新建包西鐵路東山二號隧道塌方工程地質(zhì)特征分析

楊 杰

(石家莊鐵道大學(xué) 四方學(xué)院，石家莊 051132)

1 工程概況

新建包頭至西安鐵路工程為Ⅰ級鐵路客運專線(雙線)，設(shè)計時速250 km/h，滿足開行雙層集裝箱列車要求。東山2#隧道位于陜西省西安市浦城縣陳平鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道起始里程 DK698+102，終止里程 DK698+925，隧道全長823 m，進(jìn)口段 DK698+102—DK698+359.26位于R=5 500 m的右偏曲線上，其余部分位于直線上。隧道于DK698+278、DK698+440處有兩條橫穿洞頂?shù)臎_溝。隧道最大埋深76.5 m，最小埋深15 m。隧道區(qū)所處地貌為低山丘陵地貌，海拔高度154～254 m，相對高差100 m，隧道地面坡度較陡，在洞頂有鄉(xiāng)村公路通過。洞內(nèi)線路縱坡為單向上坡，坡度為7.8‰。

2010年7月11日15時56分，東山2#隧道DK698+346—DK698+358段正在進(jìn)行二次襯砌鋼筋安裝，掌子面10名工人在進(jìn)行支護(hù)施工，另有一名挖掘機司機在DK698+382處配合二次襯砌施工。15時56分，東山2#隧道DK698+382處前方頂部突然發(fā)生塌方，7月14日上午相繼發(fā)生兩次塌方，7月23日7時30分隧道內(nèi)發(fā)生第四次塌方，塌方范圍 DK698+366—DK698+382，長度 16 m，坡腳延伸到 DK698+358;7月27日22時14分，隧道出現(xiàn)第五次塌方，塌方范圍DK698+351—DK698+366，長度 15 m，坡腳延伸至DK698+346;7月28日凌晨2時55分，隧道出現(xiàn)第六次塌方，塌方范圍 DK698+346—DK698+351，長度5 m，坡腳延伸至 DK698+338，本次塌方范圍已擴(kuò)大到所有未二次襯砌的地段，塌方體已到達(dá)二次襯砌的拱部，坡腳延伸到二次襯砌以內(nèi)約8 m;7月29日7時40分發(fā)生地表塌陷，中心位置約在DK698+384處，直徑約3 m，深約2 m，塌穴周圍8 m處發(fā)現(xiàn)有裂縫，裂縫最寬處為6 mm。

2 地質(zhì)概況

2.1 巖性

隧道通過地段地層主要有粉質(zhì)黏土、粉砂巖夾頁巖。

粉質(zhì)黏土:淺黃色、黃色，硬塑，粉黏料為主，微含5%的碎石角礫，石質(zhì)為砂巖，黏土粒徑一般為2～10 mm，分布于隧道溝谷山坡及緩坡地帶。

粉砂巖:為隧道洞身通過的主要地層，棕紅色、灰黃色、青灰色，薄層至中層狀，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化層厚。全風(fēng)化帶 W4厚0～6 m，強風(fēng)化帶 W3厚10～30 m。

頁巖:為隧道洞身通過的主要地層，棕紅色、灰黃色、青灰色，薄層狀，節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化層厚，巖質(zhì)軟，巖體呈破碎狀，下伏弱風(fēng)化帶(W2)，粉粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)巖石破碎。

2.2 構(gòu)造

隧道地質(zhì)構(gòu)造:隧道進(jìn)口端位于金坑背斜SW翼，主要產(chǎn)狀為:N85°E/25°SE，節(jié)理產(chǎn)狀為 N30°E/45°NW、N50°W/65°NE，DK698+800 處為金坑向斜，軸部走向為 N56°W，其小里程端主要巖層產(chǎn)狀為 N5°W/80°SW，節(jié)理產(chǎn)狀為 N80°E/44°SE、E － W/90°，大里程端主要巖層產(chǎn)狀為 N40°W/42°NE，節(jié)理產(chǎn)狀為 N65°E/65°SE、S － N/90°。

