九尾岭断裂的性状及对深圳地铁5号线的影响

李新元

（深圳市工勘岩土集团有限公司，广东深圳 518063）

0 概况

深圳地铁5号线西起前海湾，经宝安中心、新安旧城区、西丽、大学城、龙华拓展区、坂田、布吉、至黄贝岭，线路全长40.001 km。其中百鸽笼站至布心站区间北起龙岗区布吉街道办百鸽笼，沿东南向呈弧形延伸，经布心山庄，抵罗湖区东哓路心怡花园一带①铁道第三勘察设计院集团有限公司.深圳地铁5号线工程详细勘察阶段百鸽笼站至布心站区间岩土工程勘察报告[R].2008.。区间左线里程为DK33+207.52～DK34+794.45，全长约1587 m，右线里程大致相当。其中里程DK33+790～DK34+480段长约690 m穿越深圳九尾岭断裂主断裂及次生断裂影响范围带，该段地铁轨底高程约8.680～11.453 m，埋深约29.7～73.1 m，采用的工法为矿山法施工。断裂构造发育区工程、水文地质条件复杂，对地铁设计和施工影响较大，故应高度重视。

1 区域地质构造

1.1 深圳区域地质构造[1]

深圳总占地面积虽不大，但地形、地貌复杂，地貌单元多，东部以丘陵为主，西部以冲积和海积平原为主，中、北部以低台地为主；目前地貌主要在晚更新期形成，主要原因是此期构造运动强烈，但构造运动又受到深圳北东、北西两个方向的断裂束联合控制。

深圳市位于华南褶皱系的紫金—惠阳凹褶断束中东西向高要—惠来断裂带的南侧，北东向莲花山断裂带西北支的五华—深圳断裂亚带的南西段展布区[1]。深圳地区地质构造复杂，以断裂构造为主，主要发育北东、北西两组断裂束，东西向断裂次之，从规模、影响范围、对工程建设活动的影响性来看，其中又以北东向断裂最为显著。就目前既有资料的丰富程度来看，北东向断裂走向多介于N50°—70°E，在深圳中、东部发育密集，形成较大的断裂束，如罗湖大断裂、九尾岭断裂等，其主要在深圳中东部的南山、福田、罗湖、盐田、大鹏5区揭露明显，其可能是深圳中东部丘陵地貌发育、岩层露头众多、覆盖层薄、开发较成熟，便于对断层的调查研究工作，而西部平原地区地势较平坦、第四系覆盖层较厚、收集的资料较少等原因有一定的关联性。

1.2 九尾岭断裂构造

根据《深圳市地质图说明书》中的相关划分[2]，九尾岭断裂属于深圳北东向断裂深圳断裂带深圳断裂束。往南西经嶂背、荷坳、沙湾、九尾岭，至泥岗，被北西向断裂错开后，断续延伸至沙头后进入深圳湾。走向北东50°～70°，北东段及中段倾向北西，倾角65°～85°，自九尾岭往南西倾向南东，倾角40°～60°。断层性质为逆时针滑移为主，前期具压扭后期具张扭性。断层全长达50 km，延续性较好，宽5～20 m不等。该断裂为一压扭性断裂，发生过反时针滑移，断裂在平面上微呈反“S”形舒缓波状展布。断裂具有明显的碎裂变形特征，在下石炭测水组及下中侏罗统塘厦组砂页岩中发育了由厚大的破碎岩、构造角砾岩及硅化破碎带构成的垅岗状山脊。九尾岭独树村一带，破碎带数米，影响带宽度数十米不等，由破碎带中心向两侧依次由断层泥、糜棱岩、构造透镜体、压碎角砾岩和绿泥石化、硅化破碎岩组成，在独树村可见断裂中的断层泥上有清晰的斜向擦痕，验证了断裂挤压、错动的发展史。

根据钻探资料分析，在地铁5号线附近，九尾岭断裂发育F1-1～F1-5共计5条次生断裂和两条小的共轭断裂F1-6和F1-7。次生断裂与主干断裂大致平行，共轭断裂与其交角约为65°～73°。根据钻探资料及断裂形成机理推测，九尾岭断裂为一压扭性逆断裂，次生断裂均为正断裂，其伴随发育的小共轭断裂多为张性断裂。

