张集线旧堡隧道工程地质条件和岩体结构特征研究.pdf

JournalofEngineeringGeology工程地质学报1004—9665／2010／18(4)一0566．09张集线旧堡隧道工程地质条件和岩体结构特征研究木孙福军①陈洋②曾庆利③乔志斌①李杰①(①中铁十二局第二工程公司太原030032)(②蒙冀铁路有限责任公司呼和浩特010050)(③中国科学院研究生院地球科学学院北京100049)摘要新建的张集铁路(张家口一集宁段)旧堡隧道是全线关键性控制工程，位于河北省万全县旧堡乡与尚义县土天村之间，隧道穿越由晚太古代马市口组(Ann)麻粒岩和黑云母斜长片麻岩组成的一套高级变质岩建造，断裂构造极为发育，岩体破碎。原设计Ⅱ、Ⅲ级围岩洞段占隧道线路总长的71．8％，而已施工揭露的工程地质条件较差，全部变更为Ⅲ级加强及Ⅳ、V级围岩，变更率高达80．3％。施工过程中多次发生挤压大变形、塌方、突涌水等施工地质灾害，共处理大塌方段8处小塌方21处计130m，处理大变形18段计550m。本文分析了DK30+520～910洞段地层岩性、地质构造、地应力、地下水等隧道围岩主要工程地质条件，从结构面和工程地质岩组的物理力学特性出发，研究了该洞段特殊的岩体结构，指出该隧道围岩岩体结构特征主要受与隧道轴线小角度相交的构造挤压破碎带及软硬交替产出的岩组控制，隧道围岩变形破坏受岩体结构控制作用明显，并总结了施工中可能遇到的几种岩体结构。该研究对类似工程地质条件地区隧道工程围岩分类、支护设计和施工有一定的借鉴意义。关键词工程地质条件岩体结构围岩分级旧堡隧道中图分类号：U452．12文献标识码：AENGDRINGGEoLoGICALCoNDITIoNSANDSPECIALRoCKMASSSTRUCTURALCHARACTERISTICSoFJIUBAoRAILWAYTUNNELSUNFujunO)CHENYang②ZENGQingli③QIAOZhibin①LiJie①(①TheSecondBranch—Companyofthe12BureauofCRCC，Taiyuan030032)(②胁RadwayCo．Ltd．，Hohhot，InnerMongolian010050)(~CollegeofEanhScience，GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049)Abstract~ubaoTunnel，locatedbetweenWangquancountytoShangyicountyofHebeiprovince，isthekeyandcontrollingworksoftheunder—constructedZhangjiakou-JiningRailwayLine．ThetunnelpassesthroughthegranuliteandthebiotitegneissoftheUpperArchenEra，wherefaultswelldevelopedfaultsandtherockmassisfractured．Thegeologicalconditionsdisclosedduringtunnelingweregreatlydiferentfromthoseoftheconstructiondesigndrawing．Thealterationratiooftheclassificationoftunnelsurroundingrocksevenreaches80．3％．Itwasduetoinsufficientunderstandingtorockmassstructure．Thehighalterationdirectlycausedtheoccurrenceofmanygeo—hazardssuchassqueezing，collapse，waterin—rushduringtunneling．