孙元春 陈则连 尚海敏

(中国铁路设计集团有限公司， 天津 300308， 中国)

0 引 言

渤海海峡位于辽东半岛南端老铁山角和山东半岛蓬莱登州头之间，既是外海进入渤海的海上必经通道，又是我国南北陆路交通的天堑，海峡两端最短距离约106 km(魏礼群等， 2009)。渤海海峡具有水深、风大、浪高、流急、地质构造复杂、地震烈度高、通航要求高、环境敏感点多等特点，工程建设环境极为复杂，技术难度前所未有。可靠详实的工程地质资料是科学论证项目可行性和建设方案的重要前提。

丁东(1994)在收集资料和现场调研的基础上，对渤海海峡的气象、水文及地质等自然条件进行了分析，认为通道所经地区断层规模小，地层相对稳定，自然条件较为优越。侯方辉等(2016)依据多道地震和单道地震对渤海海峡的新构造运动特征进行了研究，认为渤海海峡活动断裂异常发育，潜在的岩浆活动也不容忽视。通过高分辨率浅地层剖面资料精细解译可知，渤海海峡海域灾害地质类型主要有潮流沙脊、潮流冲刷槽、浅层气、埋藏古河道、活动断层、不规则基岩等(陈晓辉等， 2014)。目前形成的初步共识是，沿线海底第四系地层稳定性差，建议采用深埋隧道方案，并将隧道设置于稳定的基岩中(谭忠盛等， 2013)。乔二伟等(2019)结合钻探、物探、区域地质调查成果对跨海通道沿线主要岩石类型的力学特征进行了分析，并探讨了海底隧道的施工方法。李达等(2013)在对渤海海峡隧道施工风险进行评估时发现，目前对该区域地质情况的掌握还很不够，需要进一步开展调查工作，使风险评估边界条件更加明确。

利用地震层析成像方法重建三维P波速度模型，可以揭示渤海海峡及周边区域地壳和上地幔的构造特征。研究表明，海峡北部地壳P波速度较大，岩体结构较为完整，断层活动不明显。相比之下，海峡南部地壳P波速度偏小，附近区域地震活动频繁，与张家口—篷莱断裂带通过于此有密切的联系(汪晟等， 2017)。利用高分辨率地震剖面资料，刘忠亚等(2017)编制了渤海海峡跨海通道工程区主要活动断裂分布图，发现地震在活动断裂各部位的密集程度依次为交点处>端点处>断裂其他部位。中国地质调查局青岛海洋地质研究所曾对沿线实测浅地层剖面资料进行了分析，认为北部老铁山水道海域元古界老地层出露海底，强烈的潮流侵蚀作用导致海底崎岖不平。北隍城岛以南庙岛群岛海域晚更新世以来的松散沉积层广泛分布，且基岩顶面起伏较大(赵铁虎等， 2014)。不过上述物探成果少有钻孔资料验证，尤其是北隍城岛至旅顺段。

渤海海峡跨海通道工程横穿NW向张家口—蓬莱断裂带，并与其西侧NNE向郯庐断裂带走向近似平行，地震安全性是本项目的焦点问题。李玶等(2009)对海峡通道地震安全性进行了评价，认为郯庐断裂带与通道相距较远，如果岛链本身及东侧近距离没有强震发震断层的存在，地震动参数可采用0.15 g。祁嘉翔等(2013)在分析该区域地震活动的时空分布特征基础上，提出渤海地区可能发生地震的最大震级为7.7级，工程区100年设计使用年限内至少会发生1次7.0级地震。丰成君等(2017)依据郯庐断裂带及邻区6个600～1000 m深孔地应力实测数据，对断裂带及邻区地壳浅层应力分布规律进行了分析，发现郯庐断裂带渤海段主要为“正断型”，现今构造应力场主压应力优势方位N68°E，地震活动多发生在NNE向和NW向断裂交汇部位。实测资料表明，现今该区域处于NE-NEE向的挤压应力状态中，目前处于稳定状态(郑红霞等， 2015)。

综上所述，过去虽然围绕渤海海峡跨海通道工程开展了大量有价值的工作，但就工程地质条件而言，一方面缺乏系统性的调查和分析，另一方面钻探等直观资料较少，成果可靠性有待检验。本文通过资料搜集、现场调查、海上钻探、海洋物探、室内试验等手段，重点围绕跨海通道沿线工程地质特征、特殊岩土性质、不良地质现象和主要工程地质问题进行了系统研究，所得基础性地质资料对科学论证海峡跨海通道建设方案具有重要意义。

