丁文富,蔣良文,宋 章,王 朋

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

圖1 廣昆鐵路秀寧隧道構造綱要

1 概述

秀寧隧道穿越云南省楚雄與昆明交界區(qū)域，是改建鐵路成昆線廣通至昆明段擴能改造工程全線的關鍵性控制工程，全長13 187 m，最大埋深約550 m，為設計速度200 km/h的單洞雙線大跨隧道，采用“進口平導+洞身三斜井”的輔助坑道方案，為全線最長、地質最為復雜的隧道。全隧富水斷裂帶、斷層糜棱巖、高壓巖溶涌突水、煤層瓦斯、軟巖大變形等重大工程地質問題突出，在建時該隧道為原鐵道部確定的Ⅰ級高風險管理隧道，曾被評估為全國鐵路十大高風險隧道之一。于隧道出口端通過的湯郎—易門深大斷裂為晚更新世活動斷裂，歷經(jīng)了多期構造活動，沿斷裂帶歷史上發(fā)生過多次中強地震，對區(qū)內地貌、水系及地質構造起控制作用?？紤]湯郎—易門區(qū)域性深大活動斷裂對該隧道的影響，在探討斷裂對地層巖性、地下水及地應力場影響的基礎上，分析斷裂改造作用對圍巖的影響，并調整圍巖分級，便于指導隧道設計和施工。

2 區(qū)域工程地質環(huán)境特征

2.1 多樣的自然地理特征

隧道地處云貴高原西北部，屬構造侵蝕、溶蝕中山地貌，山脈受區(qū)域構造制約，以近南北向為主。根據(jù)地貌形態(tài)劃分，隧道通過地段可分為中山嶺脊區(qū)和高原丘陵及深切溝谷區(qū)。其中，隧道中部象山及孝母山山脊延伸方向大致與構造線平行，為中山嶺脊區(qū)，占隧道長度近1/3；隧道進出口兩段及洞身大部分為高原丘陵及深切溝谷區(qū)，占隧道總長度近2/3。

2.2 復雜的區(qū)域地質構造特征

隧址區(qū)位于揚子準地臺川滇臺背斜的中西部，為小綠汁江基底褶斷區(qū)(Ⅳ)、祿豐—易門斷裂區(qū)(Ⅴ)與羅次—易門—西山構造褶斷區(qū)(Ⅵ)交接地帶(圖1)，地質構造復雜，褶皺及斷裂構造發(fā)育。青藏高原強烈隆升和中上地殼物質向東擠出、側向滑移，使原有的構造格局受到強烈的改造和變形，區(qū)內斷裂構造主要為近南北向、北西向和少量北東—北東東向斷裂。主要的區(qū)域性深大斷裂有元謀—綠汁江斷裂、湯郎—易門斷裂和普渡河斷裂等，它們大多經(jīng)歷了復雜的演化過程，表現(xiàn)出繼承性和新生性，常是構造單元的分界線，其分布和活動與大地構造和新構造分區(qū)有關[1]。

隧道通過地段形成了以象山向斜為主的一系列成群出現(xiàn)的近N20°E的線型緊密褶皺帶和以北北東向湯郎—易門深大斷裂為主的其他分枝斷裂縱列其間的構造格局(5個褶皺+8條斷裂)，地層多被切割成斷塊或斷片狀，沿斷裂帶兩側地層產狀紊亂，部分地帶巖層直立或倒轉。

2.3 多變的地層巖性特征

隧道除進口附近出露侏羅系(J)和出口發(fā)育少量震旦系(Z)地層外，洞身地段主要出露呈北北東向帶狀分布的前震旦系昆陽群(Pt)淺變質巖地層，主要巖性為強應變帶千枚板巖、灰?guī)r、白云巖、泥質板巖、炭質板巖、變質砂巖、絹云母板巖等(圖2)，其中可溶巖段長約2.5 km，占全隧總長的19%。隧址區(qū)受多期構造作用影響嚴重，巖體多具“碎裂巖化、糜棱巖化、片理化”特征，張性裂隙發(fā)育，完整性差，多破碎，常有薄層泥化物拌生。

圖2 秀寧隧道工程地質縱斷面示意

2.4 水文地質特征

秀寧隧道穿越金沙江與紅河水系分水嶺地帶。地下水主要為可溶巖區(qū)的巖溶水和以板巖為主的變質巖區(qū)基巖裂隙水，孔隙水次之。區(qū)內褶皺及斷裂構造發(fā)育，巖體受構造影響嚴重，節(jié)理裂隙發(fā)育，多破碎，為地下水的補給、徑流、排泄提供了良好的條件。根據(jù)地形地貌、巖性及構造特征綜合分析，全隧劃分為兩大富水區(qū)段[2]：象山向斜核部和大龍?zhí)赌鏀鄬拥臄嗔褞芪g潛流-承壓流谷地、分布于板巖地層內的夾層條帶溶蝕潛流谷地，地下水豐富，水頭壓力大。地下水的補給、徑流、排泄受地層巖性、構造及地貌等因素控制。褶皺帶、斷裂帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶和節(jié)理裂隙密集帶，隧道開挖易發(fā)生涌水、突泥和坍塌等危害。