ThepapertakesthesectionofDK30+520～DK30+910astheexampleandmakesthecomprehensiveanalysistothekeygeologicalconditionsoftunnelsur一收稿日期：2009—11—16；收到修改稿日期：2010-04-09．基金项目：自然科学基金面上项目(40972199)；(40972198)．第一作者简介：孙福军，主要从事工程地质及环境地质灾害方面的研究．Email：qlzeng~1008@126．corn 18(4)孙福军等：张集线旧堡隧道工程地质条件和岩体结构特征研究567roundingrock．Thekeyconditionsincludegeology，geotechnics，earthstressandundergroundwater．Itstudiesthespecialcharacteristicsofrockmassstructureanddirectsthatthetunnelsurroundingrockiscomplicatedlycontrolledbythefaultfracturezonesandthealternativeoutcroppingofweakandhardengineeringgeologicalrockmasses．Itisthespecialrockmassstructuralcharacteristicsthatcontrolsthedeformationandcollapseoftunne1．Italsosummari_．zestherockmassstructuretypeswhicharepossiblyencounteredduringtunnelconstruction．TheresearchresultoiltherockmassstructureofJiubaoTunnelishelpfultothetunneldesignchangeandconstructioninthemetamorphicandgreatlytectonicdisturbedareas．KeywordsEngineeringgeologicalconditions，Rockmassstructure，Rockclassification，JiubaotunnelRockMassRating)则考虑了岩石单轴抗压强度1引言(ucs)、RQD、不连续面间距及状态和方向、地下水条件等6个参数，Hock等的地质强度指标分级岩体结构是指岩体中结构面和结构体的形态和(GSI，GeologicalStrengthIndex)则更进一步地把岩组合特征，是影响隧道和地下工程围岩稳定性的重体结构与岩体强度结合起来。要因素。早在20世纪70～80年代，谷德振、孙广忠同时，在隧道结构稳定性计算中，围岩既是地下等就提出地质构造控制论和岩体结构控制论，认为：工程承载结构的主体也是结构荷载的主要来源，岩岩体受力后变形、破坏的可能性、方式和规模受岩体体结构对隧道开挖后二次应力场分布特征、塑性区自身结构制约的，即岩体结构特征控制着岩体的力和松动圈大小、支护结构与围岩问相互作用力等均学性质、变形特性和破坏机制，并将岩体分为块裂、有重大影响¨。因此，在实际施工中正确认识围岩完整、碎裂和散体等4种结构类型’；并且这一的岩体结构特征并进行归纳分类，是隧道围岩分级、关于岩体结构研究成果被作为我国《工程岩体分级施工方法选择和支护结构参数确定的前提和基础。标准》(GB50218-94)的基本评价指标之一。