隧道穿越韌性剪切帶的綜合勘察分析及圍巖劃分

常帥鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

1 概述

阿爾金山地處甘肅、新疆、西藏和青海四省交界地帶，依據(jù)現(xiàn)有研究資料[1]，可細(xì)分為敦煌地塊、阿爾金北緣蛇綠混雜巖帶、中阿爾金中—新元古代構(gòu)造巖帶、阿爾金構(gòu)造雜巖帶和阿爾金南緣基性超基性巖帶5個(gè)構(gòu)造單元[2]。新建格爾木至庫爾勒鐵路經(jīng)青海省西部海西蒙古族藏族自治州格爾木市，穿越阿爾金山，到達(dá)新疆維吾爾自治區(qū)東南部巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)庫爾勒市，全長約1 200 km。其中七面峰4號隧道穿越阿爾金山阿爾金中-新元古代構(gòu)造巖帶，斷層、褶皺等構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜，且既有研究資料相對較少。

結(jié)合阿爾金山地區(qū)已有區(qū)域地質(zhì)資料，采用航片衛(wèi)片判釋、現(xiàn)場調(diào)繪、物探和鉆探等相結(jié)合的綜合勘察方法，查明了隧道通過區(qū)域的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征，為隧道圍巖級別劃分提供了科學(xué)的依據(jù)[3]。

2 工程地質(zhì)概況

新建格庫鐵路七面峰4號隧道起迄里程為DK636+050～DK639+080，隧道全長3 030 m，最大埋深295 m。洞身采用14.1‰的單線單面坡(進(jìn)口高出口低)；該隧道位于阿爾金山斷裂隆起帶[4]，構(gòu)造線走向多為NEE，傾角較陡，但亦有NWW向斷裂和帚狀斷裂，并伴有巖漿活動；隧道進(jìn)口處附近發(fā)育有區(qū)域性大斷裂(北緣斷裂F19)，隧道出口發(fā)育有F20-1斷層帶，隧道洞身穿越5條次級斷裂f10～f14，使得該隧道處于大斷裂形成的韌性剪切帶上[5-6]。隧道區(qū)域構(gòu)造分布及調(diào)查情況見圖1。

圖1 隧道區(qū)域構(gòu)造分布及調(diào)查示意

隧道洞身通過地層主要為元古界薊縣系馬特克布拉克組片巖夾片麻巖(PtjmSc+Gn)，灰黑色，變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，其主要礦物成分為石英、長石，含少量云母。受地質(zhì)構(gòu)造影響，局部節(jié)理裂隙發(fā)育。片麻巖為肉紅色-灰黑色，片麻狀構(gòu)造，礦物成分與花崗巖相似，其主要礦物成分為鉀長石、石英，含少量黑云母，呈層狀?yuàn)A于片巖層中。受地質(zhì)構(gòu)造影響，局部折曲發(fā)育，巖體破碎。

隧道區(qū)域地表水不發(fā)育，勘察期間未見地表水，隧道區(qū)地下水主要為基巖節(jié)理風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙以及斷層破碎帶中賦存的地下水，由于補(bǔ)給源的限制，整體水量不大。采用降水入滲法計(jì)算，隧道單位長度涌水量為0.09～0.20 m3/(d·m)，屬于貧水—弱富水區(qū)。

3 韌性剪切帶的綜合勘查分析

3.1 綜合勘查手段的應(yīng)用

通過該區(qū)域DEM(數(shù)字高程模型)和航片衛(wèi)片對比，可發(fā)現(xiàn)隧道區(qū)域F19和F20-1斷裂在地貌上變化醒目，色調(diào)明暗變化清晰，連續(xù)出露，斷裂十分明顯，影像表現(xiàn)為一平直如刀切直線，局部有錯(cuò)斷痕跡，支斷裂發(fā)育。

