罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程岩体风化特征

李爱国 曾剑华 何爱文 高健 乔帅 刘润方

摘要：深圳市罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程隧洞埋深大、距离长、穿城区，围岩岩性包括沉积岩、变质岩和侵入岩等三大岩类，不同岩类、岩性风化特征差异较大，有槽状风化、球状风化等，隧洞穿越多种岩性的不同风化带，也穿越两处全、强风化深槽。采用岩体孔内声波测试、室内试验、岩矿组成鉴定等多种手段对三大岩类主要岩性风化特征、成因及物理力学特性进行了分析，研究了风化带岩体对该工程的影响，并提出了处理建议。研究成果可为同类工程提供参考。

关键词：输水隧洞； 风化特征； 沉积岩； 变质岩； 侵入岩； 罗田水库； 铁岗水库

中图法分类号： P642

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.015

0引 言

罗田水库—铁岗水库输水隧洞主体隧洞全长21.6 km，工程建筑物类型有城市长距离深埋隧洞、大尺寸超深竖井、大跨度地下阀室洞室群等。隧洞沿线和建筑物区地层岩性涉及沉积岩、变质岩、侵入岩等3大岩类，新生代-元古代6套地层十多种岩性，工程建设涉及的空间范围内岩体划分为全、强、弱、微等4个风化带，不同地层岩性、地质构造、地貌单元的岩体，其风化成因、风化深度、工程特性差异大。该工程隧洞、洞室、竖井等建筑物的围岩、井壁或基础存在穿越、坐落在不同风化带岩体的情况，全、强风化岩体工程性状差，隧洞、洞室、竖井穿越此类岩体，存在隧洞（井壁）围岩坍塌、涌水突泥等主要工程地质问题。研究工程区各类地层岩性的风化特征、风化成因、不同风化带岩体的工程特性，对输水隧洞路线、施工工艺选择具重要的工程意义。

1基本地质条件

工程区位于深圳市西部，大地构造单元位于华南褶皱系—新华夏系莲花山断裂构造带南西段，构造形迹以断裂为主，分布有茅洲河向斜，地质构造较复杂［1-2］（图1）。隧洞沿线有丘陵、台地和冲洪积平原等地貌，地形总体两端高、中间低；起始端为高台地，地形起伏，沟壑纵横，台地顶高程40～80 m，沟谷宽一般20～40 m，谷底高程20～35 m；中部隧洞段穿越城区，为河流堆积地貌和低台地，地势平缓，地面高程3～16 m，并下穿水面宽度60～80 m的茅洲河；末端洞段为低丘陵和高台地，地面高程30～214 m。沿线分布沉积岩、变质岩、火成岩（喷出岩、侵入岩）三大类。沉积岩为侏罗系桥源组（J1q）、塘厦组（J1-2t）粉砂岩、泥岩、石英砂岩、砂砾岩、流纹岩等，分布在茅洲河两岸。变质岩为震旦系黄婆山组（Zh）石英片岩、片麻岩及混合花岗岩，分布在茅洲河北岸。侵入岩中白垩纪燕山四期（ηγ5K1、γβ3K1）主要有粗粒（斑状）黑云母花岗岩、黑云母二长花岗岩和细粒黑云母花岗岩，奥陶纪加里东期（ηγO1）主要有片麻状花岗岩、细粒黑云母二长花岗岩、斑状花岗岩及混合花岗岩，分布在龟山公园以南。

2岩体风化特征及成因

2.1岩体风化带厚度特征

工程区内岩性种类有二十余种，本文对357个钻孔共26 401.59 m进尺的岩芯进行风化分带，也对其中128个钻孔共8 750 m进行纵波波速测试，采用波速比对风化分带进行精准验证，风化带地质特征见表1，声波特征见表2，风化带厚度、风化界限埋深特征见表3。可见工程区岩体分全、强、弱和微风化4个带，沉积岩风化带较薄，变质岩次之，加里东期侵入岩和燕山四期侵入岩最厚，三大岩类之间风化厚度差异显著。此外，在加里东期侵入岩区，强风化下限最大埋深72.6 m，发育有风化深槽，在燕山四期花岗岩区发育有球状风化（见表4），表明同一地层相同岩性也存在明显的差异。

