前海深隧项目矿山法和盾构法隧洞地质勘察差异分析

刘士虎

（深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000）

近些年我国一些大城市陆续开始大量修建城市地铁线路工程（韩博等，2018），少量沿海大都市也开始修建深层排洪隧洞等项目，建成区隧洞（道）工程地质勘察与郊区、山岭隧洞（道）存在着显著差别，除了勘察外业作业受多种条件限制（作业场地、地上地下管线、地铁、轻轨、建筑物、构筑物、环境（泥浆水、噪声、柴油废气、固体废弃物（土心、岩心）等）外，隧洞平面线位、竖向洞身埋深、隧洞施工工法等的选择也同样受周边环境因素的严格限制（李强等，2016；郭朝，2014；Sissins，2021），往往为了满足环境因素需要，而采用与地质条件适宜性差的隧洞线位和施工工法，这就造成了结构受力复杂、稳定性差、施工难度大、风险性高等系列问题。为了能在前期有效预测、施工中有效控制和减少此类问题的发生，参建各方对工程地质勘察的深度和广度提出了更高的要求，同时也给地质勘察工作者带来了挑战及机遇，本文以深圳市前海自贸区的一项隧洞工程勘察为例，论述了矿山法、盾构法两种施工工法的勘察要点与差异。

1 工程设计

某深层排水深隧系统工程位于深圳市近海一条主要市政道路旁，工程主要建设内容：深层排水隧道3.74 km（内径6.0 m，外径6.7 m），埋深40～45 m，含5座进水竖井（圆形，内径10～21.6 m，井深43～46 m）；3条连接原水系的进水接驳工程（含竖井、支隧洞及预处理站，支隧洞长度分别为194 m、167 m、413 m）、枢纽泵站1座（排涝规模为86 m3·s-1，初小雨提升规模为10万m³·d-1，圆形Φ100 m，基坑最深处53 m）、初雨转输专管工程3.79 km（管径为DN800-DN1000 mm），埋深小于5 m（图1）。

图1 工程排水系统图Fig.1 Drainage system diagram of the project

本项目执行的规程规范主要为水利行业相关技术标准，如GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》、SL 629-2014《引调水线路工程地质勘察规范》、SL 55-2005《中小型水利水电工程地质勘察规范》、SL 326-2005《水利水电工程物探规程》，并参照了GB 50021-2001《岩土工程勘察规范》（2009版）和GB 50307-2012《城市轨道交通岩土工程勘察规范》相关标准。

2 工程地质概况

2.1 地形地貌

场地原始地貌为滨海滩涂，后因城市扩建而填海造地，场地高程4～7 m，整体地势较为平坦，局部稍有起伏。场地现状主要为市政绿地，少量交叉市政道路，大量地下管线和多条垂直下穿的地铁线路，地下环境非常复杂。

2.2 地层岩性

场地地层岩性由第四系人工堆积物、冲积物、残积物、燕山四期黑云母花岗岩和蓟县系—青白口系银湖群变质岩（混合花岗岩、变粒岩）风化岩等组成，各地层厚度及特征分述如下（深圳市水务规划设计院股份有限公司，2015—2019）：

1）第四系人工堆积物（Q4s）：广泛分布于场地表层，分布连续，为本场地上部主要地层，堆填年限均超过10年。填土成分杂乱，分布规律性差，总体上可分为以下几大类：黏性素填土（含碎、块石）、填石、建筑垃圾杂填土，局部混杂生活垃圾，其中以含碎块石素填土分布最广，其次为填石，杂填土分布最少，多为松散状，干—湿，成分杂乱、均匀性和密实性差，物理力学性质差，为不良地层，层厚4.2～9 m。：分布较广泛、较连续，局部缺失。软土已经历了超10年的上覆填土堆载作用，物理力学性质较原始状态明显改善。灰色、深灰色，湿，流塑，少量软塑，有机质含量一般小于5%，有臭味，底部含大量贝壳碎片或砂砾，局部相变为淤泥质砂，层厚0.7～7.0 m。

3）第四系冲洪积层

黏性土（粉质黏土和砂质黏土）：局部分布，呈透镜状，浅黄色、棕红色，湿，可塑状，局部含砂较多，呈黏土质砂或砂夹层，层厚0.4～5.7 m。

淤泥质黏土：局部分布，呈透镜体状，灰色，湿，软塑，味臭，底部含较多粗砂，层厚0.5～4.2 m。

细砂：局部分布，呈透镜体状，褐红色、灰白色，饱和，松散，岩心不成形，局部夹黏土薄层，层厚0.7～2.3 m。

粗砂：分布较广泛，灰白色、灰黄色、灰色、褐黄色，饱和，松散状，多含有黏粒，含量5%～30%，岩心成形，局部呈散体状，局部相变为淤泥质砂，层厚0.5～6.9 m。

砾砂：局部分布，灰白色、褐黄色，饱和，松散—稍密，部分地段黏粒含量较高，呈黏土质砂状，具可塑性，一般下部黏粒含量小，岩心多不能成形。砾径2～4 mm，稍圆状，石英质，底部多含一些直径1～6 cm的砾石，层厚0.8～8.3 m。

