汤郎—易门深大活动断裂对秀宁隧道围岩改造作用分析

丁文富,蒋良文,宋 章,王 朋

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

图1 广昆铁路秀宁隧道构造纲要

1 概述

秀宁隧道穿越云南省楚雄与昆明交界区域，是改建铁路成昆线广通至昆明段扩能改造工程全线的关键性控制工程，全长13 187 m，最大埋深约550 m，为设计速度200 km/h的单洞双线大跨隧道，采用“进口平导+洞身三斜井”的辅助坑道方案，为全线最长、地质最为复杂的隧道。全隧富水断裂带、断层糜棱岩、高压岩溶涌突水、煤层瓦斯、软岩大变形等重大工程地质问题突出，在建时该隧道为原铁道部确定的Ⅰ级高风险管理隧道，曾被评估为全国铁路十大高风险隧道之一。于隧道出口端通过的汤郎—易门深大断裂为晚更新世活动断裂，历经了多期构造活动，沿断裂带历史上发生过多次中强地震，对区内地貌、水系及地质构造起控制作用。考虑汤郎—易门区域性深大活动断裂对该隧道的影响，在探讨断裂对地层岩性、地下水及地应力场影响的基础上，分析断裂改造作用对围岩的影响，并调整围岩分级，便于指导隧道设计和施工。

2 区域工程地质环境特征

2.1 多样的自然地理特征

隧道地处云贵高原西北部，属构造侵蚀、溶蚀中山地貌，山脉受区域构造制约，以近南北向为主。根据地貌形态划分，隧道通过地段可分为中山岭脊区和高原丘陵及深切沟谷区。其中，隧道中部象山及孝母山山脊延伸方向大致与构造线平行，为中山岭脊区，占隧道长度近1/3；隧道进出口两段及洞身大部分为高原丘陵及深切沟谷区，占隧道总长度近2/3。

2.2 复杂的区域地质构造特征

隧址区位于扬子准地台川滇台背斜的中西部，为小绿汁江基底褶断区(Ⅳ)、禄丰—易门断裂区(Ⅴ)与罗次—易门—西山构造褶断区(Ⅵ)交接地带(图1)，地质构造复杂，褶皱及断裂构造发育。青藏高原强烈隆升和中上地壳物质向东挤出、侧向滑移，使原有的构造格局受到强烈的改造和变形，区内断裂构造主要为近南北向、北西向和少量北东—北东东向断裂。主要的区域性深大断裂有元谋—绿汁江断裂、汤郎—易门断裂和普渡河断裂等，它们大多经历了复杂的演化过程，表现出继承性和新生性，常是构造单元的分界线，其分布和活动与大地构造和新构造分区有关[1]。

隧道通过地段形成了以象山向斜为主的一系列成群出现的近N20°E的线型紧密褶皱带和以北北东向汤郎—易门深大断裂为主的其他分枝断裂纵列其间的构造格局(5个褶皱+8条断裂)，地层多被切割成断块或断片状，沿断裂带两侧地层产状紊乱，部分地带岩层直立或倒转。

2.3 多变的地层岩性特征

隧道除进口附近出露侏罗系(J)和出口发育少量震旦系(Z)地层外，洞身地段主要出露呈北北东向带状分布的前震旦系昆阳群(Pt)浅变质岩地层，主要岩性为强应变带千枚板岩、灰岩、白云岩、泥质板岩、炭质板岩、变质砂岩、绢云母板岩等(图2)，其中可溶岩段长约2.5 km，占全隧总长的19%。隧址区受多期构造作用影响严重，岩体多具“碎裂岩化、糜棱岩化、片理化”特征，张性裂隙发育，完整性差，多破碎，常有薄层泥化物拌生。

