構(gòu)造交匯區(qū)變質(zhì)巖隧道突水涌泥機(jī)理及控制措施研究

李五紅

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西太原 030032)

受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，構(gòu)造交匯區(qū)的巖體多數(shù)具有以下特征:多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加造成地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，圍巖破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，地下水豐富，多具承壓性;構(gòu)造交匯區(qū)的斷裂構(gòu)造兼具壓扭性及張扭性斷裂特征，往往開挖時(shí)無地下水，后期地下水增大;圍巖變形大、且長(zhǎng)期不收斂，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形坍塌嚴(yán)重。

在構(gòu)造交匯區(qū)的隧道施工中，由于隧道開挖擾動(dòng)改變了地下水的賦存狀態(tài)，地下水是造成隧道初期支護(hù)變形甚至坍塌的主要原因;隧道支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)強(qiáng)度不足以抵抗圍巖的形變壓力導(dǎo)致塑性區(qū)的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，又進(jìn)一步誘發(fā)變質(zhì)巖混合巖化構(gòu)造帶的富水性發(fā)生改變，造成發(fā)生多次突水涌泥事故。由此可見，構(gòu)造交匯區(qū)的隧道出現(xiàn)突水不但與原生斷裂有關(guān)，施工擾動(dòng)后的活化或擴(kuò)展斷裂對(duì)破碎帶的富水性和導(dǎo)水性的影響更不容忽視，即使開挖前采取了超前探水措施，確已摸清破碎帶的導(dǎo)水性，仍不能確保突水事故不發(fā)生［1-2］。雖然目前國內(nèi)關(guān)于隧道突水的預(yù)防與控制治理措施的研究成果顯著，有很多文獻(xiàn)討論了斷層破碎帶的隧道突水涌泥機(jī)制及控制技術(shù)［3-11］，但是對(duì)于舊堡隧道這樣受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加影響，且斷裂構(gòu)造兼具壓扭性及張扭性斷裂特征的隧道研究較少。施工實(shí)踐表明:破碎帶的控水優(yōu)勢(shì)不是原始地質(zhì)條件下所具備的，而是開挖擾動(dòng)引起破碎帶地層變形活化產(chǎn)生的。

本文根據(jù)舊堡隧道的施工實(shí)踐，總結(jié)了構(gòu)造交匯區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征，介紹了舊堡隧道在穿越構(gòu)造交匯區(qū)時(shí)所采取的施工技術(shù)以及地層加固措施，對(duì)構(gòu)造交匯區(qū)變質(zhì)巖隧道突水、涌泥機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出了控制措施。

1 工程概況

新建張家口至集寧鐵路是我國鐵路網(wǎng)“八縱八橫”京蘭大通道的重要組成部分，鐵路全長(zhǎng)178.01 km，其中舊堡隧道是全線最長(zhǎng)的隧道和重點(diǎn)控制工程，位于河北省萬全縣舊堡鄉(xiāng)與尚義縣土夭溝村之間，隧道起訖里程 DK25+270—DK34+855，全長(zhǎng)9 585m，單洞雙線，斷面面積138 m2。隧道采用礦山法施工，復(fù)合式襯砌。

舊堡隧道位于陰山東西復(fù)雜構(gòu)造帶南部，在地質(zhì)歷史上經(jīng)歷了三期較明顯的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，分別為前震旦紀(jì)、中生代及新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，隧道通過1條大斷裂(F3)和12條較大斷裂及大量巖漿侵入巖體、巖脈，因此，舊堡隧道所賦存的山體是一個(gè)被數(shù)量眾多的、主干及次級(jí)逆斷層分割的“巖片”地質(zhì)體。其中，F(xiàn)3斷層走向10°～25°，隧道于 DK28+380—DK29+630 穿過該斷裂破碎帶及其影響帶。該斷裂構(gòu)造受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加影響，兼具壓扭性及張扭性斷裂特征，屬于典型的構(gòu)造交匯區(qū)隧道。

