深圳市西部花岗岩分布区深埋隧洞地质风险研究

冯建伟 雷世兵 曾剑华 何爱文 王锐 刘润方

摘要：为了研究深埋隧洞TBM施工在穿越花岗岩分布区时可能遭遇的地质风险，以贯穿深圳市西部的罗田水库―铁岗水库输水隧洞工程为例，通过野外地质测绘、地球物理勘探和岩石室内外试验，探讨燕山四期花岗岩的成因、类型，重点研究花岗岩的主要工程地质特性，并对深埋隧洞突出的地质风险进行预测。研究表明：深圳市西部地区的花岗岩主要为二长花岗岩和花岗闪长岩，微风化岩体具有良好的物理力学特性，岩石具有高―极高磨蚀性，受岩体风化、蚀变和断裂构造等影响性状变差；隧洞TBM施工时突出的地质风险主要有超硬岩适宜性、超深风化深槽、隧洞涌水和围岩稳定等问题。研究成果可以为类似大埋深（隧洞）工程提供借鉴。

关键词：花岗岩； 工程地质特性； 地质风险； 深埋隧洞； 罗田水库； 铁岗水库

中图法分类号： TU451

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.017

0引 言

深圳市境内花岗岩分布广泛，花岗岩地层约占区内面积50%以上。改革开放以来，随着经济的快速发展，深圳市开展了大量的城市建设，高层建筑、市政交通等各类工程建设的开挖深度从20世纪80年代的一层地下室快速增长到现在的2～4层地下室，深度 20 m以上也屡见不鲜［1-2］，受限于城市规划或当时技术手段，大部分工程开挖深度一般在30 m范围内。长期以来，国内外众多学者对花岗岩的研究集中在花岗岩的成因分类，以及花岗岩残积土和全强风化带的物理力学性质等方面。学者在深圳地区对花岗岩的研究，主要围绕花岗岩残积土和全强风化带内的高边坡、深基坑以及地下洞室围岩稳定性等问题开展［3-8］，为浅层地下工程建设积累了丰富经验。随着深圳市城市地下空间利用需求的日益增长，新兴的轨道交通、综合管廊和跨区引调水等工程呈现出向地下更深处发展的趋势，这些工程由于埋深大、地质条件复杂，隧洞施工过程中会遇到各种不良地质条件并引发隧洞塌方、突涌水等危害，轻则影响施工进度，重则出现人员伤亡。因此，高度重视深埋隧洞施工中的各种地质风险是很有必要的。

罗田水库―铁岗水库输水隧洞工程位于深圳市西部，是深圳市重大项目。工程输水主干线全长21.6 km，采用深埋隧洞方案，埋深一般大于50 m（最大埋深175 m）。隧洞穿越的燕山四期花岗岩（ηγ5K1、γβ3K1）长度11.62 km、占主干线53.6%，在勘察过程中取得了该时期花岗岩的大量地质资料，且该时期花岗岩在深圳西部分布范围较广，具有研究代表性。对罗田水库―铁岗水库输水隧洞工程燕山四期花岗岩的工程地质特性和地质风险进行研究，可以为类似大埋深（隧洞）工程提供借鉴。

1工程地质背景

研究区在大地构造位置上属于华南地槽褶皱系（一级单元）的一部分，位于右江地槽褶皱系（二级单元）的永梅―惠阳拗陷（三级单元）中，是加里东褶皱基底上发育而成的晚古生代凹陷，其后被中、新生代构造叠加、改造，形成以北东向断裂为主，北西及东西向断裂次之，加里东期混合花岗岩侵入及燕山期花岗岩大面积侵入的格局。由于地处新华夏莲花山断裂构造带南西段，并受到多期次的断裂和岩浆活动，对地层破坏明显，造成褶皱构造展布形式难以确定，区域构造复杂。构造形迹以断层、裂隙为主。输水隧洞穿越F1111、F4291、F3411、F3411-1、F11211、F3341、F1211等区域断裂分支，断裂及影响带宽数米至数十米不等（图1）。

研究区地层由沉积岩、火山岩和侵入岩共同组成。沉积岩主要有寒武系和白垩系地层，次为泥盆系、石炭系、震旦系、南华系地层，二叠系、奥陶系、古近系地层零星分布。火山岩主要是侏罗系地层。区内侵入岩有加里东期、印支期、燕山二期―五期的花岗岩，其中隧洞工程主要穿越了加里东期和燕山四期的花岗岩。第四系厚度一般10～20 m，下伏基岩花岗岩居多。

