崇礼-赤城大断裂在白草鞍隧道中的特征分析

黄东桥

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300143)

白草鞍隧道位于河北省张家口市赤城县境内，全长11 780 m，隧道最大埋深为440.0 m，最小埋深不足20 m。隧址区位于燕山山脉西段低中山区，区内山峰林立，绵延起伏，大部基岩出露，局部被黄土覆盖。峡谷深切，多呈“V”字形，地形起伏较大，最大高差约450 m[1]。

区域地质资料显示，崇礼—赤城大断裂在隧址区通过，为区域性大断裂[2-3]。勘察过程中，利用地质调查、物探、钻探等多种手段开展综合勘察[4-7]，查明了该断裂的岩性特征、产状分布和发育程度，为隧址区线路选择[8]提供了详实的地质资料。

1 崇礼—赤城大断裂特征概述

崇礼—赤城大断裂的形成始于前震旦纪，该断裂切割了赤城以西的震旦系地层，同时控制了中生代岩浆岩系和第三纪汉诺坝玄武岩的喷发和沉积。前震旦纪和燕山期的岩浆侵入活动[3]，说明该断裂有多期复活的特性，其中以中生代活动最为强烈。

崇礼—赤城大断裂在赤城县被第四纪地层掩盖，蒋家铺岩体以西近10 km范围的中侏罗统后城组盖层内均未发现该断裂通过的迹象，其原因有待进一步研究。

2 隧址区崇礼—赤城大断裂综合勘察

2.1 地质调查

依据地质资料，判定崇礼—赤城大断裂主要分布在白草鞍隧道进口段，隧道里程范围为DK106+400～DK107+350。以地质图中断裂位置为中心，在1 km范围内进行地质调查，查明了与线位相交的2条岩性接触带和1条断裂束构造行迹，分别编号为Dy01号、Dy02号、Dy03号观测点。在线路两侧还发现了断裂束3条和岩性接触带4条，亦编号并建立了相应的观测点。推断上述4条断裂束即为崇礼—赤城大断裂在隧址区的构造行迹。将4条断裂束按隧道里程由小到大依次编号为：fy1号、fy2号、fy3号、fy4号。地质调查成果见图1。

通过研究区域地质资料和地质调查，初步查明了崇礼—赤城大断裂在隧址区的构造活动行迹及岩性特征。为了进一步明确fy1号、fy2号断裂的位置，查明其深部地层岩性分布特征，布置了以有源(CSAMT)音频大地电磁法为主的物探测试。同时，有针对性的布置了断裂构造及突水涌泥等控制孔和岩性控制孔。

图1 地质调查成果示意

2.2 物探测试

采用有源(CSAMT)音频大地电磁法，测点点距25 m，工作最低频率为8 Hz，最高频率为9 600 Hz；沿白草鞍隧道布置一条贯通性测线，针对崇礼—赤城大断裂布置横测线，测线长1 200 m，有效测点480个，检查点12个。同时，以地震折射法作为补充，其工作参数为：单排列长度110 m，12道接收，道距10 m，锤击震源激发。隧址区该断裂段视电阻率分布特征见图2。

图2 隧址区崇礼—赤城大断裂段落视电阻率分布

在物探分析过程中，通过修正和反演等手段去除干扰因素[9-11]，得到相对准确的地质体视电阻率分布特征(见图2)。不同地质体因其矿物成分、构造、裂隙发育程度及其充填物质不同，其电阻率会有所差异。以此为主要标准，根据地质体视电阻率的差异变化，划分出可能的断裂和岩性接触带位置(由于进口位于测线边界，受边界条件干扰，F1号断裂的位置准确性相对较差)。

