隧道穿越韧性剪切带的综合勘察分析及围岩划分

常帅鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

1 概述

阿尔金山地处甘肃、新疆、西藏和青海四省交界地带，依据现有研究资料[1]，可细分为敦煌地块、阿尔金北缘蛇绿混杂岩带、中阿尔金中—新元古代构造岩带、阿尔金构造杂岩带和阿尔金南缘基性超基性岩带5个构造单元[2]。新建格尔木至库尔勒铁路经青海省西部海西蒙古族藏族自治州格尔木市，穿越阿尔金山，到达新疆维吾尔自治区东南部巴音郭楞蒙古自治州境内库尔勒市，全长约1 200 km。其中七面峰4号隧道穿越阿尔金山阿尔金中-新元古代构造岩带，断层、褶皱等构造发育，地质条件复杂，且既有研究资料相对较少。

结合阿尔金山地区已有区域地质资料，采用航片卫片判释、现场调绘、物探和钻探等相结合的综合勘察方法，查明了隧道通过区域的工程地质和水文地质特征，为隧道围岩级别划分提供了科学的依据[3]。

2 工程地质概况

新建格库铁路七面峰4号隧道起迄里程为DK636+050～DK639+080，隧道全长3 030 m，最大埋深295 m。洞身采用14.1‰的单线单面坡(进口高出口低)；该隧道位于阿尔金山断裂隆起带[4]，构造线走向多为NEE，倾角较陡，但亦有NWW向断裂和帚状断裂，并伴有岩浆活动；隧道进口处附近发育有区域性大断裂(北缘断裂F19)，隧道出口发育有F20-1断层带，隧道洞身穿越5条次级断裂f10～f14，使得该隧道处于大断裂形成的韧性剪切带上[5-6]。隧道区域构造分布及调查情况见图1。

图1 隧道区域构造分布及调查示意

隧道洞身通过地层主要为元古界蓟县系马特克布拉克组片岩夹片麻岩(PtjmSc+Gn)，灰黑色，变晶结构，片状构造，其主要矿物成分为石英、长石，含少量云母。受地质构造影响，局部节理裂隙发育。片麻岩为肉红色-灰黑色，片麻状构造，矿物成分与花岗岩相似，其主要矿物成分为钾长石、石英，含少量黑云母，呈层状夹于片岩层中。受地质构造影响，局部折曲发育，岩体破碎。

隧道区域地表水不发育，勘察期间未见地表水，隧道区地下水主要为基岩节理风化裂隙、构造裂隙以及断层破碎带中赋存的地下水，由于补给源的限制，整体水量不大。采用降水入渗法计算，隧道单位长度涌水量为0.09～0.20 m3/(d·m)，属于贫水—弱富水区。

3 韧性剪切带的综合勘查分析

3.1 综合勘查手段的应用

通过该区域DEM(数字高程模型)和航片卫片对比，可发现隧道区域F19和F20-1断裂在地貌上变化醒目，色调明暗变化清晰，连续出露，断裂十分明显，影像表现为一平直如刀切直线，局部有错断痕迹，支断裂发育。

在航片卫片判释和区域地质资料的基础上，对线路两侧各500 m范围内进行详细的工程地质调绘，查明了隧道通过区域断层基本特征、各岩性地层接触关系及界线、不良地质体分布情况及特征。共计完成野外地质观测点52个。

根据野外调查情况结合地形地貌特征，在隧道出口段布设高密度电阻率法物探剖面一条(长1.2 km，有效测点20个)，该剖面电阻率特征见图2。从物探测试结果可以看出[7]，测区内电阻率一般小于100 Ω·m，最大电阻率约为370 Ω·m；各断层带内岩体电阻率小于60 Ω·m，断层影响带内电阻率为50～100 Ω·m，表明该区域受构造影响严重，岩体破碎。对比野外调查资料，物探结果显示的断层位置走向等特征与野外调查结果基本一致。

图2 隧道出口段物探释译剖面

在航片卫片判释、野外调查和物探测试成果的基础上，通过钻探对隧道区域韧性剪切带内断层位置及岩性进行验证。在隧道出口段物探剖面范围内布置3个钻孔，各钻孔岩芯特征见表1。并对D4Z-137号钻孔进行弹性波波速测试，计算得到岩体完整性系数为0.28，判定为破碎。

表1 钻孔岩芯特征统计

3.2 韧性剪切带特征

区域地质资料显示，阿尔金断层主要形成于华力西期，是一条具有多期活动的断裂带，大致呈NEE走向，在前古生代表现为一条具有拉张特征的构造带，中生代时期发生了强烈的左旋走滑活动，新生代时期又伴有强烈的逆冲挤压作用(既有高角度的逆冲，也有低角度的逆掩)，将前古生代推覆到中、新生界之上[8-11]。F19和F20-1之间形成的韧性剪切带正是该区域多起构造演化发展的产物[12-13]。

