某临近活动断裂带隧道工程地质特性分析

胡国斌 廖琪斌 王传虎 先 波 吴建川

（1.四川省交通勘察设计研究院有限公司， 成都 610017；2.中铁十五局集团第四工程有限公司， 郑州 451152；3.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 成都 610072）

0 引言

目前软岩隧道施工已成为隧道工程界的一项难题。当隧道在软弱围岩中开挖时，易形成塌方、软岩大变形、突泥等特殊工程地质灾害。而受勘察手段和专业认识制约，往往对软弱围岩隧道赋存的地质环境及其工程地质特性认识略显不足。甘孜州S217 线海子山隧道属于高海拔长隧道，隧道临近甘孜—玉树深大活动断裂带，隧址位于该断裂带的强烈影响区内，工程地质条件复杂，围岩软岩特性明显。在施工中，因隧址临近区域大断裂带，洞身各种规模的断层破碎带频现，导致塌方、软岩大变形、突泥等频发。本文通过对隧道赋存的地质环境和基本工程地质特性梳理分析，结合施工中各类病害现象，对病害现象发生的工程地质原因进行了分析探讨，便于指导隧道动态设计和施工，也为类似项目的建设提供借鉴和参考。

1 隧道概况

受路线走廊带唯一性制约，为了实现高寒高海拔越岭段公路的全天候通行能力，S217 线在海子山越岭路段选择以隧道形式穿越。海子山隧道全长2522m，采用二级公路技术标准，设计速度为40km/h，建筑限界10m×5m，隧道最大埋深213m，设计标高4361～4371m，隧址区地震烈度为Ⅷ度。是典型的高寒、高海拔、高应力、软弱围岩长隧道。隧道南端临近甘孜—玉树深大断裂，该断裂为全新世活动断裂，在断裂演化历程中，沿断裂带发生过多次中强地震，构造活动频繁。断裂对区内地形地貌、河谷水系及构造演化起主要控制作用。

2 区域工程地质环境特征

2.1 自然地理特征

隧址区为丘状高原地貌，最高点为海子山，海拔4634m，呈东-西向丘梁状展布。隧道近N-S 方向穿越海子山，隧道轴线走向与断裂带迹线呈小角度共向展布。区内最低点为隧道南端出口外侧的丹日沟，海拔4283m，相对高差351m。

2.2 区域地质构造特征

（1）隧址区在大地构造上位于青、藏、滇、缅、印、尼“歹”字型构造体系头部向中部转折端的东北缘，区内主要构造线走向多作北北西、北西向展布，地质构造复杂。

（2）隧址区临近甘孜—玉树活动断裂带。甘孜—玉树断裂带位于鲜水河-小江断裂系的西北段，它与该断裂系中的其他断裂(如鲜水河断裂、安宁河断裂、则木河断裂、大凉山断裂和小江断裂)一起构成了顺时针旋转的青藏高原南东地块的北边界[1]，见图1。断裂构成了巴颜喀拉地块和羌塘地块、川滇菱形地块的边界断裂，是一条全新世强烈活动的左旋走滑兼逆冲活动断裂，总体走向SW，断裂在该段分为较多分支段落，呈羽列、分叉等形态展布[2]。隧址区位于断裂带中部，中部断裂带由错阿向西北进入马尼干戈盆地,经日阿、窝工、海子湖跨越海子山（隧址区）,经竹庆盆地进入俄支盆地,长约130km,形成一系列与断层活动相关的断陷盆地[4]。隧址区位于海子山口。

图1 甘孜一玉树断裂及其近代地震破裂分段图（闻学泽，2003）[3]其中：①示羌塘地块,②示川滇地块

（3）隧址区断裂破碎带宽大，活动性强。断裂带宽0.5～1.0km 左右，带内岩体极破碎，大多数具有粉末状、粒状特征，糜棱岩、断层泥发育，断裂整体倾向NE，倾角60～80°，是一条高角度走滑左旋逆冲断裂[4]，沿主断裂两侧次级断裂发育，隧址位于断裂北东侧主动盘，距主断裂线约1.1km。据研究甘孜—玉树断裂在隧址区海子山一带估计断层平均左旋滑动最大速率可达（12.8±1.7）mm/a，最大垂直滑动速率可达（1.7±1.6）mm/a[1]，见表1。