3 湯郎—易門深大活動斷裂特征

3.1 活動性特征

該斷裂是組成川滇經(jīng)向構造體系的一條高級初次的構造帶[3]，形成于晉寧運動，具有長期的地質發(fā)展過程，經(jīng)歷了多期次的構造活動，對地質建造有著明顯的控制作用，控制古生代以來地質構造發(fā)育，構成多期巖漿巖的通道。主干斷裂北端在四川會理通安附近與安寧河斷裂帶相接，向南穿過金沙江后，經(jīng)湯郎、武定、羅茨、祿豐，由于其他構造體系干擾而終止于易門盆地以南，全長約155 km，秀寧隧道通過斷裂帶的南端。斷裂走向近南北，南部略偏西，深部為斷面傾向東、斷距約1 km的正斷層，而地表則為斷面傾向西的逆沖斷層。湯郎—易門斷裂為晚更新世活動斷裂，最大平均水平滑動速率為3.5 mm/a[1]，斷裂亦為西南主要發(fā)震構造，歷史上發(fā)生過多次中強地震，1755年1月27日，云南易門東發(fā)生了6級地震，在1995年發(fā)生了武定北6.5級地震。

3.2 斷裂在地表表現(xiàn)形式

斷裂在地表的表現(xiàn)形式在航片和衛(wèi)片上可以見到，斷裂帶由主干斷裂與其側旁近平行的次級斷裂組成，線性特征清晰，狹長的第三紀-第四紀河谷盆地呈串珠狀沿斷裂帶發(fā)育，沿斷裂發(fā)育有斷層埡口、水系錯斷、斷層三角面等斷層地貌。在秀寧隧道通過的象山及孝母山一帶，自新近紀以來一直處于抬升隆起狀態(tài)，新構造運動強烈在所難免，構造擠壓的高地應力是其最好的注釋。

經(jīng)實地調繪考察發(fā)現(xiàn)，該斷裂于秀寧隧道出口段通過，在穿越山梁時形成明顯的負地形斷層埡口，兩側巖層扭曲，產狀凌亂，層間褶皺和碎裂帶極其發(fā)育(圖3)；近斷裂帶壓碎巖、糜棱巖、構造透鏡體及片理化普

圖3 隧道出口吳家村附近斷層剖面

遍發(fā)育，硅化、綠泥石化、絹云母化和石墨化經(jīng)?？梢?；斷層破碎帶寬約950 m。

綜上，湯郎—易門斷裂具有以下特點：斷裂連續(xù)性好，延伸距離長，產狀變化不大；斷裂破碎帶寬，影響范圍大；斷裂帶內構造結構面發(fā)育；斷裂帶周圍形成的小斷層、褶皺等次級構造面發(fā)育。

4 斷裂對隧道圍巖的改造作用

4.1 斷裂對圍巖改造作用分析

4.1.1 對巖性及其力學性質的影響

湯郎—易門斷裂的發(fā)生、發(fā)展、復合是區(qū)內地質建造的主要控制因素。隧道通過區(qū)域主要為上昆陽群地層，是組成康滇古陸的基底，為泥頁巖建造和碳酸巖建造，區(qū)域上主要呈南北向條帶狀展布于斷裂帶西部的武定、羅茨、易門一帶，并且在巖相上也顯示了東西方向的相變，證實了該斷裂在上昆陽群沉積初期已起著控制作用。隧道開挖所遇古老變質巖地層多具軟巖特征，巖體所具有的各向異性、擴容性、軟塑性和流變性等都對圍巖的穩(wěn)定性有著重要影響[4]，即巖性及其力學性質是影響圍巖穩(wěn)定性的基礎因素(表1)。

表1 構造壓碎巖巖石物理力學指標統(tǒng)計

4.1.2 對巖體結構及裂隙的影響

大量隧道圍巖的失穩(wěn)破壞與巖體結構密切相關，一個是組成巖體的巖塊的大小，另一個是巖塊的組合形式。因此，研究巖體的結構面性質、組合方式及其變形破壞機制，可以合理地評價隧道圍巖的穩(wěn)定性和預測可能發(fā)生的破壞模式。結構面廣義上包含了斷裂、層理、節(jié)理及夾層面等結構面，巖體被這些結構面切割成了塊狀結構、層狀結構、碎裂結構和散體結構。

