构造交汇区变质岩隧道突水涌泥机理及控制措施研究

2013-09-05李五红

铁道建筑 2013年3期

李五红

(中铁十二局集团第二工程有限公司，山西太原 030032)

受多期构造运动的影响，构造交汇区的岩体多数具有以下特征:多期构造运动的叠加造成地质构造复杂，围岩破碎，结构面发育，地下水丰富，多具承压性;构造交汇区的断裂构造兼具压扭性及张扭性断裂特征，往往开挖时无地下水，后期地下水增大;围岩变形大、且长期不收敛，导致支护结构变形坍塌严重。

在构造交汇区的隧道施工中，由于隧道开挖扰动改变了地下水的赋存状态，地下水是造成隧道初期支护变形甚至坍塌的主要原因;隧道支护不及时或支护强度不足以抵抗围岩的形变压力导致塑性区的范围进一步扩大，又进一步诱发变质岩混合岩化构造带的富水性发生改变，造成发生多次突水涌泥事故。由此可见，构造交汇区的隧道出现突水不但与原生断裂有关，施工扰动后的活化或扩展断裂对破碎带的富水性和导水性的影响更不容忽视，即使开挖前采取了超前探水措施，确已摸清破碎带的导水性，仍不能确保突水事故不发生［1-2］。虽然目前国内关于隧道突水的预防与控制治理措施的研究成果显著，有很多文献讨论了断层破碎带的隧道突水涌泥机制及控制技术［3-11］，但是对于旧堡隧道这样受多期构造运动叠加影响，且断裂构造兼具压扭性及张扭性断裂特征的隧道研究较少。施工实践表明:破碎带的控水优势不是原始地质条件下所具备的，而是开挖扰动引起破碎带地层变形活化产生的。

本文根据旧堡隧道的施工实践，总结了构造交汇区岩体结构特征，介绍了旧堡隧道在穿越构造交汇区时所采取的施工技术以及地层加固措施，对构造交汇区变质岩隧道突水、涌泥机理进行了分析，并提出了控制措施。

1 工程概况

新建张家口至集宁铁路是我国铁路网“八纵八横”京兰大通道的重要组成部分，铁路全长178.01 km，其中旧堡隧道是全线最长的隧道和重点控制工程，位于河北省万全县旧堡乡与尚义县土夭沟村之间，隧道起讫里程 DK25+270—DK34+855，全长9 585m，单洞双线，断面面积138 m2。隧道采用矿山法施工，复合式衬砌。

旧堡隧道位于阴山东西复杂构造带南部，在地质历史上经历了三期较明显的构造运动，分别为前震旦纪、中生代及新生代构造运动，隧道通过1条大断裂(F3)和12条较大断裂及大量岩浆侵入岩体、岩脉，因此，旧堡隧道所赋存的山体是一个被数量众多的、主干及次级逆断层分割的“岩片”地质体。其中，F3断层走向10°～25°，隧道于 DK28+380—DK29+630 穿过该断裂破碎带及其影响带。该断裂构造受多期构造运动叠加影响，兼具压扭性及张扭性断裂特征，属于典型的构造交汇区隧道。

由于旧堡隧道受多期复杂构造运动的影响，断裂构造极为发育，岩浆活动强烈，岩体结构特征复杂，围岩破碎且承压富水，地下水赋存状态及运动规律受开挖扰动影响明显，在施工过程中多次发生突水涌泥、初期支护喷射混凝土脱落、掉块，钢架扭曲、错断、隧道收敛变形大、初支侵入限界、二衬裂缝等施工灾害。

2 构造交汇区隧道岩体结构特征分析

旧堡隧道地处区域性构造交汇部位，施工揭露地质条件与原设计相差较大，需要研究其岩体结构特征以及控制性软弱结构面分布，从而为施工阶段围岩级别的划分以及隧道施工方法和支护措施的确定提供依据。

2.1 隧道围岩结构

由于多期构造运动叠加，断裂构造兼具压扭性推覆构造特征及张扭性断裂特征。早期该断裂是北北东向断裂构造组合中的一条，为压扭性推覆逆断层，在断层带附近可见一系列条带状混合岩化构造，断层带中可见高岭土化、褐铁矿化变质现象;后期发生脆性张扭性断裂，表现为断层带中顺应力面片理、劈理发育，断层带附近岩体节理、裂隙发育，断层角砾多呈棱角状。

