张集铁路旧堡隧道断层破碎带初期支护大变形原因分析及治理措施

李 翔，刘占峰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 工程背景

新建张家口至集宁铁路全长178.01 km，是我国铁路网京兰通道的组成部分、一次性建成的复线工程，速度目标值160 km/h。旧堡隧道是该线控制性工程，位于河北省张家口市西约40 km处的万全县旧堡镇与尚义县土夭沟村之间，于外长城下穿越东洋河与洗马林河的分水岭，地貌属洋河断陷盆地西缘之冀北低中山区，隧道全长9 585 m，最大埋深493 m［9］，单洞双线，断面面积138 m2，洞身变质岩构造发育，岩体破碎，围岩开挖级别以Ⅳ～Ⅴ级为主，隧道采用新奥法原理组织施工，施工至断层破碎带DK29+376～406地段多次发生溜渣突泥突水并引起大变形等地质灾害，处理塌方变形时间达6个月，造成工期严重滞后，成本增加，也给施工带来较大安全风险。

2 工程地质条件

2.1 地层岩性

隧道范围穿越地层较复杂，进口附近为第四系上更新统坡洪积(Q3dl+pl)新黄土夹砂砾石，洞身范围为太古界马市口组(Arm)麻粒岩、黑云母斜长片麻岩、磁铁石英岩及太古界下白窑组(Arx)浅粒岩，局部可见基性辉绿岩脉及酸性花岗伟晶岩脉侵入。断层破碎带地段分布为构造挤压破碎岩与泥质夹层。

2.2 地质构造

隧道位于阴山东西复杂构造带南部，中朝准地台燕山沉降带与内蒙古地轴分界处。北部属内蒙古地轴，南部属燕山沉降带。构造形迹以断裂为主，褶皱相对弱一些，岩浆活动比较强烈。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。多期构造运动的叠加造成地质构造极其复杂。

隧道区中生代构造以一条北北东向逆冲断裂(F3)为区内构造主线，与之配套的则为断裂上下盘的一系列褶皱构造。根据调查，在DK30+260附近处可见顺片理穿插厚8.0～10.0 m花岗伟晶岩脉以及规模只有1.0～2.0 m厚的数条岩脉，该处岩层呈小背斜状，东翼产状120°∠49°，西翼产状195°∠8°。分水岭附近为复向斜的轴部，小里程端表现尤其明显;此外，隧道区断裂也较多，除大断层F3外，还存在12条小断裂［9］。

根据野外、洞内地质详查和节理统计，发现节理主要有4 组［10］，产状分别为①130°～150°∠34°～55°，②200°～225°∠57°～84°，③280°～300°∠30°～45°，④40°～65°∠70°～82°。

2.3 地下水特征

旧堡隧道地下水类型主要为基岩裂隙水及赋存于断层及影响带中呈带状的构造裂隙水。基岩裂隙水，又分基岩裂隙潜水和承压水两类。基岩裂隙潜水分布较广，以浅部为主，含于基岩风化带、风化裂隙及构造节理裂隙中。而承压水则是由于该隧道围岩—太古界变质岩受多期构造运动影响，节理裂隙发育程度不同，且多期岩脉的侵入和断裂的切割使软弱构造破碎带中含有断层泥或构造夹泥层，对地下水运移形成切割阻隔作用，形成了部分地段和层位含水、部分地段和层位隔水的构造，形成了局部承压含水体。勘察资料中对隧道涌水量进行计算预测［4］，隧道一般涌水量在16 013 m3/d左右，最大涌水量在61 157 m3/d左右，其中DK28+380～DK29+630段最大涌水量在17 688 m3/d左右［9］。

3 围岩变形过程及原因分析

3.1 围岩变形过程

隧道DK29+376～406段为F3断层破碎带，2010年 2月 26日施工至 DK29+406、仰拱至DK29+376，掌子面出现股状涌水、溜渣，现场及时喷射混凝土封闭并开始全断面径向注浆加固。3月4日对DK29+389～400段进行套拱，3月6日套拱施作，拱架采用I20b型钢，间距0.8 m，施作过程中水量突然加大，由日常50 m3/h持续增加到150 m3/h，最大达到200 m3/h，初支混凝土剥落，初期支护大面积开裂脱落，钢架扭曲变形，部分变形严重的钢架锉断并发生塌方，如图1、图2所示，右侧初支收敛大的已没有衬砌厚度，至3月底变形收敛趋于缓和，后期至8月底是加固换拱作业。

