东莞至惠州城际轨道交通东江隧道主要工程地质问题研究

2020-06-16孙宝忠

铁道勘察 2020年3期

孙宝忠

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

下穿大型水系的隧道工程需采用综合的勘察方法来研究其工程地质和水文地质问题[1]。廖全涛等采用浅层地震反射法对武汉长江隧道进行水上勘察，得出了浅层地震反射法结合地质调查可以较为准确地推测地质体的结论[2]。蒙明辉等采用综合勘察方法研究重庆市江津区长江隧道的工程地质问题[3]，确定了该隧道的围岩分级，但无法对隧道的涌水量进行计算。徐军政采用地质调绘、钻探、地震物探等方法，研究了厦门地铁3号线跨海段的主要工程地质问题，从地质角度选择了合理的线路纵断面[4]，其优点为多种勘察方法可相互验证，但是缺少隧道围岩地层产状、构造的直观影响信息。蔡盛运用物探磁法查找地质构造，其优点为效率高且不受地形的限制，但是受周边环境影响大，精度较低[5]。以下采用一孔多用(全景钻孔摄像、声波测井)、水文地质试验、土工试验等方法，研究东江隧道涌水、软土大变形、软岩变形等工程地质和水文地质特征。

1 工程概况

东莞至惠州城际轨道交通是珠三角城际交通网的重要组成部分，起点为东莞望洪站，终点为惠州客运北站，呈东西走向，正线全长99.841 km。东江隧道位于惠州市境内，隧道正线全长15.110 km，包括4站4区间。隧道下穿大型水系东江，地下车站及隧道周边环境复杂，具有地层岩性多变、地下水丰富、工程地质和水文地质条件复杂等特点，为极高风险隧道[6]。东江隧道位置见图1。

图1 东江段隧道位置

2 工程地质特征

2.1 地形地貌

东江隧道主要位于惠阳断陷盆地内的东江冲积平原区，地形平坦、开阔，房屋密集，交通便利。

2.2 地层岩性特征

上覆第四系①粉质黏土(软-硬塑)、②淤泥质粉质黏土(流塑)、③细砂(稍密，饱和)、④粗砂(稍密，饱和)、⑤细圆砾土(中密，饱和)；下伏第三系含砾砂岩、泥质粉砂岩、泥岩，地层产状为70°∠20～30°；侏罗系下统凝灰质粉砂岩；燕山期花岗闪长岩。地层岩性分布情况见图2[6]。

图2 东江隧道线路走向综合地质剖面

东江段隧道洞身主要走行于含砾砂岩、粗砂、细圆砾土层。地下车站明挖穿越淤泥质粉质黏土、细砂、泥岩、泥质粉砂岩等地层。

其中，淤泥质粉质黏土的软土大变形，粗砂、细圆砾土的强透水性，泥岩和泥质粉砂岩的遇水软化、暴晒崩解等特点对隧道工程影响较大。

2.3 地质构造特征

东江隧道位于惠阳断陷盆地内，主要受北东向的观洞水库断裂、北北西向的惠州断裂、近北东东向的樟木头断裂控制[8]。断陷盆地控制了第三系、第四系的地层沉积及东江水系在盆地内的走向。东江隧道地质构造见图3。

图3 东江隧道地质构造

观洞水库断裂、樟木头断裂自晚更新世以来无明显的活动性，距离线路最近处约2.5 km，对隧道工程的影响较小。

惠州断裂与东江隧道相交，对隧道影响较大。

3 水文地质条件

沿线地表水系主要为东江、西湖。东江为珠江水系干流之一，江面宽阔(550 m)，水流量大(7 000 m3/s)，四季通航。

东江隧道地下水类型为孔隙水、基岩裂隙水。①孔隙水：主要含水层为第四系全新统冲积砂层，其补给方式主要为大气降水，排泄方式为大气蒸发。东江北岸砂层中的孔隙水，其上部被冲积黏性土所覆盖，具微承压性；东江两岸的孔隙水与东江水具有相互补给的特点。②基岩裂隙水：主要赋存于粉砂岩、含砾砂岩、花岗闪长岩的节理裂隙中，全、强风化层含水量较大，弱风化层含水量较小。孔隙水与基岩裂隙水局部具连通性。东江附近的基岩裂隙水受东江水直接渗入补给。

4 主要工程地质问题及防护措施

4.1 隧道突涌水

东江隧道在西湖站—云山西路站区间的DK99+230～DK99+780段落下穿东江(水深超过15 m，流量7 000 m3/s)。东江BD2Z-DJCS-1钻孔资料显示：东江水深15 m；0.00～8.00 m为细砂；8.00～11.00 m为细圆砾土；11.00～19.60 m为强风化含砾砂岩；19.60～33.60 m为弱风化含砾砂岩。隧道下穿东江段，隧道洞身走行于弱风化含砾砂岩层内，东江北岸隧道洞身走行于粗砂、细圆砾土层内。