在隧道通过的韧性剪切带内，受构造活动影响，断层发育，岩体破碎。通过综合勘察手段[14-15]，查明韧性剪切带内各断层性质如下：

(1)f10断层：于DK636+794～DK636+814段与隧道洞身大角度相交，断层产状为N35°～50°E/60°～75°S，为压扭性逆断层，断层上、下盘均为晚元古代中期花岗岩，断层破碎带宽度为5～10 m，局部地段宽度可达20 m。断层带物质主要为压碎岩，原岩成分主要为花岗岩，局部见片岩夹于其中。该断层受地质构造影响严重，断层带两侧岩体较破碎，对隧道工程影响较大。

(2)f11断层：于DK637+444～DK637+464段与隧道洞身大角度相交，断层产状为N10°E/84°W，为压扭性逆断层，断层产状与片理产状近于一致，断层上、下盘均为元古界蓟县系云母石英片岩夹大理岩，断层破碎带宽5～10 m，主带内为压碎岩，两侧可见断层角砾及糜棱岩，对隧道工程影响较大。

(3)f12断层：于DK637+664～DK637+684段与隧道大角度相交，断层产状为N65°～70°E/55°～80°S，为压性逆断层，断层带上下盘均为元古界蓟县系云母石英片岩夹大理岩，断层破碎带宽3～8 m，断层带物质为压碎岩，局部地段可见节理密集带，对隧道工程有一定影响。

(4)f13断层：于DK638+205～DK638+240段与隧道洞身大角度相交，断层产状为N60°～70°E/45°～65°S，为压性逆断层，断层带上下盘均为元古界蓟县系云母石英片岩夹大理岩，断层破碎带宽15～20 m，局部宽度可达30 m，主要表现为沿片理方向的一系列节理密集带，局部可见压碎岩夹于其中，局部为断层角砾，对隧道洞身影响较大。

(5)f14断层：断层破碎带于DK638+555～DK638+695段与隧道洞身大角度相交，断层产状为N60°～75°E/55°～65°S，为压扭性逆断层，断层带上下盘均为元古界蓟县系云母石英片岩夹大理岩，断层破碎带宽30～50 m，断层下盘影响带宽度约20 m，断层主带可见宽5～6 m的糜棱岩及压碎岩，两侧可见节理密集带。受断层带影响，两侧岩体破碎，对隧道工程影响较大。

(6)F20-1断层：主要位于隧道出口DK639+085～DK639+124之间，断层与隧道大角度相交，断层产状为N30°～50°E/30°～60°S，为逆断层，断层带上、下盘均为云母石英片岩，断层破碎带宽30～40 m，断层带物质主要为断层角砾，对隧道工程有一定影响。

通过综合勘察分析，七面峰4号隧道通过区域地质构造发育，韧性剪切带中各断层破碎带内以糜棱岩和断层角砾为主，断层两侧影响带内分布有宽度不等的压碎岩和节理裂隙密集带，韧性剪切带内岩体整体较破碎—破碎；地表水和地下水均不发育，隧道整体属于贫水—弱富水。

3.3 隧道围岩划分

根据围岩岩体特征、岩石坚硬程度、岩体完整程度、风化程度、物探电阻率、埋置深度、地下水等影响对隧道围岩进行综合评价。考虑整个隧道位于韧性剪切带内，岩体受构造影响严重，判定七面峰4号隧道围岩级别以Ⅳ、Ⅴ级为主[16]，断层破碎带围岩为Ⅴ级，其余段落为Ⅳ级，围岩划分情况见表2、表3。经隧道开挖验证，实际情况与设计基本相符，无围岩跨级别调整，未引起Ⅰ类变更[17]。

表2 七面峰4号隧道围岩分级一览

表3 七面峰4号隧道围岩分级统计

4 结论

(1)七面峰4号隧道位于中阿尔金中—新元古代构造岩片构造单元内，地处F19与F20-1断裂形成的韧性剪切带内，构造发育，隧道岩性以元古界蓟县系马特克布拉克组片岩夹片麻岩、片岩夹大理岩为主，局部有花岗岩入侵。受构造影响，岩体破碎。隧道区域地表水不发育，由于补给条件限制，地下水整体以弱富水为主。

(2)多起构造运动演化发展形成隧道区域韧性剪切带构造现状。通过航片卫片判释、野外调查、物探测试和钻探相结合的综合勘察手段，查明了隧道通过区域韧性剪切带内各构造的性质及各岩性的工程性质。