丁文富,蔣良文,宋 章,王 朋
(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)
圖1 廣昆鐵路秀寧隧道構(gòu)造綱要
秀寧隧道穿越云南省楚雄與昆明交界區(qū)域,是改建鐵路成昆線廣通至昆明段擴(kuò)能改造工程全線的關(guān)鍵性控制工程,全長(zhǎng)13 187 m,最大埋深約550 m,為設(shè)計(jì)速度200 km/h的單洞雙線大跨隧道,采用“進(jìn)口平導(dǎo)+洞身三斜井”的輔助坑道方案,為全線最長(zhǎng)、地質(zhì)最為復(fù)雜的隧道。全隧富水?dāng)嗔褞?、斷層糜棱巖、高壓巖溶涌突水、煤層瓦斯、軟巖大變形等重大工程地質(zhì)問(wèn)題突出,在建時(shí)該隧道為原鐵道部確定的Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)管理隧道,曾被評(píng)估為全國(guó)鐵路十大高風(fēng)險(xiǎn)隧道之一。于隧道出口端通過(guò)的湯郎—易門(mén)深大斷裂為晚更新世活動(dòng)斷裂,歷經(jīng)了多期構(gòu)造活動(dòng),沿?cái)嗔褞v史上發(fā)生過(guò)多次中強(qiáng)地震,對(duì)區(qū)內(nèi)地貌、水系及地質(zhì)構(gòu)造起控制作用??紤]湯郎—易門(mén)區(qū)域性深大活動(dòng)斷裂對(duì)該隧道的影響,在探討斷裂對(duì)地層巖性、地下水及地應(yīng)力場(chǎng)影響的基礎(chǔ)上,分析斷裂改造作用對(duì)圍巖的影響,并調(diào)整圍巖分級(jí),便于指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)和施工。
隧道地處云貴高原西北部,屬構(gòu)造侵蝕、溶蝕中山地貌,山脈受區(qū)域構(gòu)造制約,以近南北向?yàn)橹?。根?jù)地貌形態(tài)劃分,隧道通過(guò)地段可分為中山嶺脊區(qū)和高原丘陵及深切溝谷區(qū)。其中,隧道中部象山及孝母山山脊延伸方向大致與構(gòu)造線平行,為中山嶺脊區(qū),占隧道長(zhǎng)度近1/3;隧道進(jìn)出口兩段及洞身大部分為高原丘陵及深切溝谷區(qū),占隧道總長(zhǎng)度近2/3。
隧址區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)川滇臺(tái)背斜的中西部,為小綠汁江基底褶斷區(qū)(Ⅳ)、祿豐—易門(mén)斷裂區(qū)(Ⅴ)與羅次—易門(mén)—西山構(gòu)造褶斷區(qū)(Ⅵ)交接地帶(圖1),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育。青藏高原強(qiáng)烈隆升和中上地殼物質(zhì)向東擠出、側(cè)向滑移,使原有的構(gòu)造格局受到強(qiáng)烈的改造和變形,區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造主要為近南北向、北西向和少量北東—北東東向斷裂。主要的區(qū)域性深大斷裂有元謀—綠汁江斷裂、湯郎—易門(mén)斷裂和普渡河斷裂等,它們大多經(jīng)歷了復(fù)雜的演化過(guò)程,表現(xiàn)出繼承性和新生性,常是構(gòu)造單元的分界線,其分布和活動(dòng)與大地構(gòu)造和新構(gòu)造分區(qū)有關(guān)[1]。
隧道通過(guò)地段形成了以象山向斜為主的一系列成群出現(xiàn)的近N20°E的線型緊密褶皺帶和以北北東向湯郎—易門(mén)深大斷裂為主的其他分枝斷裂縱列其間的構(gòu)造格局(5個(gè)褶皺+8條斷裂),地層多被切割成斷塊或斷片狀,沿?cái)嗔褞蓚?cè)地層產(chǎn)狀紊亂,部分地帶巖層直立或倒轉(zhuǎn)。
隧道除進(jìn)口附近出露侏羅系(J)和出口發(fā)育少量震旦系(Z)地層外,洞身地段主要出露呈北北東向帶狀分布的前震旦系昆陽(yáng)群(Pt)淺變質(zhì)巖地層,主要巖性為強(qiáng)應(yīng)變帶千枚板巖、灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖、絹云母板巖等(圖2),其中可溶巖段長(zhǎng)約2.5 km,占全隧總長(zhǎng)的19%。隧址區(qū)受多期構(gòu)造作用影響嚴(yán)重,巖體多具“碎裂巖化、糜棱巖化、片理化”特征,張性裂隙發(fā)育,完整性差,多破碎,常有薄層泥化物拌生。
圖2 秀寧隧道工程地質(zhì)縱斷面示意
