新建包西鐵路東山二號隧道塌方工程地質特征分析

楊 杰

(石家莊鐵道大學 四方學院，石家莊 051132)

1 工程概況

新建包頭至西安鐵路工程為Ⅰ級鐵路客運專線(雙線)，設計時速250 km/h，滿足開行雙層集裝箱列車要求。東山2#隧道位于陜西省西安市浦城縣陳平鄉境內，隧道起始里程 DK698+102，終止里程 DK698+925，隧道全長823 m，進口段 DK698+102—DK698+359.26位于R=5 500 m的右偏曲線上，其余部分位于直線上。隧道于DK698+278、DK698+440處有兩條橫穿洞頂的沖溝。隧道最大埋深76.5 m，最小埋深15 m。隧道區所處地貌為低山丘陵地貌，海拔高度154～254 m，相對高差100 m，隧道地面坡度較陡，在洞頂有鄉村公路通過。洞內線路縱坡為單向上坡，坡度為7.8‰。

2010年7月11日15時56分，東山2#隧道DK698+346—DK698+358段正在進行二次襯砌鋼筋安裝，掌子面10名工人在進行支護施工，另有一名挖掘機司機在DK698+382處配合二次襯砌施工。15時56分，東山2#隧道DK698+382處前方頂部突然發生塌方，7月14日上午相繼發生兩次塌方，7月23日7時30分隧道內發生第四次塌方，塌方范圍 DK698+366—DK698+382，長度 16 m，坡腳延伸到 DK698+358;7月27日22時14分，隧道出現第五次塌方，塌方范圍DK698+351—DK698+366，長度 15 m，坡腳延伸至DK698+346;7月28日凌晨2時55分，隧道出現第六次塌方，塌方范圍 DK698+346—DK698+351，長度5 m，坡腳延伸至 DK698+338，本次塌方范圍已擴大到所有未二次襯砌的地段，塌方體已到達二次襯砌的拱部，坡腳延伸到二次襯砌以內約8 m;7月29日7時40分發生地表塌陷，中心位置約在DK698+384處，直徑約3 m，深約2 m，塌穴周圍8 m處發現有裂縫，裂縫最寬處為6 mm。

2 地質概況

2.1 巖性

隧道通過地段地層主要有粉質黏土、粉砂巖夾頁巖。

粉質黏土:淺黃色、黃色，硬塑，粉黏料為主，微含5%的碎石角礫，石質為砂巖，黏土粒徑一般為2～10 mm，分布于隧道溝谷山坡及緩坡地帶。

粉砂巖:為隧道洞身通過的主要地層，棕紅色、灰黃色、青灰色，薄層至中層狀，巖質較硬，節理裂隙發育，風化層厚。全風化帶 W4厚0～6 m，強風化帶 W3厚10～30 m。

頁巖:為隧道洞身通過的主要地層，棕紅色、灰黃色、青灰色，薄層狀，節理發育，風化層厚，巖質軟，巖體呈破碎狀，下伏弱風化帶(W2)，粉粒結構，泥質膠結巖石破碎。

2.2 構造

隧道地質構造:隧道進口端位于金坑背斜SW翼，主要產狀為:N85°E/25°SE，節理產狀為 N30°E/45°NW、N50°W/65°NE，DK698+800 處為金坑向斜，軸部走向為 N56°W，其小里程端主要巖層產狀為 N5°W/80°SW，節理產狀為 N80°E/44°SE、E － W/90°，大里程端主要巖層產狀為 N40°W/42°NE，節理產狀為 N65°E/65°SE、S － N/90°。

2.3 地下水

隧道所在區域地下水以基巖裂隙水為主，受大氣降水及地表水補給。

該隧道設計的圍巖級別主要為Ⅳ、Ⅴ級兩種，各級圍巖比例分別為Ⅳ級36.5%，Ⅴ級63.5%。隧道按鉆爆法設計，采用復合式襯砌，初期支護采用錨噴網支護。

3 東山2#塌方的工程地質特征分析

通過對東山2#塌方事故隧道進行了現場勘察(見圖1)，重點對隧道內塌方、隧道上方的塌陷空洞以及在地表整治工程中開挖揭露的連續基巖剖面進行了系統研究，初步探明了本次塌方事故的主要工程地質特征。

圖1 東山2#隧道(局部)縱斷面圖

3.1 塌體的巖石構成

經現場觀測發現，構成塌方體的巖石主要有兩種:

1)粉砂巖:為隧道塌方洞身通過的主要地層，灰黃色、青灰色，薄層至中層狀，巖質較硬，節理裂隙發育。在塌方體中多以被構造結構面切割的不規則塊體出現，體積(1.5 m×2.5 m×1.2 m)～(0.5 m×0.5 m×0.2 m)不等，表面多見黃褐色風化膜，也可見紅褐色軟泥，塌體內的砂巖風化程度不深，巖石力學指標衰減不明顯，掌子面開挖后穩定。

2)頁巖:為隧道塌方洞身通過的主要地層，黑色、灰黑色，薄層狀，節理發育，巖質軟，泥質膠結，巖體呈破碎狀。在塌方體中多以被構造結構面切割的薄層出現，層厚0.20～0.15 m不等，表面可見構造作用形成的摩擦鏡面，也可見斷層階步，巖石內片理發育，巖石力學指標衰減強烈，構造節理密集帶多沿著這一巖層發育。

