羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞地質問題勘探與論證

曾劍華 孫云志 李愛國 高健 喬帥 賀小林

摘要：羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞依次穿越變質巖、沉積巖和侵入巖三大巖類，沿線發育6條較大規模斷裂，下穿茅洲河、松崗河、阿婆髻水庫等地表水體，隧洞工程地質條件復雜，軟弱圍巖變形、涌水突泥問題突出。通過現場勘察，基本查明了輸水隧洞沿線工程地質條件和主要工程地質問題。針對工程存在的主要地質問題，施工中應加強超前探測，選取合適的TBM掘進設備，采取工程措施處理，確保工程順利實施。

關鍵詞：地質勘察； 隧洞工程； 涌水突泥； 軟弱圍巖變形； 超硬巖TBM適宜性; 羅田水庫； 鐵崗水庫

中圖法分類號： TV213.9

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.014

0引 言

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程深圳境內配套項目之一。工程位于深圳市西北部，輸水隧洞自寶安區松崗東北部羅田水庫取水，往南引入鐵崗水庫和沿途水廠。工程設計規模260萬m3/d，輸水干線長21.68 km，過流斷面直徑5.2 m，其中TBM施工段長19.29 km，隧洞埋深約50～170 m。

1區域構造穩定及地震情況

為查明隧洞工程區區域構造穩定和地震情況，進行了隧洞區“場地地震安全性評價”專題工作。據專題報告成果，隧洞區新構造運動表現以中新世以來地殼運動以區域性隆起為特征。挽近期，隧洞工程區在深圳斷裂帶及北西向斷裂聯合控制下，出現多次間歇性不均衡的升降運動，表現為深圳市東部地區相對西部地區抬升速度較快，深圳斷裂以西普遍發育3級夷平面，深圳斷裂以東普遍發育4級夷平面［1-2］。以輸水隧洞線路為中心的8 km范圍內無晚更新世以來的活動斷裂構造，亦無2級以上的地震發生，歷史最大地震對隧洞區影響的最大烈度為Ⅴ度。輸水隧洞范圍區屬構造穩定性較好區域。據GB 18306-2015《中國地震動參數區劃圖》，隧洞區基本地震動峰值加速度為010 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，相應的地震基本烈度為Ⅶ度區。

2隧洞工程地質條件

2.1地形地貌

輸水隧洞區兩端高、中間低，兩端屬丘陵地貌，地面高程一般50～248 m，最高點為阿婆髻山，峰頂高程248 m，中間為茅洲河沖洪積平原地貌的建城區，地面高程6～25 m。隧洞沿線有茅洲河、五指耙水庫、長流陂水、阿婆髻水庫、料坑河等地表水體分布［2］。

2.2地層巖性

隧洞區地表第四系分布廣泛，主要有第四系人工填土、全新統和上更新統沖洪積及坡積、殘積層，沿線第四系總厚小于24 m（圖1～2及表1～2）。

2.3地質構造

輸水隧洞區構造活動頻繁，歷經加里東運動至燕山運動期內的多次構造運動，形成了以北東向及北西向構造為主的斷裂構造，并發育有茅洲河向斜。

茅洲河向斜發育在輸水隧洞沿線茅洲河兩岸，向斜軸總體北西向延伸，向南東傾覆，兩翼寬約3 km，核部位于茅洲河至公明排洪渠之間，地層為侏羅系下中統塘廈組（J1-2t），兩翼地層為侏羅系下統橋源組（J1q），隧洞線路上北翼地層總體傾向南，產狀165°～230°∠20°～45°，南翼地層總體傾向東，產狀80°～105°∠30°～55°。

輸水隧洞自北向南發育規模較大斷裂有F1111（長安斷裂）［1］、F4921（燕川斷裂）、F3411（臺水口斷裂）、F1121（樓村斷裂）、F3341（黃草坑頂斷裂）、F1211（玉律斷裂）等斷裂，性狀見表3。斷裂及影響帶寬數米至數十米不等，另外鉆孔揭露近百條數厘米至數米寬的小規模斷層，中陡傾角為主。

2.4巖體風化

輸水隧洞區位于亞熱帶與熱帶過渡地帶，雨量充沛，氣候悶熱潮濕，巖體風化強烈，隨巖性、地貌單元不同，其風化特征存在顯著差異，沉積巖風化帶厚度一般較薄，變質巖、侵入巖呈全風化—強風化，一般較厚，其中侵入巖還存在球狀風化與不均一風化特征，且在河道、沖溝等部位多發育風化深槽。巖體以垂直風化為主，從上向下多具漸變的特點。隧洞區主要巖組風化特征見表4。