4）第四系残积层：区内分布广泛、连续，局部缺失，灰白色、褐黄色、棕红色，湿，可塑—硬塑，局部软塑状，为花岗岩或混合花岗岩风化残积而成，呈砂质黏性土和砾质黏性土，局部夹石英脉，层厚0.4～30 m。

5）燕山四期黑云母花岗岩（γ53（1））：分布于工程区北部和东部，大致以学府路为界，以北为花岗岩地区，以南为混合花岗岩。岩石成分及含量为：正长石50%～55%，斜长石12%，石英32%～35%，云母5%～7%，其他副矿物1%～3%，长英矿物颗粒粒度大小多为1～3 mm，黑云母粒度大多为0.05～1 mm，基岩多已风化为全—微风化岩，差异风化显著，“球状”风化现象较普遍。

6）蓟县系—青白口系变质岩（Jx-QbY）：分布在大小铲湾、孖洲（东、西洲）和小南山区域一带，该地层分布于工程区中南部（学府路以南），主要为灰色、浅肉红色细中粒斑状黑云母片麻状混合花岗岩，局部受区域变质影响常见变粒岩、石英岩、片麻岩及“石英核”残留体或残影体，矿物成分及含量为：正长石48%～66%，斜长石0～60%，石英2%～40%，云母2%～17%，其他1%～3%，矿物粒度0.1～3 mm，以细粒为主。基岩面起伏较大，岩石风化较强烈，风化带较厚，一般风化为全—弱风化岩，受构造影响显著，岩体普遍破碎，节理裂隙发育—极发育，裂隙多闭合—微张，钙质胶结，少量裂隙张开夹泥，挤压擦痕明显，岩体强度受动力挤压也出现降低现象。岩石完整性统计见表1，岩石强度统计见表2，场地地质结构见图2。

图2 场地地质剖面示意图Fig.2 Schematic diagram of engineering geological section

表1 岩石完整性统计表Tab.1 Statistics of rock integrity

表2 岩石强度统计表Tab.2 Statistical table of rock strength

2.3 地层构造

场地内地质构造主要为断裂构造，本场地主要受北西向蛇口断裂带-太子山断裂组和北东向安托山-赤湾断裂束-赤湾断裂组等构造影响，其中以北西向断裂影响最显著、最广泛，如太子山断裂组。

2.4 水文地质

场地地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水、孔隙微承压水和基岩裂隙水。见图3。

图3 场地水文地质剖面示意图Fig.3 Hydrogeological profile of the site

松散岩类孔隙水赋存于填土层内，主要接受大气降水和地下径流补给，局部地段接受地表水（十二号路渠、桂庙渠、二号渠）渗漏补给，受填土成分及密实度影响水量极其不均，水量一般较丰富，局部较贫乏，排泄方式主要为蒸发和地下渗流，局部排泄于地表水系。地下水埋深1.17～6.4 m。

孔隙微承压水赋存于冲积砂层内，主要为地下侧向渗流和上覆孔隙潜水越流补给，地下水较丰富，以地下渗流方式经孔隙排泄于低洼处，具微承压性，承压水头低，均未超过潜水水位。

基岩裂隙水主要赋存于下部强风化岩（块状）—弱风化花岗岩风化裂隙和部分张开的断裂构造裂隙内，现状主要接受上覆孔隙潜水越流补给和地下侧向径流补给，陆地区域突出地面的裸露岩体直接接受降雨补给，处于海域水下的局部构造发育区或工程影响区（沿江高速桩基、工程钻探等）的基岩裂隙水尚可能一定程度上接受海水补给，水量较丰富，以地下径流方式经裂隙排泄于低洼处，基岩裂隙水具承压性，承压水水位埋深一般为4～7 m。

2.5 不良地质作用和特殊土

场地内未发现岩溶、危岩、崩塌、滑坡、泥石流、采空区和地面沉降等不良地质作用。主要存在的不良地质作用为砂土液化、软土震陷和差异风化（球状风化、槽或囊状风化）。

场地特殊性岩土主要为填土、软土、残积土和风化岩。

3 工程特点

工程场地在地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质、周边环境和拟建隧洞特征（埋深、结构尺寸）等方面，具有以下特点：