根据物探测试成果，初步查明了隧址区崇礼—赤城大断裂段落深部地层分布特征：主要断裂2条(编号F1、F2)和主要的岩性接触带：F1号断裂在洞身附近出现了低高阻分界，由低阻向高阻剧烈变化，推断线性异常里程为DK106+200附近，断层破碎带岩石破碎、含水；F2号断裂在洞身附近出现了低高阻分界，由低阻向高阻变化剧烈，推断线性异常里程为DK107+150附近，断层带岩石破碎、含水。

经过分析对比，F2号断裂与通过区域地质资料和地质调查查明的fy3号断裂为同一断裂，相互之间得到了验证。根据上述地质体的位置，应在相应段落适当加密钻孔。

2.3 钻探验证

综合分析地质调查和物探成果，根据断裂带和岩性接触带的分布，该断裂带共布置钻探验证孔3个，其中09-Zb-3720和09-Zb-3720-1为断裂构造及突水涌泥等控制孔，09-Zb-3721为岩性控制孔。

钻探岩芯特征和断裂特征的分析统计见表1、表2。洞身位置断裂构造的岩芯见图3～图5。

表1 钻探岩芯特征统计

表2 钻孔查明的断裂特征统计

图3 09-Zb-3720孔45～49.7 m构造带岩芯

图4 09-Zb-3720-1孔31～35 m构造泥岩芯

图5 09-Zb-3720-1孔60～64.7 m构造带岩芯

3 隧址区崇礼—赤城大断裂特征综合分析

3.1 地层岩性

该段落大部分地层基岩出露，局部地表覆盖第四系上更新统坡洪积层(Q3dl+pl)，主要出露地层有中侏罗统后城组(J2h)砂砾岩、太古界红旗营子组花岗片麻岩(Arh)；燕山期侵入岩花岗岩(πγ52-2)、闪长岩(δ52-2)，局部少量出露石英斑岩(λπ)。

(1)第四系上更新统坡洪积层(Q3dl+pl)

主要为新黄土、粉质黏土，黄褐色、褐黄色及褐色，硬塑—坚硬，局部呈软塑状，土质不纯，含较多角砾碎石，厚约0～10.0 m，主要分布在隧道进口附近。

(2)中侏罗统后城组(J2h)

主要为灰紫夹暗紫色砂砾岩，灰紫、暗紫色，强风化—弱风化，砾状结构，中厚—厚层构造，节理裂隙发育。

(3)太古界红旗营子组花岗片麻岩(Arh)

主要为灰色、灰绿色花岗片麻岩，粗粒变晶结构，片麻构造，节理裂隙发育，岩芯呈柱状，局部呈块状、碎块状，与中侏罗统后城组(J2h)凝灰岩呈不整合接触。

(4)燕山期侵入岩

花岗岩：主要为黄褐色夹灰绿色、肉红色，粗粒结构，块状构造，主要矿物成份为石英、正长石、黑云母，节理裂隙发育，岩芯呈柱状，局部呈块状，与中侏罗统后城组(J2h)砂砾岩呈不整合接触。

闪长岩：灰色，主要矿物成份为石英、长石、云母，细粒结构，块状构造，节理裂隙发育，夹少量小晶体。

3.2 构造机理

在研究区域地质资料的基础上，通过地质调查、物探和钻探验证等多种勘察手段，查明了断裂构造4条，分别为fy1号、fy2号、fy3号、fy4号。其中，fy4号断裂为fy3号断裂的衍生断裂，规模较小，未延伸至隧道洞身。

(1)fy1号断裂

倾向为277°，倾角为60°，形成于燕山期，切断了花岗岩地层，断层上下盘均为花岗岩，为张性断裂。在地质调查阶段，未在洞身位置发现该断裂，但在DK105+960右侧约190 m的位置发现了断裂活动迹象，后根据物探测试，判定在DK106+250附近可能存在断裂构造。在钻探验证阶段，在钻孔09-Zb-3720(DK106+190.45左1.476 m)深度45～49.7 m发现断层带。根据以上3处断裂构造的产状和岩性特征综合分析，判定为同一处断裂，编号为fy1号。