近年张集线旧堡隧道施工揭露地质条件与原设计相来，国内学者在岩体结构面粗糙度系数及抗剪强度差较大，围岩变更率高，且常出现塌方、大变形等施估算方法_4J、岩体结构要素的分形几何J、三维岩工地质灾害，为了更好地认识其原因，本文在详细分体结构面连通率、复杂岩体结构的精细描述[、析旧堡隧道DK30+520～DK30+910洞段围岩主要岩体结构三维可视化模型等方面取得了较大研工程地质条件的基础上，研究了其岩体结构特征，特究进展；对于软弱、破碎岩体，也进行了诸如断层岩别是控制性软弱结构面特性、岩块物理力学特性及的分类、物理力学特性和稳定性评价的研究，以及泥其组合，总结了隧道施工中可能遇到的几种岩体结化夹层的物质与结构特征及其力学性质的研究构类型，指出围岩级别变更率高主要与设计时对隧等’。国外学者虽很少提岩体结构，但非常重视道围岩的基本岩体结构认识不够有关。岩体中结构面(称为不连续面)及完整岩块的特征，如Hock&Marinos认为“隧道围岩可能沿着既有不2工程概况连续面发生剪切破坏，并取决于每个不连续面组的数量、间距、贯通性、产状、抗剪强度以及完整岩块的新建张家口至集宁铁路是我国铁路网“八纵八坚硬程度”；国外研究者通常将我国岩体结构所横”京兰大通道的重要组成部分，旧堡隧道是张集涵盖的研究内容具体到岩体质量评价(围岩分级)线上第一长隧道，位于河北省万全县旧堡乡与尚义上，例如Deere等的岩石质量设计指标(RQD，Rock县土天村之问。该隧道全长9585m，埋深大于350mQualityDesignationIndex)考虑了岩体中节理等结构的洞段占隧道全长的36％(最大埋深达493m)，单面⋯，Wickham等的岩石结构分级(RSR，Rock洞双线，断面面积138m，是一条“深埋长大隧道”。StructureRating)考虑了岩性、岩石硬度、地质构造、旧堡隧道按新奥法原理组织施工，原设计Ⅱ、Ⅲ节理和地下水等要素，Barton的岩体质量Q分级级围岩占71．8％，全断面开挖，复合式衬砌；但是在考虑了RQD、节理组数、粗糙系数、蚀变系数、节理实际施工中，围岩级别变更率高达80．3％，全部采水折减系数及应力折减系数等_】，Bieniawski的地用三台阶法开挖，其中，V级围岩采用三台阶留核质力学分级(RMR，GeomechanicsClassificationor心土法开挖。 JournalofEngineeringGeology工程地质学报2010截止2009年7月底，旧堡深埋长隧道尚余23003．2地质构造多米洞段没有开挖。已施工洞段在掘进过程中多次出现围岩大变形、塌方和突涌水等施工地质灾害，共旧堡隧道区域上位于内蒙地轴与燕山准地槽的处理大塌方段8处小塌方21处计130m，处理大变分界处，自上震旦纪褶皱隆起后至今未接受任何沉形18段计550m，造成工期严重滞后，成本大幅增积；在地质历史时期经历了前震旦纪、中生代和新加。生代等3期较明显的构造运动，以中生代构造最为显著。3旧堡隧道围岩主要工程地质条件隧道工程区内构造形迹以断裂为主(图3)，发育F。、FF。一及水泉沟断层等4条中生代NE向主3．1地层岩性干逆冲推覆断层，构成“后展式叠瓦状构造”(注：一系列倾向相同的近等距排列的逆冲断层)；同时隧旧堡隧道穿越地层岩性相对较简单，主要为晚道沿线还发育10多条与上述主干断裂近平行的次太古代马市口组(Arm)麻粒岩和黑云母斜长片麻级逆断层。因此，旧堡隧道所赋存的山体可能是一岩¨。这是一套来自下地壳并经受了NE向强烈个被数量众多的、主干及次级逆断层分割的“岩片”的韧性剪切作用的高级变质岩建造_1，发育NE向地质体。片麻理，构成似层状构造，原岩分别为中酸眭浅成岩其中，F断层走向10。～25。，倾向100。～115。，和闪长岩。图1和图2分别展示了旧堡隧道围岩在倾角35。～75。，长约12km，受多期构造运动叠加影地表和隧道掌子面上形态和表现。响，断裂构造兼具压扭性及张扭性断裂特征；隧道图1旧堡隧道地表产出的麻粒岩(左)和黑云斜长片麻岩(右)Fig．1Outcropofgranulite(1eft)andbiotitegneiss(right)inalignmentofJiubaoTunnel图2旧堡隧道Dk30+520—910段施工揭露的麻粒岩(左)和黑云斜长片麻岩(右)Fig．