表1 甘孜－玉树断裂断裂活动速率文献研究成果一览表（工程区附近）

2.3 地层岩性特征

隧址区出露基岩为三叠纪曲嘎寺组（T3q）的炭质板岩、变质砂岩等浅变质岩石，地表沉积第四系松散堆积层。

（1）地层岩石具有浅变质特点。隧道段主要分布的板岩岩石薄片鉴定显示，板岩具变余砂状结构，原岩为泥质长石石英杂砂岩，碎屑约占80%，填隙物约占20%。岩石中石英矿物颗粒被定向压扁、拉长，原岩杂基粘土矿物在区域构造应力作用下变质重结晶形成绢云母新生特征变质矿物。

（2）受强烈的区域动力地质构造影响，地层强烈扭曲变形，岩石破碎，见图2、图3。

图2 强烈扭曲的炭质板岩

图3 呈渣状炭质板岩

2.4 高原谷丘水文地质特征

（1)地表水储藏条件好。隧址区海拔4300m 以上，一年之内积雪期可达5～6个月，低温期长，降水、融化冰雪是地表水及地下水的主要来源。地表覆盖层为冰碛层圆砾土和砾石土，地面为高原草垫，地表水储藏条件良好。常年低温，覆盖层孔隙中多见冰晶，气温回暖时易融化，融水易集中下渗。

（2)具备地形、构造控水特征，基岩富水。隧址区山体内次级断层发育，存在构造垂直向控水的地质条件，局部富水特性。在地表溪沟流经地段，地形控水显著，地表坡地凹槽、负地形等部位易形成草垫沼泽洼地，负地形其下基岩裂隙连通性相对较好，对应的隧道围岩区段渗水量大，对地层的软化特性也较明显。

3 隧道围岩显现的各种地质特性

3.1 岩性及其力学性质特性

隧道主要围岩为炭质板岩，岩石呈灰黑色，呈薄层、片状、扭曲状。层间胶结差、岩层整体强度低，开挖扰动易呈碎渣状。

（1)炭质板岩具有断裂破碎带断层岩矿物成分特性。隧址区地层，受区域大断裂动力地质作用及隧道内数条次级断裂构造挤压影响，岩石矿物在动力变质作用下，矿物成分和结构发生变化。据研究，黏土矿物含量在同震新断层泥中最高，从老断层泥、断层角砾岩到围岩，黏土矿物含量逐渐降低[5]。经对海子山隧道散碎炭质板岩进行全岩X 射线粉晶衍射分析，见表3，结果显示围岩矿物组成成分以石英（15%-22%）和黏土矿物（78%-85%）为主，粘土矿物伊利石、高岭石、绿泥石等粘土矿物整体含量占比大，类比断层岩的成分特征，其岩性矿物特征更加接近断层泥、断层角砾岩等破碎带围岩矿物成分特征[5]。

（2)炭质板岩围岩强度低，软化特性显著。岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与孔隙性[6]。经对岩石矿物成分分析，因含有较多的亲水性粘土矿物，抗水软化能力差。由表2 可知,炭质板岩软化系数较小，具有较强的软化性能。同时其饱水系数较大，反映岩石中大开孔隙相对较多，而小开孔隙较少。因此隧道围岩岩石力学性质整体偏，施工抗扰动能力弱，自稳能力弱，工程地质性质差。

表2 岩石物理力学指标统计

（3)炭质板岩具有弱膨胀性。经测定岩石中主要矿物成分为伊利石、高岭石、绿泥石等矿物。研究表明，粘土矿物表现出的亲水特性不同，伊利石、高岭石仅是一般的亲水矿物,其亲水性分别只有蒙脱石的1/10 和1/60 左右，因此膨胀土的胀缩性主要由蒙脱石含量控制[7]。定量分析炭质板岩中黏土矿物含量及膨胀性，将伊利石含量的1/10 与高岭石含量的1/60 折算为等效蒙脱石含量进行分析[8]，见表3。一般多将膨胀岩分为强、中、弱三种情况，表4[9]为部分资料标准，但分级指标并不统一[9,11,12]。按照炭质板岩中蒙脱石含量低于7%且自由膨胀量低于40%的判别标准，依据规范[13-14]判定属于非膨胀岩。但也有研究成果表明：当蒙脱石含量达7%以上或伊利石含量达20%以上时，软岩即具有明显的胀缩特性[10]。