由于舊堡隧道受多期復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，巖體結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，圍巖破碎且承壓富水，地下水賦存狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律受開挖擾動(dòng)影響明顯，在施工過程中多次發(fā)生突水涌泥、初期支護(hù)噴射混凝土脫落、掉塊，鋼架扭曲、錯(cuò)斷、隧道收斂變形大、初支侵入限界、二襯裂縫等施工災(zāi)害。

2 構(gòu)造交匯區(qū)隧道巖體結(jié)構(gòu)特征分析

舊堡隧道地處區(qū)域性構(gòu)造交匯部位，施工揭露地質(zhì)條件與原設(shè)計(jì)相差較大，需要研究其巖體結(jié)構(gòu)特征以及控制性軟弱結(jié)構(gòu)面分布，從而為施工階段圍巖級(jí)別的劃分以及隧道施工方法和支護(hù)措施的確定提供依據(jù)。

2.1 隧道圍巖結(jié)構(gòu)

由于多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加，斷裂構(gòu)造兼具壓扭性推覆構(gòu)造特征及張扭性斷裂特征。早期該斷裂是北北東向斷裂構(gòu)造組合中的一條，為壓扭性推覆逆斷層，在斷層帶附近可見一系列條帶狀混合巖化構(gòu)造，斷層帶中可見高嶺土化、褐鐵礦化變質(zhì)現(xiàn)象;后期發(fā)生脆性張扭性斷裂，表現(xiàn)為斷層帶中順應(yīng)力面片理、劈理發(fā)育，斷層帶附近巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，斷層角礫多呈棱角狀。

施工揭示地層普遍發(fā)育小斷層糜棱巖化破碎帶、節(jié)理密集帶、三組以上結(jié)構(gòu)面，將巖體切割成碎石狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面多擦痕鏡面和動(dòng)力變質(zhì)礦物，局部含泥化夾層，花崗巖和輝綠巖巖脈大量穿插，并可見熱液蝕變礦物，圍巖本身的自穩(wěn)性很差，在普遍發(fā)育的具有承壓性的地下水作用下，結(jié)構(gòu)面充填物極易軟化流失，容易誘發(fā)隧道圍巖變形失穩(wěn)。

2.2 結(jié)構(gòu)面及其特性

根據(jù)洞內(nèi)施工期間的地質(zhì)詳查，隧道圍巖有3種主要軟弱結(jié)構(gòu)面類型，即節(jié)理、構(gòu)造擠壓破碎帶和巖脈接觸破碎或蝕變帶。

1)節(jié)理裂隙

節(jié)理裂隙較發(fā)育，表層以風(fēng)化節(jié)理及構(gòu)造節(jié)理為主，洞身部位以構(gòu)造節(jié)理為主。主要發(fā)育有兩組:一組走向近 SN10°～20°，傾角 65°～70°;另一組走向NEE70°～80°，傾角30°～35°，為共軛節(jié)理。走向 70°～80°的節(jié)理次之，節(jié)理面平直。其間距一般0.5～2.0m不等，節(jié)理一般無充填。巖石被切而呈大塊或碎塊狀。

2)NWW向構(gòu)造擠壓破碎帶

構(gòu)造擠壓破碎帶在整條線路上非常發(fā)育，走向NWW，陡傾，且與隧道軸線以15°～25°小角度相交，是控制性結(jié)構(gòu)面。構(gòu)造擠壓破碎帶由斷層泥或構(gòu)造泥質(zhì)夾層、壓碎巖構(gòu)成，且往往是多層重復(fù)出現(xiàn)，一般厚度達(dá)20～30 cm。其中，斷層泥厚度不均，延展性差，薄的1～3 mm，厚的達(dá)4～5 cm，包裹著被壓碎的巖屑透鏡體。