蓬莱-长山岛段及通道沿线岛屿在以往的各类工程建设中，开展过一些地质勘探工作。本次工程地质勘察的重点区域为老铁山水道及其他几处大的水道附近历史地质资料空白区。累计完成浅层地震勘探测线两条，测线总长255.6 km，海上地质钻探8孔，孔深合计900 m，平面布置见图 1。

图 1 钻孔与物探测线平面位置图Fig. 1 Plan location of borehole and geophysical survey line

1 工程地质特征

1.1 地形地貌

渤海海峡既是渤海与黄海的天然分界线，也是两者之间的水流通道(谭忠盛等， 2013)。该区西北部为冀北燕山南缘丘陵山地和冀东平原，南部主要为鲁北平原和胶东低山丘陵区，东北部为辽东半岛丘陵山地。

如图 2 所示，海峡沿线海底地势总体北深南浅，平均水深25 m，局部最大水深超过86 m，位于老铁山水道。受高速潮流强烈冲蚀和岛礁阻流落淤长期作用，海底呈洼槽与垄脊并列相间延伸。

图 2 渤海海峡水深3D示意图Fig. 2 3D schematic diagram of water depth in Bohai Strait

1.2 地质构造

如图 3 所示，渤海海峡跨海通道工程位于胶辽隆起区，西邻渤海盆地，东面是北黄海盆地(侯方辉等， 2016)。渤海盆地是一个大型的新生代裂陷盆地，新生代以来其构造演化经历了古近纪断陷和新近纪以来拗陷两个基本阶段，新近纪中新世晚期以来构造运动比较强烈，北东向潍坊—营口断裂带和北西向张家口—蓬莱断裂带构成区内主干活动构造。北黄海盆地是一个具一定规模的中、新生代裂陷盆地，新生代以来经历了古新世挤压、始新世-渐新世断陷、新近纪以来拗陷等主要演化阶段，构造活动明显弱于渤海盆地。

图 3 研究区构造纲要图Fig. 3 Structural outline map of the study area

渤海海峡地区主要受NW向张家口—蓬莱断裂带和NNE向郯庐断裂带及其分支影响，呈现南部断裂密集，北部断裂稀疏的特征。郯庐断裂自中生代以来一直控制着这一地区构造的发展，但新生代以来，随着太平洋板块向欧亚大陆之下俯冲和印度板块向北挤压青藏高原，使得华北地块向东逃逸，导致了华北平原相对于燕山块体向SEE运动，形成NW向张家口—蓬莱断裂带，在渤海海域内切割了较为古老的郯庐断裂带，并向东南穿越了渤海海峡，形成了渤海海峡南部的NW向蓬莱—威海北活动断裂带。

图 4 沿线地质纵断面示意图Fig. 4 Schematic diagram of geological profile

1.3 地层岩性

本区出露地层为上元古界的“蓬莱群”，为一套浅变质岩系。新生代地层为上第三系和第四系。

1.3.1 元古界

下元古界祝家夼组Pt：黑云变粒岩、浅粒岩，透闪岩夹石墨变粒岩，底部为石榴矽线二云片岩。

震旦系辅子夼组Zp：下部主要为青灰色、紫色板岩与石英岩互层，厚度较大。分布在大钦、小钦，南、北隍城，南北长山，大小黑山诸岛。

1.3.2 中生界

白垩系林家庄组Kw：紫红色粉砂质黏土岩，砾岩夹含砾中粗粒岩屑砂岩，主要分布在蓬莱客港码头西侧沿岸及登州水道海域第四系地层底部。

1.3.3 新生界

上第三系：主要为两期火山喷发形成的玄武岩，分布于大黑山岛西部，有枕状构造和火山弹等，不整合覆盖于蓬莱群地层之上。

第四系：按成因分为残积层坡积—洪积层、海积层，在多数岛屿都有分布，其中大钦岛、砣矶岛、大黑山岛、南长山岛尤其发育。

既有资料认为沿线海底第四系覆盖层较薄，北部海域海底基本是基岩裸露(谭忠盛等， 2013； 赵铁虎等， 2014)，但从本次海上勘探揭露的情况来看，海域第四系覆盖层厚度差异很大。