2花岗岩岩石学特征

本次燕山四期花岗岩用于岩石学特征研究的样品共20件，鉴定测试工作由中国地质大学（武汉）分析测试中心完成。

燕山四期花岗岩呈肉红夹灰白色、灰-灰白色，细粒、中粗-粗粒结构为主，局部斑状结构，块状构造。岩石主要矿物为石英（20%～32%）、钾长石（10%～45%）和斜长石（15%～50%），次要矿物则为黑云母、角闪石等。此外还有白云母、绢云母和绿泥石的存在，表征部分岩石发生蚀变（表1）。

花岗岩分为花岗闪长岩和二长花岗岩两类（图2），总体上具有高硅、富碱（图3）、贫钙、低Mg、Ti、P等特点，其地球化学特征与物质来源密切相关，属于壳源重熔型花岗岩类（等同于徐克勤等提出的陆壳改造型）。按照ISMA分类方案，样品具有Na2O含量低、铝饱和指数高（A/CNK＞1.1）、镁铁质矿物低等特点，花岗岩属于铝质S型花岗岩（图4）。

3花岗岩主要工程地质特性

花岗岩是公认性能良好的岩石，是人类最早发现和利用的天然岩石之一。花岗岩由于受自身矿物化学组分、气候、地下水和地质构造等内外因素的影响，呈现出不同于一般地层的工程地质特点。本次在钻孔内采取了花岗岩岩样进行室内岩石物理力学等指标试验，试验成果按风化状态进行了统计。

3.1风化规律

深圳市属亚热带气候，高温多雨，为花岗岩的风化提供了有利条件。区内燕山四期花岗岩分布于五指耙水库以南，风化强烈，地貌上多为残丘或低丘陵。综合野外地质测绘、钻孔岩芯特点和纵波波速等（表2），花岗岩风化具有以下规律。

（1） 在垂直方向上具有明显的分带性，自上而下依次分为全风化、强风化、弱风化和微风化4个风化带。各风化带分布稳定，一般不缺失，风化带总厚度10～50 m，但厚薄不一，全风化带厚度＞弱风化带厚度＞强风化带厚度。

（2） 在水平方向上，风化带由北向南逐渐变厚。亚婆髻山（桩号15+500～17+700）以北为ηγ5K1花岗岩，风化带厚度10～20 m；以南为γβ3K1花岗岩，风化带厚度15～50 m。两种不同时代花岗岩有较明显的风化差异。

（3） 花岗岩以中粗粒结构为主，细粒花岗岩分布范围小，主要出露于大头岗―亚婆髻两座残丘之间。总体上细粒花岗岩风化带厚度比粗粒花岗岩小5～10 m，在一定程度上反映了细粒结构岩石的抗风化能力相对较强。

3.2物理力学性质

（1） 物理性质。

表3为花岗岩的主要岩石物理性质试验统计结果，表内省略了测试数据，均为有效试验数据统计获得的平均值，表4～6亦为此标准。

由表3可知，岩石的密度、孔隙率等指标离散性小，表明了花岗岩结构稳定，矿物分布均匀，岩石可按各向同性材料考虑；细粒结构花岗岩的密度指标大于粗粒结构花岗岩，而吸水率、饱水率和孔隙率等指标小于粗粒结构花岗岩；各类花岗岩的密度指标随着风化加深均呈降低趋势，吸水率、饱水率和孔隙率指标均呈增加趋势。

（2） 力学性质。岩石的力学性质主要包括强度和变形两个方面。岩石强度一般包括抗压强度和抗剪强度等；岩石变形是岩石在荷载作用下发生的物理现象，弹性模量、变形模量和泊松比是目前工程界最常用的变形指标。区内花岗岩的强度和变形性质试验统计结果见表4和表5。

由表4、表5可知：随着风化加深，岩石强度逐渐降低，变形性质加强；各类花岗岩力学性能从高到底依次为细粒花岗岩ηγ5K1→粗粒花岗岩ηγ5K1→粗粒花岗岩γβ3K1。

岩石各力学性质指标之间差异很大。但注意到的是，物理性质、纵波波速、力学性质等都随着风化程度的加深而有规律的变化，纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量和变形模量等对风化状态较为敏感，且这些指标具有很好的相关性（图5、图6）。

