长沙隧道工程不良地质作用及其风险分析

刘颖炯，彭柏兴，李军雄，段坚堤

(长沙市勘测设计研究院，湖南长沙 410007)

长沙隧道工程不良地质作用及其风险分析

刘颖炯∗，彭柏兴，李军雄，段坚堤

(长沙市勘测设计研究院，湖南长沙 410007)

长沙市即将建设的隧道工程包括营盘路湘江隧道、南湖路湘江隧道、长沙市轨道交通2号线和1号线一期工程。隧道工程沿线地质条件相当复杂，主要不良地质作用为岩溶、断裂及风化槽谷。文章通过地质调查、钻探和物探等手段，对隧道工程沿线的不良地质作用特征及分布进行了归纳，对其工程影响进行了讨论，提出了应对措施。

隧道工程；不良地质作用；风险分析；工程对策

1 前 言

不良地质作用(Adverse Geologic Actions)是指由地球内力或外力产生的对工程可能造成危害的地质作用，通常包括岩溶、滑坡、危岩和崩塌、泥石流、采空区、地面沉降、地震和活动断裂等[1]。在工程建设过程中，由不良地质作用引发的危及人身、财产、工程环境安全的地质灾害(Geologic Disater)屡见不鲜，不良地质作用研究已成为岩土工程的重点之一，对隧道工程而言尤为突出[2～4]。

随着长、株、潭城市群于2007年被纳入“两型社会”试验区，长沙呈现跨湘江两岸发展的态势，加快了轨道交通、过江隧道的工程建设。在建和拟建的隧道工程有营盘路隧道、地铁2号线一期工程，南湖路湘江隧道、地铁1号线一期工程(图1)。拟用工法包括矿山法、盾构法、明挖法等多种。

长沙隧道工程沿线交通干道纵横，交通流量大，高楼林立、管网繁杂，贯穿一山(岳麓山)一江(湘江)两洲(桔子洲、磨盘洲)三河(浏阳河、捞刀河、圭塘河)，涉及多种地貌单元、地质构造及岩性组合[5]。本文采用地质调查、物探、钻探等手段和对既有勘察成果综合分析，对长沙隧道工程涉及的不良地质作用现状进行了综合分析，希望能对工程建设的风险控制有所裨益。

2 工程地质条件概述

2.1 地质构造与地震背景

长沙位于东南地洼区雪峰地穹系湘江地洼列幕阜地穹西南端的乌山洼凸区[6]，经历了槽、台、洼三大构造演化阶段，现已进入余动期。中生代以降，形成了NENNE向展布的断隆、断陷。至燕山晚期，区域上处于整体缓慢间歇性抬升，缺失晚第三系地层，长期的侵蚀、剥蚀，在近场地形成不同级别的剥夷面和低丘岗地，为第四系沉积物准备了古地理条件。第四系构造运动以差异性升降运动为主，在场地内形成了V级阶地。

本区经历了多次构造运动，形成了较为复杂的构造形迹，以断裂为主，褶皱次之，构造线方向以北东向为主[7]。

长沙隶属长江中下游地震亚区的麻城－岳阳－宁远地震带，设计地震分组为第一组，抗震设防烈度为6度。

图1 长沙市轨道交通及隧道工程分布示意图

2.2 地形、地貌与地层

以湘江为界，西岸为剥蚀构造丘陵，东部为湘江、浏阳河及捞刀河阶地。沿线第四系地层有全新统人工填土层、冲洪积层(粉质黏土、粉细砂、圆砾)，第四系更新统冲洪积层(粉质黏土、粉细砂、圆砾)及残积层，厚度一般10 m左右；基岩为白垩系内陆湖相沉积的砾岩、泥质粉砂岩，泥盆系海相－滨海相沉积的砂岩、泥岩和灰岩以及元古界浅变质板岩。

2.3 气象、水文

长沙市气候上属中亚热带湿润季风气候区，四季分明、温暖潮湿、雨量充沛、严寒期短。

区内水系呈树枝状展布，湘江自南而北纵贯市区，水位变化幅度为8 m～15 m，平均流速约1 m/s，汛期流速高达2.6 m/s。丰水期为每年的5月～8月，水位30 m～34 m，史载最高洪水位39.18 m(1998)(吴淞口高程)；枯水期为每年10月至翌年 2月，平均水位27 m。在暮云市至三叉矶分别接纳入浏阳河、捞刀河、沩水、靳江河等支流。水位、流量随季节变化而变化。