1）现状地面总体较平整（地面高程4～7 m），但下伏原始风化地貌（即残积土顶面）起伏较大（高程-13.44～-1.44 m）。

2）基岩面及各风化带起伏频繁，且落差较大（基岩面高程-41.76～-13.44 m，高差达28.32 m）。

3）工程区中南部区段不同规模的断裂构造十分发育，导致岩体强度、完整性、风化程度和富水性存在显著差异。

4）隧洞附近的基岩裂隙承压水水量丰富，且承压水水质海水化严重，腐蚀性强（Cl含量可达16917.63 mg·L-1）。

5）地下各类管线、地铁（3条地铁横穿）等地下埋藏物多，地下环境十分复杂。

6）受末端提升泵站、沿线地铁线路等的限制，隧洞线位所在高程的围岩类别变化复杂（按洞身地层类型划分：岩洞占70%（33段），岩土混合洞占21%（5段），土洞占9%（2段）），围岩性质差（按洞顶围岩划分：II—III类约4%，III类约14%，III—IV类约6%，IV类约11%，IV-V类约3%，V类约62%，即约80%洞段为V-IV类围岩）。

7）受现有运行地铁的近接影响和隧洞长度限制（有4段短支隧，长度15～200 m），隧洞施工工法存在多样性（矿山法、盾构法）。

4 不同工法下的隧洞工程勘察与分析评价要点

4.1 勘察要点

不同的隧洞施工工法对岩土工程地质条件的要求存在较大的区别，尤其是在洞身及应力释放圈范围内岩土工程地质条件变化复杂的情况下，如不能有效查清各工法关注的特有地质问题，往往使工程在进度、质量、成本和安全等方面失控。本项目隧洞掌子面及围岩地质结构类型复杂多变，不适宜常规盾构机（挖掘软弱地层）和TBM（Tunnel Boring Machine，全断面隧道掘进机），经多方案比选，最终确定选用复合式盾构机械掘进（150 MPa强度范围的岩石有良好的适用性），局部辅以矿山法开挖。两种施工工法在勘察手段选择、勘察点布置、取样位置和数量、室内试验项目和样品加工等方面的勘察要点与差异如下：

1）勘察重点调查和工作布置区域存在较大差异

矿山法需要重点调查隧洞围岩区域，勘察点一般交叉布置于洞身两侧外一定范围内（如3～5 m）（CJJ 56—2012），掌子面所在的洞身范围往往不布置勘察工作或布置很少。盾构法除围岩区域布置同矿山法相同的勘察工作外，对洞身掘进范围也要布置大量的勘察工作（或施工超前钻探），准确查明掘进地层的分布情况和物理力学特性（强度、完整性、耐磨性）。

2）岩石样品取样位置存在较大差异

矿山法岩石样品主要在洞身两侧的围岩范围内选取（一般在洞上、洞身、洞下等位置，非实际洞身及上下，仅分布高程范围相同而已）。

盾构法除同矿山法取样外，尚应在实际的洞身范围取样，真实、有效、准确地控制整个洞身掌子面范围的岩石强度变化情况（宜给出岩石强度包络线）。

3）岩石样品取样多少存在较大差异

矿山法多采用爆破法开挖岩石，致使其对岩石强度的准确度要求比较低，只需满足5类岩石强度（坚硬岩、较坚硬岩、较软岩、软岩、极软岩）的大致划分即可，所以对各地质单元的各类不同岩性和风化程度的岩石采取满足基本统计要求的样品数量（不少于6件）即可。

盾构法机型对地层针对性强，用于盾构机刀具（盘）等选择的样品强度应能全面覆盖工区的实际情况，故同矿山法一样需要在洞身外围岩范围内取样外，尚应有足够数量的洞身范围内的样品，此类样品数量往往比较多，但试验项目少、单一（主要是强度、耐磨性）。

4）岩石试验项目存在较大差异

矿山法岩石样品的试验项目主要是：密度（天然、干燥）、比重、吸水率、天然（饱和、干燥）单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、波速（纵、横波）和RQD等。