2.5水文地質

輸水隧洞區地表水主要受大氣降水補給。地下水主要包括上部土體、全強風化帶孔隙水和深部巖體的斷層水、裂隙水，均主要接受大氣降水入滲補給，丘陵區地下水排泄主要向兩側低地排泄，平原區主要通過地表水網向茅洲河排泄。

地下水按賦存介質可分為第四系孔隙水和基巖裂隙水。

第四系孔隙水主要分布于沖洪積層砂層中，為孔隙潛水，局部具承壓性，含水層包括細砂、中砂、礫砂層等，厚度0.8～14.4 m，具中等—強透水性，斷續、連續分布于隧洞區，地下水位埋深淺，一般1.0～6.4 m。

基巖裂隙水主要分布于巖體裂隙中，富水程度受裂隙、斷層、斷裂發育控制，局部具承壓性。鉆探期間進行終孔水位觀測，完成10個長期觀測孔觀測，地下水位埋深1.6～8.0 m（個別高出地表），平原區水位0.02～10.12 m；丘陵區水位隨地勢變化較大，水位高程13.77～72.63 m。

根據注水試驗、抽水試驗、壓水試驗、微水振蕩試驗、室內土工試驗成果，第四系填土層、沖洪積淤泥質黏土層為微—弱透水，第四系沖洪積中粗砂層為中等透水，礫砂層為中等—強透水，第四系殘積層為微—中等透水，基巖全風化層多為中等透水，黃婆山組（Zh）全風化層局部可呈強透水性。弱風化及微風化基巖以微透水—弱透水為主。各類強風化巖體、斷層及影響帶具弱—中等透水性，部分斷層具強透水性。

輸水隧洞區地表水、地下水對混凝土結構多具微腐蝕性，局部為弱—中等腐蝕性，對混凝土結構中鋼筋具微腐蝕性，對鋼結構一般具弱腐蝕性，局部為中等腐蝕性。

根據勘察揭露線路區地下水位及長期觀測地下水位資料，總體上劃分為三個水文地質單元，第一單元為進水口丘陵區至大頭崗山之間（見圖1），區內茅洲河為最低侵蝕基準面，地下水受大氣降水補給，向茅洲河排泄；第二單元為大頭崗山至阿婆髻山之間，與第一單元以大頭崗山分水嶺為界，區間內長流陂水為最低侵蝕基準面，大頭崗山南坡地下水向南運移，阿婆髻山北坡地下水向北運移，向長流陂水排泄，入長流陂水庫后沿新橋河終匯入茅洲河；第三單元為阿婆髻山至鐵崗水庫出口，與第二單元以阿婆髻山分水嶺為界，沿線地下水向兩側低地排泄，流入料坑河后入鐵崗水庫，終匯入珠江口。

2.6地應力

輸水隧洞沿線共布置地應力測試7個鉆孔，變質巖區1個，沉積巖區2個，加里東期侵入巖2個，燕山期侵入巖2個。

沉積巖區實測的最大主應力方向為N31°W～N43°W，最大水平主應力1.6～8.1 MPa，屬低地應力水平狀態，最大值深度為85 m，位于隧洞底板以下16 m處。洞身段附近最大水平主應力2.9～3.6 MPa。

變質巖區實測的最大主應力方向N40°E～N68°E，最大水平主應力3.5～6.5 MPa，屬低地應力水平狀態。最大值深度為90 m，位于隧洞底板以下30 m處。洞身段附近最大水平主應力3.5～4.6 MPa。

加里東期侵入巖區最大主應力方向N33°E～N37°E，最大水平主應力5.5～10.7 MPa，屬低—中等地應力水平狀態。最大值深度為86.0 m，位于隧洞底板以下16.8 m處。洞身段附近最大水平主應力 6.3～6.4 MPa。

燕山期侵入巖區孔深120 m以上最大主應力方向N23°E～N27°E，孔深120 m以下最大主應力方向N30°W～N42°W，最大水平主應力4.4～15.1 MPa，屬低—中等地應力水平狀態，最大值孔深為120.5 m，位于隧洞底板以下5.7 m處。洞身段附近最大水平主應力10.7～15.1 MPa。

