馮建偉 雷世兵 曾劍華 何愛文 王銳 劉潤方
摘要：為了研究深埋隧洞TBM施工在穿越花崗巖分布區時可能遭遇的地質風險，以貫穿深圳市西部的羅田水庫―鐵崗水庫輸水隧洞工程為例，通過野外地質測繪、地球物理勘探和巖石室內外試驗，探討燕山四期花崗巖的成因、類型，重點研究花崗巖的主要工程地質特性，并對深埋隧洞突出的地質風險進行預測。研究表明：深圳市西部地區的花崗巖主要為二長花崗巖和花崗閃長巖，微風化巖體具有良好的物理力學特性，巖石具有高―極高磨蝕性，受巖體風化、蝕變和斷裂構造等影響性狀變差；
隧洞TBM施工時突出的地質風險主要有超硬巖適宜性、超深風化深槽、隧洞涌水和圍巖穩定等問題。研究成果可以為類似大埋深（隧洞）工程提供借鑒。
關鍵詞：花崗巖；
工程地質特性；
地質風險；
深埋隧洞；
羅田水庫；
鐵崗水庫
中圖法分類號：
TU451
文獻標志碼：
A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.017
0引 言
深圳市境內花崗巖分布廣泛，花崗巖地層約占區內面積50%以上。改革開放以來，隨著經濟的快速發展，深圳市開展了大量的城市建設，高層建筑、市政交通等各類工程建設的開挖深度從20世紀80年代的一層地下室快速增長到現在的2～4層地下室，深度 20 m以上也屢見不鮮［1-2］，受限于城市規劃或當時技術手段，大部分工程開挖深度一般在30 m范圍內。長期以來，國內外眾多學者對花崗巖的研究集中在花崗巖的成因分類，以及花崗巖殘積土和全強風化帶的物理力學性質等方面。學者在深圳地區對花崗巖的研究，主要圍繞花崗巖殘積土和全強風化帶內的高邊坡、深基坑以及地下洞室圍巖穩定性等問題開展［3-8］，為淺層地下工程建設積累了豐富經驗。隨著深圳市城市地下空間利用需求的日益增長，新興的軌道交通、綜合管廊和跨區引調水等工程呈現出向地下更深處發展的趨勢，這些工程由于埋深大、地質條件復雜，隧洞施工過程中會遇到各種不良地質條件并引發隧洞塌方、突涌水等危害，輕則影響施工進度，重則出現人員傷亡。因此，高度重視深埋隧洞施工中的各種地質風險是很有必要的。
羅田水庫―鐵崗水庫輸水隧洞工程位于深圳市西部，是深圳市重大項目。工程輸水主干線全長21.6 km，采用深埋隧洞方案，埋深一般大于50 m（最大埋深175 m）。隧洞穿越的燕山四期花崗巖（ηγ5K1、γβ3K1）長度11.62 km、占主干線53.6%，在勘察過程中取得了該時期花崗巖的大量地質資料，且該時期花崗巖在深圳西部分布范圍較廣，具有研究代表性。對羅田水庫―鐵崗水庫輸水隧洞工程燕山四期花崗巖的工程地質特性和地質風險進行研究，可以為類似大埋深（隧洞）工程提供借鑒。
1工程地質背景
研究區在大地構造位置上屬于華南地槽褶皺系（一級單元）的一部分，位于右江地槽褶皺系（二級單元）的永梅―惠陽拗陷（三級單元）中，是加里東褶皺基底上發育而成的晚古生代凹陷，其后被中、新生代構造疊加、改造，形成以北東向斷裂為主，北西及東西向斷裂次之，加里東期混合花崗巖侵入及燕山期花崗巖大面積侵入的格局。由于地處新華夏蓮花山斷裂構造帶南西段，并受到多期次的斷裂和巖漿活動，對地層破壞明顯，造成褶皺構造展布形式難以確定，區域構造復雜。構造形跡以斷層、裂隙為主。輸水隧洞穿越F1111、F4291、F3411、F3411-1、F11211、F3341、F1211等區域斷裂分支，斷裂及影響帶寬數米至數十米不等（圖1）。
研究區地層由沉積巖、火山巖和侵入巖共同組成。沉積巖主要有寒武系和白堊系地層，次為泥盆系、石炭系、震旦系、南華系地層，二疊系、奧陶系、古近系地層零星分布。火山巖主要是侏羅系地層。區內侵入巖有加里東期、印支期、燕山二期―五期的花崗巖，其中隧洞工程主要穿越了加里東期和燕山四期的花崗巖。第四系厚度一般10～20 m，下伏基巖花崗巖居多。