秀寧隧道穿越金沙江與紅河水系分水嶺地帶。地下水主要為可溶巖區(qū)的巖溶水和以板巖為主的變質(zhì)巖區(qū)基巖裂隙水,孔隙水次之。區(qū)內(nèi)褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育,巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重,節(jié)理裂隙發(fā)育,多破碎,為地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄提供了良好的條件。根據(jù)地形地貌、巖性及構(gòu)造特征綜合分析,全隧劃分為兩大富水區(qū)段[2]:象山向斜核部和大龍?zhí)赌鏀鄬拥臄嗔褞芪g潛流-承壓流谷地、分布于板巖地層內(nèi)的夾層條帶溶蝕潛流谷地,地下水豐富,水頭壓力大。地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄受地層巖性、構(gòu)造及地貌等因素控制。褶皺帶、斷裂帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶和節(jié)理裂隙密集帶,隧道開(kāi)挖易發(fā)生涌水、突泥和坍塌等危害。
該斷裂是組成川滇經(jīng)向構(gòu)造體系的一條高級(jí)初次的構(gòu)造帶[3],形成于晉寧運(yùn)動(dòng),具有長(zhǎng)期的地質(zhì)發(fā)展過(guò)程,經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造活動(dòng),對(duì)地質(zhì)建造有著明顯的控制作用,控制古生代以來(lái)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,構(gòu)成多期巖漿巖的通道。主干斷裂北端在四川會(huì)理通安附近與安寧河斷裂帶相接,向南穿過(guò)金沙江后,經(jīng)湯郎、武定、羅茨、祿豐,由于其他構(gòu)造體系干擾而終止于易門(mén)盆地以南,全長(zhǎng)約155 km,秀寧隧道通過(guò)斷裂帶的南端。斷裂走向近南北,南部略偏西,深部為斷面傾向東、斷距約1 km的正斷層,而地表則為斷面傾向西的逆沖斷層。湯郎—易門(mén)斷裂為晚更新世活動(dòng)斷裂,最大平均水平滑動(dòng)速率為3.5 mm/a[1],斷裂亦為西南主要發(fā)震構(gòu)造,歷史上發(fā)生過(guò)多次中強(qiáng)地震,1755年1月27日,云南易門(mén)東發(fā)生了6級(jí)地震,在1995年發(fā)生了武定北6.5級(jí)地震。
斷裂在地表的表現(xiàn)形式在航片和衛(wèi)片上可以見(jiàn)到,斷裂帶由主干斷裂與其側(cè)旁近平行的次級(jí)斷裂組成,線性特征清晰,狹長(zhǎng)的第三紀(jì)-第四紀(jì)河谷盆地呈串珠狀沿?cái)嗔褞Оl(fā)育,沿?cái)嗔寻l(fā)育有斷層埡口、水系錯(cuò)斷、斷層三角面等斷層地貌。在秀寧隧道通過(guò)的象山及孝母山一帶,自新近紀(jì)以來(lái)一直處于抬升隆起狀態(tài),新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈在所難免,構(gòu)造擠壓的高地應(yīng)力是其最好的注釋。
經(jīng)實(shí)地調(diào)繪考察發(fā)現(xiàn),該斷裂于秀寧隧道出口段通過(guò),在穿越山梁時(shí)形成明顯的負(fù)地形斷層埡口,兩側(cè)巖層扭曲,產(chǎn)狀凌亂,層間褶皺和碎裂帶極其發(fā)育(圖3);近斷裂帶壓碎巖、糜棱巖、構(gòu)造透鏡體及片理化普
圖3 隧道出口吳家村附近斷層剖面
遍發(fā)育,硅化、綠泥石化、絹云母化和石墨化經(jīng)常可見(jiàn);斷層破碎帶寬約950 m。
綜上,湯郎—易門(mén)斷裂具有以下特點(diǎn):斷裂連續(xù)性好,延伸距離長(zhǎng),產(chǎn)狀變化不大;斷裂破碎帶寬,影響范圍大;斷裂帶內(nèi)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面發(fā)育;斷裂帶周?chē)纬傻男鄬印Ⅰ薨櫟却渭?jí)構(gòu)造面發(fā)育。
4.1.1 對(duì)巖性及其力學(xué)性質(zhì)的影響
湯郎—易門(mén)斷裂的發(fā)生、發(fā)展、復(fù)合是區(qū)內(nèi)地質(zhì)建造的主要控制因素。隧道通過(guò)區(qū)域主要為上昆陽(yáng)群地層,是組成康滇古陸的基底,為泥頁(yè)巖建造和碳酸巖建造,區(qū)域上主要呈南北向條帶狀展布于斷裂帶西部的武定、羅茨、易門(mén)一帶,并且在巖相上也顯示了東西方向的相變,證實(shí)了該斷裂在上昆陽(yáng)群沉積初期已起著控制作用。隧道開(kāi)挖所遇古老變質(zhì)巖地層多具軟巖特征,巖體所具有的各向異性、擴(kuò)容性、軟塑性和流變性等都對(duì)圍巖的穩(wěn)定性有著重要影響[4],即巖性及其力學(xué)性質(zhì)是影響圍巖穩(wěn)定性的基礎(chǔ)因素(表1)。