地下水主要有四种类型:赋存于人工填土、新近沉积土及软～流塑粉质黏土中的上层滞水、第四系砂、砾层中的孔隙水、岩溶水及基岩裂隙水。

3 不良地质作用及其分布

长沙轨道交通及隧道工程涉及的不良地质作用主要为岩溶、断裂和风化槽谷。

3.1 岩溶

可溶性岩石、具有溶解能力(含CO2)和足够流量的水是岩溶形成的基本条件。一般地，硫酸盐岩类和卤素岩类岩溶发展速度较快，碳酸盐岩则发育速度较慢，质纯层厚的岩层，岩溶发育强烈且形态齐全，规模较大；含泥质或其他杂质的岩层，岩溶发育较弱，结晶粗大的岩石岩溶较为发育，结晶颗粒细小的岩石岩溶发育较弱。断裂构造在岩溶发育过程中，起着至关重要作用。

根据我院30年来的勘察成果归纳和总结，长沙市区的岩溶主要分布于以下五大块:河西洋湖垸片区、桃子湖片、望月湖片，河东中山路以南、劳动路以北，省政府二院以西范围内以及南二环附近的新开铺小学—芙蓉路立交桥一带。与正建和拟建的长沙隧道工程相关联的主要有桃子湖片与五一广场片。

长沙地铁2号线一期工程的五一广场站、蔡锷路站、芙蓉广场站位于湘江II级阶地上，基岩为泥盆系棋子桥组厚层泥灰岩、灰岩、白云岩等可溶岩，第四系富水卵石层直接覆盖其上，地下水丰富，具有较好的径流条件，为地表水下渗提供了条件。灰岩中方解石含量＞90%、以泥晶为主，紧密镶嵌状，粒度 0.001 mm～0.02 mm，有利于岩溶发育；炭质灰岩及泥灰岩方解石含量＜50%，且黄铁矿微粒、块状、立方体状晶体与岩质有机物质混生，不利于岩溶发育。

其中，五一广场站及五一广场—芙蓉广场区间，位于区域性断裂张家咀－溁湾镇－新塘湾断裂(F85)与葫芦坡－金盆岭－炮台子断裂(F101)之间，灰岩节理裂隙发育且多属张开型，延伸较长；且为白垩系神皇山组(KS)紫红色泥质砂岩类与泥盘系佘田桥组(D3S)灰岩类的不整合接触带，有利于岩溶发育。岩溶形态表现为溶沟、溶槽、溶隙、溶洞等，规模大小不一，揭示洞体高度0.70 m～3.2 m，岩面起伏很大，溶蚀底板埋深介于17.20 m～63.20 m，平均35.6 m，主要为埋藏型岩溶，但规律性差，无序分布，体现了小区域场地内岩溶发育的基本特点。

劳动路隧道岩溶发育则受断裂、岩性和不整合面控制[9]，分带性良好。

图2 龙王港高密度电法G3－3'法解译图[10]

3.2 断层

长沙经历了武陵—雪峰—加里东—印支—燕山—喜山等多次构造运动，形成了北东向、北北东向、北西向、东西向褶断构造，构成本区基本构造骨架。与长沙市在建轨道、隧道工程相关的区域性断裂有F85、F101、F106断裂(表1)。根据热释光测龄结果，其活动年限为17万年～45万年，断层活动在晚更新世前，为非全新世断裂，工程可不采取避让措施。

地铁2号线一期工程的勘察成果表明[10]，在汽车西站至溁湾镇一带的丘间谷地陡坡地段，由于受断裂构造影响，岩层节理裂隙较发育，物探异常明显(图 2)，并得到钻探验证(表2)。

营盘路湘江隧道沿轴线在傅家洲NK1＋306～NK1＋446、NK1＋597～NK1＋605、NK2＋130～NK2＋240地段遇断层破碎带[11](图 3)，大致呈 NNE向展布，宽100 m～140 m，受该破碎带影响，其东西两侧岩体破碎，风化强烈，全风化板岩结构呈疏松的砂土状、碎裂状、角砾状，岩芯多为岩屑、岩粉、碎石状、块状等。

