南京东部山区矿山法施工的地铁隧道水文地质灾害及对策研究

郑 军 朱 斌 张伯林 蒋 波 万佳俊 杨昊坤

（1.南京地铁集团有限公司，210008，南京；2.江苏省地质调查研究院，210018，南京；3.南京大学地理学院，210093，南京//第一作者，高级工程师）

南京东部山区矿山法施工的地铁隧道水文地质灾害及对策研究

郑 军1朱 斌1张伯林1蒋 波2万佳俊2杨昊坤3

（1.南京地铁集团有限公司，210008，南京；2.江苏省地质调查研究院，210018，南京；3.南京大学地理学院，210093，南京//第一作者，高级工程师）

结合含水岩层（组）、地质构造、地形地貌、水文气候等特征，对南京东部山区进行水文地质分区。在确定了不同地质体的渗透系数等参数的基础上，采用多种计算方法对不同水文地质单元内既有和新建矿山法隧道的典型地段标志点进行了涌水量和衬砌外水压力计算。结果表明：水文地质单元Ⅴ属强富水区，地铁建设风险高；其它单元内，张性、张扭性断裂控制了不同含水层的富水程度。建议加强支护和排水，确保南京地铁建设和运营安全。

南京；地铁隧道；矿山法施工；水文地质

南京东部的宁镇山脉，受南京-湖熟断裂影响，延至城中突然中断，形成了独特的地形地貌特征：该断裂东北侧的山体较高、基岩出露多、埋深浅，属宁镇断凸区（以下简称“东部山区”）；而该断裂西南侧的山体较矮、以较平坦的平原和岗地为主，属宁芜火山断陷盆地区［1-2］。截至2017年4月，南京地铁运营线网长度达259 km，已建的地铁1、2、3、4号线的部分区间隧道均穿越了东部山区，而规划新建的南京地铁6、7、8号线，以及宁句城际铁路、宁扬城际铁路等线路也将穿越东部山区。穿越东部山区的隧道通常采用矿山法施工。

由南京地铁多年建设与运营的经验发现：部分矿山法施工隧道在掘进过程中会遭遇涌突水问题，其安全风险与施工难度较高。在运营期间，通常采用的“全包防水”隧道衬砌会完全封堵地下水，使衬砌外壁持续承受较高地下水压力，极易导致衬砌难以承受并被击穿，从而引发道床隆起变形的问题。

南京地铁2号线的苜蓿园大街站—下马坊站区间隧道就曾发生类似事件。此外，南京东部山区也曾发生典型矿山工程事故。1981年，栖霞山铅锌银矿开采引起的岩溶地面塌陷事故，甚至一度造成明镜湖湖水漏尽［3］；2006年，龙王山石膏矿特大突水灾害不仅改变了矿区及外围的地下水流场，而且引发了矿区地面沉降变形，对地表附属物产生了破坏作用，造成了包括矿山关闭在内的巨大财产损失［4］。这些案例表明：南京东部山区水文地质条件存在多样性，其贮水、导水构造赋存规律复杂，基岩水的性质及发育机理难以准确判断。这成为困扰南京地铁隧道矿山法施工建设与运营的主要难题。因此，有必要对该区域内矿山法施工地铁隧道穿越基岩区的水文地质特征进行分析，加强对既有基岩隧道的涌突水案例和过高的地下水压力作用于隧道衬砌引发事故的分析研究，并预测富水区隧道的涌水量及衬砌外水压力，以便采取相应的对策，有效遏制涌突水、道床隆起等事故的发生，保障地铁的施工与运营安全。

1 研究区的地质概况

1.1 含水岩层（组）的划分

研究区内的地质构造及水文地质分区图见图1。根据基岩的地层年代、岩性特征及赋水程度，可将基岩地层分为 2类［1-2］。

（1）岩溶水含水岩层（组）有：三叠系周冲村组岩溶水含水层（角砾状灰岩），三叠系上青龙组-下青龙组岩溶裂隙水含水岩组（灰岩），二叠系栖霞组-石炭系裂隙岩溶水含水岩组（灰岩、白云岩），震旦系灯影组-寒武系-奥陶系岩溶裂隙水含水岩组（白云岩、灰岩）。

