新建包西铁路东山二号隧道塌方工程地质特征分析

杨 杰

(石家庄铁道大学 四方学院，石家庄 051132)

1 工程概况

新建包头至西安铁路工程为Ⅰ级铁路客运专线(双线)，设计时速250 km/h，满足开行双层集装箱列车要求。东山2#隧道位于陕西省西安市浦城县陈平乡境内，隧道起始里程 DK698+102，终止里程 DK698+925，隧道全长823 m，进口段 DK698+102—DK698+359.26位于R=5 500 m的右偏曲线上，其余部分位于直线上。隧道于DK698+278、DK698+440处有两条横穿洞顶的冲沟。隧道最大埋深76.5 m，最小埋深15 m。隧道区所处地貌为低山丘陵地貌，海拔高度154～254 m，相对高差100 m，隧道地面坡度较陡，在洞顶有乡村公路通过。洞内线路纵坡为单向上坡，坡度为7.8‰。

2010年7月11日15时56分，东山2#隧道DK698+346—DK698+358段正在进行二次衬砌钢筋安装，掌子面10名工人在进行支护施工，另有一名挖掘机司机在DK698+382处配合二次衬砌施工。15时56分，东山2#隧道DK698+382处前方顶部突然发生塌方，7月14日上午相继发生两次塌方，7月23日7时30分隧道内发生第四次塌方，塌方范围 DK698+366—DK698+382，长度 16 m，坡脚延伸到 DK698+358;7月27日22时14分，隧道出现第五次塌方，塌方范围DK698+351—DK698+366，长度 15 m，坡脚延伸至DK698+346;7月28日凌晨2时55分，隧道出现第六次塌方，塌方范围 DK698+346—DK698+351，长度5 m，坡脚延伸至 DK698+338，本次塌方范围已扩大到所有未二次衬砌的地段，塌方体已到达二次衬砌的拱部，坡脚延伸到二次衬砌以内约8 m;7月29日7时40分发生地表塌陷，中心位置约在DK698+384处，直径约3 m，深约2 m，塌穴周围8 m处发现有裂缝，裂缝最宽处为6 mm。

2 地质概况

2.1 岩性

隧道通过地段地层主要有粉质黏土、粉砂岩夹页岩。

粉质黏土:浅黄色、黄色，硬塑，粉黏料为主，微含5%的碎石角砾，石质为砂岩，黏土粒径一般为2～10 mm，分布于隧道沟谷山坡及缓坡地带。

粉砂岩:为隧道洞身通过的主要地层，棕红色、灰黄色、青灰色，薄层至中层状，岩质较硬，节理裂隙发育，风化层厚。全风化带 W4厚0～6 m，强风化带 W3厚10～30 m。

页岩:为隧道洞身通过的主要地层，棕红色、灰黄色、青灰色，薄层状，节理发育，风化层厚，岩质软，岩体呈破碎状，下伏弱风化带(W2)，粉粒结构，泥质胶结岩石破碎。

2.2 构造

隧道地质构造:隧道进口端位于金坑背斜SW翼，主要产状为:N85°E/25°SE，节理产状为 N30°E/45°NW、N50°W/65°NE，DK698+800 处为金坑向斜，轴部走向为 N56°W，其小里程端主要岩层产状为 N5°W/80°SW，节理产状为 N80°E/44°SE、E － W/90°，大里程端主要岩层产状为 N40°W/42°NE，节理产状为 N65°E/65°SE、S － N/90°。

2.3 地下水

隧道所在区域地下水以基岩裂隙水为主，受大气降水及地表水补给。

该隧道设计的围岩级别主要为Ⅳ、Ⅴ级两种，各级围岩比例分别为Ⅳ级36.5%，Ⅴ级63.5%。隧道按钻爆法设计，采用复合式衬砌，初期支护采用锚喷网支护。

3 东山2#塌方的工程地质特征分析

通过对东山2#塌方事故隧道进行了现场勘察(见图1)，重点对隧道内塌方、隧道上方的塌陷空洞以及在地表整治工程中开挖揭露的连续基岩剖面进行了系统研究，初步探明了本次塌方事故的主要工程地质特征。