如图 4 所示，蓬莱至长岛段第四系覆盖层厚度0～70 m，长岛至砣矶岛段第四系覆盖层厚度20～160 m，砣矶岛至大钦岛覆盖层厚度30～100 m，大钦岛至北隍城岛覆盖层厚度20～100 m，北隍城岛至老铁山水道中央覆盖层厚度0～200 m，老铁山水道中央位置处覆盖层最厚，ZK1钻孔至深度为186.3 m处仍未见基岩，靠近旅顺口附近海底基岩裸露，仅有少量第四系覆盖物分布。

1.4 水文地质条件

沿线大部分区域为海水覆盖，海水对混凝土具硫酸盐强侵蚀、盐类结晶强侵蚀及镁盐弱侵蚀。地表第四系地层中含孔隙潜水，受大气降水及地表水补给，水位随季节变化幅度较大。岛屿区及海峡下伏基岩区地下水类型主要为基岩裂隙水，富水性差异很大，一般储水条件较差，仅在岩体节理裂隙中富含水，山坡地段偶见裂隙水出露。断层破碎带等储水条件好的地段水量丰富，地下水一般埋深较大，水位变化幅度小。

1.5 隧道围岩特征

渤海海峡跨海通道所穿越地层主要是震旦系变质岩，分别有石英片岩、变质砂岩、长石砂岩等，岩性较为坚硬。沿线长岛、砣矶岛、大钦岛和南北隍城岛都有零星分布的防空洞或在山体内开挖的军事坑道。通过对这些地下硐室进行调查，可以直观地掌握震旦系地层隧道围岩特征。

以大钦岛为例，坑道内出露地层与地面调查、钻孔揭露地层基本一致，以层状石英片岩为主，局部夹薄层状板岩。石英片岩为灰黄色、浅肉红色，中厚层状，饱和单轴抗压强度大于90 MPa，属极硬岩。板岩为黄灰色、青灰色、紫红色，薄层状，质不纯，属软质岩。坑道内洞壁潮湿，局部有滴水现象。围岩自稳能力较好，如图5所示，跨度3 m的坑道不做任何支护措施可保持长期稳定，围岩基本分级为Ⅲ～Ⅳ级。

图 5 坑道内围岩状况Fig. 5 Surrounding rock condition in tunnel

已有地应力测试结果表明，海峡通道范围内基岩最大水平主应力为4.38～11.6 MPa，最小水平主应力为2.8～7.2 MPa，地应力状态总体呈σH>σh>σv特点，最大地应力平均方位为NE53°(郑红霞等， 2015)。初步判定跨海通道面临高地应力的风险较低，但海底隧道穿越构造破碎带容易发生塌方掉块和突涌水问题，需注意。

2 特殊岩土性质及不良地质作用

2.1 特殊岩土性质

2.1.1 填筑土

填筑土主要分布在岛屿上和海岸线附近，其中以蓬莱港西侧的人工岛最为显著。

2.1.2 新近黄土

在庙岛群岛的各座岛屿上均有分布，但各个地点保存的完好程度不同，其中：南北长山岛、庙岛和砣矶岛的全新世黄土剖面较为完整，层序清楚。一般呈浅棕黄色，砂质黄土，质地均匀疏松，含虫孔，底部有少量散布的砾石及蜗牛化石。

2.1.3 软 土

分布在蓬莱至北隍城岛之间海底表层，厚度5～20 m不等，成分为灰黑色淤泥质土，流塑、软塑状，平均重度19 kN · m-3，地基承载力一般小于90 kPa, 其物理力学试验指标见表1。

表 1 淤泥质软土物理力学试验指标Table 1 Physical and mechanical test indexes of mucky soft soil

2.1.4 膨胀岩

白垩系泥岩，主要分布在蓬莱与长岛之间登州水道海域下部。紫红、棕红色，局部夹砂岩，中厚层状结构，强风化-弱风化，节理裂隙较发育，实测单轴饱和抗压强度不足2 MPa，属于极软岩。泥岩遇水崩解、软化特征明显，具弱膨胀性。