3)巖脈接觸破碎或蝕變帶

洞內(nèi)發(fā)育較多的輝綠巖脈和花崗偉晶巖脈，其走向大部分為NW向，主要沿NW向破碎帶或節(jié)理發(fā)育，產(chǎn)狀陡立。這兩類巖脈與其兩側(cè)地層的接觸帶也常常構(gòu)成軟弱結(jié)構(gòu)面，其中輝綠巖脈通常為蝕變帶接觸，而花崗偉晶巖脈則表現(xiàn)為破碎帶接觸。沿隧道軸線上巖脈規(guī)模大小不等，但由于其走向與隧道軸線小角度相交，因此施工中往往在某側(cè)先揭露，然后在另一側(cè)消失。

綜上所述，舊堡隧道施工揭露的圍巖結(jié)構(gòu)有其特殊性和復(fù)雜性，特殊性在于圍巖主要和控制性NWW向軟弱結(jié)構(gòu)面與隧道軸線以15°～25°小角度斜交，這對(duì)巖體穩(wěn)定不利;復(fù)雜性在于隧道橫斷面上地層巖性是非單一的，并在縱斷面上巖性及其巖體結(jié)構(gòu)不斷變化，開挖和支護(hù)設(shè)計(jì)需要實(shí)時(shí)變更。

3 構(gòu)造交匯區(qū)隧道在施工階段的圍巖級(jí)別調(diào)整

由于圍巖破碎，加之開挖擾動(dòng)的影響，多數(shù)地段隧道圍巖都比設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別低，處于斷層破碎帶的圍巖條件更加惡化。在施工階段將設(shè)計(jì)的Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖全部變?yōu)棰?、Ⅴ?jí)圍巖施工。變更長(zhǎng)度達(dá)到7 748 m，占83.3%。截止到2010年9月17日已施工段圍巖變更設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)見表1。圍巖級(jí)別有變化，不僅僅是簡(jiǎn)單的提高、降低一級(jí)或多級(jí)，舊堡隧道的具體做法是:在同一圍巖級(jí)別內(nèi)，根據(jù)巖層的特征，配合設(shè)計(jì)人員，合理調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，真正做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

表1舊堡隧道圍巖級(jí)別變更統(tǒng)計(jì)

4 構(gòu)造交匯區(qū)隧道支護(hù)措施研究

1)隧道支護(hù)措施調(diào)整

施工前期對(duì)變質(zhì)巖的特性認(rèn)識(shí)不足，加上勘探設(shè)計(jì)的圍巖主要以Ⅱ、Ⅲ級(jí)為主，導(dǎo)致施工中多次出現(xiàn)掌子面坍塌、初期支護(hù)變形等問題。針對(duì)施工中遇到的問題，多次組織專家進(jìn)行考察、論證，對(duì)Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖全部變更采用型鋼鋼架，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，根據(jù)圍巖級(jí)別調(diào)整情況，采用雙層鋼拱架、鋼拱架加強(qiáng)或調(diào)整鋼拱架榀距的措施。

2)對(duì)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖隧道施工采用三臺(tái)階七步開挖法

由于舊堡隧道原設(shè)計(jì)的Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖在施工階段全部變?yōu)棰?、Ⅴ?jí)圍巖施工。變更長(zhǎng)度達(dá)到7 748 m，占83.3%。因此，原設(shè)計(jì)的隧道上、下臺(tái)階法和全斷面法的施工方法已經(jīng)不能滿足施工安全和隧道結(jié)構(gòu)安全的要求，經(jīng)過方案比選，對(duì)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖隧道施工采用三臺(tái)階七步開挖法［11］，該方法可以有效減少對(duì)圍巖的擾動(dòng);加強(qiáng)隧道初期支護(hù)，防止支護(hù)變形;調(diào)整工序縮短仰拱、二次襯砌距掌子面的距離。