2花崗巖巖石學特征
本次燕山四期花崗巖用于巖石學特征研究的樣品共20件，鑒定測試工作由中國地質大學（武漢）分析測試中心完成。
燕山四期花崗巖呈肉紅夾灰白色、灰-灰白色，細粒、中粗-粗粒結構為主，局部斑狀結構，塊狀構造。巖石主要礦物為石英（20%～32%）、鉀長石（10%～45%）和斜長石（15%～50%），次要礦物則為黑云母、角閃石等。此外還有白云母、絹云母和綠泥石的存在，表征部分巖石發生蝕變（表1）。
花崗巖分為花崗閃長巖和二長花崗巖兩類（圖2），總體上具有高硅、富堿（圖3）、貧鈣、低Mg、Ti、P等特點，其地球化學特征與物質來源密切相關，屬于殼源重熔型花崗巖類（等同于徐克勤等提出的陸殼改造型）。按照ISMA分類方案，樣品具有Na2O含量低、鋁飽和指數高（A/CNK＞1.1）、鎂鐵質礦物低等特點，花崗巖屬于鋁質S型花崗巖（圖4）。
3花崗巖主要工程地質特性
花崗巖是公認性能良好的巖石，是人類最早發現和利用的天然巖石之一。花崗巖由于受自身礦物化學組分、氣候、地下水和地質構造等內外因素的影響，呈現出不同于一般地層的工程地質特點。本次在鉆孔內采取了花崗巖巖樣進行室內巖石物理力學等指標試驗，試驗成果按風化狀態進行了統計。
3.1風化規律
深圳市屬亞熱帶氣候，高溫多雨，為花崗巖的風化提供了有利條件。區內燕山四期花崗巖分布于五指耙水庫以南，風化強烈，地貌上多為殘丘或低丘陵。綜合野外地質測繪、鉆孔巖芯特點和縱波波速等（表2），花崗巖風化具有以下規律。
（1） 在垂直方向上具有明顯的分帶性，自上而下依次分為全風化、強風化、弱風化和微風化4個風化帶。各風化帶分布穩定，一般不缺失，風化帶總厚度10～50 m，但厚薄不一，全風化帶厚度＞弱風化帶厚度＞強風化帶厚度。
（2） 在水平方向上，風化帶由北向南逐漸變厚。亞婆髻山（樁號15+500～17+700）以北為ηγ5K1花崗巖，風化帶厚度10～20 m；
以南為γβ3K1花崗巖，風化帶厚度15～50 m。兩種不同時代花崗巖有較明顯的風化差異。
（3） 花崗巖以中粗粒結構為主，細粒花崗巖分布范圍小，主要出露于大頭崗―亞婆髻兩座殘丘之間。總體上細粒花崗巖風化帶厚度比粗粒花崗巖小5～10 m，在一定程度上反映了細粒結構巖石的抗風化能力相對較強。
3.2物理力學性質
（1） 物理性質。
表3為花崗巖的主要巖石物理性質試驗統計結果，表內省略了測試數據，均為有效試驗數據統計獲得的平均值，表4～6亦為此標準。
由表3可知，巖石的密度、孔隙率等指標離散性小，表明了花崗巖結構穩定，礦物分布均勻，巖石可按各向同性材料考慮；
細粒結構花崗巖的密度指標大于粗粒結構花崗巖，而吸水率、飽水率和孔隙率等指標小于粗粒結構花崗巖；
各類花崗巖的密度指標隨著風化加深均呈降低趨勢，吸水率、飽水率和孔隙率指標均呈增加趨勢。
（2） 力學性質。巖石的力學性質主要包括強度和變形兩個方面。巖石強度一般包括抗壓強度和抗剪強度等；
巖石變形是巖石在荷載作用下發生的物理現象，彈性模量、變形模量和泊松比是目前工程界最常用的變形指標。區內花崗巖的強度和變形性質試驗統計結果見表4和表5。
由表4、表5可知：隨著風化加深，巖石強度逐漸降低，變形性質加強；
各類花崗巖力學性能從高到底依次為細粒花崗巖ηγ5K1→粗粒花崗巖ηγ5K1→粗粒花崗巖γβ3K1。
巖石各力學性質指標之間差異很大。但注意到的是，物理性質、縱波波速、力學性質等都隨著風化程度的加深而有規律的變化，縱波波速、單軸抗壓強度、彈性模量和變形模量等對風化狀態較為敏感，且這些指標具有很好的相關性（圖5、圖6）。