2Granulite(1eft)andbiotitegneiss(right)disclosedinJiubaotunnelfaceinsectionofDk30+520—910 18(4)孙福军等：张集线旧堡隧道工程地质条件和岩体结构特征研究569图3张集线旧堡隧道工程区地质图[改自文献17]Fig．3ThegeologicalmapofJiubaoengineeringarea(modifiedafterreference17)于DK28+380～DK29+630穿过该断裂破碎带及其力。影响带，其中于DK29+O00一DK29+305穿过断裂破3．4地下水碎带。研究洞段DK30+520～DK30+910位于主干逆断层F的下盘，距离F。断层尚有1215m，但可能旧堡隧道地下水类型主要为裂隙水，包括基岩受到牵引褶皱的影响(图3)。裂隙水和构造裂隙水，渗透系数K可达0．06m·d～。因软弱构造破碎带中含有断层泥或构造夹泥3．3构造应力场层，对地下水运移形成切割阻隔作用，局部地段的地旧堡隧道工程区位于现代构造应力场之汾渭断下水具有承压性。在钻孔ZD241处，承压水自钻孔陷应力区，区域最大主压应力方向为NENEE中喷出，高约3m(图4a)，后逐渐停止。隧道施工向¨引；同时根据邻区震源机制解及浅部地应力中多次出现股状涌水，并夹杂岩块碎屑涌出，钻孔注实测资料，推定旧堡隧道工程区区域最大主压应力浆后停止(图4b)。优势方向为82。，与隧道轴线(95。)呈小角度相交，对隧道建设有利。同时，旧堡隧道埋深超过270m4岩体结构特征的洞段占隧道总长度的51％，存在较大的自重应力。作者根据对隧道正洞DK30+882处(埋深约4．1结构体及其强度特性360m)围岩收敛变形和支护结构受力监测资料，进行了岩体初始地应力的数值反分析，得到隧道横截洞身范围内围岩岩性由麻粒岩和黑云斜长片麻面上最大水平主应力为15．34MPa，最小水平主应力岩构成，其中：为11．25MPa，垂直应力为9．4MPa且是最小主应麻粒岩地表为全风化～强风化，呈碎石状及砂 570JournalofEngineeringGeology工程地质学报2010图4旧堡隧道ZD241孔承压水及2#斜井施工中的突发涌水Fig．4TheconfinedwaterinexplorationboreholeZD241(1eft)andthesuddenwaterinflowduringtheconstructionofNo．2adit．砾状(图1a)；隧道断面上表现为弱风化～微风化，脉接触破碎或蚀变带。岩块坚硬，节理裂隙发育，呈碎块状(图2a)。现场4．2．1节理裂隙采样并经实验室测试得到麻粒岩岩块饱和单轴抗压通过地表及研究洞段的节理裂隙统计，发现主强度平均为67．3MPa，属极硬岩。要有4组：产状分别为①130。一150。／__34。～55。，②而黑云母斜长片麻岩地表风化程度较麻粒岩强200。～225。L57。～84。，(280。～300。L30。一45。，烈，岩石干单轴抗压强度大部分低于60MPa，属硬岩(0。～65。L70。一82。。走向上可分为NW和NE(图lb)；隧道断面上呈块状，经历过混合岩化作两类，NW向又可分为两组，一组走向290。左右，另用，天然含水率高，天然单轴抗压强度小，可用风镐一组310。～330。；NE向也可分为两组，一组走向挖，手掰即碎，属极软岩(图2b)。15。左右，另一组50。(似层状的片麻理)。麻粒岩与黑云母斜长片麻岩一般相间产出，构这几组节理贯通性强，将岩体切割成菱形块状，造挤压断层接触(图5)。节理面充填薄层黑色、墨绿色泥膜或构造夹泥层，擦痕镜面明显(图1a，图2a)。对这些构造夹泥层的4．2结构面及其特性全岩和黏土矿物成分测试表明(表1，表2)：黏土矿根据野外和洞内地质详查，研究段围岩有3种物总含量为17．3％，主要黏土矿物成分为绿泥石／主要软弱结构面类型，即节理、构造挤压破碎带和岩蒙脱石混层矿物、绿泥石及高岭石。同时，构造夹泥图5掌子面上发育的构造挤压破碎带Fig．