表1 構(gòu)造壓碎巖巖石物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)
4.1.2 對(duì)巖體結(jié)構(gòu)及裂隙的影響
大量隧道圍巖的失穩(wěn)破壞與巖體結(jié)構(gòu)密切相關(guān),一個(gè)是組成巖體的巖塊的大小,另一個(gè)是巖塊的組合形式。因此,研究巖體的結(jié)構(gòu)面性質(zhì)、組合方式及其變形破壞機(jī)制,可以合理地評(píng)價(jià)隧道圍巖的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)可能發(fā)生的破壞模式。結(jié)構(gòu)面廣義上包含了斷裂、層理、節(jié)理及夾層面等結(jié)構(gòu)面,巖體被這些結(jié)構(gòu)面切割成了塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)。
湯郎—易門(mén)斷裂是區(qū)內(nèi)最高級(jí)結(jié)構(gòu)面,以及其伴生、次生的高寨七賢村等斷裂,控制著附近區(qū)域巖體的抗剪強(qiáng)度和水理發(fā)生,對(duì)區(qū)域穩(wěn)定性和隧道工程具體部位圍巖穩(wěn)定性有重要影響,斷層破碎帶物質(zhì)以散體狀斷層角礫、斷層泥和糜棱巖為主(圖4、圖5),是秀寧隧道圍巖失穩(wěn)危害最大的部位。出口段的湯郎—易門(mén)斷裂破碎帶在地下水的作用下,圍巖呈軟~流塑狀涌出,造成了規(guī)模大、處理難度高的變形塌方,個(gè)別地段甚至冒頂,圍巖變更為Ⅵ級(jí)。
圖4 受構(gòu)造影響嚴(yán)重 的碎裂狀巖體
圖5 湯郎—易門(mén)斷裂糜 棱巖開(kāi)挖后呈流塑狀
經(jīng)統(tǒng)計(jì),全隧發(fā)生較大的40多次涌水、塌方,70%以上都是發(fā)生在斷層破碎帶、節(jié)理密集帶、層間擠壓破碎帶及巖性接觸帶等存在軟弱結(jié)構(gòu)面的部位,變形塌方的規(guī)模和危害與構(gòu)造作用的大小,即結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度和巖體的完整性關(guān)系密切。在構(gòu)造作用強(qiáng)烈、對(duì)巖體完整性影響大時(shí),也就是巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)為圍巖穩(wěn)定的主要因素時(shí),巖石單體強(qiáng)度對(duì)洞室開(kāi)挖圍巖的穩(wěn)定性影響是不大的。
4.1.3 對(duì)地下水活動(dòng)的控制
秀寧隧道位于湯郎—易門(mén)斷裂區(qū),為走向近南北的構(gòu)造形跡,昆陽(yáng)群大片出露,為一系列成群出現(xiàn)的NE20°左右線型緊密褶皺,部分發(fā)生倒轉(zhuǎn);另有一組湯郎—易門(mén)深大斷裂斷分枝高角度沖斷層縱列其間。構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致地層變形、破裂,控制地層分布、斷裂及其他導(dǎo)水空間的力學(xué)性質(zhì)和延伸狀況,進(jìn)而控制地下水的活動(dòng)[5-6]。構(gòu)造對(duì)本區(qū)地下水(巖溶水)活動(dòng)控制作用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。
(1)導(dǎo)水?dāng)嗔鸭皹?gòu)造裂隙
斷層無(wú)疑是各構(gòu)造區(qū)間巖溶水連通的主要途徑[7]。其中東山河斷層、大龍?zhí)稊鄬?、高寨七賢村二號(hào)斷層是聯(lián)系隧址區(qū)巖溶水活動(dòng)的主要斷層構(gòu)造;由于隧址區(qū)巖溶水還有厚度較大的鵝頭廠組(Pt1e)和因民組(Pt1y)隔水層阻斷,而可里郎—寨腳倒轉(zhuǎn)背斜和高寨七賢村一號(hào)斷層是構(gòu)造區(qū)穿越非可巖溶地段巖溶水活動(dòng)聯(lián)系的主要通道。除了斷層外,其他規(guī)模較小的構(gòu)造裂隙和可溶巖與非可溶巖接觸帶(圖6)也是一
圖6 板巖與灰?guī)r接觸帶及構(gòu)造破碎帶涌突水情況
定范圍內(nèi)巖溶水相互聯(lián)系的重要通道。褶皺是本區(qū)構(gòu)造的重要組成部分,地層在彎滑褶皺過(guò)程中,往往出現(xiàn)一系列的導(dǎo)水空間(通道),一是褶皺核部出現(xiàn)滑脫部位,二是形成一系列的派生斷裂,主要有層間破碎斷裂帶、張性節(jié)理密集帶等,這些導(dǎo)水裂隙在隧址區(qū)均普遍發(fā)育。