5 隧道突水涌泥控制措施

DK29+377—DK425段隧道原設(shè)計(jì)為Ⅳ級(jí)圍巖，但開挖揭示的實(shí)際地質(zhì)情況為斷層影響帶，巖體極破碎，沿隧道開挖輪廓線右側(cè)1～2 m巖體為碎塊狀結(jié)構(gòu)，局部夾有糜粒巖泥質(zhì)膠結(jié)充填物。隧道右側(cè)1～2 m外潛伏著典型的變質(zhì)巖混合巖化構(gòu)造帶，由于多次壓扭已變得細(xì)密隔水，但開挖擾動(dòng)后，塑性變形破壞極快，短時(shí)間與原巖分離，原巖受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加已變?yōu)樗榱褞r結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育是地下水儲(chǔ)藏和滲流的主要來源和通道，在水的作用下斷層帶附近的變質(zhì)巖混合巖化構(gòu)造帶富水性發(fā)生改變，且構(gòu)造帶內(nèi)含有膨脹性的礦物遇水膨脹，造成該段隧道施工期間多次發(fā)生涌水突泥災(zāi)害，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形開裂，甚至坍塌或發(fā)生大變形侵入隧道限界(如圖1—圖3)。

圖1 拱頂出現(xiàn)股狀水

圖2 初期支護(hù)鋼架扭曲錯(cuò)斷

圖3 初期支護(hù)噴射混凝土脫落、二次襯砌開裂

本段隧道是舊堡隧道施工最困難的地段，一度工程受阻，其主要原因在于:對(duì)變質(zhì)巖混合巖化構(gòu)造帶的圍巖變形規(guī)律、地下水賦存狀態(tài)以及隧道開挖擾動(dòng)對(duì)圍巖和構(gòu)造帶的富水性影響規(guī)律認(rèn)識(shí)不足。為順利通過該段隧道，根據(jù)隧道掘進(jìn)中的圍巖變形特點(diǎn)、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形坍塌情況、隧道襯砌滲漏水狀況，先后對(duì)隧道施工方案進(jìn)行了多次調(diào)整:①第一次方案調(diào)整，針對(duì)隧道出現(xiàn)股狀涌水，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)收斂值增大的問題，采取了“徑向注漿、套拱、拆除換拱施作雙層鋼架”等措施;②第二次方案調(diào)整，對(duì)DK29+389—DK29+406大變形地段采取超前深孔注漿加固圍巖的方法處理;③第三次方案調(diào)整，為加快隧道推進(jìn)速度，采用“擋墻加固避繞”的方式通過變形段;④第四次方案調(diào)整，在施工過程中，鑒于隧道出現(xiàn)滲漏水、擋墻出現(xiàn)裂縫等問題，決定對(duì)加固避繞段的擋墻進(jìn)行加固;⑤第五次方案調(diào)整，為確保順利通過DK29+377—DK425段，實(shí)施超前探水、泄水降壓、注漿加固、分段施工的綜合措施。

舊堡隧道的施工實(shí)踐表明隧道開挖擾動(dòng)造成了地下水的賦存狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生變化，地下水是造成隧道初期支護(hù)變形甚至坍塌的主要原因;隧道支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)強(qiáng)度不足以抵抗圍巖的形變壓力導(dǎo)致塑性區(qū)的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，又進(jìn)一步誘發(fā)變質(zhì)巖混合巖化構(gòu)造帶的富水性發(fā)生改變。

基于上述認(rèn)識(shí)，采取了如下措施來應(yīng)對(duì)變質(zhì)巖混合巖化構(gòu)造帶的隧道施工:①在進(jìn)一步探清隧道周圍地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上對(duì)地下水采用“疏導(dǎo)為主，堵排結(jié)合”的處理原則，可采用擋墻堵水、超前鉆孔探水、降壓泄水等措施;②對(duì)破碎帶進(jìn)行注漿加固，提高圍巖的完整性，延緩塑性區(qū)范圍的擴(kuò)大速度;③為防止因初期支護(hù)不及時(shí)或初期支護(hù)強(qiáng)度不足以抵抗圍巖的形變壓力而導(dǎo)致塑性區(qū)范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，支護(hù)結(jié)構(gòu)及時(shí)封閉，寧強(qiáng)勿弱，可采取加強(qiáng)初期支護(hù)縱向連接、增打系統(tǒng)錨桿、采用雙層拱架抵抗大變形等措施;④隧道開挖采用三臺(tái)階七步開挖法，留核心土穩(wěn)定工作面。