施工揭示地层普遍发育小断层糜棱岩化破碎带、节理密集带、三组以上结构面，将岩体切割成碎石状结构，结构面多擦痕镜面和动力变质矿物，局部含泥化夹层，花岗岩和辉绿岩岩脉大量穿插，并可见热液蚀变矿物，围岩本身的自稳性很差，在普遍发育的具有承压性的地下水作用下，结构面充填物极易软化流失，容易诱发隧道围岩变形失稳。

2.2 结构面及其特性

根据洞内施工期间的地质详查，隧道围岩有3种主要软弱结构面类型，即节理、构造挤压破碎带和岩脉接触破碎或蚀变带。

1)节理裂隙

节理裂隙较发育，表层以风化节理及构造节理为主，洞身部位以构造节理为主。主要发育有两组:一组走向近 SN10°～20°，倾角 65°～70°;另一组走向NEE70°～80°，倾角30°～35°，为共轭节理。走向 70°～80°的节理次之，节理面平直。其间距一般0.5～2.0m不等，节理一般无充填。岩石被切而呈大块或碎块状。

2)NWW向构造挤压破碎带

构造挤压破碎带在整条线路上非常发育，走向NWW，陡倾，且与隧道轴线以15°～25°小角度相交，是控制性结构面。构造挤压破碎带由断层泥或构造泥质夹层、压碎岩构成，且往往是多层重复出现，一般厚度达20～30 cm。其中，断层泥厚度不均，延展性差，薄的1～3 mm，厚的达4～5 cm，包裹着被压碎的岩屑透镜体。

3)岩脉接触破碎或蚀变带

洞内发育较多的辉绿岩脉和花岗伟晶岩脉，其走向大部分为NW向，主要沿NW向破碎带或节理发育，产状陡立。这两类岩脉与其两侧地层的接触带也常常构成软弱结构面，其中辉绿岩脉通常为蚀变带接触，而花岗伟晶岩脉则表现为破碎带接触。沿隧道轴线上岩脉规模大小不等，但由于其走向与隧道轴线小角度相交，因此施工中往往在某侧先揭露，然后在另一侧消失。

综上所述，旧堡隧道施工揭露的围岩结构有其特殊性和复杂性，特殊性在于围岩主要和控制性NWW向软弱结构面与隧道轴线以15°～25°小角度斜交，这对岩体稳定不利;复杂性在于隧道横断面上地层岩性是非单一的，并在纵断面上岩性及其岩体结构不断变化，开挖和支护设计需要实时变更。

3 构造交汇区隧道在施工阶段的围岩级别调整

由于围岩破碎，加之开挖扰动的影响，多数地段隧道围岩都比设计围岩级别低，处于断层破碎带的围岩条件更加恶化。在施工阶段将设计的Ⅱ、Ⅲ级围岩全部变为Ⅳ、Ⅴ级围岩施工。变更长度达到7 748 m，占83.3%。截止到2010年9月17日已施工段围岩变更设计统计见表1。围岩级别有变化，不仅仅是简单的提高、降低一级或多级，旧堡隧道的具体做法是:在同一围岩级别内，根据岩层的特征，配合设计人员，合理调整设计参数，真正做到动态设计。

表1旧堡隧道围岩级别变更统计

4 构造交汇区隧道支护措施研究

1)隧道支护措施调整

施工前期对变质岩的特性认识不足，加上勘探设计的围岩主要以Ⅱ、Ⅲ级为主，导致施工中多次出现掌子面坍塌、初期支护变形等问题。针对施工中遇到的问题，多次组织专家进行考察、论证，对Ⅱ、Ⅲ级围岩全部变更采用型钢钢架，Ⅳ、Ⅴ级围岩初期支护进行加强，根据围岩级别调整情况，采用双层钢拱架、钢拱架加强或调整钢拱架榀距的措施。

2)对Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道施工采用三台阶七步开挖法

由于旧堡隧道原设计的Ⅱ、Ⅲ级围岩在施工阶段全部变为Ⅳ、Ⅴ级围岩施工。变更长度达到7 748 m，占83.3%。因此，原设计的隧道上、下台阶法和全断面法的施工方法已经不能满足施工安全和隧道结构安全的要求，经过方案比选，对Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道施工采用三台阶七步开挖法［11］，该方法可以有效减少对围岩的扰动;加强隧道初期支护，防止支护变形;调整工序缩短仰拱、二次衬砌距掌子面的距离。