(2)可溶巖錯(cuò)移連通
構(gòu)造能使同一可溶巖地層錯(cuò)移而不連續(xù),也可使得不同的可溶巖地層通過(guò)斷層或者褶皺相互連通。隧址區(qū)內(nèi)不同的可溶巖地層零星分布,但由于斷層沖斷及構(gòu)造裂隙的發(fā)育,使得各可溶巖段巖溶水得以貫通而連續(xù)分布。
4.1.4 對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境的改造
隧址區(qū)初始應(yīng)力場(chǎng)的特征對(duì)隧道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力重分布二次應(yīng)力場(chǎng)、三次應(yīng)力場(chǎng)的形成影響最為直接,與地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地層巖性、地下水、溫度以及隧道埋深等有密不可分的關(guān)系[8,9]。本次主要分析地質(zhì)構(gòu)造對(duì)應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境的改造作用,即對(duì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響。
沿線區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈且頻繁,所對(duì)應(yīng)的構(gòu)造應(yīng)力也發(fā)生了很大的改變。如前所述,湯郎—易門(mén)是一條古老的、經(jīng)歷過(guò)多期次構(gòu)造活動(dòng)的深大斷裂,在斷裂的形成、活動(dòng)過(guò)程中,區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)也發(fā)生了多次擠壓、張拉等變化過(guò)程,且斷裂形成的主要時(shí)期是經(jīng)歷了擠壓破壞。所以,對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定影響最大的是斷裂在擠壓過(guò)程中形成的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。
在隧道DSZ-AL-4、DSZ-AL-8深孔內(nèi)采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試(表2),現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力仍占主導(dǎo)地位,應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)以NW向擠壓為主,最大主應(yīng)力方向一般為N46.7° ~50.7°W;三向主應(yīng)力之間的關(guān)系表現(xiàn)為:SH>Sv>Sh,洞身部位的最大主應(yīng)力值為17~20 MPa,最小主應(yīng)力值為10~12 MPa,該區(qū)域以高構(gòu)造應(yīng)力區(qū)[10]為主,其間存在應(yīng)力相對(duì)較小的地段。
表2 深孔隧道洞身段地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果
綜合分析,雖然隧址區(qū)部分地段具有較高的應(yīng)力水平,但巖性以古老地層的破板巖為主,灰?guī)r僅出露于隧道進(jìn)口端埋深淺、應(yīng)力水平較小地段,可以排除發(fā)生巖爆災(zāi)害的可能。由于受多期構(gòu)造活動(dòng)的影響,圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育,整體強(qiáng)度低,以炭質(zhì)板巖、斷層破碎帶及構(gòu)造節(jié)理密集帶為主的軟弱圍巖在一定的應(yīng)力條件下,就會(huì)發(fā)生顯著的塑性變形[11],洞室開(kāi)挖后難以形成自承拱,在支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)強(qiáng)度不夠的情況下,圍巖變形難以控制,容易發(fā)生大變形和塌方等地質(zhì)災(zāi)害。隧道開(kāi)挖過(guò)程中,在湯郎—易門(mén)斷裂主破裂面及其次級(jí)斷裂破碎帶、炭質(zhì)板巖等軟弱圍巖地段,多次發(fā)生大變形和塌方,而沒(méi)有巖爆產(chǎn)生,這以之前對(duì)地應(yīng)力的分析、測(cè)試是吻合的。
4.2.1 設(shè)計(jì)階段圍巖特征認(rèn)識(shí)