图1 东山2#隧道(局部)纵断面图

3.1 塌体的岩石构成

经现场观测发现，构成塌方体的岩石主要有两种:

1)粉砂岩:为隧道塌方洞身通过的主要地层，灰黄色、青灰色，薄层至中层状，岩质较硬，节理裂隙发育。在塌方体中多以被构造结构面切割的不规则块体出现，体积(1.5 m×2.5 m×1.2 m)～(0.5 m×0.5 m×0.2 m)不等，表面多见黄褐色风化膜，也可见红褐色软泥，塌体内的砂岩风化程度不深，岩石力学指标衰减不明显，掌子面开挖后稳定。

2)页岩:为隧道塌方洞身通过的主要地层，黑色、灰黑色，薄层状，节理发育，岩质软，泥质胶结，岩体呈破碎状。在塌方体中多以被构造结构面切割的薄层出现，层厚0.20～0.15 m不等，表面可见构造作用形成的摩擦镜面，也可见断层阶步，岩石内片理发育，岩石力学指标衰减强烈，构造节理密集带多沿着这一岩层发育。

上述两种岩石在区域上相间分布(图2所示)，所发育的优势节理产状非常稳定。在隧道冲沟地表整治工程中所揭露地质剖面中可以看到，在不到100 m的范围内，两种岩石交互出现了8次，其中一段在3 m的范围内，两种岩石相间出露，构成了一个产状稳定的构造节理带。

图2 东山2#隧道顶部岩石地质剖面素描示意

3.2 控制塌体的地质构造

本地区的地质构造主要以脆性构造为主，在隧道塌方段主要以各种成因的构造结构面为主，经现场勘测发现，共发现有各种构造结构面5组，其中层理产状一组 25°∠40°，节理产状 4 组:172°∠55°、245°∠79°、5°∠80°，这其中最稳定、最发育的一组节理产状为(355°～15°)∠(70°～85°)。

这一组节理产状稳定，在隧道施工范围内广泛分布，其延伸展布与2#隧道洞顶出现的塌穴的展布特征相吻合，表现为明显的压剪性节理特征:节理面平整光滑，延伸较长，切穿地层，延伸至地表，宽度 0.20～0.45 m不等，其间所夹岩石均为片理发育，炭质局部富集，可见石英脉充填，在个别地段可见到红色蚀变的岩石。尤其是在1#、2#隧道之间洞顶上出露的一条宽约3 m、由两种岩石相间出露构成了一个产状稳定的构造节理带，初步推断此构造为直接控制本次塌方的地质构造。

3.3 地下水的特征

该地区的地下水主要以裂隙水和孔隙水为主，补给主要是大气降水。10月至次年3月为旱季，4月到10月为雨季，2010年当地发生了数十年一遇的特大干旱，而进入雨季后，特别是5、6、7月份强降雨，使得洞身周围岩土含水量发生突然变化，洞顶土体自重骤然增加，同时对于隧道围岩中的软弱夹层有软化性，起到润滑作用，诱发围岩失稳和突变。

而在施工中DK698+250—DK698+300及DK698+435—DK698+450段洞身地表有水田，为季节性松软土和富水区，洞身地表20 m范围内用M7.5浆砌片石铺砌，在施工现场塌方前尚未施作的因素与本次塌方的发生无直接关系。

其理由如下:

1)从冲沟与塌方点的位置关系上看，DK698+250—DK698+300处冲沟的位置位于塌方点小里程(后方)82 m处，中间相隔一山包，属于两个不同的地形和水文地质单元，跟塌方地段无直接关系。

DK698+435—DK698+450处冲沟的位置位于塌方点大里程端之外侧，塌方首先发生在DK698+382—DK698+410段，不在此冲沟范围之下，而位于冲沟北侧山坡至山顶段，从而可以判断冲沟中的地表水活动对于塌方体中的含水量影响不大，而造成塌方部位岩体重度增加、改变塌方段岩体强度的地下水主要来源于塌方体上方山体下渗的地表水。