图1 初期支护大面积开裂脱落

图2 初期支护变形开裂钢架弯折

3月份DK29+320～+450段的监测数据表明，该段收敛变形最大处在DK29+390，至3月底其中导拱顶沉降位移最大值为46.7 cm，左侧边墙收敛46.3 cm，右侧188.4 cm。收剑变形监测结果［10］如图3、图4所示。

3.2 变形原因分析

3.2.1 岩性特点

图3 DK29+320～DK29+450段围岩收敛变形曲线

图4 DK29+390断面收敛变形－时间曲线

旧堡隧道研究段范围内出露地层岩性为太古界马市口组(Arm)麻粒岩(或称二辉斜长片麻岩)和黑云母斜长片麻岩。这是一套深变质、浅色麻粒岩相变质岩建造，具花岗变晶结构，弱片麻状构造。该套变质岩系属正片麻岩，即由中酸性浅层岩变质而成的。试验测得天然状态下单轴抗压强度为0.22 MPa，风干状态下的单轴抗压强度为1.8 MPa。构造挤压破碎带的软化系数 Ks＜ 0.22/1.8=0.12［9］。可见构造挤压破碎岩不仅属于极软岩、弱膨胀岩，而且是易软化岩石。受多期构造运动影响，易发生蚀变及形成构造挤压破碎岩与泥质夹层。构造挤压破碎岩与泥质夹层的黏土矿物主要以绿泥石和蒙脱石混层矿物为主，占黏土矿物总量的75% ～78%，其次是绿泥石、高岭石等。构造挤压破碎岩及岩体内极其发育的构造泥质夹层和断层泥具有弱中膨胀性，天然含水量高并接近塑限，极易吸水软化。

3.2.2 结构面特征

根据详细野外和洞内地质详查，围岩软弱结构面有节理、构造挤压破碎带。通过节理统计，发现节理主要有4组［6］，这几组节理密度低形成节理密集带，而且贯通性强，将岩体切割成菱形块状，节理面充填薄层黑色、墨绿色泥质物，擦痕镜面明显。

构造挤压破碎带非常发育，走向NWW，陡倾，与隧道轴线小角度相交。构造挤压破碎带［1］由断层泥或构造泥质夹层、压碎岩构成，断层泥包裹着被压碎的岩屑，中弱膨胀性，干燥时强度较高，遇水后迅速崩解。压碎岩表现为灰白色透镜状麻粒岩碎裂岩块，被暗绿色断层泥或泥质夹层分隔，结构面上极发育擦痕及摩擦镜面，表现出明显的挤压错动痕迹;隧道开挖卸荷后张开性好。这种构造挤压破碎带在隧道断面内分布广泛，与节理化麻粒岩相间产出，成为研究段隧道控制性结构面之一。

3.2.3 多期构造运动叠加

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［5］。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，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，表现为顺断层带方向发育花岗伟晶岩脉，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。

3.2.4 地下水共同作用

旧堡隧道地下水类型主要为裂隙水，太古界麻粒岩受多期构造运动影响，节理裂隙发育，断层破碎带常因张开性好、构造角砾胶结松散、孔隙较大而容易形成具有较大储水空间［3］。隧道的施工开挖又使破碎带外侧岩体构造面尤其是密闭节理面张开，基岩裂隙水与破碎带中地下水连通性加强，造成裂隙间细粒流失［8］，加剧了构造挤压破碎岩浸水后呈不稳定状态，产生崩解、膨胀、软化和沿裂隙面开裂现象。

4 围岩变形段治理措施

针对隧道DK29+376～406段塑性变形、塌方，经过多次处理方案研究和召开专家会议论证后，主要采取如下措施。

(1)加强锚杆及初期支护结构

系统锚杆对控制围岩大变形有很好的作用，要求加强锚杆的施作质量。左侧边墙锚杆长4.5 m，纵向间距0.8 m，环向间距1.0 m，右侧拱部及边墙采用长8 m自进式锚杆，纵向间距0.8 m，环向间距1.0 m。本段变形地段采用V级承压断面，边墙仰拱厚度60 c m，仰拱65 cm。采用钢筋混凝土衬砌，主筋φ25 mm，间距20 cm。初期支护采用H200型钢钢架，间距0.8 m，纵向连接采用I20b型钢连接，间距1.0 m，单层φ8 mm钢筋网，网格间距为20 cm×20 cm，预留变形量根据监控量测情况预留 30 ～35 cm。［2］