隧道通過(guò)區(qū)以元古界變質(zhì)巖為主,板狀、片狀、千枚狀構(gòu)造[12],巖體在受多期次斷裂擠壓、推覆、隆起等運(yùn)動(dòng)影響下,原生結(jié)構(gòu)面(片理、層理)和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面(斷層、節(jié)理、層間錯(cuò)動(dòng)面)很發(fā)育,并以構(gòu)造結(jié)構(gòu)面為主控類(lèi)型。巖體被切割破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,風(fēng)化程度高,普遍具有“強(qiáng)片理化、碎裂巖化、糜棱巖化,親水性強(qiáng),透水性弱、抗風(fēng)化能力弱”的“三化、一強(qiáng)、二弱”特征??辈爝^(guò)程中,根據(jù)隧道圍巖的堅(jiān)硬程度、巖體的完整程度及風(fēng)化程度等地質(zhì)條件,進(jìn)行了基本分級(jí),并針對(duì)性地結(jié)合隧道埋深、地下水狀態(tài)及初始應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行修正[13],隧道圍巖以Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)為主,Ⅴ級(jí)次之,Ⅱ級(jí)少許分布,其中Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖主要分布在碳酸巖地層及遠(yuǎn)離斷裂構(gòu)造、受構(gòu)造影響相對(duì)小的變質(zhì)巖地段。
4.2.2 斷裂改造圍巖特征分析
考慮斷裂帶對(duì)巖體完整性及其力學(xué)特性、地下水分布及應(yīng)力場(chǎng)等的影響,對(duì)秀寧隧道圍巖級(jí)別重新進(jìn)行了梳理和調(diào)整,如表3所示,與設(shè)計(jì)圍巖相比,調(diào)整圍巖Ⅱ、Ⅲ級(jí)比例減少約15%,與之對(duì)應(yīng)的Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖增加較多。具體表現(xiàn)在大致以高寨—七賢村二號(hào)斷層為界,向隧道進(jìn)口端遠(yuǎn)離區(qū)域性斷裂密集區(qū)巖體自穩(wěn)能力越好,圍巖分級(jí)變化越小,調(diào)整Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖亦主要出現(xiàn)在該段;而向隧道出口端越接近區(qū)域性斷裂,巖體破碎程度有增高的趨勢(shì),圍巖分級(jí)變化快、頻次高,長(zhǎng)大段落的Ⅲ級(jí)圍巖調(diào)整為Ⅵ級(jí),甚至Ⅴ級(jí),湯郎—易門(mén)斷裂帶富水?dāng)鄬用永鈳r圍巖調(diào)整為Ⅵ級(jí)。后通過(guò)施工揭示發(fā)現(xiàn),調(diào)整后圍巖級(jí)別基本符合開(kāi)挖現(xiàn)狀,很好地指導(dǎo)了設(shè)計(jì)和施工。上述情況亦反映了隧道破碎巖體的不均一性,巖石強(qiáng)度和圍巖穩(wěn)定性與斷層距離遠(yuǎn)近有關(guān)[14-15],表現(xiàn)出圍巖越靠近出口端的湯郎—易門(mén)深大活動(dòng)斷裂其完整性和穩(wěn)定性越差的明顯規(guī)律性。
表3 秀寧隧道勘察與施工圍巖分級(jí)情況對(duì)比
深埋特長(zhǎng)隧道大多施工困難,原因是地質(zhì)復(fù)雜、多變,這與所處的大地構(gòu)造背景關(guān)系密切,褶皺及斷裂發(fā)育,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,導(dǎo)致圍巖破碎,在高地應(yīng)力及地下水作用下,穩(wěn)定性差,圍巖級(jí)別變化頻繁,常出現(xiàn)較大變形和塌方,嚴(yán)重制約隧道施工。在斷裂構(gòu)造發(fā)育區(qū),通過(guò)分析研究主控結(jié)構(gòu)面對(duì)隧道圍分級(jí)改造作用的影響,合理定位和修正圍巖分級(jí),對(duì)完善隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確定有效的施工方法,評(píng)判隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)性,規(guī)避施工和后期運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)有著重要的意義。
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)2019年2期