罗田水库—铁岗水库输水隧洞地质问题勘探与论证

曾剑华 孙云志 李爱国 高健 乔帅 贺小林

摘要：罗田水库—铁岗水库输水隧洞依次穿越变质岩、沉积岩和侵入岩三大岩类，沿线发育6条较大规模断裂，下穿茅洲河、松岗河、阿婆髻水库等地表水体，隧洞工程地质条件复杂，软弱围岩变形、涌水突泥问题突出。通过现场勘察，基本查明了输水隧洞沿线工程地质条件和主要工程地质问题。针对工程存在的主要地质问题，施工中应加强超前探测，选取合适的TBM掘进设备，采取工程措施处理，确保工程顺利实施。

关键词：地质勘察； 隧洞工程； 涌水突泥； 软弱围岩变形； 超硬岩TBM适宜性; 罗田水库； 铁岗水库

中图法分类号： TV213.9

文献标志码： A

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

0引 言

罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程是珠江三角洲水资源配置工程深圳境内配套项目之一。工程位于深圳市西北部，输水隧洞自宝安区松岗东北部罗田水库取水，往南引入铁岗水库和沿途水厂。工程设计规模260万m3/d，输水干线长21.68 km，过流断面直径5.2 m，其中TBM施工段长19.29 km，隧洞埋深约50～170 m。

1区域构造稳定及地震情况

为查明隧洞工程区区域构造稳定和地震情况，进行了隧洞区“场地地震安全性评价”专题工作。据专题报告成果，隧洞区新构造运动表现以中新世以来地壳运动以区域性隆起为特征。挽近期，隧洞工程区在深圳断裂带及北西向断裂联合控制下，出现多次间歇性不均衡的升降运动，表现为深圳市东部地区相对西部地区抬升速度较快，深圳断裂以西普遍发育3级夷平面，深圳断裂以东普遍发育4级夷平面［1-2］。以输水隧洞线路为中心的8 km范围内无晚更新世以来的活动断裂构造，亦无2级以上的地震发生，历史最大地震对隧洞区影响的最大烈度为Ⅴ度。输水隧洞范围区属构造稳定性较好区域。据GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》，隧洞区基本地震动峰值加速度为010 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，相应的地震基本烈度为Ⅶ度区。

2隧洞工程地质条件

2.1地形地貌

输水隧洞区两端高、中间低，两端属丘陵地貌，地面高程一般50～248 m，最高点为阿婆髻山，峰顶高程248 m，中间为茅洲河冲洪积平原地貌的建城区，地面高程6～25 m。隧洞沿线有茅洲河、五指耙水库、长流陂水、阿婆髻水库、料坑河等地表水体分布［2］。

2.2地层岩性

隧洞区地表第四系分布广泛，主要有第四系人工填土、全新统和上更新统冲洪积及坡积、残积层，沿线第四系总厚小于24 m（图1～2及表1～2）。

2.3地质构造

输水隧洞区构造活动频繁，历经加里东运动至燕山运动期内的多次构造运动，形成了以北东向及北西向构造为主的断裂构造，并发育有茅洲河向斜。

茅洲河向斜发育在输水隧洞沿线茅洲河两岸，向斜轴总体北西向延伸，向南东倾覆，两翼宽约3 km，核部位于茅洲河至公明排洪渠之间，地层为侏罗系下中统塘厦组（J1-2t），两翼地层为侏罗系下统桥源组（J1q），隧洞线路上北翼地层总体倾向南，产状165°～230°∠20°～45°，南翼地层总体倾向东，产状80°～105°∠30°～55°。

输水隧洞自北向南发育规模较大断裂有F1111（长安断裂）［1］、F4921（燕川断裂）、F3411（台水口断裂）、F1121（楼村断裂）、F3341（黄草坑顶断裂）、F1211（玉律断裂）等断裂，性状见表3。断裂及影响带宽数米至数十米不等，另外钻孔揭露近百条数厘米至数米宽的小规模断层，中陡倾角为主。