6 變質(zhì)巖混合巖化構(gòu)造帶隧道突水涌泥原因分析

1)隧道突水涌泥產(chǎn)生的內(nèi)因

由于多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加，F(xiàn)3斷層兼具壓扭性推覆構(gòu)造特征及張扭性斷裂特征，早期該斷裂是北北東向斷裂構(gòu)造組合中的一條，為壓扭性推覆逆斷層，壓扭性斷裂造成斷層帶附近形成一系列條帶狀混合巖化構(gòu)造，透水性相對(duì)較差;后期發(fā)生脆性張扭性斷裂，導(dǎo)致節(jié)理裂隙發(fā)育，透水性相對(duì)較好。再加之該隧道太古界變質(zhì)巖多為副變質(zhì)巖，因原巖成分的差異及遭受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，致使構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育程度不同，多期巖脈的侵入和斷裂的切割阻隔作用，導(dǎo)致在隧道周圍斷層帶范圍內(nèi)形成了部分地段和層位含水、部分地段和層位隔水的構(gòu)造，形成了承壓含水層。

2)隧道突水涌泥的誘因

對(duì)于處于原始地質(zhì)條件下非導(dǎo)水?dāng)嗔褞У乃淼?，即使開挖前采取了超前探水措施，確已摸清斷裂導(dǎo)水性，仍不能確保突水事故不發(fā)生。因?yàn)樵谶@類突水災(zāi)害中，斷裂的富水、導(dǎo)水不是原始地質(zhì)條件下所具備的，而是開挖擾動(dòng)引起斷裂變形活化產(chǎn)生的。即由于開挖擾動(dòng)的影響，斷裂帶的一定范圍內(nèi)往往出現(xiàn)較強(qiáng)烈的附加切向應(yīng)力和圍壓變化，從而導(dǎo)致構(gòu)造巖體性質(zhì)變化、原有裂隙發(fā)展及新生裂隙產(chǎn)生與張開，隔水層因強(qiáng)度破壞而斷裂，產(chǎn)生溝通含水層的新裂隙，導(dǎo)致突水，這是斷裂變形活化導(dǎo)水的主要原因。

7 結(jié)論

1)由于多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加，舊堡隧道穿越的斷裂構(gòu)造兼具壓扭性推覆構(gòu)造特征及張扭性斷裂特征。

2)構(gòu)造交匯區(qū)隧道巖體為碎塊狀結(jié)構(gòu)，局部夾有糜粒巖泥質(zhì)膠結(jié)充填物，由于多次壓扭巖體已變得細(xì)密隔水，造成隧道在開挖之前圍巖具有“富水性好，透水性差”的特點(diǎn)。

3)隧道開挖擾動(dòng)產(chǎn)生大量溝通含水層的新裂隙，變質(zhì)巖混合巖化構(gòu)造帶的富水性發(fā)生改變，且構(gòu)造帶內(nèi)含有膨脹性的礦物質(zhì)遇水膨脹、軟化和泥化，使圍巖條件惡化，地下水進(jìn)一步發(fā)育。圍巖條件的惡化與地下水的發(fā)育互相促進(jìn)，互相作用，使圍巖變形不斷發(fā)展造成隧道發(fā)生“涌水突泥、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形”等施工災(zāi)害。

4)在構(gòu)造交匯區(qū)富水破碎變質(zhì)巖進(jìn)行隧道施工，對(duì)地下水應(yīng)采用“疏導(dǎo)為主，堵排結(jié)合”的原則，以“擋墻堵水、超前鉆孔探水、降壓泄水”作為主要措施;同時(shí)對(duì)破碎帶進(jìn)行注漿加固，提高圍巖的完整性，延緩塑性區(qū)的擴(kuò)大速度。

5)隧道采用三臺(tái)階七步開挖法施工，以減少隧道開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，確保初期支護(hù)及時(shí)封閉，同時(shí)提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

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