长沙市轨道、隧道工程与断裂构造关系表 表1

长沙轨道交通2号线一期工程断层分布表 表2

图3 营盘路隧道地震反射剖面[11]

3.3 风化沟槽

各隧道工程沿线基岩以白垩系泥质砂岩、砾岩(局部为钙质砾岩)，板溪群板岩为主，泥盆系灰岩次之。除灰岩和钙质砾岩外，其他各类岩石水理性质较差，具有遇水易软化、失水干裂的特点，其中，中～微风化泥质粉砂岩的平均软化系数分别为0.20、0.37，属极易软化岩石，岩石的软化特性可造成岩体强度变化，强度降低。

在地铁2号线一期工程之体育公园站普遍分布着因溶蚀风化作用而形成的风化沟槽，具体表现为近砂状的全风化砾岩＜6－2a＞，显示出风化程度的突变性:全风化层＜6－2a＞直接介于中风化砾岩＜6－2＞之间，其上、下均无过渡的强风化砾岩层，与常规的风化渐变性不同。钻探施工时不返水现象。该层呈条带状、成层状，层面产状与区域地层产状基本一致。左线层顶标高自南向北呈8.5°倾斜、底板倾角约8.33°；右线层顶标高自南向北呈8.14°倾斜、底板倾角变化较大[12]。

4 风险分析及对策

4.1 风险分析

文献[13]认为“在以工程项目正常施工为目标的行动过程中，如果某项活动或客观存在中以导致承险体系统发生直接或间接损失的可能性，那么就称该工程存在风险”。不良地质作用的客观存在，常常会给隧道工程建设带来如下风险:

(1)岩溶岩面起伏，导致上覆土层地基压缩变形不均；洞穴顶板变形造成地基和隧道围岩支护体系的失稳；岩溶水的动态变化往往产生突泥、突水，给施工和建筑物使用造成极大的危害；土洞坍落形成地表塌陷；溶蚀作用还会导致岩体的渗透性变异，给工程治水带来难题。

(2)断裂作用必然在两盘围岩中产生大量裂隙、导致岩体完整性差，影响岩体稳定性和承载性能；断层使岩体受到不同程度的切割，导致岩体物理力学性质变异和严重不均匀，开挖时易出现拱顶坍塌、侧壁失稳等安全事故；断层往往成为裂隙水的活动通道，破碎、岩体具有一定的渗透能力，涌水量较大，严重影响岩体强度和抗冲刷能力，施工时易造成突水、管涌与突涌事故。长沙市芙蓉路电缆隧道曾因此塌方和漏水造成多次停工。当开挖的洞室或坑道与断层以较小的角度相交时，由于开挖使作用于断层面的正应力减小，降低了断层面的摩擦阻力，常引起断层突然活动而形成岩爆，对施工破坏性极大。

(3)风化沟槽中存在的风化残留物，结构松散，力学强度较低，抗滑、抗变形及抗渗性能差，直接影响建筑物的稳定与安全:当作为基坑坑壁地层时，受水浸泡或扰动时易发生坍塌，酿成灾害；当作为桩周土时，易发生塌孔和清渣困难，造成基桩扩径、断桩或桩底沉渣过厚现象，影响基桩质量；作为基础持力层时，因其水理性质较差，均匀性差，可能对地基土均匀性和变形产生较大影响；当盾构机在其中穿越时，常会因岩层的软、硬变化而对施工工期带来风险[14]。

4.2 应对措施

“物探＋钻探”是岩溶、断裂、风化槽等不良地质作用勘察的常用手段。为应对地质条件的不确定性，需要全线连续进行地质超前预报和围岩评价，以地质分析为主，长距离宏观预报与短距离精准预报相结合、超前探孔与物探结合，多种物探方法相验证，定性和定量相结合的超前预案。广州轨道交通5号线采用高密度电阻率、加密钻孔和电磁波深孔CT分析岩溶地层，在国内首次顺利完成了岩溶段盾构隧道施工。

“先探测，再处治”，是隧道岩溶处治的基本原则。适当增加隧道穿越溶洞发育区段的埋深，以最大限度地避开溶洞，对充填型溶洞则可采用全断面超前帷幕注浆。

对断裂而言，它的导水性及其对围岩整体稳定性的影响对隧道施工威胁极大，施工时须采取有效措施，以防止涌水及坍塌，必要时应采用全断面帷幕注浆，采用“注浆一段、开挖一段、段段推进”。