盾构法岩石样品的试验项目除常规矿山法要求的试验项目外，尚应重点开展岩矿鉴定、矿物含量分析（鞠世健等，2007）和耐磨性试验（CAI）（王希友等，2009）。

5）岩石强度试验的样品尺寸规格存在较大差异

矿山法岩石强度主要用于分析围岩和掌子面的稳定，其次用于爆破设计，所以一般强度试验的样品尺寸为2∶1，少量样品尺寸为1∶1。

盾构法选择的盾构机型式对地层的针对性强，用于盾构机刀具（盘）等选择的岩石强度样品尺寸为1∶1，较少量样品尺寸为2∶1。

4.2 隧洞的岩土工程地质条件分析评价要点

针对不同施工工法的隧洞，其岩土工程地质条件分析评价的内容和重点是不同的，主要有以下几方面：

1）分析评价隧洞横断面范围内的部位和范围不同

矿山法重点评价围岩（洞身以外）区域的地层稳定性，对衬砌支护形式选择和超前预处理措施等进行评价与建议；因矿山法多采用爆破开挖（非指土洞），受爆破振动影响岩体应力释放圈范围相对较大，围岩评价考虑的范围也就相对较大；掌子面稳定性是次要考虑的，主要评价施工作业临时稳定问题。

盾构法需全面评价洞身范围和围岩范围的地层。洞身外的围岩主要确定围岩类别，为管片衬砌设计提供作用力计算依据；洞身（掌子面）范围地层要重点评价地层的可掘性（稳定性一般不用评价），并对盾构选型、刀具（盘）、扭矩配置、掘进偏位、施工造价等给出地质专业性建议（Yang Zhiyong et al.，2021；王旭等，2013）。

2）洞身范围地层分布和特性的来源依据不同

矿山法勘察工作主要布置于洞外左右两侧（即平面上位于洞边线外侧3～5 m范围内），洞身范围内实际勘察工作量少，地层分布和特性多根据洞身外的地层推测而来，推测成分比例高、准确度偏低。

盾构法勘察工作除布置于洞身外，尚有大量的勘察工作布置于实际洞身（平面洞边线范围内）范围，对洞身范围进行实地勘察，洞身区域的地层分布和特性多根据实地勘察资料而来，其推测成分比例低、准确度高。

3）围岩、掌子面的评价内容不同

矿山法一般是重点评价围岩（施工期和运行期），根据围岩地层类型特征（强度、完整程度）、地下水特征（出水状态）、结构面特征等因素判断围岩的破坏类型、破坏规模和破坏时间（刘俊生等，2015），进而确定围岩类别，根据围岩类别提供围岩物理力学参数建议和衬砌类型建议，并对施工期间可能遇到的不良地质和特殊岩土引起的施工风险（塌方、冒顶、突水、涌砂、岩爆、放射性、有害气体等）进行风险预测提示和防治建议（刘殊慧，2017）。设计针对勘察提供的不同围岩类别，矿山法在初期支护设计和施工方法选择上均存在明显不同。比如V类围岩多采用刚性支护，甚至超前支护；IV类围岩多采用锚喷钢筋网支护，局部刚性支护；III类围岩多喷砼或喷锚支护，顶部系统锚杆；II类围岩一般不支护，局部喷锚；I类围岩不支护或随机锚杆。I-III类围岩为爆破开挖，IV类和V类为机械开挖。

盾构法重点评价掘进面（掌子面）地层的可掘性（掘进的难易程度）及由此衍生的系列问题，硬岩难切屑、难磨，软弱地层易结泥饼（王昶，2017），不均匀地层易导致隧洞线位偏离和设备异常损坏等（孙刚，2009），盾构法施工均需对掘进工艺进行详细评价。盾构法对围岩的评价一般仅需要划分围岩类别，提供围岩物理力学参数建议，对衬砌类型和施工作业人员的安全风险评价较少，主要评价盾构施工可能引起的环境影响（由于地层超挖、地下水失控等造成的次生影响，如沉降、冒顶、冒浆、冒气、隆起、市政设施和地面建筑物的变形破坏等），对盾构进出洞范围的稳定性进行评价，并给出加固处理措施建议。不同围岩类型对盾构法的初期支护和施工方法影响主要为：对I-V类围岩均采用钢筋混凝土管片进行初期支护（围岩类别高的I-III类管片厚度薄些，其他围岩类别管片厚些），均采用机械（复合刀具）进行开挖（IV-V类采用切削类刀具，III-I类采用滚动类刀具），围岩类别的差异在初期支护和施工方法选择上对盾构法影响要较矿山法低。

4）各工法对岩体完整程度期望不同

矿山法施工希望围岩和掌子面岩体越稳定越好，故希望岩体裂隙少、完整性好，其需重点关注裂隙多、破碎的区段。

盾构法为了高效掘进，往往希望掌子面岩体裂隙多、破碎，便于盾构机械掘进，其需重点关注面裂隙少、完整性高的地段；对围岩的关注（主要用于管片设计）同矿山法。

5）各工法对隧洞围岩类别的关注点不同

矿山法主要关注稳定性差的V—IV类围岩，盾构法主要关注难于掘进的I—II类围岩。

6）岩石强度的选择、使用存在显著不同

矿山法用于分析围岩、掌子面稳定和衬砌设计时宜采用样品尺寸为2∶1，饱和状态下的单轴抗压强度（一般宜取平均值）；用于爆破设计时宜用样品尺寸为1∶1、干燥或自然状态下的岩石强度（一般宜取大致平均值）。