（3） 巖體透水性。
據現場500余組壓水試驗（其中斷層破碎帶壓水試驗22段）和10組微水振蕩試驗成果（表6），兩種花崗巖透水性相差不大，均以微透水—弱透水為主，斷層發育、巖體破碎段以弱—中等透水為主，局部強透水。
（4） 磨蝕性。
TBM在巖層中掘進中，不可避免地會遇到刀具磨損問題。刀具磨損與工程地質條件有很大關系，尤其與隧洞圍巖的巖石磨蝕性密切相關。巖石的磨蝕性一般用巖石磨蝕性指數CAI值來表示，主要利用巖石試樣與鋼質針錐之間進行劃刻摩擦而測得，它的大小反映了巖石對TBM刀盤和刀具的磨損程度，通常由巖石等效石英含量和單軸抗壓強度等共同確定。依據Cerchar試驗室CAI分級標準（鋼針硬度54～56）［9］，當CAI值位于2.0～4.0時，巖石具有高磨蝕性；
當CAI值位于4.0～6.0時，巖石具有極高磨蝕性。區內微風化花崗巖的磨蝕性指數CAI值2.95～5.38，巖石具有高―極高磨蝕性（表7）。
3.3不良地質體
不良地質體指由地球作用產生的，對工程建設具有危害性的局部地質體。區內地質構造復雜，受地形地貌、斷裂構造和巖性控制，隧洞沿線分布的不良地質體主要有斷層破碎帶、風化槽、軟硬巖體分界面、地層蝕變帶和超硬巖等。除超硬巖外，這些不良地質體處巖體的力學強度會降低，工程性狀變差，且透水、富水性較強，隧洞施工時存在圍巖穩定和突涌水等問題。
4深埋隧洞地質風險預測
隧洞開挖采用TBM施工，洞身大部分位于微風化花崗巖中，巖體總體上具有良好的工程地質特性，受不良地質體的影響，突出的地質風險主要有超硬巖TBM適宜性、超深風化深槽、隧洞涌水和圍巖穩定等問題。
4.1超硬巖TBM適宜性問題
大頭崗―亞婆髻兩座殘丘之間分布有細粒花崗巖，隧洞穿越長度約1.1 km，微新巖石單軸飽和抗壓強度一般大于150 MPa（最大達201 MPa），強度高，為超硬巖；
石英含量高，磨蝕性試驗CAI值5.38，耐磨性強；
圍巖聲波波速4 800～5 700 m/s，完整性系數Kv=0.84，圍巖較完整—完整，除玉律斷裂及其影響帶外，圍巖以Ⅱ類為主。
細粒花崗巖具有極高磨蝕性，TBM刀具磨損大，會造成施工進度緩慢和施工成本明顯增加。根據SL 629-2014《引調水線路工程地質勘察規范》中附錄C隧洞TBM施工適宜性分級標準，細粒花崗巖的巖體完整，圍巖穩定，巖體強度對掘進效率有明顯影響，地質條件適宜性差，TBM施工適宜性為C級。
4.2超深風化深槽
隧洞穿越區大部分為微風化花崗巖，巖體總體屬于堅硬巖，力學性能良好。但在勘察過程中，發現有多處風化深槽，巖體主要為全、強風化巖。風化深槽屬于特殊風化類型，形成機制較為復雜，主要形成于地形低洼、不同巖性接觸部位和斷裂帶。經過現場鉆孔加密、鉆孔聲波和地面物探微動探測復核后發現，隧洞沿線共分布5處風化深槽，累計長度約600 m，其中不同期次花崗巖的接觸部位和斷裂帶處的風化深度遠超50 m。
風化深槽破壞了巖體的完整性，降低了巖體強度，增強了巖體滲透性能，常在風化槽底富集地下水，甚至形成“水盆”。因此，風化深槽也是一種地質缺陷，除了引起隧洞圍巖穩定問題和基底不均勻沉降外，更要重視TBM掘進進入“水盆”引發隧洞突水問題。
4.3隧洞涌水問題
輸水隧洞主要在基巖中穿越，基巖地下水位埋藏淺，均在隧洞頂板以上，全段隧洞有涌水風險。線路南北高為丘陵地貌，中間低為平原地貌，依據地形地貌、地層巖性和斷層發育情況，研究區總體上劃分為3個水文地質單元（圖7）。第Ⅰ單元為羅田水庫進水口至大頭崗山之間，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Ⅱ單元為大頭崗山至阿婆髻山之間，與第Ⅰ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Ⅲ單元為阿婆髻山至鐵崗水庫出口，與第Ⅱ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。