(2)注浆加固

对DK29+376～DK29+406段松动围岩以及对右侧临挡护墙后松动岩体进行注浆加固，施工中采用外堵内固注浆法设计理念［7］，对变形松动圈以外岩体注浆形成止水帷幕封堵地下水，对已变形松动岩体注浆加固，为防止水压力过大，以减少地下水对初期支护的压力，在两端设置泄水孔。实施过程中采用φ42 mm小导管，长 6.0 m，间距 1.5 m ×1.5 m;泄水孔间距 3 m×3 m，梅花形布置。注浆材料以硫铝酸盐水泥单液浆［水灰比(1～1.2)∶1］为主，普通水泥单液浆［水灰比0.8～1∶1］、普通水泥 -水玻璃双液浆［水灰比(0.8～1)∶1］为辅。注浆结束标准以定量定压相结合控制，即单孔注浆量达到设计注浆量的1.5～2倍(每延米1.2 m3)，注浆压力达到设计终压 3.0 ～4.0 MPa并维持10 min以上可结束该孔。

(3)增设临挡护墙

右侧增设临挡护墙进行应急处理。挡墙内布设I16b型钢，钢架纵向间距1.2 m，挡墙每4 m浇筑一段。待加固完成稳定后进行拆除换拱处理。该段挡墙加固横断面见图5［10］。增设临挡护墙共有3个方案，方案优缺点见表1。

图5 临挡护墙加固横断面(单位:cm)

表1 临挡护墙方案优缺点比较

综合考虑各种因素，推荐采用方案二。

(4)加强初期后换拱

对DK29+376～DK29+391段止浆挡墙拆除后进行换拱，并先采取挂板混凝土加强初期支护，混凝土厚30cm。对DK29+391～DK29+406段侵限的部位进行换拱处理，初期支护先采用挂板混凝土加强支护，换拱结束后，抓紧施工二次衬砌。

根据设计的方案，通过全段注浆加固、加强锚杆和结构加强、增设临挡护墙、拆除后重新施作，通过有效的注浆、逐段拆除，最终使该段围岩大变形得到控制，保证了施工质量。旧堡隧道自2010年底贯通运营以来，运营状态良好。

5 认识及建议

(1)旧堡隧道发生断层破碎带塌方大变形原因主要是由于地质复杂条件造成的，是太古界变质岩的岩性结构特征、多期构造运动叠加及地下水的共同作用，导致断层破碎带松弛的结果。只有对变质岩岩性结构特征和地下水对断层破碎带的影响进一步认识，施工中处理好地下水，堵排结合，避免地下水聚集，减小地下水的连通性，同时尽快使初支封闭成环，抓紧施工二次衬砌，避免隧道开挖卸荷后岩体构造面尤其是密闭节理面张开，才能避免塌方大变形事故的发生。

(2)对隧道塌方变形的处理应在加强结构支护、注浆加固、排堵地下水几个方面综合考虑，单一的加强支护或盲目的排水、堵水均不利于塌方变形事故的处理。

(3)变形处理场地施作困难时，临时增设挡墙作为止浆墙，先避开变形段落继续向前掘进，然后迂回处理，通过选择合适的管棚锚杆长度和注浆参数，采用纵向侧向注浆处理，待加固稳定后逐段拆除换拱处理，既赢得了施工掘进的时间又有较大的作业空间，同时也有利于安全救援。后期施工实践证明，增设挡墙作为止浆墙方案是可取的。

［1］关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］铁道第二勘察设计院.TB 10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［3］张炜，李治国，王全胜.岩溶隧道涌水原因分析及治理技术探讨［J］.隧道建设，2008(3):257-262.

［4］铁道部第一勘察设计院.铁路工程地质手册，中国铁道出版社，1999.

［5］河北省地质矿产局.1∶20万张家口幅地质图及地质图说明书［Z］.石家庄:河北省地质矿产局，2002.

［6］孙福军，陈洋，曾庆利，乔志斌，李杰.张集线旧堡隧道工程地质条件和岩体结构特征研究［J］.工程地质学报，2010(4).

［7］张民庆，张梅.高压富水断层“外堵内固注浆法”设计新理念与工程实践［J］.中国工程科学，2009(12):26-33.

［8］杨昵刚.云阳山隧道断层破碎带初支大变形原因分析及处理方案［J］.企业技术开发，2012(4).

［9］铁道部第三勘察设计院集团有限公司.旧堡隧道地质勘察报告［R］.天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司，2011.

［10］铁道部第三勘察设计院集团有限公司.旧堡隧道技术总结［R］.天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司，2011.