在岩性构造方面，沿线场地自北向南依次发育侏罗系中统（J2）角岩、砂岩，加里东期混合花岗岩（M），震旦系混合岩（Z）；相互呈不整合接触关系，局部呈断层接触。侏罗系中统砂岩零星穿插发育于角岩中，同角岩呈整合接触关系。断层破碎带发育有断层角砾岩，受构造影响局部岩石出现碎裂化、靡棱化构造。上部在风化作用下形成残积层，局部地段存在坡积层和冲洪积层，地表为人工填土层。

2 构造与地铁关系

深圳地铁5号线布心—百鸽笼区间里程介于DK33+207.52～DK34+794.45，全长约1587 m，大致呈一宽缓的“S”曲线，大致里程DK33+919.7跨越九尾岭断裂，跨越范围地铁走向为N52°W，该范围断裂走向N55°E，故二者呈107°大角度相交，次生断裂与地铁线路呈105°～108°相交；共轭断裂走向北偏西N15°W—N20°W，同地铁线路交角介于32°～37°之间。断裂构造与地铁线路的关系具体见图1、图2。

图1 深圳地铁5号线与九尾岭断裂构造位置关系

图2 九尾岭断裂及次生断裂影响范围纵断面图

3 断裂对地铁影响分析

3.1 断裂稳定性对地铁的影响

3.1.1 断裂自身稳定性

九尾岭断裂隶属区域大的断裂莲花山断裂带，据既有资料，莲花山断裂两个活动频繁期跨度及期间发生的地震情况统计见表1。

表1 莲花山断裂相关地震统计表

其主要原因是，莲花山断裂海丰段属于构造应变能易于积累的场所，也是断裂带现今以黏滑方式活动较为突出的部位[3]。深圳段的北东向断裂束则位于调整单元的疏通部位，发生高强度地震的可能性小。

深圳市为了监测北东向断裂是否导致地震的可能，大致沿深圳主要断裂束NE向，按间距排5～10 km不等设置5个监测站，经1985—1986年一年的监测周期，结果表明，罗湖区未发生微震活动。同时历史记载表明，罗湖区附近500年来未发生过大于3级的地震。

罗湖区因为构造活动、或构造应力集中等因素导致地震的可能性极小，且第四纪以来，未发现新的构造运动的痕迹；由此说明区域稳定性较好，不可能产生中、强地震，地铁5号线不会因为构造导致的地震活动产生破坏作用。

3.1.2 区域应力对断裂的影响

断裂的形成、运动均是地应力影响的结果，地应力聚集区且得不到有效地释放，当地应力大于岩土体的抗剪强度（某些时候是抗拉），则易导致岩土体间的相互错动，发生规模大小不等的构造运动甚至导致地震。正常情况下，地下垂直应力主要来自于上部岩土体的自重，水平应力同垂直应力视土性不同呈一定的对应关系，且垂直应力大于水平应力。

垂直应力：δv=γh

水平应力：δh=K0δv

式中：γ为重度；h为深度；K0为岩土体的水平侧压力系数。

但地表经外营力和内营力（主要来是构造营力）的影响，水平应力和垂直应力不全满足一定的对应关系，甚至部分地区的水平应力远大于垂直应力，应以实际测量为准。

深圳地质局联同相关单位，利用钻孔内部水压法和压磁法在深圳体育馆、八卦岭等地区（同拟建隧道高程大致相当）进行了实际地应力测试工作[3]。实测地应力数值、九尾岭附近地铁钻探岩芯取样实验相关参数统计见表2。从表2数据分析，九尾岭断裂附近岩石单轴无侧限抗压强度值是地应力最大压应力的10.11～32.14倍，岩石抗剪强度是地应力最大剪应力的3.65～23.41倍。可见，在目前的地应力条件下，岩石自身的强度远大于地应力提供的破坏力，九尾岭断裂不会因为地应力导致的剪切破坏而发生新的构造运动，故断裂稳定性好。