2.4岩体风化

输水隧洞区位于亚热带与热带过渡地带，雨量充沛，气候闷热潮湿，岩体风化强烈，随岩性、地貌单元不同，其风化特征存在显著差异，沉积岩风化带厚度一般较薄，变质岩、侵入岩呈全风化—强风化，一般较厚，其中侵入岩还存在球状风化与不均一风化特征，且在河道、冲沟等部位多发育风化深槽。岩体以垂直风化为主，从上向下多具渐变的特点。隧洞区主要岩组风化特征见表4。

2.5水文地质

输水隧洞区地表水主要受大气降水补给。地下水主要包括上部土体、全强风化带孔隙水和深部岩体的断层水、裂隙水，均主要接受大气降水入渗补给，丘陵区地下水排泄主要向两侧低地排泄，平原区主要通过地表水网向茅洲河排泄。

地下水按赋存介质可分为第四系孔隙水和基岩裂隙水。

第四系孔隙水主要分布于冲洪积层砂层中，为孔隙潜水，局部具承压性，含水层包括细砂、中砂、砾砂层等，厚度0.8～14.4 m，具中等—强透水性，断续、连续分布于隧洞区，地下水位埋深浅，一般1.0～6.4 m。

基岩裂隙水主要分布于岩体裂隙中，富水程度受裂隙、断层、断裂发育控制，局部具承压性。钻探期间进行终孔水位观测，完成10个长期观测孔观测，地下水位埋深1.6～8.0 m（个别高出地表），平原区水位0.02～10.12 m；丘陵区水位随地势变化较大，水位高程13.77～72.63 m。

根据注水试验、抽水试验、压水试验、微水振荡试验、室内土工试验成果，第四系填土层、冲洪积淤泥质黏土层为微—弱透水，第四系冲洪积中粗砂层为中等透水，砾砂层为中等—强透水，第四系残积层为微—中等透水，基岩全风化层多为中等透水，黄婆山组（Zh）全风化层局部可呈强透水性。弱风化及微风化基岩以微透水—弱透水为主。各类强风化岩体、断层及影响带具弱—中等透水性，部分断层具强透水性。

输水隧洞区地表水、地下水对混凝土结构多具微腐蚀性，局部为弱—中等腐蚀性，对混凝土结构中钢筋具微腐蚀性，对钢结构一般具弱腐蚀性，局部为中等腐蚀性。

根据勘察揭露线路区地下水位及长期观测地下水位资料，总体上划分为三个水文地质单元，第一单元为进水口丘陵区至大头岗山之间（见图1），区内茅洲河为最低侵蚀基准面，地下水受大气降水补给，向茅洲河排泄；第二单元为大头岗山至阿婆髻山之间，与第一单元以大头岗山分水岭为界，区间内长流陂水为最低侵蚀基准面，大头岗山南坡地下水向南运移，阿婆髻山北坡地下水向北运移，向长流陂水排泄，入长流陂水库后沿新桥河终汇入茅洲河；第三单元为阿婆髻山至铁岗水库出口，与第二单元以阿婆髻山分水岭为界，沿线地下水向两侧低地排泄，流入料坑河后入铁岗水库，终汇入珠江口。

2.6地应力

输水隧洞沿线共布置地应力测试7个钻孔，变质岩区1个，沉积岩区2个，加里东期侵入岩2个，燕山期侵入岩2个。

沉积岩区实测的最大主应力方向为N31°W～N43°W，最大水平主应力1.6～8.1 MPa，属低地应力水平状态，最大值深度为85 m，位于隧洞底板以下16 m处。洞身段附近最大水平主应力2.9～3.6 MPa。

变质岩区实测的最大主应力方向N40°E～N68°E，最大水平主应力3.5～6.5 MPa，属低地应力水平状态。最大值深度为90 m，位于隧洞底板以下30 m处。洞身段附近最大水平主应力3.5～4.6 MPa。

加里东期侵入岩区最大主应力方向N33°E～N37°E，最大水平主应力5.5～10.7 MPa，属低—中等地应力水平状态。最大值深度为86.0 m，位于隧洞底板以下16.8 m处。洞身段附近最大水平主应力 6.3～6.4 MPa。

燕山期侵入岩区孔深120 m以上最大主应力方向N23°E～N27°E，孔深120 m以下最大主应力方向N30°W～N42°W，最大水平主应力4.4～15.1 MPa，属低—中等地应力水平状态，最大值孔深为120.5 m，位于隧洞底板以下5.7 m处。洞身段附近最大水平主应力10.7～15.1 MPa。