5Thestructuralshearfracturedzonedevelopedintunnelface左．麻粒岩与黑云斜长片麻岩间的构造挤压带；右．麻粒岩体间的构造挤压带 18(4)孙福军等：张集线旧堡隧道工程地质条件和岩体结构特征研究571的达4～5cm，包裹着被压碎的岩屑透镜体(图6)。表1构造夹泥层(JB-03)和构造挤压带(JB-O2)全岩分析实验室测试结果表明(表1，表2)：压碎的岩屑透镜Table1体黏土矿物总含量接近30％，黏土矿物成分与构造夹泥层类似，主要为伊利石／蒙脱石混层矿物以及绿泥石、高岭土等，同时其干燥时有一定的强度，但遇水后迅速崩解，具有中弱膨胀性。构造挤压透镜体被暗绿色断层泥或泥质夹层分隔，结构面上极发育擦痕及摩擦镜面，表现出明显的挤压错动痕迹表2构造夹泥层(JB-03)和构造挤(图6a)。压带(JB-02)X衍射测试结果4．2．3岩脉接触破碎或蚀变带Table2地表和洞内发育较多的辉绿岩脉和花岗伟晶岩脉(图7)，其走向大部分为NW向，主要沿NW向破碎带或节理发育，产状陡立。这两类岩脉与其两侧地层的接触带也常常构成软弱结构面，其中辉绿岩脉通常为蚀变带接触，而花岗伟晶岩脉则表现为注：K．高岭石；C．绿泥石；I．伊利石；S．蒙脱石；C／S．绿泥石／蒙脱石混层矿物；I／s．伊利石／蒙脱石混层矿物破碎带接触。沿隧道轴线上岩脉规模大小不等，但由于其走向与隧道轴线小角度相交，因此施工中可能在某侧先揭层的天然含水率为18．25％，非常接近其塑限露，然后在另一侧消失。花岗伟晶岩脉呈肉红色，岩(19．7％)。这说明构造夹泥层极易吸水软化而表质坚硬，完整性较好，呈块状结构，自稳能力强。现出塑性。4．2．2NWW向构造挤压破碎带4．3旧堡隧道岩体结构特征和类型构造挤压破碎带在整条线路上非常发育，走向4．3．1旧堡隧道岩体结构特征NWW，陡倾，且与隧道轴线以15。～25。小角度相交。通过前述对旧堡隧道围岩主要工程地质条件的构造挤压破碎带是麻粒岩体与黑云母斜长片麻岩体调查、测试和分析，认为该隧道围岩的岩体结构比一的接触带(图5a)或麻粒岩体之间的软弱带般隧道的岩体结构特殊和复杂：特殊性在于围岩主(图5b)，是控制性结构面。要和控制性NWW向软弱结构面与隧道轴线以15。麻粒岩体与黑云母斜长片麻岩之间的构造挤压～25。小角度斜交，这对岩体稳定不利；复杂性在于破碎带由断层泥或构造泥质夹层、压碎岩构成，且往隧道横断面上地层岩性可能是非单一的，并在纵断往是多层重复出现，一般厚度达20—30cm(图5a)。面上岩性及其岩体结构不断变化，开挖和支护设计其中，断层泥厚度不均，延展性差，薄的1～3mm，厚需要实时变更。图6麻粒岩与黑云斜长片麻岩之间的构造挤压破碎带Fig．6Samplefromtheshearzonebetweengranuliteandbiotitegneissa．黑云斜长片麻岩透镜体；b．正交偏光下构造挤压透镜体影像(标尺长1ram) 572JournalofEngineeringGeology工程地质学报2010图7隧道正洞地表出露的辉绿岩脉(左)和花岗伟晶岩脉(右)Fig．7Thediabase(1eft)andgranite-pegmatite(fight)veinsoutcroppedintunnelalignment同时，组成围岩的工程地质岩组及其物理力学级围岩。特性复杂。旧堡隧道洞身施工揭露的岩组主要包括③块裂结构：指由黑云斜长片麻岩构成的岩体，麻粒岩岩组，黑云斜长片麻岩岩组及少量花岗伟晶除自身片麻理外，节理裂隙一般发育。掌子面上黑岩脉。麻粒岩岩块虽然强度高(平均67．3MPa)，但云斜长片麻岩天然含水量高，蒙脱石等黏土矿物含结构面发育且普遍被厚度不等的构造夹泥层所填量达30％，岩体强度低，可视为软岩；深埋条件下可充，形成所谓的“泥包石”，岩体强度小于5MPa；黑按照Ⅳ加强或V级围岩进行支护。