沉积岩全风化带厚度平均2.3 m，强风化带厚度平均4.8 m，风化带厚度一般较薄。

变质岩台地区坡面上风化带厚度一般较大，覆盖层、全风化、强风化带总厚度一般23～57 m，平均厚度约35 m，其中全风化、强风化带平均总厚度约27 m，全风化带厚度一般6～18 m，平均厚度15 m，沿断层存在深槽厚度可达32～37 m，强风化带厚度一般4～16 m，平均厚度12 m，沿断层存在深槽的厚度可达30～39 m。沟谷、河槽内，受冲刷剥蚀作用，覆盖层和全风化、强风化带厚度一般较薄，总厚度5～15 m，全风化带厚度0～5 m，强风化带厚度0～15 m。

奥陶纪早世加里东期侵入岩（ηγO1）分布在低台地，风化带普遍较厚，覆盖层、全风化和强风化带总厚度20～72.6 m，平均厚度37 m；全风化带厚度一般15～25 m，平均厚度21 m；强风化厚度一般0～5 m，平均厚度4.9 m。发育“松岗河风化深槽”（桩号DK9+020～DK9+170）、“东方大道风化深槽”（桩号DK9+535～DK9+805）。其中，“松岗河风化深槽”段全风化、强风化带平均厚度35 m，“东方大道风化深槽”段全风化、强风化带平均厚度52 m。

白垩纪早世燕山四期侵入岩（ηγ5K1、γβ3K1），分布在低丘陵和高台地区，丘陵区地形坡度较大的坡面、坡顶全风化—强风化带薄，覆盖层、全风化和强风化带总厚度一般5～35 m，平均厚度约21 m，全风化带厚度平均约10 m，强风化带厚度平均约3 m。地形平缓的台地全风化—强风化带较厚，发育有“铁岗水库风化深槽区”，全风化和强风化带总厚度一般32～58 m，平均厚度约43 m，全风化带厚度平均约36 m，强风化带厚度平均约2 m。

2.2岩体风化特征成因分析

岩体风化包括物理风化、化学风化和生物风化。物理风化是由温度变化、风力侵蚀、流水侵蚀、水分冻结、冰川侵蚀等物理作用引起的矿物岩石发生物理变化的过程。化学风化是地表岩石在水、氧及二氧化碳的作用下发生化学成分变化，并形成新矿物，分为溶解作用、水化作用、水解作用、碳酸化作用、氧化作用等类型。

岩体风化与岩石矿物成分、岩体完整性、地质构造部位和地形地貌、气候等外部环境密切相关。区内沉积岩、变质岩、侵入岩和喷出岩均有揭露，岩性、岩矿组成复杂，根据造岩矿物在水中溶解度大小顺序：方解石＞白云石＞橄榄石＞辉石＞角闪石＞斜长石＞正长石＞黑云母＞白云母＞石英，不同岩矿组成影响化学风化作用的类型和强烈程度；区内发育北东（北东东）、北西两组断裂，次级断层发育并伴随有4组主要裂隙，破坏了岩体的完整性，由于受不同地质构造部位和岩体完整性的影响，风化作用的深度存在显著差异；区内属丘陵、台地和冲积平原地貌，不同地貌单元对风化带岩体能否保留也有影响；工程区地处亚热带与热带过渡地带，雨量充沛、气候闷热潮湿的环境有利于物理风化作用。

（1） 沉积岩。

沉积岩全风化带厚度平均2.3 m，强风化带厚度平均4.8 m，风化带厚度一般较薄，分析其原因主要有：① 岩矿组成。根据18组岩石切片镜鉴分析，粉砂岩、细砂岩的矿物组份包括石英粉细砂岩组成的岩屑，含量48%～86%，胶结物包括有玉髓、绢云母、白云母、伊利水云母、铁质等。泥岩和粉砂质泥岩矿物组份包括伊利水云母、绢云母，含量80%～90%，铁质和泥晶方解石，含量约5%～10%，石英粉细砂岩屑，含量约5%～10%，岩矿水溶解度低、抗风化能力强。② 岩体完整性。区内该套沉积岩建造于中生代，历燕山构造运动和喜山构造运动，地块以间歇性抬升和差异性隆升为主，受挤压形成倾覆南东的 “簸箕型”向斜—茅洲河向斜，伴生北东向、北西向两组断层，总体上该套地层厚度大、完整性好，不利于向岩体深部风化。③ 地形地貌、地下水。岩体埋深大、地下水侵蚀作用有限，沉积岩顶板埋深13～25 m，顶板高程-7～-14 m，地下水位低平，地下水渗流对岩矿溶解作用弱。