2.7有毒害气体及放射性

对输水隧洞共18个钻孔和玉律温泉进行有害气体现场检测及室内检测，在17个钻孔孔内进行放射性检测，检测结果显示：

（1） 沉积岩区无有毒有害气体超标。

（2） 变质岩（Zh）区CO超标，个别孔CH4、HS2、SO2、Cl2超标。

（3） 燕山四期（ηγ5K1、γβ3K1）侵入岩区CO超标，个别孔CH4、Cl2超标。

（4） 加里东期（ηγO1）侵入岩区CO超标。

（5） 隧洞区测试未发现放射性物质超标。

2.8地 温

输水隧洞勘察中对沿线22个钻孔进行了地温测试。根据测试结果，一般孔深20 m以上为变温层，地温受气候影响。

沉积岩区钻孔测温深度90 m，孔深15～90 m，温度25.8～26.3 ℃，向下略有升高，地温梯度约0.7 ℃/100 m。

变质岩区钻孔测温深度95～120 m，孔深10 m以下，温度24.2～27.5 ℃，向下逐渐升高，地温梯度约1.5 ℃/100 m。

加里东期侵入岩区钻孔深度90 m，孔深10 m以下，温度26.5～27.1 ℃，向下略有升高，地温梯度约0.75 ℃/100 m。

燕山期侵入岩区钻孔测温深度46～135 m，孔深15～45 m，为一般恒温层，温度24.3～27.2 ℃，45 m以下，温度24.6～284 ℃，向下温度逐渐升高，地温梯度一般为（1.1～2.5） ℃/100 m。

3隧洞主要工程地质问题

3.1隧洞涌水突泥

输水隧洞沿线地下水位埋深浅，地表水体分布广，隧洞围岩中存在全风化—强风化岩体、断层破碎带，此类地质体具备储水、导水的地质条件，存在涌水突泥问题。

（1） 全强风化岩体涌水突泥。

桩号K9+035～K9+195，该段长160 m，洞身位于强风花岗岩（ηγO1）中；洞顶强风化岩体厚度不足2 m，属极软岩、软岩。洞顶以上岩体破碎，岩体呈散体结构，洞室极不稳定，强风化岩体具中等透水性，为富含水层，隧洞存在涌水突泥问题。

桩号K9+560～K9+700，该段长约140 m，洞身位于全风化花岗岩（ηγO1）中，岩体破碎，散体结构，全风化岩体具中等透水性，为主要含水层，中等—强富水性，存在涌水、突泥（沙）问题。

桩号K9+700～K9+830，该段长约130 m，洞顶位于强、弱风化花岗岩（ηγO1）带界线附近；洞顶以上岩体较破碎—破碎，具中等透水性，存在涌水、突泥（沙）问题。

对输水隧洞穿越上述风化深槽隧洞段进行涌水量预测，结果见表5。当TBM施工穿越上述洞段时，全强风化岩体在渗流作用下，易引起涌水、突泥（沙）、塌方，甚至地面塌陷。

（2） 断裂破碎带涌水突泥。

输水隧洞自北向南穿越F1111、F4921、F3411、F1121、F3341、F1211及其分支等规模较大的断裂。勘察过程中，对各断裂带进行了压水试验、提水试验、微水振荡式渗透试验。勘察结果表明，断裂带主要为中等透水，部分为强透水或弱透水。TBM施工穿越上述断裂带时，易引发涌水、突泥（沙）。对隧洞穿越各断裂进行了涌水量预测，结果见表6。

3.2软弱围岩变形

输水隧洞穿越泥岩及泥质粉砂岩层（J1-2t、J1q）、全风化—强风化花岗岩带（ηγO1）、断层破碎带等软弱围岩，这些岩体强度低，一般为Ⅴ类围岩，在重力、地下水及地应力等作用下，存在软弱围岩变形问题，造成TBM卡机，影响其正常掘进。