2)从地表施作 M7.5浆砌片石功能来看，其主要作用是导流地表水和防止冲刷，而防渗作用和封闭隔水作用并不明显，所起的防治地表水下渗软化结构面的作用有限。

4 东山2#塌方的工程地质模式

本次塌方的工程地质模式见图3。

图3 东山2#隧道塌方的工程地质模式示意

4.1 特殊的岩石组合

塌方一般发生在岩石较为破碎的地段，但据现场观测，地层以粉砂岩为主，塌方地段围岩多数风化不重，岩质较硬。坍塌前变形征兆不明显且滞后时间较长，具硬质岩脆性破坏变形的特征，所表现的突发性更为强烈。

4.2 隐伏的地质构造

塌方地段发育的地质构造由于地表覆盖不易发现，但高角度构造剪切节理带是控制本次塌方的主要地质构造，这些构造挤压破碎条带相隔数米至十余米平行展布，其间岩石多见摩擦镜面、片状炭质成分和方解石细脉，成为岩体中相对存在的软弱带。其中一组节理及挤压破碎带与隧道轴线走向小角度交汇，在洞顶上纵向延伸较长，切割岩体直至地表，并与另一组节理和层面组合，将地层切割、分离成大小不等、错综复杂的块状岩体。这种产状陡立、纵向延伸较长，且结构面产状的不利组合，是该段发生大规模坍塌的基本地质条件。

4.3 异常的降水

沿优势破碎结构面，多见裂隙水渗流，尤其是连续降雨，隧道内沿着构造结构面的渗水量增大，对炭质页岩和挤压破碎条带中的夹杂物质有冲蚀和软化作用，使结构面黏结强度降低，加剧了岩体的不稳定性。

4.4 不利的隧道围岩结构面

塌方地段分布纵向陡倾角构造节理发育带，带间岩石坚硬，风化程度低，在勘测和开挖后，均表现稳定、坚硬的围岩(此处定Ⅳ级围岩主要是考虑到隧道埋深较浅)，这种围岩的变位失稳主要沿着切割岩体的结构面发生，而在洞顶围岩中存在向上方延伸的、平行排列的破裂结构面，当大跨度的隧道掘进施工，切穿隐伏结构面，形成隐蔽的连续不稳定岩体，加之裂隙水渗流、软化作用使结构面强度降低，形成突发性大规模坍塌。

5 结语

1)东山2#隧道塌方事故发生的原因，是当地地层分布区地质构造复杂，在褶皱和断裂发育的背景下，存在工程性质极为恶劣的陡倾角构造节理密集发育带。由于其性状复杂，认识难度大及变形征兆不明显，具有突出的隐蔽性、爆发性及连续性，是难以预测和防范的特殊地质灾害。

2)隐伏的地质构造、异常的降水、不利的隧道围岩结构面等多种因素是造成本次塌方的直接诱因，尤其是纵向陡倾角构造节理发育带，带间岩石坚硬，风化程度低，具有极强的隐蔽性，对陡倾角构造节理发育带的特征及危害认识不足。在认识上有盲区，措施不到位，应从中吸取教训，深入研究地质复杂、时代复杂的沉积岩各类断裂构造发育及组合规律，特别是对地下工程威胁很大的陡倾角构造节理发育带、劈理发育带的工程特征及分布规律。

3)建立合理的地质灾害防控机制是有效认识地质灾害和有效防治地质灾害的关键。

［1］肖书安，吴世林.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术［J］.工程地球物理学报，2004，1(2):159-165.

［2］李忠.TSP-202探测系统在新倮纳隧道地质超前预报中的应用研究［J］.地质与勘探，2002，38(1):86-89.

［3］杜立志.隧道施工地质地震波法超前探测技术研究［D］.长春:吉林大学，2008.

［4］钟宏伟，赵凌.我国隧道工程超前预报技术现状分析［J］.人民长江，2004，35(9):15-17.

［5］王开.隧道岩溶断层突水涌泥综合整治技术［J］.西部探矿工程，1994，6(4):17-19.