对风化沟槽中的残积物，为解决局部地段成桩困难或盾构穿越难问题，应进行先行止水或泥浆护壁，控制好泥浆浓度，确保施工质量；基坑开挖前，宜先进行隔水、补强措施，防止坑壁坍塌、影响护壁桩的作用；对全风化砾岩＜6－2a＞溶蚀风化土体进行固结灌浆处理，确定方案前应进行施工勘察、平行试验、试桩试验等，确保措施可靠、经济合理。

5 结 论

长沙市的隧道工程受岩溶、断裂及风化沟槽等不良地质作用影响，地层结构复杂，地基土不均匀，工程地质条件和水文地质条件较差，存在较大的施工风险。由于岩土工程的不确定性，利用常规的勘察手段彻底地查明不良地质作用是不现实的，也是不可能的。因此，在施工阶段，进行施工勘察是十分必要的。这需要建设、施工、监理、设计和勘察单位的通力合作和信息共享，做到精心勘察、精心设计、精细化施工。

“我国是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、今后发展最快的国家”(王梦恕，2002)，在山岭隧道和水下隧道建设中，对岩溶、破碎带的处治积累了一定的经验。已有工程建设经验表明，只有地质资料翔实，风险分析得当、风险预防措施到位、通过加强施工期的超前地质预报工作和信息化施工，采取合理有效的应对措施，重大安全事故是完全可以避免的。

[1]GB 50021－2001.岩土工程勘察规范[S].

[2]崔玖江.隧道与地下工程施工技术现状及问题对策[J].施工技术，2001，30(1):3～6

[3]陈龙，黄宏伟.岩石隧道工程风险浅析[J].岩石力学与工程学报，2005，24(1):110～115

[4]焦斌权，靳晓光，李晓红.岩溶区隧道围岩－支护体系稳定性研究[J].中国地质灾害与工程学报，2004，15(3): 78～82

[5]彭柏兴.长沙地铁勘察若干问题的探讨[J].城市勘测，2008(2):140～146

[6]陈国达.地洼学说文选[M].长沙:中南工业大学出版社，1986

[7]湖南省地质矿产局.长沙地区1∶5万区域地质调查报告[M].北京:地质出版社，1989

[8]中国有色金属工业长沙勘察院.长沙市轨道交通2号线一期岩土工程勘察2标详细勘察报告.2009

[9]彭柏兴，李凯，雷金山.长沙市劳动路湘江隧道岩溶发育特征及其影响[J].城市勘测，2010(1):157～161

[10]中冶地集团西北岩土工程有限公司.长沙市轨道交通2号线一期岩土工程勘察1标详细勘察报告.2009

[11]长沙市勘测设计研究院.长沙市营盘路湘江隧道岩土详细勘察报告.2009

[12]长沙市勘测设计研究院.长沙市轨道交通2号线一期工程勘察3标岩土详细勘察报告.2009

[13]黄宏伟.隧道及地下工程建设中的风险管理研究进展[J].地下空间与工程学报，2006，2(1):13～20

[14]李希元，闫静雅，孙艳萍.盾构隧道施工工程事故的原因与对策[J].地下空间与工程学报，2005，1(6):968～971

Analysis on the Adverse Geologic Actions and Risks of Tunnels in ChangSha City

Liu YingJiong，Peng BaiXing，Li JunXiong，Duan JianDi
(Institute of Investigation＆Design，Changsha 410007，China)

The tunnels that is being constructed consists of YUANBAN tunnel，the first phase of metro line 1＆2. The engineering geology are very complicated.The major existing adverse geologic actions are karst，fault and weathering trough.The status of adverse geologic actions are found by means of field survey，drilling and physical exploration.It’s possible influence during constructing is consider，the solutions to avoid the similar accidents in the future are put forward too.

tunnel engineering；adverse geologic actions；risk analysis；countermeasure

1672－8262(2010)05－158－05

P642.4

A

2010—06—28

刘颖炯(1956—)，男，高级工程师，注册土木工程师(岩土)，主要从事岩土工程勘察、设计等技术管理工作。