云斜长片麻岩虽干单轴抗压强度较高，结构面欠发④层状碎裂结构(图8b)：指NWW向小型挤育，但隧道内却表现为天然含水量高，强度急剧降压构造面虽非常发育但间距较大(通常10～低；黑云斜长片麻岩与麻粒岩以构造挤压带接触，20cm)、主要以节理(130。～150。／34。一55。)为控呈互层或夹层状产出。两种岩组间构造挤压带产状制性结构面的麻粒岩体，构造面通常为薄层构造夹陡倾且走向与隧道轴线呈小角度斜交。泥所填充。一般可按照Ⅳ级围岩进行支护。4．3．2旧堡隧道岩体结构分类(2)复合岩体结构类型根据旧堡隧道主要工程地质条件及其岩体结构复合岩体结构也可按照掌子面上岩组组合及特征，可把旧堡隧道围岩岩体结构归纳为以下类型：NWW向挤压构造带的发育情况进一步细分为单复(1)单一岩体结构类型合结构和多复合结构：根据掌子面上岩组和软弱结构面发育情况，又①单复合结构：主要指隧道断面上一侧为麻粒可以细分为：岩岩体另一侧为黑云斜长片麻岩(图8c，图5a)，或①松散碎裂结构(图8a)：指麻粒岩体主要发一侧为麻粒岩岩体另一侧为花岗伟晶岩脉构成的岩育似层理(产状：130。一150。L34。～55。)和NWW体。第一种结构比较常见，但麻粒岩和黑云斜长片向节理，两者将掌子面麻粒岩切割成碎裂化岩体，掌麻岩在隧道断面上的比例及位置可能有多种组合且子面可能包括1条或多条NWW向挤压构造带，也随着掘进而连续变化；可能不发育NWW向挤压构造带；一般可划分为Ⅳ②多复合结构：这里主要是指隧道断面上麻粒或V级围岩。岩岩组和黑云斜长片麻岩组多次互层或呈夹层状产②块状碎裂结构：指由花岗伟晶岩脉构成的岩出、中间同时产出多条构造挤压带(图8d)，但岩性体。这种岩体虽然节理裂隙较发育，施工时洞周也比例和位置不确定。常发生大面积串珠或雨滴状淋水，但岩石坚硬且结在上述各种岩体结构类型中，隧道施工中最常构较完整，隧道开挖后较稳定，一般可确定为Ⅱ或Ⅲ见的是松散碎裂结构(图8a)和单复合结构(图8 18(4)孙福军等：张集线旧堡隧道工程地质条件和岩体结构特征研究573图8旧堡隧道岩体结构示意图Fig．8SchematicsectionofrockmassstructuresofJiubaotunnela．松散碎裂结构；b．层状碎裂结构；c．单复合结构；d．多复合结构c)的围岩；但是围岩级别划分比较困难，需要综合第一，对于单复合岩体结构围岩，研究两种岩体考虑各岩组的比例、位置及构造挤压带的数量。(黑云母斜长片麻岩与麻粒岩)的强度特性及差异、地下水状态、水岩相互作用及差异，结构偏压，深埋5结论条件下围岩一支护结构相互作用规律，优化现有施工方法，制定经济合理的初期支护参数及支护时机，在详细地质调查、测试和分析基础上，认为旧堡为剩余洞段的施工设计提供依据；隧道围岩的岩体结构具有特殊性和复杂性。晚太古第二，对于松散碎裂结构围岩，研究较高地应力代麻粒岩岩块坚硬但结构面发育且普遍含较厚的构作用下围岩一支护结构相互作用规律，研究地下水造夹泥；黑云斜长片麻岩天然含水量高，蒙脱石等对软弱结构面乃至岩体弱化的作用机制，制定经济黏土矿物含量高，岩体强度低；两者呈挤压构造接合理的初期支护参数、行之有效的诸如注浆等辅助触，接触面NWW走向与隧道轴线呈15。～25。的小工法，以及仰拱跟进、二次衬砌施做的时机；角度斜交；将隧道围岩岩体结构按照岩组构成和软第三，对于块状结构的黑云斜长片麻岩围岩，由弱构造带发育情况归纳为两大类6个亚类，施工中于天然状态下强度低，富含黏土矿物，较高地应力下比较常见的主要是由麻粒岩构成的松散碎裂结构及可发生塑性挤压大变形，可通过试验制定合适的掘一侧为麻粒岩另一侧为黑云斜长片麻岩的单复合结进循环进尺及经济合理的初期支护参数。构。针对这种具有特殊和复杂岩体结构的围岩，目参考文献前采取的三台阶七步开挖法及支护结构设计需要进一步优化，主要包括以下几个方面：[1]谷德振．岩体工程地质力学基础[M]．北京：科学出版社，1979． 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