在航片衛(wèi)片判釋和區(qū)域地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，對線路兩側(cè)各500 m范圍內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)的工程地質(zhì)調(diào)繪，查明了隧道通過區(qū)域斷層基本特征、各巖性地層接觸關(guān)系及界線、不良地質(zhì)體分布情況及特征。共計(jì)完成野外地質(zhì)觀測點(diǎn)52個(gè)。

根據(jù)野外調(diào)查情況結(jié)合地形地貌特征，在隧道出口段布設(shè)高密度電阻率法物探剖面一條(長1.2 km，有效測點(diǎn)20個(gè))，該剖面電阻率特征見圖2。從物探測試結(jié)果可以看出[7]，測區(qū)內(nèi)電阻率一般小于100 Ω·m，最大電阻率約為370 Ω·m；各斷層帶內(nèi)巖體電阻率小于60 Ω·m，斷層影響帶內(nèi)電阻率為50～100 Ω·m，表明該區(qū)域受構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖體破碎。對比野外調(diào)查資料，物探結(jié)果顯示的斷層位置走向等特征與野外調(diào)查結(jié)果基本一致。

圖2 隧道出口段物探釋譯剖面

在航片衛(wèi)片判釋、野外調(diào)查和物探測試成果的基礎(chǔ)上，通過鉆探對隧道區(qū)域韌性剪切帶內(nèi)斷層位置及巖性進(jìn)行驗(yàn)證。在隧道出口段物探剖面范圍內(nèi)布置3個(gè)鉆孔，各鉆孔巖芯特征見表1。并對D4Z-137號鉆孔進(jìn)行彈性波波速測試，計(jì)算得到巖體完整性系數(shù)為0.28，判定為破碎。

表1 鉆孔巖芯特征統(tǒng)計(jì)

3.2 韌性剪切帶特征

區(qū)域地質(zhì)資料顯示，阿爾金斷層主要形成于華力西期，是一條具有多期活動的斷裂帶，大致呈NEE走向，在前古生代表現(xiàn)為一條具有拉張?zhí)卣鞯臉?gòu)造帶，中生代時(shí)期發(fā)生了強(qiáng)烈的左旋走滑活動，新生代時(shí)期又伴有強(qiáng)烈的逆沖擠壓作用(既有高角度的逆沖，也有低角度的逆掩)，將前古生代推覆到中、新生界之上[8-11]。F19和F20-1之間形成的韌性剪切帶正是該區(qū)域多起構(gòu)造演化發(fā)展的產(chǎn)物[12-13]。

在隧道通過的韌性剪切帶內(nèi)，受構(gòu)造活動影響，斷層發(fā)育，巖體破碎。通過綜合勘察手段[14-15]，查明韌性剪切帶內(nèi)各斷層性質(zhì)如下：

(1)f10斷層：于DK636+794～DK636+814段與隧道洞身大角度相交，斷層產(chǎn)狀為N35°～50°E/60°～75°S，為壓扭性逆斷層，斷層上、下盤均為晚元古代中期花崗巖，斷層破碎帶寬度為5～10 m，局部地段寬度可達(dá)20 m。斷層帶物質(zhì)主要為壓碎巖，原巖成分主要為花崗巖，局部見片巖夾于其中。該斷層受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，斷層帶兩側(cè)巖體較破碎，對隧道工程影響較大。

(2)f11斷層：于DK637+444～DK637+464段與隧道洞身大角度相交，斷層產(chǎn)狀為N10°E/84°W，為壓扭性逆斷層，斷層產(chǎn)狀與片理產(chǎn)狀近于一致，斷層上、下盤均為元古界薊縣系云母石英片巖夾大理巖，斷層破碎帶寬5～10 m，主帶內(nèi)為壓碎巖，兩側(cè)可見斷層角礫及糜棱巖，對隧道工程影響較大。

(3)f12斷層：于DK637+664～DK637+684段與隧道大角度相交，斷層產(chǎn)狀為N65°～70°E/55°～80°S，為壓性逆斷層，斷層帶上下盤均為元古界薊縣系云母石英片巖夾大理巖，斷層破碎帶寬3～8 m，斷層帶物質(zhì)為壓碎巖，局部地段可見節(jié)理密集帶，對隧道工程有一定影響。