2.7有毒害氣體及放射性

對輸水隧洞共18個鉆孔和玉律溫泉進行有害氣體現場檢測及室內檢測，在17個鉆孔孔內進行放射性檢測，檢測結果顯示：

（1） 沉積巖區無有毒有害氣體超標。

（2） 變質巖（Zh）區CO超標，個別孔CH4、HS2、SO2、Cl2超標。

（3） 燕山四期（ηγ5K1、γβ3K1）侵入巖區CO超標，個別孔CH4、Cl2超標。

（4） 加里東期（ηγO1）侵入巖區CO超標。

（5） 隧洞區測試未發現放射性物質超標。

2.8地 溫

輸水隧洞勘察中對沿線22個鉆孔進行了地溫測試。根據測試結果，一般孔深20 m以上為變溫層，地溫受氣候影響。

沉積巖區鉆孔測溫深度90 m，孔深15～90 m，溫度25.8～26.3 ℃，向下略有升高，地溫梯度約0.7 ℃/100 m。

變質巖區鉆孔測溫深度95～120 m，孔深10 m以下，溫度24.2～27.5 ℃，向下逐漸升高，地溫梯度約1.5 ℃/100 m。

加里東期侵入巖區鉆孔深度90 m，孔深10 m以下，溫度26.5～27.1 ℃，向下略有升高，地溫梯度約0.75 ℃/100 m。

燕山期侵入巖區鉆孔測溫深度46～135 m，孔深15～45 m，為一般恒溫層，溫度24.3～27.2 ℃，45 m以下，溫度24.6～284 ℃，向下溫度逐漸升高，地溫梯度一般為（1.1～2.5） ℃/100 m。

3隧洞主要工程地質問題

3.1隧洞涌水突泥

輸水隧洞沿線地下水位埋深淺，地表水體分布廣，隧洞圍巖中存在全風化—強風化巖體、斷層破碎帶，此類地質體具備儲水、導水的地質條件，存在涌水突泥問題。

（1） 全強風化巖體涌水突泥。

樁號K9+035～K9+195，該段長160 m，洞身位于強風花崗巖（ηγO1）中；洞頂強風化巖體厚度不足2 m，屬極軟巖、軟巖。洞頂以上巖體破碎，巖體呈散體結構，洞室極不穩定，強風化巖體具中等透水性，為富含水層，隧洞存在涌水突泥問題。

樁號K9+560～K9+700，該段長約140 m，洞身位于全風化花崗巖（ηγO1）中，巖體破碎，散體結構，全風化巖體具中等透水性，為主要含水層，中等—強富水性，存在涌水、突泥（沙）問題。

樁號K9+700～K9+830，該段長約130 m，洞頂位于強、弱風化花崗巖（ηγO1）帶界線附近；洞頂以上巖體較破碎—破碎，具中等透水性，存在涌水、突泥（沙）問題。

對輸水隧洞穿越上述風化深槽隧洞段進行涌水量預測，結果見表5。當TBM施工穿越上述洞段時，全強風化巖體在滲流作用下，易引起涌水、突泥（沙）、塌方，甚至地面塌陷。

（2） 斷裂破碎帶涌水突泥。

輸水隧洞自北向南穿越F1111、F4921、F3411、F1121、F3341、F1211及其分支等規模較大的斷裂。勘察過程中，對各斷裂帶進行了壓水試驗、提水試驗、微水振蕩式滲透試驗。勘察結果表明，斷裂帶主要為中等透水，部分為強透水或弱透水。TBM施工穿越上述斷裂帶時，易引發涌水、突泥（沙）。對隧洞穿越各斷裂進行了涌水量預測，結果見表6。

3.2軟弱圍巖變形

輸水隧洞穿越泥巖及泥質粉砂巖層（J1-2t、J1q）、全風化—強風化花崗巖帶（ηγO1）、斷層破碎帶等軟弱圍巖，這些巖體強度低，一般為Ⅴ類圍巖，在重力、地下水及地應力等作用下，存在軟弱圍巖變形問題，造成TBM卡機，影響其正常掘進。