该断裂为燕山期侵入岩发育的小型断裂。

(2)fy2号断裂

倾向为20°，倾角为82°，形成于燕山期，切断了花岗岩地层、砂砾岩。断层上盘为砂砾岩，下盘为花岗岩，断层带内发育碎裂岩、断层角砾岩、砂岩和断层泥，为压扭性断裂。在地质调查阶段，同样未在洞身位置发现该断裂，但在DK106+530右侧约90 m的位置发现了断裂活动迹象，物探测试判定，在DK106+300附近可能发育岩性接触带。在钻探验证阶段，在钻孔09-Zb-3720-1(DK106+387.90左14 m)，深度13～40.7 m和59.7～64.7 m发现断层带。根据断裂构造和岩性接触带的产状和岩性特征综合分析，判定为断裂，编号为fy2号，同时也是侵入岩与沉积岩的接触带。

(3)fy3号断裂

倾向为210°，倾角为72°，切断了花岗片麻岩、闪长岩地层。断层上盘为花岗片麻岩，下盘为闪长岩，为崇礼—赤城大断裂的主要活动迹象。其从前震旦纪开始形成，经多期构造运动，其中以燕山期岩浆岩侵入和燕山运动影响最大，为压扭性断裂。地质调查阶段，在DK107+250附近发现了断裂活动迹象。同时，根据物探测试判定，在DK107+100～400附近可能发育断裂带，综合分析确定该断裂为fy3号。

该断裂为崇礼—赤城大断裂的主要活动迹象，在太古届片麻岩的基础上，从崇礼—赤城大断裂的形成开始，经历了多期岩浆岩侵入和构造运动，形成了目前的断裂构造特征。

3.3 综合分析

根据隧址区崇礼—赤城大断裂地层岩性的时代和成因，结合该段落断裂的分布和形成过程，查明了崇礼—赤城大断裂在隧址区的特征。其在形成之始受到前震旦纪及以前时代地层岩性的控制，初期岩性以太古届片麻岩为主，后接受侏罗纪地层的沉积，同时受到多期构造运动的影响，以燕山期运动最为强烈。燕山期大规模岩浆岩侵入崇礼—赤城大断裂构造，岩浆岩的侵入和固化相当于给断裂构造进行了“注浆”，在一定程度上加固了断裂构造，但同时也形成了新的断裂构造。

古老的断裂构造与其后期地层的形成和构造运动相互影响。崇礼—赤城大断裂控制了侏罗纪、燕山期等时代地层的形成和分布。同时，侏罗纪、燕山期的地层和构造运动也改变了大断裂原始破碎的状态，掩盖了大断裂在隧址区大规模的构造行迹，形成了新的小型断裂构造。

隧址区崇礼—赤城大断裂段落纵断面如图6所示。

图6 隧址区崇礼—赤城大断裂段落纵断面示意

4 结论

(1)崇礼—赤城大断裂主要分布在白草鞍隧道里程DK106+400～DK107+350段落，通过综合勘察，查明了其在隧址区表现行迹主要为4条断裂束，工程编号分别为：fy1号、fy2号、fy3号、fy4号，其中，fy2号、fy3号断裂与岩性接触带重合。

(2)古老的断裂构造与其后期地层的形成和构造运动相互影响，相互改变着各自的特征。崇礼—赤城大断裂控制了侏罗纪、燕山期等时代地层的形成和分布。同时，侏罗纪、燕山期的地层形成和构造运动也改变了大断裂原始破碎的状态，尤其是岩浆岩的侵入对破碎岩体起到了一定的固化作用，掩盖了大断裂在隧址区大规模的构造行迹，同时又形成了新的小型断裂构造，此即为崇礼—赤城大断裂在隧址区构造行迹不明显的原因所在。

(3)崇礼—赤城大断裂与其后期的地层形成和构造运动相互影响，断层带内发育有断层泥、糜棱岩等，岩体破碎，设计施工时应重视其影响。

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