长沙劳动路湘江隧道方案的地质论证

姚建伟

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

1 概述

长沙城市道路现状已经制约了城市的发展,瓶颈地段为穿越湘江的通道。目前，两座湘江大桥已经远远不能满足道路交通的需要。为缓解城市交通压力,急需在劳动路一带修建过江通道,经工程可行性研究确定为隧道方案。

劳动路湘江隧道位于长沙灵官渡口,东接劳动西路,西接牌楼口,下穿桔子洲。桔子洲将湘江划为东西河道,桔子洲以东为湘江主河道,桔子洲以西的河道枯水季节河床暴露,成为大面积江滩,漫滩向西逐渐过渡至一级阶地。区内地貌按其成因可分为剥蚀丘陵及河流侵蚀堆积两大类型,剥蚀丘陵主要分布于场区最西部,整个场区基本位于河流侵蚀堆积地貌单元,阶地面最高高程35～45 m,河床高程20 m左右,湘江4～6月为丰水期。

2 场区地质概况

2.1 地层岩性

过江隧道范围内地层主要有第四系全新统(Q4)、中更新统(Q2)、土层以及白垩系下统(K1)、泥盆系中统(D2)地层,现从老至新叙述如下(见图1)。

图1 长沙劳动路湘江隧道工程地质纵断面

(1)泥盆系中统跳马涧组(D2t)

紫红色石英砂岩,泥质粉砂岩,仅在湘江西岸局部存在,多覆盖于第四系全新统松软地层之下。

(2)泥盆系中统掑梓桥组(D2q)

灰岩和泥质灰岩,肉红色,浅灰色,厚层状,岩溶发育,溶洞,溶沟,溶槽较为普遍,仅存在于湘江西岸,大面积埋藏于桔子洲以西的第四系地层之下。

(3)白垩系下统(K1)

紫红色暗紫色砾岩,砂砾岩夹有薄层状泥质粉砂岩,厚层状,多为钙质泥岩胶结,砾石成分复杂,以砂岩,板岩,灰岩为主。受断裂构造影响有溶蚀裂隙存在,强风化—弱风化,局部全风化呈土状,在橘子洲以东大面积覆盖于第四系土层之下。

(4)第四系中更新统(Q2)

褐红色,褐黄色蠕虫状,网纹状黏土,粉质黏土及砂砾石层,于湘江东岸地表大面积出露,厚2.6～3.3 m。

(5)第四系全新统(Q4)

除湘江东岸有人工填土及湘江西岸山坡坡脚有少量残积粉质黏土之外,在隧道通过的湘江一级阶地及河床部位为第四系全新统冲积层(Q4al)。

①素填土：主要为褐灰,褐黄色松散的粉质黏土夹砂岩块石,砂砾石,厚2.4～12.1 m。

②粉质黏土及粉土,粉细砂层：褐黄色,灰色,厚1.8～6.4 m,位于一级阶地二元结构表层。

③细砂夹粉质黏土：褐黄色,松散,厚2.4～6.3 m,位于一级阶地二元结构下层。

④圆砾及砂砾石层：灰黄,褐黄色,饱和状,磨圆分选良好,厚0～7.0 m,位于二元结构底层。该层间夹有紫红,灰白条纹软塑状粉质黏土的透镜体。

2.2 地质构造

长沙劳动路湘江隧道位于扬子准地台的东南,紧邻华南褶皱带,构造以断裂为主,褶皱次之。隧道位于岳麓山向斜的东南翼。

区域断裂构造体系受NE向控制,另外有与河流走向基本一致的NNE向断裂发育,区内没有区域性大断裂,但泥盆系灰岩和白垩系砂砾岩的接触带,砂砾岩强风化深度较大,因此有NNX向断裂存在的可能,对隧道工程影响较大,应特别引起重视[1]。

2.3 水文地质条件

湘江流域的面积大,洪水位出现在每年的4～8月,最高洪水位39.18 m,

劳动路湘江隧道地下水主要类型如下。

(1)第四系松散地层孔隙水

主要位于第四系全新统(Q4)一级阶地和漫滩的砂砾层中,地下水丰富。由于没有良好的隔水层,直接受大气降雨补给,并与湘江水直接连通。砂砾石层直接覆盖于基岩(灰岩,砂砾岩)之上,因此地表水与地下水,地下浅层与深层水,孔隙水与基岩裂隙水、岩溶水有着十分密切的联系。

在湘江东岸第四系中更新统(Q2)的白砂井砂砾层含有较丰富的地下水。

(2)基岩裂隙水

主要蕴藏于白垩系(K1)砂砾层中,受岩性控制和断裂构造的影响,地下水较发育。由于上部覆盖第四系砂砾层,基岩裂隙水与砂砾层和湘江水均有紧密的水力联系。

(3)岩溶水

主要蕴藏于桔子洲以西地段泥盆系中统掑梓桥组灰岩地层中,岩溶(溶洞,溶沟,溶槽)发育,岩溶地下水丰富。现代湘江主航道位于桔子洲以东,但从地质纵断面分析,湘江的古河道应位于湘江西岸的漫滩地带,侵蚀基准面最低。由于第四系砂砾岩层覆盖灰岩之上,该层与砂砾层和湘江水均有极强的水力联系。