湯郎—易門斷裂是區(qū)內最高級結構面，以及其伴生、次生的高寨七賢村等斷裂，控制著附近區(qū)域巖體的抗剪強度和水理發(fā)生，對區(qū)域穩(wěn)定性和隧道工程具體部位圍巖穩(wěn)定性有重要影響，斷層破碎帶物質以散體狀斷層角礫、斷層泥和糜棱巖為主(圖4、圖5)，是秀寧隧道圍巖失穩(wěn)危害最大的部位。出口段的湯郎—易門斷裂破碎帶在地下水的作用下，圍巖呈軟～流塑狀涌出，造成了規(guī)模大、處理難度高的變形塌方，個別地段甚至冒頂，圍巖變更為Ⅵ級。

圖4 受構造影響嚴重 的碎裂狀巖體

圖5 湯郎—易門斷裂糜 棱巖開挖后呈流塑狀

經(jīng)統(tǒng)計，全隧發(fā)生較大的40多次涌水、塌方，70%以上都是發(fā)生在斷層破碎帶、節(jié)理密集帶、層間擠壓破碎帶及巖性接觸帶等存在軟弱結構面的部位，變形塌方的規(guī)模和危害與構造作用的大小，即結構面強度和巖體的完整性關系密切。在構造作用強烈、對巖體完整性影響大時，也就是巖體結構狀態(tài)為圍巖穩(wěn)定的主要因素時，巖石單體強度對洞室開挖圍巖的穩(wěn)定性影響是不大的。

4.1.3 對地下水活動的控制

秀寧隧道位于湯郎—易門斷裂區(qū)，為走向近南北的構造形跡，昆陽群大片出露，為一系列成群出現(xiàn)的NE20°左右線型緊密褶皺，部分發(fā)生倒轉；另有一組湯郎—易門深大斷裂斷分枝高角度沖斷層縱列其間。構造活動導致地層變形、破裂，控制地層分布、斷裂及其他導水空間的力學性質和延伸狀況，進而控制地下水的活動[5-6]。構造對本區(qū)地下水(巖溶水)活動控制作用主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

(1)導水斷裂及構造裂隙

斷層無疑是各構造區(qū)間巖溶水連通的主要途徑[7]。其中東山河斷層、大龍?zhí)稊鄬印⒏哒哔t村二號斷層是聯(lián)系隧址區(qū)巖溶水活動的主要斷層構造；由于隧址區(qū)巖溶水還有厚度較大的鵝頭廠組(Pt1e)和因民組(Pt1y)隔水層阻斷，而可里郎—寨腳倒轉背斜和高寨七賢村一號斷層是構造區(qū)穿越非可巖溶地段巖溶水活動聯(lián)系的主要通道。除了斷層外，其他規(guī)模較小的構造裂隙和可溶巖與非可溶巖接觸帶(圖6)也是一

圖6 板巖與灰?guī)r接觸帶及構造破碎帶涌突水情況

定范圍內巖溶水相互聯(lián)系的重要通道。褶皺是本區(qū)構造的重要組成部分，地層在彎滑褶皺過程中，往往出現(xiàn)一系列的導水空間(通道)，一是褶皺核部出現(xiàn)滑脫部位，二是形成一系列的派生斷裂，主要有層間破碎斷裂帶、張性節(jié)理密集帶等，這些導水裂隙在隧址區(qū)均普遍發(fā)育。

(2)可溶巖錯移連通

構造能使同一可溶巖地層錯移而不連續(xù)，也可使得不同的可溶巖地層通過斷層或者褶皺相互連通。隧址區(qū)內不同的可溶巖地層零星分布，但由于斷層沖斷及構造裂隙的發(fā)育，使得各可溶巖段巖溶水得以貫通而連續(xù)分布。

4.1.4 對初始應力場環(huán)境的改造

隧址區(qū)初始應力場的特征對隧道開挖后圍巖應力重分布二次應力場、三次應力場的形成影響最為直接，與地質構造、地形地貌、地層巖性、地下水、溫度以及隧道埋深等有密不可分的關系[8，9]。本次主要分析地質構造對應力場環(huán)境的改造作用，即對構造應力場的影響。

沿線區(qū)域構造運動強烈且頻繁，所對應的構造應力也發(fā)生了很大的改變。如前所述，湯郎—易門是一條古老的、經(jīng)歷過多期次構造活動的深大斷裂，在斷裂的形成、活動過程中，區(qū)域應力場也發(fā)生了多次擠壓、張拉等變化過程，且斷裂形成的主要時期是經(jīng)歷了擠壓破壞。所以，對隧道圍巖穩(wěn)定影響最大的是斷裂在擠壓過程中形成的構造應力場。

