崇禮-赤城大斷裂在白草鞍隧道中的特征分析

黃東橋

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300143)

白草鞍隧道位于河北省張家口市赤城縣境內(nèi)，全長11 780 m，隧道最大埋深為440.0 m，最小埋深不足20 m。隧址區(qū)位于燕山山脈西段低中山區(qū)，區(qū)內(nèi)山峰林立，綿延起伏，大部基巖出露，局部被黃土覆蓋。峽谷深切，多呈“V”字形，地形起伏較大，最大高差約450 m[1]。

區(qū)域地質(zhì)資料顯示，崇禮—赤城大斷裂在隧址區(qū)通過，為區(qū)域性大斷裂[2-3]。勘察過程中，利用地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等多種手段開展綜合勘察[4-7]，查明了該斷裂的巖性特征、產(chǎn)狀分布和發(fā)育程度，為隧址區(qū)線路選擇[8]提供了詳實(shí)的地質(zhì)資料。

1 崇禮—赤城大斷裂特征概述

崇禮—赤城大斷裂的形成始于前震旦紀(jì)，該斷裂切割了赤城以西的震旦系地層，同時(shí)控制了中生代巖漿巖系和第三紀(jì)漢諾壩玄武巖的噴發(fā)和沉積。前震旦紀(jì)和燕山期的巖漿侵入活動[3]，說明該斷裂有多期復(fù)活的特性，其中以中生代活動最為強(qiáng)烈。

崇禮—赤城大斷裂在赤城縣被第四紀(jì)地層掩蓋，蔣家鋪巖體以西近10 km范圍的中侏羅統(tǒng)后城組蓋層內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)該斷裂通過的跡象，其原因有待進(jìn)一步研究。

2 隧址區(qū)崇禮—赤城大斷裂綜合勘察

2.1 地質(zhì)調(diào)查

依據(jù)地質(zhì)資料，判定崇禮—赤城大斷裂主要分布在白草鞍隧道進(jìn)口段，隧道里程范圍為DK106+400～DK107+350。以地質(zhì)圖中斷裂位置為中心，在1 km范圍內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，查明了與線位相交的2條巖性接觸帶和1條斷裂束構(gòu)造行跡，分別編號為Dy01號、Dy02號、Dy03號觀測點(diǎn)。在線路兩側(cè)還發(fā)現(xiàn)了斷裂束3條和巖性接觸帶4條，亦編號并建立了相應(yīng)的觀測點(diǎn)。推斷上述4條斷裂束即為崇禮—赤城大斷裂在隧址區(qū)的構(gòu)造行跡。將4條斷裂束按隧道里程由小到大依次編號為：fy1號、fy2號、fy3號、fy4號。地質(zhì)調(diào)查成果見圖1。

通過研究區(qū)域地質(zhì)資料和地質(zhì)調(diào)查，初步查明了崇禮—赤城大斷裂在隧址區(qū)的構(gòu)造活動行跡及巖性特征。為了進(jìn)一步明確fy1號、fy2號斷裂的位置，查明其深部地層巖性分布特征，布置了以有源(CSAMT)音頻大地電磁法為主的物探測試。同時(shí)，有針對性的布置了斷裂構(gòu)造及突水涌泥等控制孔和巖性控制孔。

圖1 地質(zhì)調(diào)查成果示意

2.2 物探測試

采用有源(CSAMT)音頻大地電磁法，測點(diǎn)點(diǎn)距25 m，工作最低頻率為8 Hz，最高頻率為9 600 Hz；沿白草鞍隧道布置一條貫通性測線，針對崇禮—赤城大斷裂布置橫測線，測線長1 200 m，有效測點(diǎn)480個(gè)，檢查點(diǎn)12個(gè)。同時(shí)，以地震折射法作為補(bǔ)充，其工作參數(shù)為：單排列長度110 m，12道接收，道距10 m，錘擊震源激發(fā)。隧址區(qū)該斷裂段視電阻率分布特征見圖2。

圖2 隧址區(qū)崇禮—赤城大斷裂段落視電阻率分布

在物探分析過程中，通過修正和反演等手段去除干擾因素[9-11]，得到相對準(zhǔn)確的地質(zhì)體視電阻率分布特征(見圖2)。不同地質(zhì)體因其礦物成分、構(gòu)造、裂隙發(fā)育程度及其充填物質(zhì)不同，其電阻率會有所差異。以此為主要標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)地質(zhì)體視電阻率的差異變化，劃分出可能的斷裂和巖性接觸帶位置(由于進(jìn)口位于測線邊界，受邊界條件干擾，F(xiàn)1號斷裂的位置準(zhǔn)確性相對較差)。

根據(jù)物探測試成果，初步查明了隧址區(qū)崇禮—赤城大斷裂段落深部地層分布特征：主要斷裂2條(編號F1、F2)和主要的巖性接觸帶：F1號斷裂在洞身附近出現(xiàn)了低高阻分界，由低阻向高阻劇烈變化，推斷線性異常里程為DK106+200附近，斷層破碎帶巖石破碎、含水；F2號斷裂在洞身附近出現(xiàn)了低高阻分界，由低阻向高阻變化劇烈，推斷線性異常里程為DK107+150附近，斷層帶巖石破碎、含水。

