加固和全封閉方案,使巖溶地質災害得到有效的預防[7]。

4 評價和建議

(1)根據工程地質條件論述,對長沙勞動路湘江隧道工程地質條件有了深刻的認識,鑒于上述工程地質問題的復雜性,從地質角度考慮,橋梁方案優于隧道方案,對采用水下隧道方案宜持慎重態度。

(2)采用水下隧道方案除詳勘應按地質復雜隧道布置外,再初勘階段應做地質災害評估,施工階段應加強施工地質工作,做好超前地質預測預報[8],為避免地質災害發生,隧道設計必須采取穩妥可靠的措施。

[1] TB10027—2001 鐵路工程不良地質勘察規程[S]

[2] TB10049—2004 鐵路水文地質勘察規程[S]

[3] 劉志剛,趙 勇,李 忠.隧道施工地質工作方法[J].石家莊鐵道學院學報,2000,13(4):1-5

[4] TB10204—2002 鐵路隧道施工規范[S]

[5] TB10119—2000 鐵路隧道防排水技術規范[S]

[6] 王夢怒.對巖溶地區隧道施工水文地質超前預報的意見[J].鐵道勘察,2004(1):7-10

[7] 李術才,李樹忱,張慶送,等.溶巖裂隙水與不良地質情況超前預報研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26(2):217-225

[8] 劉志剛.概論巖溶或地質復雜隧道隧洞地質災害超前預報技術[J].鐵道建筑技術,2003(2):1-5