（3） 岩体透水性。

据现场500余组压水试验（其中断层破碎带压水试验22段）和10组微水振荡试验成果（表6），两种花岗岩透水性相差不大，均以微透水—弱透水为主，断层发育、岩体破碎段以弱—中等透水为主，局部强透水。

（4） 磨蚀性。

TBM在岩层中掘进中，不可避免地会遇到刀具磨损问题。刀具磨损与工程地质条件有很大关系，尤其与隧洞围岩的岩石磨蚀性密切相关。岩石的磨蚀性一般用岩石磨蚀性指数CAI值来表示，主要利用岩石试样与钢质针锥之间进行划刻摩擦而测得，它的大小反映了岩石对TBM刀盘和刀具的磨损程度，通常由岩石等效石英含量和单轴抗压强度等共同确定。依据Cerchar试验室CAI分级标准（钢针硬度54～56）［9］，当CAI值位于2.0～4.0时，岩石具有高磨蚀性；当CAI值位于4.0～6.0时，岩石具有极高磨蚀性。区内微风化花岗岩的磨蚀性指数CAI值2.95～5.38，岩石具有高―极高磨蚀性（表7）。

3.3不良地质体

不良地质体指由地球作用产生的，对工程建设具有危害性的局部地质体。区内地质构造复杂，受地形地貌、断裂构造和岩性控制，隧洞沿线分布的不良地质体主要有断层破碎带、风化槽、软硬岩体分界面、地层蚀变带和超硬岩等。除超硬岩外，这些不良地质体处岩体的力学强度会降低，工程性状变差，且透水、富水性较强，隧洞施工时存在围岩稳定和突涌水等问题。

4深埋隧洞地质风险预测

隧洞开挖采用TBM施工，洞身大部分位于微风化花岗岩中，岩体总体上具有良好的工程地质特性，受不良地质体的影响，突出的地质风险主要有超硬岩TBM适宜性、超深风化深槽、隧洞涌水和围岩稳定等问题。

4.1超硬岩TBM适宜性问题

大头岗―亚婆髻两座残丘之间分布有细粒花岗岩，隧洞穿越长度约1.1 km，微新岩石单轴饱和抗压强度一般大于150 MPa（最大达201 MPa），强度高，为超硬岩；石英含量高，磨蚀性试验CAI值5.38，耐磨性强；围岩声波波速4 800～5 700 m/s，完整性系数Kv=0.84，围岩较完整—完整，除玉律断裂及其影响带外，围岩以Ⅱ类为主。

细粒花岗岩具有极高磨蚀性，TBM刀具磨损大，会造成施工进度缓慢和施工成本明显增加。根据SL 629-2014《引调水线路工程地质勘察规范》中附录C隧洞TBM施工适宜性分级标准，细粒花岗岩的岩体完整，围岩稳定，岩体强度对掘进效率有明显影响，地质条件适宜性差，TBM施工适宜性为C级。

4.2超深风化深槽

隧洞穿越区大部分为微风化花岗岩，岩体总体属于坚硬岩，力学性能良好。但在勘察过程中，发现有多处风化深槽，岩体主要为全、强风化岩。风化深槽属于特殊风化类型，形成机制较为复杂，主要形成于地形低洼、不同岩性接触部位和断裂带。经过现场钻孔加密、钻孔声波和地面物探微动探测复核后发现，隧洞沿线共分布5处风化深槽，累计长度约600 m，其中不同期次花岗岩的接触部位和断裂带处的风化深度远超50 m。

风化深槽破坏了岩体的完整性，降低了岩体强度，增强了岩体渗透性能，常在风化槽底富集地下水，甚至形成“水盆”。因此，风化深槽也是一种地质缺陷，除了引起隧洞围岩稳定问题和基底不均匀沉降外，更要重视TBM掘进进入“水盆”引发隧洞突水问题。