（2）裂隙水含水岩层（组）有：侏罗系象山群-三叠系范家塘组，黄马青组裂隙含水岩组（长石石英砂岩，砂砾岩，粉砂岩、泥岩），泥盆系五通组-志留系茅山组裂隙含水岩组（砂岩、砂砾岩），微弱裂隙含水岩组（泥岩、页岩），侵入岩裂隙含水岩组（侵入岩）。

1.2 地质构造及断裂分析

研究区内，褶皱格架大致由3个复背斜和2个复向斜间夹组成，并有发育走向各异、规模不等的多条断裂切割了上述褶皱格架，形成了似棋盘格状的构造格局。

如图1所示，区内主要发育的断裂较多，①近东西向弧形逆掩断裂：杨坊山-长林村逆掩断裂（F1）、徐家山-金子山逆掩断裂（F2），均具压扭性；② 北西向断裂：南京-湖熟断裂（F3）、高庄-山口村断裂（F4）、西流-坟头断裂（F5）、庙山-狼山断裂（F6），均具张扭性；③ 北北西向断裂：东阳-汤山断裂（F7）、摄山镇-漳桥断裂（F8），具张性、张扭性；④北北东向断裂：东花村-同心村断裂（F9）、瓜埠-铁心桥断裂（F10）、燕子矶-迈皋桥断裂（F11），具逆冲、逆平移、压扭性质；⑤ 北东东向断裂：迈皋桥-栖霞山断裂（F12），具张性；⑥ 近东西向断裂：幕府山-焦山断裂（F13）、定淮门-马群断裂（F14），均为张性正断层［1-2］。

1.3 水文地质单元分区

以岩层（组）赋水性的差异为基础，结合地质构造、地形地貌、水文气候等因素的影响，将本研究区划分为 7个水文地质单元（见图 1 的 I、II、III、IV、V、VI、VII）。

2 南京地铁矿山法隧道的涌水量与衬砌外水压力计算

根据研究区内各水文地质单元的特征，结合南京地铁的线网分布，选取了24处地铁沿线典型地段标志点。通过搜集历史水文地质资料、已建线路岩土工程勘察报告、现场水文地质试验报告等，确定了相应的水文地质参数。

图1 研究区的地质构造及水文地质分区图

根据文献［7］、［9］及［10-12］，采用多种计算方法对典型地段标志点处的隧道涌水量和衬砌外水压力进行计算。计算结果见表1。

根据表1的计算结果，结合7个水文地质单元的不同特征进行分析。

（1）标志点10～16均位于水文地质单元V内，其涌水量值明显高于其它地质单元。这是因为此处的地质环境组合为“三叠系周冲村组角砾状灰岩+向斜核部+张扭性断裂或压扭性断裂的上盘+岗间洼地”，属强富水区。该区地铁建设风险高。规划新建的南京地铁8号线灵山站—仙林中心站区间将穿越此处，若采用矿山法掘进，涌突水风险极大。

表1 南东地铁沿线典型地段标志点涌水量与衬砌外水压力

（2）标志点5、7位于水文地质单元III内，其涌水量较大且具有一定的承压性。这是因为此处邻近F14张性断裂，属中等富水区。该区地铁建设风险较高。类似的标志点 17、18、19、21、22 及 23，均邻近张性、张扭性断裂。特别是标志点23处的地质环境组合为“二叠系栖霞组灰岩+向斜核部+张扭性断裂”，属强富水区，该处地铁建设风险高。规划新建的宁句城际铁路线部分区间隧道将经过该标志点附近，建议采取有效的风险应对措施。

（3）标志点3、6位于水文地质单元III内，其涌水量较大。这是因为此处邻近F1断裂（见图2）。该断裂虽属逆掩断层，具压性；但其上盘岩性为角砾状灰岩，易发育浅部岩溶；且该断裂邻近致密、完整的板仓侵入岩体，构成了良好的隔水边界。该处特殊的地质环境组合为“可溶性岩层+压性断裂的上盘+侵入岩体的阻水性+岗间洼地+充足的地表汇水”，属中等富水区，该处地铁建设风险较高。南京地铁1号线南京站—红山动物园站区间、南京地铁4号线王家湾站—聚宝山站区间的涌突水均属此类地质环境组合引发的灾害。