盾构法选型和设计所用岩石强度宜采用1∶1尺寸的、天然状态下的单轴抗压强度，且鉴于裂隙对样品的不利影响，岩石强度值宜采用统计值的大致平均值，并兼顾可能的最大值（在试验最大值的基础上适当放大1.2～1.5倍）；而用于围岩和掌子面稳定计算、管片设计的岩石强度宜采用尺寸为2∶1的饱和状态下的单轴抗压强度（一般宜用平均值）。

7）不良地质问题的影响程度不同

矿山法需要重点关注断层、节理密集带、不同岩性侵入界面等不良地质构造区段，这些区段围岩岩体往往比较破碎，围岩稳定性差，容易出现塌方、突泥、涌水、有害气体和放射性等工程地质隐患（刘殊慧，2017）。

盾构法因有盾壳和密封仓的保护，不良地质构造带的施工作业安全隐患少而小，故其一般对此类问题如对盾构施工没啥影响的情况下关注度较低，仅关注通过此类构造带可能引起次生环境问题（如通过构造带产生显著的地层超挖、地下水位变化等而引起周边环境破坏）的个别不良地质段（王昶，2017）。

8）地下水影响程度的评价不同

矿山法对地下水的补径排、水量大小和变化很敏感，隧洞的大部分地质事故往往均与地下水有关，准确查清隧洞工程沿线的水文地质条件，方能确保矿山隧洞的安全施工，所以矿山法需要详细评价隧洞穿越各地质单元的地下水补径排、水量大小和变化情况，测定各地层的渗透性、影响半径，估算正常涌水量和可能最大涌水量，并对地下水截排措施和环境影响提出建议。

盾构法对地下水有专门的设备应对措施，尤其是泥水平衡盾构，土压平衡盾构在盾尾密封、仓内塑流化改良、同步注浆、二次注浆等措施作用下也能一定程度遏制地下水的影响，故地下水对盾构法的影响较矿山法要小，对地下水的调查深度和精度比矿山法要低，一般不用进行涌水量的估算，主要论述清楚地下水的分布、水位、各层渗透性和影响半径，主要用于分析盾构施工时可能引起地下水位变化（上升或下降）后导致的环境影响范围和程度（王昶，2017）。

9）周边环境（各类管线、地铁）影响评价不同

矿山法开挖存在初期支护刚度偏弱、支护不及时、掌子面多无支护、地下水止水效果差且多以排水为主，导致围岩地层一般扰动变形范围大、变形量大，甚至经常发生超挖、塌方、涌水等问题，此外，涉及岩石爆破区域尚存在爆破振动影响等会进一步加重上述问题，往往导致上覆地层中各类地下管线、地铁和地面其他设施等更容易发生沉降变形、开裂、损坏和地面坍塌等问题。

盾构法采用机械开挖，对周边地层扰动范围小、扰动程度低；强度大的刚性管片和同步充填灌浆、二次灌浆技术能及时封闭围岩，围岩变形量、失水量很小；掌子面有刀盘、泥水仓或土层等进行压力平衡，得到有效支撑，掌子面稳定性得到有效保障；渣土出渣、泥浆改良等能有效控制出土量和排水量，减少了水土流失（牛国强等，2022）。盾构法具备的这些优点使其具备了对周边环境（管线、地铁等）具有较之矿山法更小的影响，在同样变形控制量的前提下盾构法具备了可以更近距离比邻周边环境进行施工作业的条件，发生环境影响的概率更低，破坏后果更小、更轻（李强等，2016）。

5 结论

特殊地质结构和环境下的隧洞工程地质勘察工作，在前期要紧密结合隧洞施工工法开展勘察手段选择，工作布置、试验项目和数量（含样品尺寸）的确定，在后期勘察试验资料的整理、地层参数的建议和地质分析评价与建议等过程中，要根据各种工法的施工特征、对地质条件的要求和周边环境影响的不同而有所偏颇，使勘察成果要全面、针对性强、建议合理，能有效地指导设计和施工，尽量避免因勘察方法选择不当、勘察工作布置不合理、试验项目不全或不正确、评价与建议不合理或错误等地质工作不足或存在缺陷而给工程设计、施工和环境保护等带来不必要的地质风险。