經(jīng)過分析對比，F(xiàn)2號斷裂與通過區(qū)域地質(zhì)資料和地質(zhì)調(diào)查查明的fy3號斷裂為同一斷裂，相互之間得到了驗(yàn)證。根據(jù)上述地質(zhì)體的位置，應(yīng)在相應(yīng)段落適當(dāng)加密鉆孔。

2.3 鉆探驗(yàn)證

綜合分析地質(zhì)調(diào)查和物探成果，根據(jù)斷裂帶和巖性接觸帶的分布，該斷裂帶共布置鉆探驗(yàn)證孔3個(gè)，其中09-Zb-3720和09-Zb-3720-1為斷裂構(gòu)造及突水涌泥等控制孔，09-Zb-3721為巖性控制孔。

鉆探巖芯特征和斷裂特征的分析統(tǒng)計(jì)見表1、表2。洞身位置斷裂構(gòu)造的巖芯見圖3～圖5。

表1 鉆探巖芯特征統(tǒng)計(jì)

表2 鉆孔查明的斷裂特征統(tǒng)計(jì)

圖3 09-Zb-3720孔45～49.7 m構(gòu)造帶巖芯

圖4 09-Zb-3720-1孔31～35 m構(gòu)造泥巖芯

圖5 09-Zb-3720-1孔60～64.7 m構(gòu)造帶巖芯

3 隧址區(qū)崇禮—赤城大斷裂特征綜合分析

3.1 地層巖性

該段落大部分地層基巖出露，局部地表覆蓋第四系上更新統(tǒng)坡洪積層(Q3dl+pl)，主要出露地層有中侏羅統(tǒng)后城組(J2h)砂礫巖、太古界紅旗營子組花崗片麻巖(Arh)；燕山期侵入巖花崗巖(πγ52-2)、閃長巖(δ52-2)，局部少量出露石英斑巖(λπ)。

(1)第四系上更新統(tǒng)坡洪積層(Q3dl+pl)

主要為新黃土、粉質(zhì)黏土，黃褐色、褐黃色及褐色，硬塑—堅(jiān)硬，局部呈軟塑狀，土質(zhì)不純，含較多角礫碎石，厚約0～10.0 m，主要分布在隧道進(jìn)口附近。

(2)中侏羅統(tǒng)后城組(J2h)

主要為灰紫夾暗紫色砂礫巖，灰紫、暗紫色，強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化，礫狀結(jié)構(gòu)，中厚—厚層構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育。

(3)太古界紅旗營子組花崗片麻巖(Arh)

主要為灰色、灰綠色花崗片麻巖，粗粒變晶結(jié)構(gòu)，片麻構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈柱狀，局部呈塊狀、碎塊狀，與中侏羅統(tǒng)后城組(J2h)凝灰?guī)r呈不整合接觸。

(4)燕山期侵入巖

花崗巖：主要為黃褐色夾灰綠色、肉紅色，粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成份為石英、正長石、黑云母，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈柱狀，局部呈塊狀，與中侏羅統(tǒng)后城組(J2h)砂礫巖呈不整合接觸。

閃長巖：灰色，主要礦物成份為石英、長石、云母，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，夾少量小晶體。

3.2 構(gòu)造機(jī)理

在研究區(qū)域地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，通過地質(zhì)調(diào)查、物探和鉆探驗(yàn)證等多種勘察手段，查明了斷裂構(gòu)造4條，分別為fy1號、fy2號、fy3號、fy4號。其中，fy4號斷裂為fy3號斷裂的衍生斷裂，規(guī)模較小，未延伸至隧道洞身。

(1)fy1號斷裂

傾向?yàn)?77°，傾角為60°，形成于燕山期，切斷了花崗巖地層，斷層上下盤均為花崗巖，為張性斷裂。在地質(zhì)調(diào)查階段，未在洞身位置發(fā)現(xiàn)該斷裂，但在DK105+960右側(cè)約190 m的位置發(fā)現(xiàn)了斷裂活動跡象，后根據(jù)物探測試，判定在DK106+250附近可能存在斷裂構(gòu)造。在鉆探驗(yàn)證階段，在鉆孔09-Zb-3720(DK106+190.45左1.476 m)深度45～49.7 m發(fā)現(xiàn)斷層帶。根據(jù)以上3處斷裂構(gòu)造的產(chǎn)狀和巖性特征綜合分析，判定為同一處斷裂，編號為fy1號。