(4)f13斷層：于DK638+205～DK638+240段與隧道洞身大角度相交，斷層產(chǎn)狀為N60°～70°E/45°～65°S，為壓性逆斷層，斷層帶上下盤均為元古界薊縣系云母石英片巖夾大理巖，斷層破碎帶寬15～20 m，局部寬度可達(dá)30 m，主要表現(xiàn)為沿片理方向的一系列節(jié)理密集帶，局部可見壓碎巖夾于其中，局部為斷層角礫，對隧道洞身影響較大。

(5)f14斷層：斷層破碎帶于DK638+555～DK638+695段與隧道洞身大角度相交，斷層產(chǎn)狀為N60°～75°E/55°～65°S，為壓扭性逆斷層，斷層帶上下盤均為元古界薊縣系云母石英片巖夾大理巖，斷層破碎帶寬30～50 m，斷層下盤影響帶寬度約20 m，斷層主帶可見寬5～6 m的糜棱巖及壓碎巖，兩側(cè)可見節(jié)理密集帶。受斷層帶影響，兩側(cè)巖體破碎，對隧道工程影響較大。

(6)F20-1斷層：主要位于隧道出口DK639+085～DK639+124之間，斷層與隧道大角度相交，斷層產(chǎn)狀為N30°～50°E/30°～60°S，為逆斷層，斷層帶上、下盤均為云母石英片巖，斷層破碎帶寬30～40 m，斷層帶物質(zhì)主要為斷層角礫，對隧道工程有一定影響。

通過綜合勘察分析，七面峰4號隧道通過區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，韌性剪切帶中各斷層破碎帶內(nèi)以糜棱巖和斷層角礫為主，斷層兩側(cè)影響帶內(nèi)分布有寬度不等的壓碎巖和節(jié)理裂隙密集帶，韌性剪切帶內(nèi)巖體整體較破碎—破碎；地表水和地下水均不發(fā)育，隧道整體屬于貧水—弱富水。

3.3 隧道圍巖劃分

根據(jù)圍巖巖體特征、巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度、風(fēng)化程度、物探電阻率、埋置深度、地下水等影響對隧道圍巖進(jìn)行綜合評價(jià)。考慮整個(gè)隧道位于韌性剪切帶內(nèi)，巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重，判定七面峰4號隧道圍巖級別以Ⅳ、Ⅴ級為主[16]，斷層破碎帶圍巖為Ⅴ級，其余段落為Ⅳ級，圍巖劃分情況見表2、表3。經(jīng)隧道開挖驗(yàn)證，實(shí)際情況與設(shè)計(jì)基本相符，無圍巖跨級別調(diào)整，未引起Ⅰ類變更[17]。

表2 七面峰4號隧道圍巖分級一覽

表3 七面峰4號隧道圍巖分級統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

(1)七面峰4號隧道位于中阿爾金中—新元古代構(gòu)造巖片構(gòu)造單元內(nèi)，地處F19與F20-1斷裂形成的韌性剪切帶內(nèi)，構(gòu)造發(fā)育，隧道巖性以元古界薊縣系馬特克布拉克組片巖夾片麻巖、片巖夾大理巖為主，局部有花崗巖入侵。受構(gòu)造影響，巖體破碎。隧道區(qū)域地表水不發(fā)育，由于補(bǔ)給條件限制，地下水整體以弱富水為主。

(2)多起構(gòu)造運(yùn)動演化發(fā)展形成隧道區(qū)域韌性剪切帶構(gòu)造現(xiàn)狀。通過航片衛(wèi)片判釋、野外調(diào)查、物探測試和鉆探相結(jié)合的綜合勘察手段，查明了隧道通過區(qū)域韌性剪切帶內(nèi)各構(gòu)造的性質(zhì)及各巖性的工程性質(zhì)。