2.2 不良地质作用

2.2.1 危岩落石

危岩落石现象在庙岛群岛广泛分布，通常出现在海岸线附近陡崖位置，在长岛、砣矶岛、大钦岛和南北隍城岛均有发生，北长山岛尤其突出，个别地方甚至发展为大型岩体滑坡，危及公路安全。可以通过详细的地质调查工作，查清危岩落石分布范围，并在通道方案设计中选择绕避处理，以减少其不利影响。

2.2.2 人为坑洞

人为坑洞主要为墓穴、防空洞和各类军事坑道、地下掩体等军事设施。墓穴分布在村庄附近山坡上，开挖浅，零星分布，对工程影响较小。防空洞和各类军事设施在长岛、砣矶岛、大钦岛和南北隍城岛均有分布，大多为零星分布的防空洞和在山体内开挖的军事坑道，这些坑道的位置一般高于海平面。需要特别注意的是大钦岛南侧某废弃军事基地，见图6。该基地开挖规模大，硐室众多，中间分布大量连接通道，整个山体从海平面以下5 m到山顶近乎被挖空，对通道选线影响较大。

图 6 大钦岛南侧密集的军事坑道口Fig. 6 Military tunnels on the south side of Daqin Island

2.2.3 水下岸坡

根据沿线海底排查情况，海底表面普遍分布10～20 m厚淤泥质土，呈饱和、流塑状，海底地形坡度以0°～3°为主，未发现海底滑坡现象。砣矶岛南侧和北隍城岛北侧两处洼地，最大坡度约6°，地震条件下存在发生水下滑坡的风险，潜在滑面范围为表层0～30 m，对桥梁基础可能存在影响，对海底隧道的影响微乎其微。

2.2.4 浅层气

研究区浅层气埋藏深度为8～13 m，平面分布局限于辽东半岛西部庙岛群岛附近海域。这些地区末次冰期古河道发育，富含陆源碎屑沉积物，这些有机物质经细菌腐化转化为甲烷或沼气。此外，该区域构造活动较为发育，浅层气也可能由深部油气经断层运移至浅部形成(陈晓辉等， 2014)。

本次勘察8个地质钻孔中，北隍城岛北侧1 km处的ZK2在钻进到10 m处有浅层气间歇性以气泡形式冒出，持续约1个小时，疑为第四系地层中有机物分解产生的有害气体，规模较小。未发现成规模的浅层气富集区，对工程建设影响较小。

3 主要工程地质问题

3.1 海底隧道突涌水风险

海底隧道的建设往往伴随着高风险，而水害则是海底隧道建设期间最主要的风险来源(李克蓬等， 2017)。隧道涌水对施工安全和建成后运营成本的控制有着重要影响，因此对海底隧道进行涌水量计算便显得尤为重要。这里采用地下水流模型预测海底隧道施工条件下地下水渗流场变化进行分析。计算模型长和宽均为2 km，总面积4 km2，内置隧道单元长度为350 m。在垂向上，上部以海平面为界，下部以节理裂隙不发育的基岩为界，模型厚度为300 m。

海底基岩主要由石英片岩组成，表层有粉质黏土覆盖层。由于地质构造、节理比较发育，空隙连通性较好，宏观上基岩含水介质可以等效为连续介质。考虑到节理裂隙分布较均匀，根据模拟区地层情况，可将水文地质结构概化为均质各向异性的单层或双层结构两种情况，对应的地下水流系统分别概化为平面二维或三维流动系统，其中海水面标高为0 m，海底标高为- 40 m，隧道底部标高约- 150 m，见图7。

图 7 海底隧道涌水计算模型示意图Fig. 7 Water inflow calculation models of subsea tunnela. 单层结构含水系统； b. 双层结构含水系统

模型区四周边界距离海底隧道相对较远，对水位降低后引起的边界效应可以忽略，故可将模型四周边界概化为定水头边界。顶面为海水面，可定为第三类混合边界即河流边界，下界面为隔水底板，概化为隔水边界。数学模型求解采用MODFLOW软件进行，模拟区面积为4 km2，根据模拟区含水层结构和地下水渗流特征，将计算域在垂向上分为一层和二层两种情况，平面上按Δx=Δy=10 m的网格剖分，剖分时抽水井尽可能地放在格点上，据此全区分别剖分成40 000和80 000个单元，均为活动单元。