图2 秀宁隧道工程地质纵断面示意

2.4 水文地质特征

秀宁隧道穿越金沙江与红河水系分水岭地带。地下水主要为可溶岩区的岩溶水和以板岩为主的变质岩区基岩裂隙水，孔隙水次之。区内褶皱及断裂构造发育，岩体受构造影响严重，节理裂隙发育，多破碎，为地下水的补给、径流、排泄提供了良好的条件。根据地形地貌、岩性及构造特征综合分析，全隧划分为两大富水区段[2]：象山向斜核部和大龙潭逆断层的断裂带溶蚀潜流-承压流谷地、分布于板岩地层内的夹层条带溶蚀潜流谷地，地下水丰富，水头压力大。地下水的补给、径流、排泄受地层岩性、构造及地貌等因素控制。褶皱带、断裂带、可溶岩与非可溶岩接触带和节理裂隙密集带，隧道开挖易发生涌水、突泥和坍塌等危害。

3 汤郎—易门深大活动断裂特征

3.1 活动性特征

该断裂是组成川滇经向构造体系的一条高级初次的构造带[3]，形成于晋宁运动，具有长期的地质发展过程，经历了多期次的构造活动，对地质建造有着明显的控制作用，控制古生代以来地质构造发育，构成多期岩浆岩的通道。主干断裂北端在四川会理通安附近与安宁河断裂带相接，向南穿过金沙江后，经汤郎、武定、罗茨、禄丰，由于其他构造体系干扰而终止于易门盆地以南，全长约155 km，秀宁隧道通过断裂带的南端。断裂走向近南北，南部略偏西，深部为断面倾向东、断距约1 km的正断层，而地表则为断面倾向西的逆冲断层。汤郎—易门断裂为晚更新世活动断裂，最大平均水平滑动速率为3.5 mm/a[1]，断裂亦为西南主要发震构造，历史上发生过多次中强地震，1755年1月27日，云南易门东发生了6级地震，在1995年发生了武定北6.5级地震。

3.2 断裂在地表表现形式

断裂在地表的表现形式在航片和卫片上可以见到，断裂带由主干断裂与其侧旁近平行的次级断裂组成，线性特征清晰，狭长的第三纪-第四纪河谷盆地呈串珠状沿断裂带发育，沿断裂发育有断层垭口、水系错断、断层三角面等断层地貌。在秀宁隧道通过的象山及孝母山一带，自新近纪以来一直处于抬升隆起状态，新构造运动强烈在所难免，构造挤压的高地应力是其最好的注释。

经实地调绘考察发现，该断裂于秀宁隧道出口段通过，在穿越山梁时形成明显的负地形断层垭口，两侧岩层扭曲，产状凌乱，层间褶皱和碎裂带极其发育(图3)；近断裂带压碎岩、糜棱岩、构造透镜体及片理化普

图3 隧道出口吴家村附近断层剖面

遍发育，硅化、绿泥石化、绢云母化和石墨化经常可见；断层破碎带宽约950 m。

综上，汤郎—易门断裂具有以下特点：断裂连续性好，延伸距离长，产状变化不大；断裂破碎带宽，影响范围大；断裂带内构造结构面发育；断裂带周围形成的小断层、褶皱等次级构造面发育。

4 断裂对隧道围岩的改造作用

4.1 断裂对围岩改造作用分析

4.1.1 对岩性及其力学性质的影响

汤郎—易门断裂的发生、发展、复合是区内地质建造的主要控制因素。隧道通过区域主要为上昆阳群地层，是组成康滇古陆的基底，为泥页岩建造和碳酸岩建造，区域上主要呈南北向条带状展布于断裂带西部的武定、罗茨、易门一带，并且在岩相上也显示了东西方向的相变，证实了该断裂在上昆阳群沉积初期已起着控制作用。隧道开挖所遇古老变质岩地层多具软岩特征，岩体所具有的各向异性、扩容性、软塑性和流变性等都对围岩的稳定性有着重要影响[4]，即岩性及其力学性质是影响围岩稳定性的基础因素(表1)。

表1 构造压碎岩岩石物理力学指标统计

4.1.2 对岩体结构及裂隙的影响

大量隧道围岩的失稳破坏与岩体结构密切相关，一个是组成岩体的岩块的大小，另一个是岩块的组合形式。因此，研究岩体的结构面性质、组合方式及其变形破坏机制，可以合理地评价隧道围岩的稳定性和预测可能发生的破坏模式。结构面广义上包含了断裂、层理、节理及夹层面等结构面，岩体被这些结构面切割成了块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构。