表3 炭质板岩亲水矿物成份及膨胀性初判表

表4 膨胀岩分类标准

经分析隧道炭质板岩的干燥饱和吸水率为14.25%，天然抗压强度为2.56MPa,等效蒙脱石含量为6.2%,主要矿物成分伊利石含量52%-62%。结合相关研究成果及隧道开挖中初支易开裂、变形，围岩易塑性挤出或造成底板隆起等现象，分析认为本隧道炭质板岩属于弱膨胀岩。

3.2 岩体结构及裂隙发育特性

甘孜—玉树断裂带对区域构造起着控制作用,其断裂破碎带宽度近1000m，直接控制着工程区域的稳定性,以及控制区内的褶皱、断层、次级结构面的展布规律。受其影响次级断层在隧址区隐伏发育。施工中揭示海子山隧道围岩的结构面化特征如下：

（1)围岩呈现破碎带和破碎影响带分区分带特征。断裂（层）结构由破碎带和破碎影响带构成[15]，分带结构见表5。

表5 断层岩分类及其特征

隧道施工中揭示并发生重大灾害的断层至少有7 处，见表6。断层岩性在矿物特征、结构特征、粒度成分、渗透性及强度等方面有分带性特征。施工揭示，破碎带内岩体以断层角砾岩及断层泥、泥化团块为主,以及它们之间所夹杂原岩碎裂物质组成，破碎带内地层挤压、褶皱、揉搓、方解石脉穿插现象明显（见图2），软弱渗水易塌方，塌方后的渣土遇水扰动后成含角砾的泥状，易陷脚，。揭示的破碎影响带内围岩以极度破碎的炭质板岩和变质砂岩为主，呈碎片岩状，少量的砂质板岩呈碎裂、碎块状，以破碎为主，泥化物较少，围岩易碎散掉块，初支变形大，是大变形易发区段。

表6 隧道内次级断层分布及病害发育统计表

（2）隧道洞身围岩视电阻率分带特性。探测显示低阻带（ρ＜100Ω·m）和相对高阻带（ρ=200～600Ω·m）间隔穿插。在低阻带向相对高阻带过渡区域（ρ=80～150Ω·m）揭示发育较大的断裂数条。且经病害统计，高低阻过渡区域易发生塌方灾害。分析认为，因断层的发育及其结构的分带特性，导致岩体破碎程度和含水程度的不同，使得全隧围岩视电阻率存在明显的分区、分带特征，见图4。

图4 海子山隧道EH4 大地电磁测深物探电阻率断面图及断层分布图

（3）围岩整体碎裂作用显著，局部碎散化严重。围岩在构造挤压作用下，导致板理化、片理化严重，产状凌乱。而节理、裂隙局部的密集发育、切割层理，使得围岩以碎裂状、碎片状为主，围岩极易失稳。①据（图4）物探资料，洞身围岩视电阻率ρ=50～100Ω·m 区段占比65%，围岩视电阻率为ρ=100～200Ω·m区段占比24%，洞身围岩视电阻率为ρ=200～600Ω·m 区段占比11%。可见全隧围岩整体电阻率极低且不均，除岩性软弱影响因素外，主要是岩体破碎、富水所致。②开挖中极易在拱顶、拱腰位置发生散碎围岩的遛塌。且一旦发生不易控制，松散破坏范围逐渐扩大，直至将一定深度范围的松散围岩遛塌完，发展形成自稳的塌落拱为止，结果是形成一定规模的塌腔，增加处治难度和措施，据统计，受围岩碎散影响，全隧平均每30～40m 发生一次拱顶、拱腰遛塌。③受围岩碎散化影响，全隧几乎以挖机、铣挖头等开挖为主，几无爆破开挖。而弃渣也具有粒度小、不成型、碎散严重特征。对全隧弃渣渣土粒度进行分析，粒级＜20 ㎜成分占比约80%，粒级20～200 ㎜约占10%～15%，大块状的仅占不足5%。