（1） 泥巖、泥質粉砂巖、巖屑砂巖段圍巖變形分析。

輸水隧洞樁號K4+010～K6+880穿沉積巖區（茅洲河向斜），主要巖性為泥巖、泥質粉砂巖、巖屑砂巖、石英砂巖等，主要為Ⅴ類圍巖。根據室內試驗成果，微風化泥巖變形模量0.6 GPa，單軸飽和抗壓強度4.3 MPa，屬極軟巖，并具有遇水膨脹、失水開裂快速風化崩解特征；微風化泥質粉砂巖變形模量2.7 GPa，單軸飽和抗壓強度16.6 MPa，屬較軟巖；微風化巖屑砂巖變形模量0.6 GPa，單軸飽和抗壓強度6.9 MPa，屬軟巖。根據圍巖強度應力比判別，圍巖存在擠出變形風險。

（2） 全強風化花崗巖洞段圍巖變形分析。

隧洞樁號K9+035～K9+195及K9+560～K9+830穿全強風化花崗巖，巖體較破碎—破碎，巖體呈碎裂結構—散體結構，主要為Ⅴ類圍巖；全風化巖體呈土狀，性狀與砂性土相似，具塑性；強風化巖體多呈碎石土狀、碎塊狀；由全強風化巖體構成的圍巖極不穩定，圍巖存在坍塌、擠出變形風險。

（3） 斷層破碎帶圍巖變形分析。

隧洞經過區6條較大規模斷層（裂）主斷帶主要為斷層泥、碎裂巖、碎粉巖等軟弱構造巖，該類巖體屬軟巖，呈土狀或散體結構，一般為Ⅴ類圍巖，穩定性極差，圍巖存在坍塌、擠出變形風險。

3.3高外水壓力

輸水隧洞穿越大頭崗山和阿婆髻山隧洞埋深可達150～175 m，沿線地表地下水埋深較淺，一般數米，個別為二十余米，存在高外水壓力。

勘察過程中調查隧洞上部經過的外環高速大頭崗附近長流陂隧道，開挖過程中存在股狀涌水的情況（隧道洞底高程74 m），分析由隧道穿越大頭崗山F1121斷裂或裂隙密集帶等儲水構造引發。根據巖體滲透性和現場調查據規范對外水壓力進行折減，成果見表7。

3.4超硬巖TBM適宜性差

輸水隧洞樁號K14+120～K15+280圍巖為細粒黑云母花崗巖，巖體堅硬，根據巖石室內試驗成果，微風化—新鮮巖體飽和抗壓強度最高達211 MPa，磨蝕性試驗CAI值5.38，耐磨性強；圍巖聲波波速4 800～5 760 m/s，Kv=0.82，圍巖巖體較完整—完整，圍巖以Ⅱ類為主，圍巖強度應力比S＞4。TBM施工適宜性為C級，巖體強度對掘進效率有明顯影響，易損壞刀具，存在超硬巖TBM適宜性差的問題。

3.5有毒有害氣體問題

根據勘察成果，變質巖（Zh）區和侵入巖區（ηγO1、ηγ5K1、γβ3K1）CO均超標，個別鉆孔CH4、HS2、SO2、Cl2超標。輸水隧洞存在有毒有害氣體問題，建議在施工過程中做好監測預防工作，加強通風、排放措施。

3.6高地溫與熱害問題

據深圳本地資料，輸水隧洞樁號K14+125附近東側發育中高熱玉律溫泉（上升泉），距離隧洞軸線最近約920 m。玉律地熱田埋藏淺，受北東東向玉律斷裂（F1211）控制，平面上為長方橢圓形，地熱異常范圍：長度約220 m，寬約50～120 m，面積約0.20 km2，熱源深度一般在50～70 m之間，北淺南深，探明最大水溫高達71 ℃。

勘察過程中對隧洞線路玉律溫泉附近12個鉆孔進行地溫測試，根據成果隧洞洞身一定范圍內地溫為25.5～27.5 ℃，低于28 ℃，也未發現地溫異常。鑒于高地熱對工程影響的重要性、復雜性，建議施工期加強樁號K13+600～K15+300段監測，并預留防控措施。

4結 論

（1） 通過大量的勘察基本查明了輸水隧洞沿線工程地質條件和主要工程地質問題，為工程建設提供了可靠翔實的地質資料。

（2） 針對工程存在的主要地質問題，施工中應加強超前探測，選取合適的TBM掘進設備，或采取工程措施處理，確保工程順利實施。

參考文獻：

［1］《深圳地質》編寫組.深圳地質［M］.北京：地質出版社，2009.

［2］長江勘測規劃設計研究有限責任公司.羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程初步設計報告（第三篇工程地質）［R］.武漢：長江勘測規劃設計研究有限責任公司，2021.

（編輯：黃文晉）