罗湖区域的最大主压应力的方向约为N50°W[3]，地铁影响范围内九尾岭断裂断裂走向约N54°E，二者夹角约为104°，属于比较稳定的大夹角范围。该段地铁线路走向约为N51°W，与地应力最大压应力方向基本一致，属于非常合理和稳定的线路选择方案。

表2 地应力数值与岩石参数统计表

3.1.3 区域构造运动趋势

据原地矿部在罗湖地区进行断裂活动性监测结论显示：罗湖区域断裂上下两盘呈近“8”字形周期性相对运动轨迹，年周期内上下盘绝对运动量几乎不变，相对活动量亦非常微弱。同时根据区域内的建筑物的监测结果显示：高层建筑的变形主要在自身的重力作用下，对持力层的压缩变形，与区域的断裂构造活动无相关性；根据近年九尾岭断裂影响范围内建筑物的监测亦可表明，断裂活动性微弱。由此可推断，故九尾岭断裂不存在突发活动性的可能，稳定性较好，对地铁5号线的安全运营有保障。

3.2 断裂带的工程、水文地质特性对地铁隧道的影响评价

3.2.1 工程地质特性

构造影响范围内地层结构为：上覆厚度较小的第四系覆盖层，主要由填土（Qml4）、坡积层（Qdl4）、残积层（Qel）。填土主要由松散、局部稍密的黏性土组成，含少量碎块石、建筑垃圾；坡积层、残积层以粉质黏土为主，土质较均匀；该层厚度较小，均位于地铁洞身结构范围以上，影响甚微，在此不做讨论。下伏基岩为加里东期混合花岗岩（M）和少量的震旦系混合岩（Z），位于断裂带处主要发育断层角砾岩、碎裂岩，局部糜棱化严重，为糜棱岩。洞身结构范围内的主要为中、微风化混合花岗岩和断层角砾岩；其中中等风化混合花岗岩岩体完整性在空间上严重不均匀，岩体呈块状、碎块状，局部较完整；部分地段受构造影响碎裂化，岩体呈碎石状，岩体基本质量等级为Ⅳ级。微风化混合花岗岩岩体较破碎，局部较完整，岩芯多为短柱状、碎块状，岩质坚硬、新鲜，局部夹构造强风化带，其特征为劈理化及绿泥石化，质软（见图3），岩体基本质量等级为Ⅲ～Ⅳ级。

图3 微风化混合花岗岩芯

断层角砾岩矿物成分较复杂，角砾大小不一，定向陡倾节理强烈发育（见图4），局部可见擦痕（见图5），岩体破碎，岩体强度差异大；局部靡棱化，岩质软且不新鲜，多由次生矿物或钙质胶结，胶结物泡水沿节理、裂隙面易软化。岩体基本质量等级为级Ⅴ级。

3.2.2 水文地质特性

为了查明场地地下水条件，对洞身结构影响范围内的岩层进行了抽水试验工作，并采取稳定地下水样进行了室内水质简分析；选取4个混合花岗岩试验段和3个构造角砾岩试验段，采用潜水完整井单孔抽水法，各试验段分别抽取3个稳定降深，其试验结果统计见表3。

图4 定向节理发育

图5 擦痕

从试验数据可见，无论是混合花岗岩及构造角砾岩不同试验段的渗透系数值较离散，且构造角砾岩更严重；同地区非断裂构造影响范围的混合花岗岩渗透系数经验值一般为0.5～1.5 m/d，可见构造影响范围的渗透系数值普遍偏大。

表3 渗透系数统计表

地下水取水试验结果表明：p H值介于5.9～7.3，侵蚀性CO2介于5.7～21.22 mg/L，地下水总矿化度为137.10～391.60 mg/L，为低矿化水—中矿化水，再结合 Cl-、Mg2+、OH-、NH+、等离子的含量，根据现行勘察相关规范判别：在直接临水或强透水层的环境下地下水对混凝土结构具弱腐蚀性，在弱透水层中不具腐蚀性；对钢筋混凝土结构中钢筋不具腐蚀性[4]。