（4)薄层单斜板状岩体在开挖中拱顶的弯曲溃曲塌方严重。受隧道近南北轴线（N17°W）和岩层产状的相互组合关系影响,见图5,掌子面开挖时表现出薄层单斜板状岩体的偏压破坏行为。体现为拱顶一侧岩层弯曲碎散、塌落，另一侧拱顶围岩掉快滑移。①分析原因，受断裂构造影响伴生的X 共轭节理，其中一组(J2 组)走向和隧道轴向近平行，该组节理裂隙的密集发育，使得薄层板岩层面的切割更加剧烈。加之围岩层较薄、板理发育，使得开挖中隧道西侧拱顶的弯曲溃曲变形塌方要重于东侧拱顶的剪切滑移变形。围岩与支护体系受力和变形也不对称，结构受力和变形量的最大值位于层面和隧道开挖轮廓线的切线部位即西侧拱顶。隧址区优势结构面发育如下：地层产状222°∠33°；J1 组节理走向N70～80°E，倾向NE，倾角70～80°，节理面较粗糙，延伸长度0.3～1m，线密度3～5 条/m；J2 组节理走向N10～20°W，倾向SE，倾角80°～近直立，节理面较粗糙，延伸长度1m 左右，线密度3～8 条/m。J1 组与J2 组是隧址区的主控裂隙，岩体体积节理数为Jv=5～8 条/m3。②在施工中，拱部初期支护沿轴向存在较多的初支扭曲、变形、压溃、剥落现象，表明单斜薄层板状地层结构引起了较为严重的偏压效应。据统计，施工中南段出口方向80%的遛塌发生在左侧拱顶，而北段进口方向80%的遛塌发生在右侧拱顶，与不利裂隙发育规律、板岩产状及隧道轴线组合关系较为吻合。

3.3 地下水活动特性

受隧道临近的甘孜—玉树区域断裂影响，隧道山体内发育多条次级断层，因此隧道地下水分布具有断层控水特征。断层各部位发育的裂隙性、岩体的碎散性不相同,其导水性、富水性也就不均匀，形成断层富水性的分段特性[16]。隧道埋深浅，因此地下水发育受隧址区断层和地表水共同作用较显著。

（1)地下水在水平方向的渗透能力分带性。洞身受多条断层影响，使得全隧地下水运移环境较为复杂，但从大的规律上是符合断层地下水运动的水平分带性的。①破碎带岩石受力大、应力集中，组成破碎带主要物质为断层角砾岩、片理化岩、断层泥等,围岩相对致密、泥化情况较严重，体现出相对较好的隔水性能。②断层破碎影响带岩石受力和牵引作用而产生的机械破碎剧烈,节理发育,尤其是构成羽状节理更为发育,裂隙断续延伸更远,深度大，范围也相较破碎带宽度大，相对更加具有富水条件。③在断层影响带内，开挖后围岩的渗水相对要点多面广些，呈现淋雨或局部线状，渗水点相对要稳定一些；而在接近断层破碎带时，地下水的渗水情况总体要稍好转，呈现潮湿、点滴出水情况，但软化情况严重。④因断裂结构的分带特性，导致岩体破碎程度和含水程度的不同，围岩视电阻率存在明显的分区、分带特征，印证了地下水在水平方向的渗透能力分带性。在隧道开挖过程中，发生重大富水灾害的断层有4 条（F1、F2、F4、F6），与物探结果具有较好的印证关系。

（2)地下水具有较好的垂向补给条件。地下水补给分带一般垂向上分入渗带、径流带（地面下50～60m 至150～200m 深度不等）、滞流带[16]。隧道最大埋深仅为213m，最大埋深仅是长度的1/10。山体地表有冰碛砾石土覆盖层和较厚的保水草甸层，使得入渗带具有较好的地表水补给、入渗特性。隧道埋深大部分位于径流带深度范围区内，因而在隧道浅埋情况下，地下水经山体径流带易下渗。尤其是在融雪季及雨季，地表充沛的降水加之较好的地下水下渗条件，更是隧道变形量突增的首因。物探电阻率断面图（图4）显示，受断层向地下深部发育影响，围岩低阻、富水的破碎带及影响带可达地表下约400m，几乎接近隧址区主干溪谷汇水面，表明地下水垂直运移具有较好通道。