东江隧道含水层接受东江水补给，与东江有直接的水力联系，存在隧道突涌水风险。突涌水是水下隧道需重点研究的地质问题[8]。因此，采用全景钻孔摄像、声波测井工程物探、水文地质试验等方法，研究了该隧道的突涌水问题。

(1)全景钻孔摄像

为查明隧道洞身范围的岩体完整性，采用了BHC-TV型数字式全景钻孔摄像系统，进行钻孔全方位、全柱面观测成像。可以观测钻孔中地质体的地层岩性、岩石结构、构造、节理裂隙、地层产状(倾向、倾角)等[9]， BD2Z-GDJ-09钻孔的全景摄像见图4、图5。

图4 强风化含砾砂岩

图5 弱风化含砾砂岩

图4显示强风化岩体节理裂隙发育，岩石较破碎；图5显示弱风化岩石节理裂隙不发育，岩体较完整，岩层产状为260°∠17°。

(2)声波测井

利用现场测试获得的岩体纵波波速、实验室获得的岩块弹性纵波速度，计算岩体完整性系数，对岩体完整程度进行划分。岩体完整性系数计算公式为

KV=(Vpm/Vpr)2

(1)

式中Vpm——岩体弹性纵波速度；

Vpr——岩块弹性纵波速度。

KV与岩体完整程度的对应关系见表1。

表1 KV与岩体完整程度的对应关系

采用TH200-Y型岩体声波参数测试仪对东江隧道BD2Z-GDJ-09钻孔进行了现场岩体纵波波速测试，并在实验室进行了岩石弹性纵波速度测试，对应的岩石完整性系数见表2。

表2 含砾砂岩岩体完整性系数

表2显示：强风化含砾砂岩破碎；弱风化含砾砂岩岩体较完整。

(3)水文地质试验

在东江隧道钻孔BD2Z-DJCS-1进行了非完整潜水抽水水文地质试验，得到渗透系数K的取值。

①细砂层：渗透系数K=5.0 m/d，具中等透水性；

②粗砂层：渗透系数K=50.0 m/d，具强透水性；

③细圆砾土层：渗透系数K=75.0 m/d，具强透水性；

④强风化含砾砂岩：渗透系数K=1.0 m/d，具中等透水性；

⑤弱风化含砾砂岩：渗透系数K=0.05 m/d，具弱透水性。

东江隧道下穿东江段的隧道洞顶走行于弱风化含砾砂岩层内，隧道正常涌水量可采用裘布依理论公式进行预测，即

(2)

式中Qs——隧道正常涌水量/(m3/d)；

K——含水体渗透系数/(m/d)；

H——洞底以上潜水含水层厚度/m；

h——洞内排水沟假设水深/m(按0考虑)；

Ry——隧道涌水地段的引用补给半径/m；

r——洞身横断面等价圆半径(按3.85 m计)；

L——隧道通过含水体长度/m(按10 m计)。

下穿东江段东江隧道洞身走行于弱风化含砾砂岩层内，按照裘布依理论公式计算的隧道涌水量见表3。

表3 隧道涌水量估算

东江隧道洞身为弱风化含砾砂岩，其隧道涌水量估算为4.38 m3/d。

东江北岸GDK100+030～GDK100+246段落：隧道洞身走行于粗砂、细圆砾土层内，按照裘布依理论公式计算的隧道涌水量见表4。

表4 隧道涌水量估算

注：渗透系数取粗砂与细圆砾土的平均值(62.5 m/d)。

东江隧道洞身穿越粗砂、细圆砾土层，其隧道涌水量估算为123.7 m3/d。

全景钻孔摄像和声波测井成果显示，弱风化含砾砂岩岩体节理裂隙不发育，岩体完整性较好。水文地质试验结果显示，弱风化含砾砂岩层与东江地表水的水力联系较差。

钻探揭示，下穿东江段的含砾砂岩弱风化面埋深在20 m左右。下穿东江段的隧道洞身走行于弱风化含砾砂岩层中，可以有效避免隧道突涌水问题(弱风化含砾砂岩层的隧道突涌水风险较低)。

东江北岸GDK100+030～GDK100+246段落：隧道洞身走行于粗砂、细圆砾土层内，隧道洞身内的含水层水头低于东江江底高程，盾构施工时易形成较大的水头差，若工作面及隧道洞身防水措施不当，极易引发隧道突涌水，淹没隧道，对人员和设备造成灾难性的破坏。该段落隧道突涌水风险极高，为施工阶段监测、防护的重点地段[10]。