（1） 泥岩、泥质粉砂岩、岩屑砂岩段围岩变形分析。

输水隧洞桩号K4+010～K6+880穿沉积岩区（茅洲河向斜），主要岩性为泥岩、泥质粉砂岩、岩屑砂岩、石英砂岩等，主要为Ⅴ类围岩。根据室内试验成果，微风化泥岩变形模量0.6 GPa，单轴饱和抗压强度4.3 MPa，属极软岩，并具有遇水膨胀、失水开裂快速风化崩解特征；微风化泥质粉砂岩变形模量2.7 GPa，单轴饱和抗压强度16.6 MPa，属较软岩；微风化岩屑砂岩变形模量0.6 GPa，单轴饱和抗压强度6.9 MPa，属软岩。根据围岩强度应力比判别，围岩存在挤出变形风险。

（2） 全强风化花岗岩洞段围岩变形分析。

隧洞桩号K9+035～K9+195及K9+560～K9+830穿全强风化花岗岩，岩体较破碎—破碎，岩体呈碎裂结构—散体结构，主要为Ⅴ类围岩；全风化岩体呈土状，性状与砂性土相似，具塑性；强风化岩体多呈碎石土状、碎块状；由全强风化岩体构成的围岩极不稳定，围岩存在坍塌、挤出变形风险。

（3） 断层破碎带围岩变形分析。

隧洞经过区6条较大规模断层（裂）主断带主要为断层泥、碎裂岩、碎粉岩等软弱构造岩，该类岩体属软岩，呈土状或散体结构，一般为Ⅴ类围岩，稳定性极差，围岩存在坍塌、挤出变形风险。

3.3高外水压力

输水隧洞穿越大头岗山和阿婆髻山隧洞埋深可达150～175 m，沿线地表地下水埋深较浅，一般数米，个别为二十余米，存在高外水压力。

勘察过程中调查隧洞上部经过的外环高速大头岗附近长流陂隧道，开挖过程中存在股状涌水的情况（隧道洞底高程74 m），分析由隧道穿越大头岗山F1121断裂或裂隙密集带等储水构造引发。根据岩体渗透性和现场调查据规范对外水压力进行折减，成果见表7。

3.4超硬岩TBM适宜性差

输水隧洞桩号K14+120～K15+280围岩为细粒黑云母花岗岩，岩体坚硬，根据岩石室内试验成果，微风化—新鲜岩体饱和抗压强度最高达211 MPa，磨蚀性试验CAI值5.38，耐磨性强；围岩声波波速4 800～5 760 m/s，Kv=0.82，围岩岩体较完整—完整，围岩以Ⅱ类为主，围岩强度应力比S＞4。TBM施工适宜性为C级，岩体强度对掘进效率有明显影响，易损坏刀具，存在超硬岩TBM适宜性差的问题。

3.5有毒有害气体问题

根据勘察成果，变质岩（Zh）区和侵入岩区（ηγO1、ηγ5K1、γβ3K1）CO均超标，个别钻孔CH4、HS2、SO2、Cl2超标。输水隧洞存在有毒有害气体问题，建议在施工过程中做好监测预防工作，加强通风、排放措施。

3.6高地温与热害问题

据深圳本地资料，输水隧洞桩号K14+125附近东侧发育中高热玉律温泉（上升泉），距离隧洞轴线最近约920 m。玉律地热田埋藏浅，受北东东向玉律断裂（F1211）控制，平面上为长方椭圆形，地热异常范围：长度约220 m，宽约50～120 m，面积约0.20 km2，热源深度一般在50～70 m之间，北浅南深，探明最大水温高达71 ℃。

勘察过程中对隧洞线路玉律温泉附近12个钻孔进行地温测试，根据成果隧洞洞身一定范围内地温为25.5～27.5 ℃，低于28 ℃，也未发现地温异常。鉴于高地热对工程影响的重要性、复杂性，建议施工期加强桩号K13+600～K15+300段监测，并预留防控措施。

4结 论

（1） 通过大量的勘察基本查明了输水隧洞沿线工程地质条件和主要工程地质问题，为工程建设提供了可靠翔实的地质资料。

（2） 针对工程存在的主要地质问题，施工中应加强超前探测，选取合适的TBM掘进设备，或采取工程措施处理，确保工程顺利实施。

参考文献：

［1］《深圳地质》编写组.深圳地质［M］.北京：地质出版社，2009.

［2］长江勘测规划设计研究有限责任公司.罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程初步设计报告（第三篇工程地质）［R］.武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2021.

（编辑：黄文晋）