（3)地表负地形在垂向上对地下水补给效应较显著。受高角度的断层发育影响，裂隙垂直密集发育，导致地表裂隙密集发育区在地表形成软弱区段，经风化剥蚀，逐渐形成地表沟槽。①在隧道开挖中，地表为负地形或溪沟处相应的围岩发生数次塌方，存在岩体断层破碎带显现在负地形下的特征，体现浅埋深隧道逢沟易塌的现象。②地表水较多的汇集负地形、沟槽，经垂直裂隙密集带下渗，对断裂破碎带和破碎影响带进行补给，软化破碎带。F4 断层破碎带在施工甚至发生了重大突泥地质灾害，见图6。

图5 结构面赤平投影

图6 隧道突泥

图7 支护大变形

3.4 围岩应力状态特性

我国《工程岩体分级标准》利用岩石或岩体的强度应力比，即岩石饱和单轴抗压强度(Rc)与最大初始应力(σmax)的比值，岩石强度应力比Rc/σmax大小来划分地应力状态。Rc/σmax＞7 为一般地应力，Rc/σmax=4～7 属于高地应力，而Rc/σmax＜4 即为极高地应力。海子山隧道炭质板岩岩石单轴抗压强度小于2.56MPa，饱和抗压强度仅仅是0.63MPa。即使以埋深产生的垂直应力大小来测算，隧道在极小埋深情况下的炭质板岩区段即处于高地应力或极高地应力状态。隧道90%的区段为连续的炭质板岩区段，即极高和高地应力的情况几乎占到全部隧道的90%。因此对于海子山隧道而言，软弱围岩造成的大变形难免成为主要地质问题。

4 围岩级别调整分析

海子山隧道原勘察阶段预估以Ⅳ级围岩为主，长度为2197m、占总长的87%；Ⅴ级围岩为长323m、占总长的13%。但施工阶段通过对地质条件不断的认识，对围岩级别及支护参数据揭露情况进行了调整设计。经统计，隧道全长2522m，实际V 级段达2222m，占88.1%，Ⅳ级段仅300m；在所有V 级围岩段，用一般V 级支护措施支护的有1489m，占比59%，用超强支护措施加强支护区段733m，占比59%。较勘察阶段比较，整个隧道炭质板岩段比例达到88%，洞身段揭露有7 条次级断层，小断层无数，整个隧道围岩的强片理化、碎裂岩化、泥化夹层现象均较显著。且越临近甘孜—玉树断裂的隧道南段，围岩的三化程度更加剧烈。通过开挖揭示及施工动态设计，调整后的围岩级别基本符合地质现状。

5 结语

在高原、高海拔、复杂地质条件下修建软弱围岩隧道，面临的困难和挑战是非常大的。通过工程实践，有以下体会为类似项目的建设提供借鉴参考。

（1）通过对海山隧道工程地质的再分析，认为受区域性活动断裂影响，隧道呈现出极软岩、弱膨胀性、破碎带发育、易塌方、地下水丰富、高应力状态的工程地质特性。是施工中导致塌方、软岩大变形、突泥等灾害频发的主要地质原因。

（2）通过隧道开挖揭示，认为区域性的大断裂最新错动面或地表活动线显然具有局限性，断裂破碎带及断裂影响带宽度可以很大，且伴生的次级断层会较发育。必须关注临近大断裂区域的工程地质岩组的工程特性。

（3）综合运用遥感、地面调查、物探、钻探、试验测试等工程地质勘察技术，加强相关技术的综合分析能力，精确呈现软弱围岩隧道工程地质岩组的特性及围岩分类，提高前期地质勘察工作的质量，是软岩隧道实现快速施工和经济效益最大化的关键环节。

（4）施工中应该加强对各种病害现象发生的地质解译，加强施工地质工作。对隧道赋存的地质环境的再认识，是指导隧道动态设计和动态施工的关键保障。