汤郎—易门断裂是区内最高级结构面，以及其伴生、次生的高寨七贤村等断裂，控制着附近区域岩体的抗剪强度和水理发生，对区域稳定性和隧道工程具体部位围岩稳定性有重要影响，断层破碎带物质以散体状断层角砾、断层泥和糜棱岩为主(图4、图5)，是秀宁隧道围岩失稳危害最大的部位。出口段的汤郎—易门断裂破碎带在地下水的作用下，围岩呈软～流塑状涌出，造成了规模大、处理难度高的变形塌方，个别地段甚至冒顶，围岩变更为Ⅵ级。

图4 受构造影响严重 的碎裂状岩体

图5 汤郎—易门断裂糜 棱岩开挖后呈流塑状

经统计，全隧发生较大的40多次涌水、塌方，70%以上都是发生在断层破碎带、节理密集带、层间挤压破碎带及岩性接触带等存在软弱结构面的部位，变形塌方的规模和危害与构造作用的大小，即结构面强度和岩体的完整性关系密切。在构造作用强烈、对岩体完整性影响大时，也就是岩体结构状态为围岩稳定的主要因素时，岩石单体强度对洞室开挖围岩的稳定性影响是不大的。

4.1.3 对地下水活动的控制

秀宁隧道位于汤郎—易门断裂区，为走向近南北的构造形迹，昆阳群大片出露，为一系列成群出现的NE20°左右线型紧密褶皱，部分发生倒转；另有一组汤郎—易门深大断裂断分枝高角度冲断层纵列其间。构造活动导致地层变形、破裂，控制地层分布、断裂及其他导水空间的力学性质和延伸状况，进而控制地下水的活动[5-6]。构造对本区地下水(岩溶水)活动控制作用主要体现在以下两个方面。

(1)导水断裂及构造裂隙

断层无疑是各构造区间岩溶水连通的主要途径[7]。其中东山河断层、大龙潭断层、高寨七贤村二号断层是联系隧址区岩溶水活动的主要断层构造；由于隧址区岩溶水还有厚度较大的鹅头厂组(Pt1e)和因民组(Pt1y)隔水层阻断，而可里郎—寨脚倒转背斜和高寨七贤村一号断层是构造区穿越非可岩溶地段岩溶水活动联系的主要通道。除了断层外，其他规模较小的构造裂隙和可溶岩与非可溶岩接触带(图6)也是一

图6 板岩与灰岩接触带及构造破碎带涌突水情况

定范围内岩溶水相互联系的重要通道。褶皱是本区构造的重要组成部分，地层在弯滑褶皱过程中，往往出现一系列的导水空间(通道)，一是褶皱核部出现滑脱部位，二是形成一系列的派生断裂，主要有层间破碎断裂带、张性节理密集带等，这些导水裂隙在隧址区均普遍发育。

(2)可溶岩错移连通

构造能使同一可溶岩地层错移而不连续，也可使得不同的可溶岩地层通过断层或者褶皱相互连通。隧址区内不同的可溶岩地层零星分布，但由于断层冲断及构造裂隙的发育，使得各可溶岩段岩溶水得以贯通而连续分布。

4.1.4 对初始应力场环境的改造

隧址区初始应力场的特征对隧道开挖后围岩应力重分布二次应力场、三次应力场的形成影响最为直接，与地质构造、地形地貌、地层岩性、地下水、温度以及隧道埋深等有密不可分的关系[8，9]。本次主要分析地质构造对应力场环境的改造作用，即对构造应力场的影响。

沿线区域构造运动强烈且频繁，所对应的构造应力也发生了很大的改变。如前所述，汤郎—易门是一条古老的、经历过多期次构造活动的深大断裂，在断裂的形成、活动过程中，区域应力场也发生了多次挤压、张拉等变化过程，且断裂形成的主要时期是经历了挤压破坏。所以，对隧道围岩稳定影响最大的是断裂在挤压过程中形成的构造应力场。