4.3隧洞涌水问题

输水隧洞主要在基岩中穿越，基岩地下水位埋藏浅，均在隧洞顶板以上，全段隧洞有涌水风险。线路南北高为丘陵地貌，中间低为平原地貌，依据地形地貌、地层岩性和断层发育情况，研究区总体上划分为3个水文地质单元（图7）。第Ⅰ单元为罗田水库进水口至大头岗山之间，区内茅洲河为最低侵蚀基准面，地下水受大气降水补给，向茅洲河排泄。第Ⅱ单元为大头岗山至阿婆髻山之间，与第Ⅰ单元以大头岗山分水岭为界，区间内长流陂水为最低侵蚀基准面，大头岗山南坡地下水向南运移，阿婆髻山北坡地下水向北运移，向长流陂水排泄，入长流陂水库后沿新桥河终汇入茅洲河。第Ⅲ单元为阿婆髻山至铁岗水库出口，与第Ⅱ单元以阿婆髻山分水岭为界，沿线地下水向两侧低地排泄，流入料坑河后入铁岗水库，终汇入珠江口。

燕山四期花岗岩位于第Ⅱ单元和第Ⅲ单元内，隧洞围岩主要为微风化花岗岩，一般具有极微―弱透水性；局部断层带和裂隙发育部位，岩体破碎，具中等透水性。根据《铁路工程水文地质勘察规范》采用地下水动力学法计算隧洞和断层带涌水量，正常涌水量预测采用佐藤邦明经验公式与柯斯嘉科夫公式（表8），最大涌水量预测采用佐藤邦明经验公式与古德曼经验公式（表9）。

根据计算结果，隧洞正常涌水量预测值为113 109 m3/d。研究区内隧洞主要涌水断层段为F1121-2及影响带、F3341及影响带，最大涌水量预测值分别为15 940 m3/d、38 192 m3/d。

4.4隧洞围岩稳定问题

研究区发育F1121-1（楼村断裂-1分支）、F1121-2（楼村断裂-2分支）、F1121-3（楼村断裂-3分支）、F3341（黄草坑顶断裂）、F3341-1（黄草坑顶断裂-1分支）、F1211（玉律断裂）等6条规模较大的断裂，断裂带为碎裂岩或碎粉岩，主要由断层泥、岩屑夹岩块或岩块夹岩屑等组成，围岩类别以Ⅴ为主，不稳定―极不稳定，存在围岩稳定问题，需及时或提前采取支护措施。

此外，不同期次花岗岩的接触部位，在动力变质和热液变质作用下，形成蚀变带。蚀变花岗岩多见高岭土化、黏土化，部分蚀变段呈砂砾状无强度，属极软岩、软岩。蚀变带岩体完整性差―较完整，散体结构为主、少量镶嵌结构，且具有快速鼓胀崩解特征，这些部位的围岩极不稳定，洞室围岩存在坍塌问题，建议开挖过程中快挖快撑。

5结 论

（1） 燕山四期花岗岩主要呈粒状结构，块状构造，由花岗闪长岩和二长花岗岩组成；样品具有Na2O含量低、铝饱和指数高（A/CNK＞1.1）、镁铁质矿物低等特点，按照ISMA分类方案，花岗岩属于铝质S型花岗岩。

（2） 花岗岩风化强烈，垂直分带性明显，风化总厚度10～50 m，各风化带厚薄不一，弱风化带厚度较薄；水平方向上，风化带由北向南逐渐变厚。细粒花岗岩风化总厚度比粗粒花岗岩小5～10 m，反映了细粒结构岩石的抗风化能力相对较强。

（3） 花岗岩的物理力学性能与其结构和风化状态密切相关，总体上ηγ5K1细粒花岗岩物理力学性能最优，ηγ5K1和γβ3K1的粗粒花岗岩两者相差不大。

（4） 隧洞开挖采用TBM施工，洞身微风化花岗岩总体上具有良好的工程地质特性，突出的地质风险主要有：

① ηγ5K1细粒花岗磨蚀性极高，TBM刀具磨损大，岩体强度对掘进效率有明显影响，地质条件适宜性差，TBM施工适宜性为C级。

② 隧洞沿线共分布5处风化深槽，累计长度约600 m，主要形成于地形低洼、不同岩性接触部位和断裂带，可能引发隧洞围岩稳定、基底不均匀沉降和突涌水等地质问题。

③ 依据地形地貌、地层岩性和断层发育情况，隧洞工程总体上划分为三个水文地质单元。根据计算结果，隧洞正常涌水量预测值为113 109 m3/d，而断层是隧洞主要涌水点，最大涌水量38 192 m3/d位于F3341断层。

④ 区内6条大断裂和花岗岩蚀变带等部位，由于工程性状差，围岩不稳定―极不稳定，类别以Ⅴ为主，需及时或提前采取支护措施。

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（编辑：黄文晋）