燕山四期花崗巖位于第Ⅱ單元和第Ⅲ單元內，隧洞圍巖主要為微風化花崗巖，一般具有極微―弱透水性；
局部斷層帶和裂隙發育部位，巖體破碎，具中等透水性。根據《鐵路工程水文地質勘察規范》采用地下水動力學法計算隧洞和斷層帶涌水量，正常涌水量預測采用佐藤邦明經驗公式與柯斯嘉科夫公式（表8），最大涌水量預測采用佐藤邦明經驗公式與古德曼經驗公式（表9）。
根據計算結果，隧洞正常涌水量預測值為113 109 m3/d。研究區內隧洞主要涌水斷層段為F1121-2及影響帶、F3341及影響帶，最大涌水量預測值分別為15 940 m3/d、38 192 m3/d。
4.4隧洞圍巖穩定問題
研究區發育F1121-1（樓村斷裂-1分支）、F1121-2（樓村斷裂-2分支）、F1121-3（樓村斷裂-3分支）、F3341（黃草坑頂斷裂）、F3341-1（黃草坑頂斷裂-1分支）、F1211（玉律斷裂）等6條規模較大的斷裂，斷裂帶為碎裂巖或碎粉巖，主要由斷層泥、巖屑夾巖塊或巖塊夾巖屑等組成，圍巖類別以Ⅴ為主，不穩定―極不穩定，存在圍巖穩定問題，需及時或提前采取支護措施。
此外，不同期次花崗巖的接觸部位，在動力變質和熱液變質作用下，形成蝕變帶。蝕變花崗巖多見高嶺土化、黏土化，部分蝕變段呈砂礫狀無強度，屬極軟巖、軟巖。蝕變帶巖體完整性差―較完整，散體結構為主、少量鑲嵌結構，且具有快速鼓脹崩解特征，這些部位的圍巖極不穩定，洞室圍巖存在坍塌問題，建議開挖過程中快挖快撐。
5結 論
（1） 燕山四期花崗巖主要呈粒狀結構，塊狀構造，由花崗閃長巖和二長花崗巖組成；
樣品具有Na2O含量低、鋁飽和指數高（A/CNK＞1.1）、鎂鐵質礦物低等特點，按照ISMA分類方案，花崗巖屬于鋁質S型花崗巖。
（2） 花崗巖風化強烈，垂直分帶性明顯，風化總厚度10～50 m，各風化帶厚薄不一，弱風化帶厚度較薄；
水平方向上，風化帶由北向南逐漸變厚。細粒花崗巖風化總厚度比粗粒花崗巖小5～10 m，反映了細粒結構巖石的抗風化能力相對較強。
（3） 花崗巖的物理力學性能與其結構和風化狀態密切相關，總體上ηγ5K1細粒花崗巖物理力學性能最優，ηγ5K1和γβ3K1的粗粒花崗巖兩者相差不大。
（4） 隧洞開挖采用TBM施工，洞身微風化花崗巖總體上具有良好的工程地質特性，突出的地質風險主要有：
① ηγ5K1細粒花崗磨蝕性極高，TBM刀具磨損大，巖體強度對掘進效率有明顯影響，地質條件適宜性差，TBM施工適宜性為C級。
② 隧洞沿線共分布5處風化深槽，累計長度約600 m，主要形成于地形低洼、不同巖性接觸部位和斷裂帶，可能引發隧洞圍巖穩定、基底不均勻沉降和突涌水等地質問題。
③ 依據地形地貌、地層巖性和斷層發育情況，隧洞工程總體上劃分為三個水文地質單元。根據計算結果，隧洞正常涌水量預測值為113 109 m3/d，而斷層是隧洞主要涌水點，最大涌水量38 192 m3/d位于F3341斷層。
④ 區內6條大斷裂和花崗巖蝕變帶等部位，由于工程性狀差，圍巖不穩定―極不穩定，類別以Ⅴ為主，需及時或提前采取支護措施。
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（編輯：黃文晉）
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