（2） 变质岩。

① 岩矿组成，根据31组岩石切片镜鉴分析可知，斜长石含量15%～65%，平均39%，钾长石含量5%～45%，平均19%，石英含量3%～63%，平均27%，水溶解度高的岩矿成分含量高，抗风化能力差。② 岩体完整性，该套建造于新元古界震旦纪，经历多期构造运动，属区域变质绿片岩相并动热变质作用叠加，岩体裂隙发育，有利于风化向深部发展。③ 地形地貌，丘陵区地形起伏小、坡度缓，剥蚀作用弱，利于风化带岩体原位保留；水流冲刷作用下，沟谷、河槽内，风化带岩体被剥蚀，难以完全保留。

（3） 侵入岩。

加里东期侵入岩、燕山四期侵入岩具有风化带总厚度大、以全风化带为主、强和弱风化带厚度小或缺失的特征，也存在槽状风化和球状风化现象。分析其原因主要有：① 岩矿组成上，根据56组岩石切片镜鉴分析，两期侵入岩均为花岗岩，长石含量高，除物理风化崩解作用外，在水和二氧化碳的水解作用和碳酸化作用下更易分解岩体。② 花岗岩具有粒状结构，岩体风化长石被分解后，岩体逐渐解体成石英颗粒为骨架的散体结构，基岩裂隙水向四周渗透扩散为孔隙水，进一步促进水解作用和碳酸化作用，形成较厚的全风化带。③ 两期侵入岩中，燕山四期以二长花岗岩为主，斜长石和钾长石总含量54%～83%，平均69%，加里东期经区域动力和燕山期岩浆岩热液侵入变质作用，有片麻状花岗岩和岩株形式的二长花岗岩或黑云花岗岩产出，片麻状花岗岩中斜长石和钾长石总含量35%～70%，平均57%，含量低于岩株的二长花岗岩或黑云花岗岩，因此地下水对长石矿物产生的水解作用和碳酸化作用更易于在二长花岗岩的岩株处形成风化深槽。④ 地形地貌，台地区地形起伏小、坡度缓，剥蚀作用弱，利于风化带岩体原位保留，而丘陵区沟谷深切，地形起伏大、坡度大，剥蚀作用相对强烈，不利于风化带岩体原位保留。

3岩体风化对工程影响与处理建议

3.1风化岩体工程地质特性

输水隧洞围岩总体以微风化岩体为主，花岗岩区的松岗河风化深槽（K9+035～K9+195）、东方大道风化深槽（K9+560～K9+830）、铁岗水库深厚风化区（K21+375～K21+675.49）与隧洞密切相关，本文主要研究全风化带岩体物理力学特性（表5～6）。

3.2风化岩体对输水隧洞线路、埋深选择影响和处理建议

输水隧洞开挖洞径6.7 m，线路埋深50～80 m，隧洞围岩以弱、微风化为主，局部位于全、强风化带中。

3.2.1风化岩体产生的工程地质问题

松岗河风化深槽：洞身位于强风化粗粒斑状黑云母二长花岗岩、片麻状花岗岩岩体中，洞顶强风化岩体厚度不足2 m，属极软岩、软岩。洞顶以上两倍洞径至洞底岩体声波波速Vp，min=1 903 m/s，Vp，max=4 919 m/s，平均值2 939 m/s，Kv=0.24，岩体较破碎—破碎，岩体呈碎裂结构、散体结构，洞室极不稳定，属Ⅴ类围岩，隧洞最大涌水量3 876 m3/d，正常涌水量1 855 m3/d。

东方大道风化深槽：其中桩号K9+560～K9+700，洞身位于全风化岩体中，声波波速Vp，min=1 885 m/s，Vp，max=3 805 m/s，平均值2 255 m/s，Kv=0.14，岩体破碎，散体结构，围岩以Ⅴ类为主，局部Ⅳ类，围岩极不稳定，洞室存在坍塌。桩号K9+700～K9+830，洞顶位于强、弱风化带界线附近，岩性为片麻状花岗、细粒黑云母花岗岩；洞顶上覆强、弱风化岩体厚度1.7～3.1 m，一倍洞径范围内风化岩体声波波速Vp，min=2 017 m/s，Vp，max=5 451 m/s，平均值3 135 m/s，Kv=0.27，碎裂、碎块结构，岩体较破碎—破碎，围岩极不稳定，洞顶围岩存在坍塌；边墙为微风化片麻状花岗岩、细粒黑云母花岗岩，岩石Rb=61.6 MPa、74 MPa，坚硬岩，磨蚀性试验CAI值5.25，岩体声波波速Vp，min=3 103 m/s，Vp，max=5 762 m/s，平均值4 954 m/s，Kv=0.68，岩体完整性差—较完整；该段洞室围岩上软、下硬，综合评定为Ⅴ类围岩。东方大道风化深槽段隧洞最大涌水量5 647 m3/d，正常涌水量2 453 m3/d。