2.3 地下水

隧道所在區(qū)域地下水以基巖裂隙水為主，受大氣降水及地表水補給。

該隧道設(shè)計的圍巖級別主要為Ⅳ、Ⅴ級兩種，各級圍巖比例分別為Ⅳ級36.5%，Ⅴ級63.5%。隧道按鉆爆法設(shè)計，采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用錨噴網(wǎng)支護(hù)。

3 東山2#塌方的工程地質(zhì)特征分析

通過對東山2#塌方事故隧道進(jìn)行了現(xiàn)場勘察(見圖1)，重點對隧道內(nèi)塌方、隧道上方的塌陷空洞以及在地表整治工程中開挖揭露的連續(xù)基巖剖面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，初步探明了本次塌方事故的主要工程地質(zhì)特征。

圖1 東山2#隧道(局部)縱斷面圖

3.1 塌體的巖石構(gòu)成

經(jīng)現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成塌方體的巖石主要有兩種:

1)粉砂巖:為隧道塌方洞身通過的主要地層，灰黃色、青灰色，薄層至中層狀，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育。在塌方體中多以被構(gòu)造結(jié)構(gòu)面切割的不規(guī)則塊體出現(xiàn)，體積(1.5 m×2.5 m×1.2 m)～(0.5 m×0.5 m×0.2 m)不等，表面多見黃褐色風(fēng)化膜，也可見紅褐色軟泥，塌體內(nèi)的砂巖風(fēng)化程度不深，巖石力學(xué)指標(biāo)衰減不明顯，掌子面開挖后穩(wěn)定。

2)頁巖:為隧道塌方洞身通過的主要地層，黑色、灰黑色，薄層狀，節(jié)理發(fā)育，巖質(zhì)軟，泥質(zhì)膠結(jié)，巖體呈破碎狀。在塌方體中多以被構(gòu)造結(jié)構(gòu)面切割的薄層出現(xiàn)，層厚0.20～0.15 m不等，表面可見構(gòu)造作用形成的摩擦鏡面，也可見斷層階步，巖石內(nèi)片理發(fā)育，巖石力學(xué)指標(biāo)衰減強烈，構(gòu)造節(jié)理密集帶多沿著這一巖層發(fā)育。

上述兩種巖石在區(qū)域上相間分布(圖2所示)，所發(fā)育的優(yōu)勢節(jié)理產(chǎn)狀非常穩(wěn)定。在隧道沖溝地表整治工程中所揭露地質(zhì)剖面中可以看到，在不到100 m的范圍內(nèi)，兩種巖石交互出現(xiàn)了8次，其中一段在3 m的范圍內(nèi)，兩種巖石相間出露，構(gòu)成了一個產(chǎn)狀穩(wěn)定的構(gòu)造節(jié)理帶。

圖2 東山2#隧道頂部巖石地質(zhì)剖面素描示意

3.2 控制塌體的地質(zhì)構(gòu)造

本地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造主要以脆性構(gòu)造為主，在隧道塌方段主要以各種成因的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面為主，經(jīng)現(xiàn)場勘測發(fā)現(xiàn)，共發(fā)現(xiàn)有各種構(gòu)造結(jié)構(gòu)面5組，其中層理產(chǎn)狀一組 25°∠40°，節(jié)理產(chǎn)狀 4 組:172°∠55°、245°∠79°、5°∠80°，這其中最穩(wěn)定、最發(fā)育的一組節(jié)理產(chǎn)狀為(355°～15°)∠(70°～85°)。