3.2.3 对地铁隧道的影响评价

（1）隧道洞身结构范围内的岩体破碎，节理裂隙剧烈发育，强度差异大，承载力特征值fak介于280～3000 kPa；岩体基本质量等级多为Ⅳ～Ⅴ级。矿山法施工隧道形成临空面后，局部应力虽重布，但拟建沿线不属于地应力聚集区，且岩体破碎，岩质强度差异很大，故出现岩崩的可能性小；节理、裂隙将岩体切割成大小不等、形状各异的岩块，破碎的岩体不容易形成自然拱，再加上施工扰动因素（如爆破作业）影响，给施工过程造成严重的阻碍 ，拱顶临空面上的岩体易剥落、掉块甚至发生冒顶事故，侧壁及掌子面易发生小范围的坍塌事故，亦或因坍塌牵引发生拱顶的冒顶事故。据统计，近10年地铁隧道矿山法施工安全事故，其中冒顶坍塌占比55%[6]；且目前对破碎带的影响预测技术还处于发展阶段，无法有效地预测，所以加强破碎带地段隧道的地质超前预报和超前支护尤其重要。根据类似经验，地质钻探、地质分析或掌子面物探法是较好的超前预报手段[7]。超前支护可选用先进行破碎段注浆充填，再进行管棚支护的方法[6]。构造影响范围带内的隧道施工应将超前支护、监控量测、信息化施工作为控制重点，做到“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”。

（2）隧道洞身结构范围内主要为基岩裂隙水，构造及影响范围内基岩节理、裂隙为其主要渗流通道和贮存空间；构造及影响范围带节理、裂隙发育规律性较差，受其影响，地下水渗流呈线状、条带状或局部呈面状渗流，受节理裂隙闭合程度和充填情况影响，水量亦不均匀；因隧道埋深大，地下水垂直向补给量充足，故隧道内水压较大、水量丰富，是隧道施工较大的不利因素。地下水主要存在三方面的不利影响，其一是地下水的浸泡会使软质岩体抗剪强度降低，变形加大；地下渗流冲刷节理裂隙内的充填物，加剧岩体失稳，进一步诱发掉块、坍塌甚至冒顶。其二是随地下水向隧道内渗流、排泄，导致浅层水位降低，引起地面沉降，危及路面、既有建筑物和管线管道的安全。其三是带水作业施工条件差，环境恶劣，安全风险大，不符合安全文明施工要求。故针对该隧道防水工作应遵循“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”的原则。设置三道防水线，即初期支护、防水层、二次衬砌，三道防线相辅相成[8]。另外结合超前支护阶段的注浆充填亦能起到较好的防水效果。

4 结论

九尾岭断裂属深圳断裂束的主要断裂之一，属一压扭性逆断裂，在其下盘发育多条与其走向近一致的次生断裂和与其大角度相交的共轭断裂。通过对区域和构造自身稳定性、地应力对构造对影响、构造与地铁的关系等方面综合分析显示：九尾岭断裂的自身稳定性较好，不会因自身稳定性问题对地铁线路造成危害；地铁选路的走向选择与断裂构造呈大角度相交、与区域地应力大主应力方向呈小角度相交为较稳定的方案。构造影响范围岩体破碎、节理裂隙剧烈发育、岩体强度差异大，发生岩崩可能性极小；岩体掉块、局部坍塌甚至冒顶事故应作为施工控制重点，可采用超前地质预报、超前预加固等手段有效地改善断层破碎带范围的工程地质条件。断裂构造带及节理裂隙是地下水的良好通道和贮存空间，渗透系数及水量在空间上差异性较大，隧道埋深大，故地下水压力较大，水量丰富；地下水对岩体存在软化和对节理裂隙存在冲刷及加剧围岩失稳、浅部水位下降、地表不均匀沉降等不利影响。故应加强地下水的防控、水位和地表监测措施。构造破碎带地段的隧道施工，充分了解工程、水文地质条件是前提，有针对性地采取措施，做到安全、高效、快速施工才是最终目的。