該斷裂為燕山期侵入巖發(fā)育的小型斷裂。

(2)fy2號斷裂

傾向?yàn)?0°，傾角為82°，形成于燕山期，切斷了花崗巖地層、砂礫巖。斷層上盤為砂礫巖，下盤為花崗巖，斷層帶內(nèi)發(fā)育碎裂巖、斷層角礫巖、砂巖和斷層泥，為壓扭性斷裂。在地質(zhì)調(diào)查階段，同樣未在洞身位置發(fā)現(xiàn)該斷裂，但在DK106+530右側(cè)約90 m的位置發(fā)現(xiàn)了斷裂活動跡象，物探測試判定，在DK106+300附近可能發(fā)育巖性接觸帶。在鉆探驗(yàn)證階段，在鉆孔09-Zb-3720-1(DK106+387.90左14 m)，深度13～40.7 m和59.7～64.7 m發(fā)現(xiàn)斷層帶。根據(jù)斷裂構(gòu)造和巖性接觸帶的產(chǎn)狀和巖性特征綜合分析，判定為斷裂，編號為fy2號，同時(shí)也是侵入巖與沉積巖的接觸帶。

(3)fy3號斷裂

傾向?yàn)?10°，傾角為72°，切斷了花崗片麻巖、閃長巖地層。斷層上盤為花崗片麻巖，下盤為閃長巖，為崇禮—赤城大斷裂的主要活動跡象。其從前震旦紀(jì)開始形成，經(jīng)多期構(gòu)造運(yùn)動，其中以燕山期巖漿巖侵入和燕山運(yùn)動影響最大，為壓扭性斷裂。地質(zhì)調(diào)查階段，在DK107+250附近發(fā)現(xiàn)了斷裂活動跡象。同時(shí)，根據(jù)物探測試判定，在DK107+100～400附近可能發(fā)育斷裂帶，綜合分析確定該斷裂為fy3號。

該斷裂為崇禮—赤城大斷裂的主要活動跡象，在太古屆片麻巖的基礎(chǔ)上，從崇禮—赤城大斷裂的形成開始，經(jīng)歷了多期巖漿巖侵入和構(gòu)造運(yùn)動，形成了目前的斷裂構(gòu)造特征。

3.3 綜合分析

根據(jù)隧址區(qū)崇禮—赤城大斷裂地層巖性的時(shí)代和成因，結(jié)合該段落斷裂的分布和形成過程，查明了崇禮—赤城大斷裂在隧址區(qū)的特征。其在形成之始受到前震旦紀(jì)及以前時(shí)代地層巖性的控制，初期巖性以太古屆片麻巖為主，后接受侏羅紀(jì)地層的沉積，同時(shí)受到多期構(gòu)造運(yùn)動的影響，以燕山期運(yùn)動最為強(qiáng)烈。燕山期大規(guī)模巖漿巖侵入崇禮—赤城大斷裂構(gòu)造，巖漿巖的侵入和固化相當(dāng)于給斷裂構(gòu)造進(jìn)行了“注漿”，在一定程度上加固了斷裂構(gòu)造，但同時(shí)也形成了新的斷裂構(gòu)造。

古老的斷裂構(gòu)造與其后期地層的形成和構(gòu)造運(yùn)動相互影響。崇禮—赤城大斷裂控制了侏羅紀(jì)、燕山期等時(shí)代地層的形成和分布。同時(shí)，侏羅紀(jì)、燕山期的地層和構(gòu)造運(yùn)動也改變了大斷裂原始破碎的狀態(tài)，掩蓋了大斷裂在隧址區(qū)大規(guī)模的構(gòu)造行跡，形成了新的小型斷裂構(gòu)造。

隧址區(qū)崇禮—赤城大斷裂段落縱斷面如圖6所示。

圖6 隧址區(qū)崇禮—赤城大斷裂段落縱斷面示意

4 結(jié)論

(1)崇禮—赤城大斷裂主要分布在白草鞍隧道里程DK106+400～DK107+350段落，通過綜合勘察，查明了其在隧址區(qū)表現(xiàn)行跡主要為4條斷裂束，工程編號分別為：fy1號、fy2號、fy3號、fy4號，其中，fy2號、fy3號斷裂與巖性接觸帶重合。

(2)古老的斷裂構(gòu)造與其后期地層的形成和構(gòu)造運(yùn)動相互影響，相互改變著各自的特征。崇禮—赤城大斷裂控制了侏羅紀(jì)、燕山期等時(shí)代地層的形成和分布。同時(shí)，侏羅紀(jì)、燕山期的地層形成和構(gòu)造運(yùn)動也改變了大斷裂原始破碎的狀態(tài)，尤其是巖漿巖的侵入對破碎巖體起到了一定的固化作用，掩蓋了大斷裂在隧址區(qū)大規(guī)模的構(gòu)造行跡，同時(shí)又形成了新的小型斷裂構(gòu)造，此即為崇禮—赤城大斷裂在隧址區(qū)構(gòu)造行跡不明顯的原因所在。

(3)崇禮—赤城大斷裂與其后期的地層形成和構(gòu)造運(yùn)動相互影響，斷層帶內(nèi)發(fā)育有斷層泥、糜棱巖等，巖體破碎，設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)重視其影響。

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