铁岗水库风化深槽：隧洞位于全风化粗粒斑状黑云母二长花岗岩中，部分隧洞洞身围岩跨全风化、强风化、弱风化、微风化4类风化带。洞室围岩不稳定—极不稳定，围岩以Ⅴ类为主，局部Ⅳ类，隧洞最大涌水量5 885 m3/d，正常涌水量2 144 m3/d。

3.2.2选线和处理措施地质建议

隧洞选线和埋深方面，输水隧洞线路平面上总体近南北向布置，在光明城区穿松岗河风化深槽、东方大道风化深槽部位，东侧紧邻根玉路，西侧为汉海达高新科技园，平面上已无避让调线的余地。在埋深上，风化深槽底界最大埋深72.6 m，若完全避开深槽，隧洞顶板埋深需达80 m，作为该段始发的五指耙工作井井深将近90 m，无疑给地质条件差的该竖井施工带来极大困难。因此地质人员建议在避免隧洞洞身跨全、强、弱多个风化带的前提下，埋深适当上抬缩短风化深槽隧洞段的长度，采取预灌浆处理措施或选择合适的TBM型号解决隧洞坍塌和涌水涌沙问题。铁岗水库风化深槽隧洞段位于出水口隧洞段，隧洞自深至浅，须穿全、强风化带，平面和竖向均无避让条件，建议先支护再开挖。

灌浆处理和TBM选型方面，松岗河风化深槽、东方大道风化深槽分布在TBM2段，分别位于根玉路与东方大道交叉口的北侧和南侧，交通繁忙，封闭现有道路在地表进行灌浆加固处理困难，建议选择对全风化岩体适宜的TBM型号，此外，TBM2段其他隧洞段围岩为微风化的泥岩、粉砂岩、石英砂岩及花岗岩等，软硬兼有，岩石强度差异大，采用双模式TBM较为适宜。铁岗水库风化深槽采用矿山法，且地表属环境敏感区，不具备地表灌浆预处理的条件，建议采用超前小导管注浆结合钢拱架临时支护形式。

3.3风化岩体对超深竖井支护结构深度的影响和处理建议

花岗岩区五指耙水厂分水井，井深66 m，外径42.6 m，竖井开挖范围内风化带厚度较大，全风化厚10.1～20.9 m，底板高程-8.28～7.81 m。强风化厚1.0～4.8 m，底板高程-6.28～-13.20 m。弱风化厚3.2～8.9 m，底板高程-17.70～3.81 m。全风化岩体强度低，井壁直立开挖不能自稳；强、弱风化岩体和微风化岩体上部多为碎块状散体结构—碎裂结构，厚度较大（13～27 m），且分布不稳定，工作井开挖存在掉块和井壁坍塌的风险；此外微风化岩体中随机分布有绿泥化、高岭土化或黏土化的蚀变花岗岩，强蚀变岩体呈砂状、碎块夹岩屑状、泥状，井壁开挖不能自稳，存在井壁稳定问题。对全、强和弱风化岩体需采取地下连续墙进行支护，地下连续墙应深入微风化岩体并延伸至蚀变花岗岩以下一定深度。

花岗岩区铁岗工作井，井深66 m，外径29.4 m，竖井开挖范围内风化带厚度大，全风化厚32.9～49.0 m，底板高程-9.68～0.23 m；强风化厚0～3.9 m，底板高程-13.51～-0.87 m；弱风化厚0.4～9.6 m，底板高程-19.20～-7.92 m。全、强风化岩体强度低，井壁直立开挖不能自稳，存在井壁稳定问题；弱、微风化强度较高，较完整—完整，井壁稳定。建议对全、强风化岩体采取地下连续墙进行支护，因弱风化带厚度小且分布不均，建议地下连续墙深入微风化岩体一定深度。

4结 语

本文通过对深圳罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程区三大岩各风化带岩体进行大量勘探、声波测试、物理力学性质试验、岩石矿物组鉴定，分析了各岩类风化带厚度特征的成因和工程地质特性，研究了风化带岩体对工程的影响，并提出了处理建议，对指导同类工程建设在选线选址、工程处理规避重大安全风险方面具有重要意义。

参考文献：

［1］《深圳地质》编写组.深圳地质［M］.北京：地质出版社，2009.

［2］长江勘测规划设计有限责任公司.罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程初步设计报告：第三篇工程地质［R］.武汉：长江勘测规划设计有限责任公司，2021.

（编辑：黄文晋）