综上所诉,隧道范围的水文地质条件复杂,地表水与各种类型的地下水水力联系密切,查明水文地质条件是工程成败的关键[2]。

3 隧道修建的灾害地质和环境地质问题

因过江隧道埋深浅,虽然地层较为简单,但通过岩性有碳酸盐岩,砂砾岩以及第四系的松散地层,所以隧道地质灾害严重且频繁发生,是一个工程地质复杂的隧道。在工程可行性研究过程中,隧道工法有矿山和盾构法两种，无论上述两种工法中的任何一种,在湘江两岸均需明挖施工,特别是湘江两岸连同漫滩地带,初步施工方案均是采用明挖,湘江中心地段采用暗挖[3-4]。

3.1 明挖地段将会出现的地质灾害

湘江西岸明挖段上部为粉细砂及砂砾石层,下部多为灰岩,位于湘江古河道上,施工将会出现如下问题：

①基坑底为粉细砂和松软黏性土时,在地下水头作用下会出现涌水,涌泥,涌砂,基底易溃决。

②灰岩基坑抽水会引起周边地表的坍塌,造成环境地质的恶化,当坍塌延伸至江水位之下,会形成江水倒灌,基坑被涌水淹没将随时可能出现。

③岩溶发育,溶洞,溶沟,溶槽随处可见,填充物呈半充填—全充填状态,基岩面不平,深浅差异,软硬不一,基底不实,应力集中,造成隧道建筑的明显沉降和结构物的破坏，工程难度以湘江西岸(含漫滩段)隐伏灰岩地区最为艰巨。

湘江东岸明挖段表层为第四系中更新统白砂井的砂砾石层和棕红色网纹状黏土,砂砾石层地下水较发育,下部为白垩系的砂砾岩，基坑开挖在临江地段可能受到江水渗透的威胁。另受白砂井沙砾层的补给,基坑涌水量大,局部基底可能出现溃决。

网纹状黏土、粉质黏土以及湘江两岸灰岩,泥质灰岩全风化的红土,一般属膨胀土,边坡容易失稳。基坑开挖抽水可能造成两侧建筑物及道路变形,地下水动态变化及地下设施破坏[5]。

3.2 隧道暗挖(矿山法,盾构法)将会出现的地质灾害

(1)隧道暗挖的灰岩地段,由于浅埋浅,灰岩顶板薄,岩溶发育,水溶洞,溶槽,溶沟,溶隙会出现突水,涌泥,淹没隧道等灾害地质问题,一旦地质灾害产生,会遭受无法估量的损失[4]。

(2)隧道涌水、抽水会引起地表塌陷,管道疏通导致江水涌入,隧道涌水量猛增,淹井、淹洞不可避免,事故处理十分棘手。

(3)岩溶发育,隧道周边岩质软硬不一,对各种工法均会造成安全,质量等方面的危害。隧顶、边墙易坍塌,工程处理难度大；隧底出现充填或半充填的溶洞、溶槽,基底不实,沉降差异,加固措施困难,造价会大幅度飙升[6]。

暗挖岩溶段隧道,岩溶地质灾害出现已不可避免,不仅勘察阶段需要仔细查明,及时施工阶段同样要开展施工地质工作,做好地质超前预报。同时隧道应采用预加固和全封闭方案,使岩溶地质灾害得到有效的预防[7]。

4 评价和建议

(1)根据工程地质条件论述,对长沙劳动路湘江隧道工程地质条件有了深刻的认识,鉴于上述工程地质问题的复杂性,从地质角度考虑,桥梁方案优于隧道方案,对采用水下隧道方案宜持慎重态度。

(2)采用水下隧道方案除详勘应按地质复杂隧道布置外,再初勘阶段应做地质灾害评估,施工阶段应加强施工地质工作,做好超前地质预测预报[8],为避免地质灾害发生,隧道设计必须采取稳妥可靠的措施。

[1] TB10027—2001 铁路工程不良地质勘察规程[S]

[2] TB10049—2004 铁路水文地质勘察规程[S]

[3] 刘志刚,赵 勇,李 忠.隧道施工地质工作方法[J].石家庄铁道学院学报,2000,13(4):1-5

[4] TB10204—2002 铁路隧道施工规范[S]

[5] TB10119—2000 铁路隧道防排水技术规范[S]

[6] 王梦怒.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见[J].铁道勘察,2004(1):7-10

[7] 李术才,李树忱,张庆送,等.溶岩裂隙水与不良地质情况超前预报研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(2):217-225

[8] 刘志刚.概论岩溶或地质复杂隧道隧洞地质灾害超前预报技术[J].铁道建筑技术,2003(2):1-5