（4）标志点7是4个衬砌外水压力值中最大值所在处。这是因为，此处邻近F14张性断裂，并接受宁镇山脉海拔最高的紫金山坡面的大气降水补给，从而造成衬砌外水压力不断积蓄达最大值。邻近此点的南京地铁2号线苜蓿园大街站—下马坊站区间，就曾发生因衬砌外水压力高于正常值而引发道床隆起、运营中断的事件。类似的标志点6位于紫金山的北坡洼地，由于板仓侵入岩体和下部断层面上的断层泥均具一定的阻水特性，该处地下水具有承压性。邻近标志点6的南京地铁4号线王家湾站—聚宝山站区间建设时曾出现水头压力过高、初衬不稳的问题，其设计单位为此专门进行了优化设计［13］。

图2 F1断裂处的地质剖面示意图

3 南京地铁矿山法隧道水文地质灾害的对策

根据南京东部山区水文地质分区图及所计算的典型地段标志点的涌水量和衬砌外水压力值，建议在地铁建设中，综合采用电探法、地质雷达等物理探测手段，对高和较高建设风险的地铁区段进行探查，及时采取有效的对策与手段将风险降至最低。

南京地铁矿山法施工隧道设计时，建议合理选择衬砌外水压力值，优化仰拱设计参数，避免仰拱扁平的断面设计，以有效改善衬砌结构的受力条件，减小水压力对衬砌仰拱部位受力的不利影响。在非主城区域修建隧道时，建议考虑“防排结合”的设计思路［13］。针对富水的大断面隧道，建议将仰拱与墙脚作为隧道长期安全监控的重点部位。

4 结论

（1）结合含水岩层（组）、地质构造、地形地貌、水文、气候等特征，南京东部山区可划分为7个水文地质单元。

（2）采用多种计算方法对各水文地质单元内既有和新建矿山法施工地铁隧道的典型地段标志点进行了涌水量和衬砌外水压力计算。水文地质单元Ⅴ属于强富水区，该单元地铁建设风险高。其它地质单元内，张性、张扭性断裂控制了不同含水层的富水程度。特别是“可溶性岩层+压性断裂的上盘+侵入岩体的阻水性+岗间洼地+充足的地表汇水”的特殊地质环境组合，形成了中等富水区。该区的地铁建设风险较高。

（3）建议在设计中选择适宜的防水设计方案，加强对隧道仰拱结构断面尺寸的优化；在施工中采取有效的超前物探手段，加强支护和排水，以确保南京地铁建设和运营安全。

［1］ 江苏省地质矿产局.江苏省及上海市区域地质志［M］.北京：地质出版社，1984.

［2］ 江苏省地质矿产局.宁镇山脉地质志［M］.南京：江苏科学技术出版社，1984.

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［12］ 张亮亮.南京地铁三号线隧道衬砌结构断面优化研究［J］.土工基础，2014（2）：43.

Hydrogeological Hazard of Metro Tunnel in Eastern Hilly AreaofNanjingCitybyMiningMethodandCountermeasures

ZHENGJun，ZHUBin，ZHANGBolin，JIANGBo，WAN Jiajun，YANG Haokun

According to the information，such as the aquifer or aquifer groups，tectonics，geomorphology，surface water system and climate，the hydrogeological units are zoned in the eastern hilly area of Nanjing City.By determining the parameters of permeability coefficient and so on，the water inrush value and water pressure on the lining structures of the marking points in typical sections are calculated，which are located in the builtup and planning mining tunnels.The calculation results indicate that the hydrogeological unitⅤbelongs to the waterenriched area，so the hazard risk of metro tunnel construction would be relatively high.While in the other units，the tensional and trans-tensional faults can control the degree of water storage capacity in different aquifers.It is suggested that the support and drainage shall be strengthened for the safety of Nanjing metro tunnels both in construction and operation phases.

Nanjing； metro tunnel； mining method construction；hydrogeology

First-author′s address Nanjing Metro Group Co.，Ltd.，210008，Nanjing，China

U452.2+7

10.16037/j.1007-869x.2017.12.013

2017-04-07）