在隧道DSZ-AL-4、DSZ-AL-8深孔内采用水压致裂法进行地应力测试(表2)，现今构造应力仍占主导地位，应力场状态以NW向挤压为主，最大主应力方向一般为N46.7° ～50.7°W；三向主应力之间的关系表现为：SH>Sv>Sh，洞身部位的最大主应力值为17～20 MPa，最小主应力值为10～12 MPa，该区域以高构造应力区[10]为主，其间存在应力相对较小的地段。

表2 深孔隧道洞身段地应力测试结果

综合分析，虽然隧址区部分地段具有较高的应力水平，但岩性以古老地层的破板岩为主，灰岩仅出露于隧道进口端埋深浅、应力水平较小地段，可以排除发生岩爆灾害的可能。由于受多期构造活动的影响，围岩结构面发育，整体强度低，以炭质板岩、断层破碎带及构造节理密集带为主的软弱围岩在一定的应力条件下，就会发生显著的塑性变形[11]，洞室开挖后难以形成自承拱，在支护不及时或支护强度不够的情况下，围岩变形难以控制，容易发生大变形和塌方等地质灾害。隧道开挖过程中，在汤郎—易门断裂主破裂面及其次级断裂破碎带、炭质板岩等软弱围岩地段，多次发生大变形和塌方，而没有岩爆产生，这以之前对地应力的分析、测试是吻合的。

4.2 考虑断裂改造作用的围岩级别调整

4.2.1 设计阶段围岩特征认识

隧道通过区以元古界变质岩为主，板状、片状、千枚状构造[12]，岩体在受多期次断裂挤压、推覆、隆起等运动影响下，原生结构面(片理、层理)和构造结构面(断层、节理、层间错动面)很发育，并以构造结构面为主控类型。岩体被切割破碎，节理裂隙发育，风化程度高，普遍具有“强片理化、碎裂岩化、糜棱岩化，亲水性强，透水性弱、抗风化能力弱”的“三化、一强、二弱”特征。勘察过程中，根据隧道围岩的坚硬程度、岩体的完整程度及风化程度等地质条件，进行了基本分级，并针对性地结合隧道埋深、地下水状态及初始应力状态进行修正[13]，隧道围岩以Ⅲ级和Ⅳ级为主，Ⅴ级次之，Ⅱ级少许分布，其中Ⅱ、Ⅲ级围岩主要分布在碳酸岩地层及远离断裂构造、受构造影响相对小的变质岩地段。

4.2.2 断裂改造围岩特征分析

考虑断裂带对岩体完整性及其力学特性、地下水分布及应力场等的影响，对秀宁隧道围岩级别重新进行了梳理和调整，如表3所示，与设计围岩相比，调整围岩Ⅱ、Ⅲ级比例减少约15%，与之对应的Ⅳ、Ⅴ级围岩增加较多。具体表现在大致以高寨—七贤村二号断层为界，向隧道进口端远离区域性断裂密集区岩体自稳能力越好，围岩分级变化越小，调整Ⅱ、Ⅲ级围岩亦主要出现在该段；而向隧道出口端越接近区域性断裂，岩体破碎程度有增高的趋势，围岩分级变化快、频次高，长大段落的Ⅲ级围岩调整为Ⅵ级，甚至Ⅴ级，汤郎—易门断裂带富水断层糜棱岩围岩调整为Ⅵ级。后通过施工揭示发现，调整后围岩级别基本符合开挖现状，很好地指导了设计和施工。上述情况亦反映了隧道破碎岩体的不均一性，岩石强度和围岩稳定性与断层距离远近有关[14-15]，表现出围岩越靠近出口端的汤郎—易门深大活动断裂其完整性和稳定性越差的明显规律性。

表3 秀宁隧道勘察与施工围岩分级情况对比

5 结语

深埋特长隧道大多施工困难，原因是地质复杂、多变，这与所处的大地构造背景关系密切，褶皱及断裂发育，新构造运动强烈，导致围岩破碎，在高地应力及地下水作用下，稳定性差，围岩级别变化频繁，常出现较大变形和塌方，严重制约隧道施工。在断裂构造发育区，通过分析研究主控结构面对隧道围分级改造作用的影响，合理定位和修正围岩分级，对完善隧道结构设计，确定有效的施工方法，评判隧道施工的风险性，规避施工和后期运营风险有着重要的意义。