隧道内易产生突涌水问题的土层主要为④粗砂、⑤细圆砾土。在隧道开挖过程中，应特别重视粗砂、细圆砾土层引发的隧道突涌水问题，施工时应做好防排水措施[11]。

防护措施：采用泥水式盾构掘进施工工法；根据实测监测数据，调整与开挖地层相适应的掘进参数，严格控制掘进速度、出土量及注浆量[12]。

4.2 软土大变形

西湖站下穿西湖，结构底板埋深17.5 m，采用明挖法施工。西湖区域表层分布有淤泥、淤泥质粉质黏土层，主要呈灰黑色，流塑状，多夹腐殖物，厚2.5～4.9 m。室内土工试验测试的淤泥质粉质黏土的岩土物理力学指标值见表5。

表5 岩土物理力学指标值

西湖区域的淤泥质粉质黏土具有高含水量、大孔隙比、高压缩性、低强度、高灵敏度、明显的触变和流变特性等软土特征。在基坑开挖过程中极易造成土体结构破坏、强度降低。淤泥和淤泥质粉质黏土的排水固结时间很长，易造成工后沉降大、沉降不均匀等问题[6]。

防治措施：软土对本工程深基坑的影响较大，应进行软土地基处理，并加强基坑支挡防护。

4.3 软岩变形

西湖站、云山西路站、客运北站及其区间隧道均位于惠阳断陷盆地内，发育第三系含砾砂岩、泥质粉砂岩、泥岩。西湖站-云山西路站区间隧道钻孔BD2Z-XS-42弱风化泥岩、BD2Z-YSZ-9弱风化泥质粉砂岩的岩石抗压强度试验结果分别见表6、表7。

表6 泥岩抗压强度 MPa

表7 泥质粉砂岩抗压强度 MPa

岩石抗压强度试验结果表明：弱风化泥岩在天然状态下的单轴抗压强度为18.67～19.63 MPa，软化系数为0.28～0.37。弱风化泥质粉砂岩在天然状态下的单轴抗压强度为18.76～21.63 MPa，软化系数为0.41～0.53。泥岩和泥质粉砂岩均属于软岩，泥岩和泥质粉砂岩浸水后易崩解，岩石强度明显降低，尤其是泥岩的强度降低更为明显。泥岩和泥质粉砂岩失水爆晒后会发生龟裂。因此，东江隧道工程范围内的泥岩和泥质粉砂岩抗风化能力均较低[13]。

西湖站、云山西路站、客运北站及隧道区间部分浅埋地段为明挖法施工。泥岩和泥质粉砂岩的抗风化能力很差，施工过程中易遭受暴晒，发生龟裂、岩石变形，风化后岩石强度和地基承载力明显降低，严重影响构筑物的稳定性，需要采取相应措施。

防护措施：加强防排水，防止基坑积水，及时对基坑壁、底进行封闭防护，避免发生浸水软化；防止岩石爆晒脱水后发生龟裂和崩解。西湖站、云山西路站、客运北站均采用了地下连续墙等工程措施，起到截水、支挡防护的双重作用，对基坑起到了较好的保护作用。

4.4 流砂

云山西路站局部地段分布有1.0～2.6 m的③细砂层，GDK104+247～GDK104+927区间隧道分布有1.9～7.9 m厚的③细砂层，均为明挖法施工。在基坑开挖过程中需进行人工降水，使得基坑外围地下水位高于基坑内的地下水位，导致地下水由四周流向基坑内，易发生流砂问题[14]。流砂发生时，地下水携带大量的粉细砂土涌入基坑，从而引发基坑边坡失稳、坍塌及地面塌陷等次生地质灾害，危及基坑周边行人、车辆及建(构)筑物安全。

防护措施：采用地下连续墙，可以起到防水、支护、承重的三重作用。

4.5 基坑开挖引发周边地面及建筑物变形

西湖站毗邻西湖，周边建(构)筑物密集，行人、车辆流动密度大，地下管线密布，周边环境复杂，地下水埋深较浅(1.70～3.10 m)，基坑开挖深度大(25.00～27.58 m)，岩土条件较差。基坑开挖易产生边坡滑塌、流泥、突(涌)水、流沙、地表沉降、塌陷等次生灾害，导致邻近建(构)筑物的变形、倾斜或管道破裂，危及周边行人、车辆、建(构)筑物安全[15]。

防治措施：加强基坑防护、防排水措施。采用“地下连续墙+内支撑”措施。