5 隧道突水涌泥控制措施

DK29+377—DK425段隧道原设计为Ⅳ级围岩，但开挖揭示的实际地质情况为断层影响带，岩体极破碎，沿隧道开挖轮廓线右侧1～2 m岩体为碎块状结构，局部夹有糜粒岩泥质胶结充填物。隧道右侧1～2 m外潜伏着典型的变质岩混合岩化构造带，由于多次压扭已变得细密隔水，但开挖扰动后，塑性变形破坏极快，短时间与原岩分离，原岩受多期构造运动叠加已变为碎裂岩结构，节理裂隙发育是地下水储藏和渗流的主要来源和通道，在水的作用下断层带附近的变质岩混合岩化构造带富水性发生改变，且构造带内含有膨胀性的矿物遇水膨胀，造成该段隧道施工期间多次发生涌水突泥灾害，导致支护结构变形开裂，甚至坍塌或发生大变形侵入隧道限界(如图1—图3)。

图1 拱顶出现股状水

图2 初期支护钢架扭曲错断

图3 初期支护喷射混凝土脱落、二次衬砌开裂

本段隧道是旧堡隧道施工最困难的地段，一度工程受阻，其主要原因在于:对变质岩混合岩化构造带的围岩变形规律、地下水赋存状态以及隧道开挖扰动对围岩和构造带的富水性影响规律认识不足。为顺利通过该段隧道，根据隧道掘进中的围岩变形特点、支护结构变形坍塌情况、隧道衬砌渗漏水状况，先后对隧道施工方案进行了多次调整:①第一次方案调整，针对隧道出现股状涌水，隧道支护结构收敛值增大的问题，采取了“径向注浆、套拱、拆除换拱施作双层钢架”等措施;②第二次方案调整，对DK29+389—DK29+406大变形地段采取超前深孔注浆加固围岩的方法处理;③第三次方案调整，为加快隧道推进速度，采用“挡墙加固避绕”的方式通过变形段;④第四次方案调整，在施工过程中，鉴于隧道出现渗漏水、挡墙出现裂缝等问题，决定对加固避绕段的挡墙进行加固;⑤第五次方案调整，为确保顺利通过DK29+377—DK425段，实施超前探水、泄水降压、注浆加固、分段施工的综合措施。

旧堡隧道的施工实践表明隧道开挖扰动造成了地下水的赋存状态和运动规律发生变化，地下水是造成隧道初期支护变形甚至坍塌的主要原因;隧道支护不及时或支护强度不足以抵抗围岩的形变压力导致塑性区的范围进一步扩大，又进一步诱发变质岩混合岩化构造带的富水性发生改变。

基于上述认识，采取了如下措施来应对变质岩混合岩化构造带的隧道施工:①在进一步探清隧道周围地质条件的基础上对地下水采用“疏导为主，堵排结合”的处理原则，可采用挡墙堵水、超前钻孔探水、降压泄水等措施;②对破碎带进行注浆加固，提高围岩的完整性，延缓塑性区范围的扩大速度;③为防止因初期支护不及时或初期支护强度不足以抵抗围岩的形变压力而导致塑性区范围的进一步扩大，支护结构及时封闭，宁强勿弱，可采取加强初期支护纵向连接、增打系统锚杆、采用双层拱架抵抗大变形等措施;④隧道开挖采用三台阶七步开挖法，留核心土稳定工作面。

6 变质岩混合岩化构造带隧道突水涌泥原因分析

1)隧道突水涌泥产生的内因

由于多期构造运动叠加，F3断层兼具压扭性推覆构造特征及张扭性断裂特征，早期该断裂是北北东向断裂构造组合中的一条，为压扭性推覆逆断层，压扭性断裂造成断层带附近形成一系列条带状混合岩化构造，透水性相对较差;后期发生脆性张扭性断裂，导致节理裂隙发育，透水性相对较好。再加之该隧道太古界变质岩多为副变质岩，因原岩成分的差异及遭受多期构造运动的影响，致使构造节理裂隙发育程度不同，多期岩脉的侵入和断裂的切割阻隔作用，导致在隧道周围断层带范围内形成了部分地段和层位含水、部分地段和层位隔水的构造，形成了承压含水层。

2)隧道突水涌泥的诱因

对于处于原始地质条件下非导水断裂带的隧道，即使开挖前采取了超前探水措施，确已摸清断裂导水性，仍不能确保突水事故不发生。因为在这类突水灾害中，断裂的富水、导水不是原始地质条件下所具备的，而是开挖扰动引起断裂变形活化产生的。即由于开挖扰动的影响，断裂带的一定范围内往往出现较强烈的附加切向应力和围压变化，从而导致构造岩体性质变化、原有裂隙发展及新生裂隙产生与张开，隔水层因强度破坏而断裂，产生沟通含水层的新裂隙，导致突水，这是断裂变形活化导水的主要原因。