這一組節(jié)理產(chǎn)狀穩(wěn)定，在隧道施工范圍內(nèi)廣泛分布，其延伸展布與2#隧道洞頂出現(xiàn)的塌穴的展布特征相吻合，表現(xiàn)為明顯的壓剪性節(jié)理特征:節(jié)理面平整光滑，延伸較長，切穿地層，延伸至地表，寬度 0.20～0.45 m不等，其間所夾巖石均為片理發(fā)育，炭質(zhì)局部富集，可見石英脈充填，在個別地段可見到紅色蝕變的巖石。尤其是在1#、2#隧道之間洞頂上出露的一條寬約3 m、由兩種巖石相間出露構(gòu)成了一個產(chǎn)狀穩(wěn)定的構(gòu)造節(jié)理帶，初步推斷此構(gòu)造為直接控制本次塌方的地質(zhì)構(gòu)造。

3.3 地下水的特征

該地區(qū)的地下水主要以裂隙水和孔隙水為主，補給主要是大氣降水。10月至次年3月為旱季，4月到10月為雨季，2010年當(dāng)?shù)匕l(fā)生了數(shù)十年一遇的特大干旱，而進(jìn)入雨季后，特別是5、6、7月份強降雨，使得洞身周圍巖土含水量發(fā)生突然變化，洞頂土體自重驟然增加，同時對于隧道圍巖中的軟弱夾層有軟化性，起到潤滑作用，誘發(fā)圍巖失穩(wěn)和突變。

而在施工中DK698+250—DK698+300及DK698+435—DK698+450段洞身地表有水田，為季節(jié)性松軟土和富水區(qū)，洞身地表20 m范圍內(nèi)用M7.5漿砌片石鋪砌，在施工現(xiàn)場塌方前尚未施作的因素與本次塌方的發(fā)生無直接關(guān)系。

其理由如下:

1)從沖溝與塌方點的位置關(guān)系上看，DK698+250—DK698+300處沖溝的位置位于塌方點小里程(后方)82 m處，中間相隔一山包，屬于兩個不同的地形和水文地質(zhì)單元，跟塌方地段無直接關(guān)系。

DK698+435—DK698+450處沖溝的位置位于塌方點大里程端之外側(cè)，塌方首先發(fā)生在DK698+382—DK698+410段，不在此沖溝范圍之下，而位于沖溝北側(cè)山坡至山頂段，從而可以判斷沖溝中的地表水活動對于塌方體中的含水量影響不大，而造成塌方部位巖體重度增加、改變塌方段巖體強度的地下水主要來源于塌方體上方山體下滲的地表水。

2)從地表施作 M7.5漿砌片石功能來看，其主要作用是導(dǎo)流地表水和防止沖刷，而防滲作用和封閉隔水作用并不明顯，所起的防治地表水下滲軟化結(jié)構(gòu)面的作用有限。

4 東山2#塌方的工程地質(zhì)模式

本次塌方的工程地質(zhì)模式見圖3。

圖3 東山2#隧道塌方的工程地質(zhì)模式示意

4.1 特殊的巖石組合

塌方一般發(fā)生在巖石較為破碎的地段，但據(jù)現(xiàn)場觀測，地層以粉砂巖為主，塌方地段圍巖多數(shù)風(fēng)化不重，巖質(zhì)較硬。坍塌前變形征兆不明顯且滯后時間較長，具硬質(zhì)巖脆性破壞變形的特征，所表現(xiàn)的突發(fā)性更為強烈。

4.2 隱伏的地質(zhì)構(gòu)造

塌方地段發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造由于地表覆蓋不易發(fā)現(xiàn)，但高角度構(gòu)造剪切節(jié)理帶是控制本次塌方的主要地質(zhì)構(gòu)造，這些構(gòu)造擠壓破碎條帶相隔數(shù)米至十余米平行展布，其間巖石多見摩擦鏡面、片狀炭質(zhì)成分和方解石細(xì)脈，成為巖體中相對存在的軟弱帶。其中一組節(jié)理及擠壓破碎帶與隧道軸線走向小角度交匯，在洞頂上縱向延伸較長，切割巖體直至地表，并與另一組節(jié)理和層面組合，將地層切割、分離成大小不等、錯綜復(fù)雜的塊狀巖體。這種產(chǎn)狀陡立、縱向延伸較長，且結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的不利組合，是該段發(fā)生大規(guī)模坍塌的基本地質(zhì)條件。