在隧道DSZ-AL-4、DSZ-AL-8深孔內采用水壓致裂法進行地應力測試(表2)，現(xiàn)今構造應力仍占主導地位，應力場狀態(tài)以NW向擠壓為主，最大主應力方向一般為N46.7° ～50.7°W；三向主應力之間的關系表現(xiàn)為：SH>Sv>Sh，洞身部位的最大主應力值為17～20 MPa，最小主應力值為10～12 MPa，該區(qū)域以高構造應力區(qū)[10]為主，其間存在應力相對較小的地段。

表2 深孔隧道洞身段地應力測試結果

綜合分析，雖然隧址區(qū)部分地段具有較高的應力水平，但巖性以古老地層的破板巖為主，灰?guī)r僅出露于隧道進口端埋深淺、應力水平較小地段，可以排除發(fā)生巖爆災害的可能。由于受多期構造活動的影響，圍巖結構面發(fā)育，整體強度低，以炭質板巖、斷層破碎帶及構造節(jié)理密集帶為主的軟弱圍巖在一定的應力條件下，就會發(fā)生顯著的塑性變形[11]，洞室開挖后難以形成自承拱，在支護不及時或支護強度不夠的情況下，圍巖變形難以控制，容易發(fā)生大變形和塌方等地質災害。隧道開挖過程中，在湯郎—易門斷裂主破裂面及其次級斷裂破碎帶、炭質板巖等軟弱圍巖地段，多次發(fā)生大變形和塌方，而沒有巖爆產生，這以之前對地應力的分析、測試是吻合的。

4.2 考慮斷裂改造作用的圍巖級別調整

4.2.1 設計階段圍巖特征認識

隧道通過區(qū)以元古界變質巖為主，板狀、片狀、千枚狀構造[12]，巖體在受多期次斷裂擠壓、推覆、隆起等運動影響下，原生結構面(片理、層理)和構造結構面(斷層、節(jié)理、層間錯動面)很發(fā)育，并以構造結構面為主控類型。巖體被切割破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，風化程度高，普遍具有“強片理化、碎裂巖化、糜棱巖化，親水性強，透水性弱、抗風化能力弱”的“三化、一強、二弱”特征?？辈爝^程中，根據(jù)隧道圍巖的堅硬程度、巖體的完整程度及風化程度等地質條件，進行了基本分級，并針對性地結合隧道埋深、地下水狀態(tài)及初始應力狀態(tài)進行修正[13]，隧道圍巖以Ⅲ級和Ⅳ級為主，Ⅴ級次之，Ⅱ級少許分布，其中Ⅱ、Ⅲ級圍巖主要分布在碳酸巖地層及遠離斷裂構造、受構造影響相對小的變質巖地段。

4.2.2 斷裂改造圍巖特征分析

考慮斷裂帶對巖體完整性及其力學特性、地下水分布及應力場等的影響，對秀寧隧道圍巖級別重新進行了梳理和調整，如表3所示，與設計圍巖相比，調整圍巖Ⅱ、Ⅲ級比例減少約15%，與之對應的Ⅳ、Ⅴ級圍巖增加較多。具體表現(xiàn)在大致以高寨—七賢村二號斷層為界，向隧道進口端遠離區(qū)域性斷裂密集區(qū)巖體自穩(wěn)能力越好，圍巖分級變化越小，調整Ⅱ、Ⅲ級圍巖亦主要出現(xiàn)在該段；而向隧道出口端越接近區(qū)域性斷裂，巖體破碎程度有增高的趨勢，圍巖分級變化快、頻次高，長大段落的Ⅲ級圍巖調整為Ⅵ級，甚至Ⅴ級，湯郎—易門斷裂帶富水斷層糜棱巖圍巖調整為Ⅵ級。后通過施工揭示發(fā)現(xiàn)，調整后圍巖級別基本符合開挖現(xiàn)狀，很好地指導了設計和施工。上述情況亦反映了隧道破碎巖體的不均一性，巖石強度和圍巖穩(wěn)定性與斷層距離遠近有關[14-15]，表現(xiàn)出圍巖越靠近出口端的湯郎—易門深大活動斷裂其完整性和穩(wěn)定性越差的明顯規(guī)律性。

表3 秀寧隧道勘察與施工圍巖分級情況對比

5 結語

深埋特長隧道大多施工困難，原因是地質復雜、多變，這與所處的大地構造背景關系密切，褶皺及斷裂發(fā)育，新構造運動強烈，導致圍巖破碎，在高地應力及地下水作用下，穩(wěn)定性差，圍巖級別變化頻繁，常出現(xiàn)較大變形和塌方，嚴重制約隧道施工。在斷裂構造發(fā)育區(qū)，通過分析研究主控結構面對隧道圍分級改造作用的影響，合理定位和修正圍巖分級，對完善隧道結構設計，確定有效的施工方法，評判隧道施工的風險性，規(guī)避施工和后期運營風險有著重要的意義。