根据地层岩性特征、含水层性质及现场水文试验成果，确定模拟区粉质黏土含水岩组渗透系数为0.0005 m · d-1，一般基岩区渗透系数为0.01 m · d-1，裂隙较发育带渗透系数为0.05 m · d-1，裂隙发育带渗透系数为0.1 m · d-1，弹性释水率Ss为1×10-6，给水度μ为0.03，空隙度n为0.05，有效空隙度ne为0.03。

分6种工况对长度350 m的海底隧道涌水量进行模拟计算和对比分析。由表 2 可以看出，在围岩渗透系数不变的情况下，基岩直接出露的海底隧道涌水量远远大于海底有粉质黏土覆盖层的情况，两者相差达到5～10倍。在海底基岩出露或上有覆盖层的情况下，隧道涌水量与围岩渗透系数成正比关系。需要说明的是，渗透系数取值对涌水量计算结果有很大影响，本文计算中应用的围岩渗透系数为压水试验测试值，而上覆粉质黏土渗透系数取的是经验值。后续应加强现场地质及水文测试工作，以便获取更多、更准确的水文地质参数。

表 2 ,6种工况条件下350 m长海底隧道正常涌水量计算结果Table 2 Calculation result of normal water inflow of 350 m long subsea tunnel under 6 working conditions

3.2 断裂带地震风险

图 8 区域破坏性地震震中分布图(M≥4.7，公元前231～2019)Fig. 8 Distribution of regional destructive earthquakes

区域内小震活动较为活跃，现代仪器记录地震与历史地震活动的空间分布特征基本一致，NW向地震条带更为明显，同时在区域西部的渤海海域，出现了NNE向地震条带，空间上对应郯庐断裂带，见图9。历史地震与现代小震活动在空间分布上的一致性及区域上的稳定性说明，历史地震和现代小震的集中活动区，仍是未来强震活动的主要场所(周本刚， 2020)。

图 9 区域现代仪器记录小震震中分布图Fig. 9 Distribution of small earthquakes recorded by regional modern instruments

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)及《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010， 2016年版)，渤海海峡通道沿线地震动峰值加速度为0.15 g，抗震设防烈度为7度。铁路工程抗震设防类别为A类，属于中等强度震区。

目前抗震问题相对突出的是结构跨越断裂带位错处理(宋成辉等， 2020)，已有资料表明区内活动断裂最大垂直活动速率为0.2～0.3 mm · a-1。根据国内外已经建成的跨海通道工程调研成果，在降低桥梁和隧道在穿越活动断层错动作用下结构破坏效应方面，已初步形成了具有一定抗断能力的工程措施体系。参考印尼雅万高铁(地震设防烈度为9度)和国内在建川藏铁路(穿越多条区域性活动大断裂)，通道建设可行性基本不受地震因素制约。

4 结 论

(1)渤海海峡跨海通道位于胶辽隆起区，出露地层主要为元古界“蓬莱群”浅变质岩系。通道沿线地层岩性主要有石英片岩、变质砂岩、长石砂岩、片麻岩等，岩性较为坚硬，岩体质量基本分级以Ⅲ～Ⅳ级为主。通道沿线海底第四系覆盖层厚度深浅不一，邻近岛屿附近埋藏较浅，海峡腹地、峡道中部厚度较大。

(2)沿线特殊岩土主要有填筑土、新近黄土、软土和泥质膨胀岩4类。其中填筑土和新近黄土分布范围较小，其对通道建设影响不大。软土主要分布在蓬莱至北隍城岛之间海底表层，厚度5～20 m不等，成分为灰黑色淤泥质土。蓬莱与长岛之间登州水道海域下覆白垩系泥岩具有弱膨胀性，属于极软岩。

(3)沿线不良地质类型主要有危岩落石、人为坑洞、有害气体和地震地质灾害等，前三者均为零星分布，通过详细的地质调查工作，查清不良地质体分布范围，并在通道方案设计中选择绕避处理，以减少其不利影响。就地震条件来说，渤海海峡通道位于中等强度震区，抗震方面相对突出的是跨越断裂带的问题，建议进一步开展专题研究。

(4)海底隧道突涌水是渤海海峡跨海通道工程面临的主要地质问题。通道所经海域大部分段落海底有平均厚度超过40 m的第四系土层覆盖，该土层渗透系数较小，具有良好的隔水作用。隧道突涌水风险集中在断裂破碎带附近，需要特别注意海底基岩出露，且岩体中裂隙密集分布的区段。