4.3 異常的降水

沿優(yōu)勢破碎結(jié)構(gòu)面，多見裂隙水滲流，尤其是連續(xù)降雨，隧道內(nèi)沿著構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的滲水量增大，對炭質(zhì)頁巖和擠壓破碎條帶中的夾雜物質(zhì)有沖蝕和軟化作用，使結(jié)構(gòu)面黏結(jié)強度降低，加劇了巖體的不穩(wěn)定性。

4.4 不利的隧道圍巖結(jié)構(gòu)面

塌方地段分布縱向陡傾角構(gòu)造節(jié)理發(fā)育帶，帶間巖石堅硬，風(fēng)化程度低，在勘測和開挖后，均表現(xiàn)穩(wěn)定、堅硬的圍巖(此處定Ⅳ級圍巖主要是考慮到隧道埋深較淺)，這種圍巖的變位失穩(wěn)主要沿著切割巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)生，而在洞頂圍巖中存在向上方延伸的、平行排列的破裂結(jié)構(gòu)面，當(dāng)大跨度的隧道掘進(jìn)施工，切穿隱伏結(jié)構(gòu)面，形成隱蔽的連續(xù)不穩(wěn)定巖體，加之裂隙水滲流、軟化作用使結(jié)構(gòu)面強度降低，形成突發(fā)性大規(guī)模坍塌。

5 結(jié)語

1)東山2#隧道塌方事故發(fā)生的原因，是當(dāng)?shù)氐貙臃植紖^(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在褶皺和斷裂發(fā)育的背景下，存在工程性質(zhì)極為惡劣的陡傾角構(gòu)造節(jié)理密集發(fā)育帶。由于其性狀復(fù)雜，認(rèn)識難度大及變形征兆不明顯，具有突出的隱蔽性、爆發(fā)性及連續(xù)性，是難以預(yù)測和防范的特殊地質(zhì)災(zāi)害。

2)隱伏的地質(zhì)構(gòu)造、異常的降水、不利的隧道圍巖結(jié)構(gòu)面等多種因素是造成本次塌方的直接誘因，尤其是縱向陡傾角構(gòu)造節(jié)理發(fā)育帶，帶間巖石堅硬，風(fēng)化程度低，具有極強的隱蔽性，對陡傾角構(gòu)造節(jié)理發(fā)育帶的特征及危害認(rèn)識不足。在認(rèn)識上有盲區(qū)，措施不到位，應(yīng)從中吸取教訓(xùn)，深入研究地質(zhì)復(fù)雜、時代復(fù)雜的沉積巖各類斷裂構(gòu)造發(fā)育及組合規(guī)律，特別是對地下工程威脅很大的陡傾角構(gòu)造節(jié)理發(fā)育帶、劈理發(fā)育帶的工程特征及分布規(guī)律。

3)建立合理的地質(zhì)災(zāi)害防控機制是有效認(rèn)識地質(zhì)災(zāi)害和有效防治地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵。

［1］肖書安，吳世林.復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道地質(zhì)超前探測技術(shù)［J］.工程地球物理學(xué)報，2004，1(2):159-165.

［2］李忠.TSP-202探測系統(tǒng)在新倮納隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用研究［J］.地質(zhì)與勘探，2002，38(1):86-89.

［3］杜立志.隧道施工地質(zhì)地震波法超前探測技術(shù)研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2008.

［4］鐘宏偉，趙凌.我國隧道工程超前預(yù)報技術(shù)現(xiàn)狀分析［J］.人民長江，2004，35(9):15-17.

［5］王開.隧道巖溶斷層突水涌泥綜合整治技術(shù)［J］.西部探礦工程，1994，6(4):17-19.