上述兩種巖石在區域上相間分布(圖2所示)，所發育的優勢節理產狀非常穩定。在隧道沖溝地表整治工程中所揭露地質剖面中可以看到，在不到100 m的范圍內，兩種巖石交互出現了8次，其中一段在3 m的范圍內，兩種巖石相間出露，構成了一個產狀穩定的構造節理帶。

圖2 東山2#隧道頂部巖石地質剖面素描示意

3.2 控制塌體的地質構造

本地區的地質構造主要以脆性構造為主，在隧道塌方段主要以各種成因的構造結構面為主，經現場勘測發現，共發現有各種構造結構面5組，其中層理產狀一組 25°∠40°，節理產狀 4 組:172°∠55°、245°∠79°、5°∠80°，這其中最穩定、最發育的一組節理產狀為(355°～15°)∠(70°～85°)。

這一組節理產狀穩定，在隧道施工范圍內廣泛分布，其延伸展布與2#隧道洞頂出現的塌穴的展布特征相吻合，表現為明顯的壓剪性節理特征:節理面平整光滑，延伸較長，切穿地層，延伸至地表，寬度 0.20～0.45 m不等，其間所夾巖石均為片理發育，炭質局部富集，可見石英脈充填，在個別地段可見到紅色蝕變的巖石。尤其是在1#、2#隧道之間洞頂上出露的一條寬約3 m、由兩種巖石相間出露構成了一個產狀穩定的構造節理帶，初步推斷此構造為直接控制本次塌方的地質構造。

3.3 地下水的特征

該地區的地下水主要以裂隙水和孔隙水為主，補給主要是大氣降水。10月至次年3月為旱季，4月到10月為雨季，2010年當地發生了數十年一遇的特大干旱，而進入雨季后，特別是5、6、7月份強降雨，使得洞身周圍巖土含水量發生突然變化，洞頂土體自重驟然增加，同時對于隧道圍巖中的軟弱夾層有軟化性，起到潤滑作用，誘發圍巖失穩和突變。

而在施工中DK698+250—DK698+300及DK698+435—DK698+450段洞身地表有水田，為季節性松軟土和富水區，洞身地表20 m范圍內用M7.5漿砌片石鋪砌，在施工現場塌方前尚未施作的因素與本次塌方的發生無直接關系。

其理由如下:

1)從沖溝與塌方點的位置關系上看，DK698+250—DK698+300處沖溝的位置位于塌方點小里程(后方)82 m處，中間相隔一山包，屬于兩個不同的地形和水文地質單元，跟塌方地段無直接關系。

DK698+435—DK698+450處沖溝的位置位于塌方點大里程端之外側，塌方首先發生在DK698+382—DK698+410段，不在此沖溝范圍之下，而位于沖溝北側山坡至山頂段，從而可以判斷沖溝中的地表水活動對于塌方體中的含水量影響不大，而造成塌方部位巖體重度增加、改變塌方段巖體強度的地下水主要來源于塌方體上方山體下滲的地表水。

2)從地表施作 M7.5漿砌片石功能來看，其主要作用是導流地表水和防止沖刷，而防滲作用和封閉隔水作用并不明顯，所起的防治地表水下滲軟化結構面的作用有限。

4 東山2#塌方的工程地質模式

本次塌方的工程地質模式見圖3。

圖3 東山2#隧道塌方的工程地質模式示意

4.1 特殊的巖石組合

塌方一般發生在巖石較為破碎的地段，但據現場觀測，地層以粉砂巖為主，塌方地段圍巖多數風化不重，巖質較硬。坍塌前變形征兆不明顯且滯后時間較長，具硬質巖脆性破壞變形的特征，所表現的突發性更為強烈。

4.2 隱伏的地質構造

塌方地段發育的地質構造由于地表覆蓋不易發現，但高角度構造剪切節理帶是控制本次塌方的主要地質構造，這些構造擠壓破碎條帶相隔數米至十余米平行展布，其間巖石多見摩擦鏡面、片狀炭質成分和方解石細脈，成為巖體中相對存在的軟弱帶。其中一組節理及擠壓破碎帶與隧道軸線走向小角度交匯，在洞頂上縱向延伸較長，切割巖體直至地表，并與另一組節理和層面組合，將地層切割、分離成大小不等、錯綜復雜的塊狀巖體。這種產狀陡立、縱向延伸較長，且結構面產狀的不利組合，是該段發生大規模坍塌的基本地質條件。

4.3 異常的降水

沿優勢破碎結構面，多見裂隙水滲流，尤其是連續降雨，隧道內沿著構造結構面的滲水量增大，對炭質頁巖和擠壓破碎條帶中的夾雜物質有沖蝕和軟化作用，使結構面黏結強度降低，加劇了巖體的不穩定性。

4.4 不利的隧道圍巖結構面

塌方地段分布縱向陡傾角構造節理發育帶，帶間巖石堅硬，風化程度低，在勘測和開挖后，均表現穩定、堅硬的圍巖(此處定Ⅳ級圍巖主要是考慮到隧道埋深較淺)，這種圍巖的變位失穩主要沿著切割巖體的結構面發生，而在洞頂圍巖中存在向上方延伸的、平行排列的破裂結構面，當大跨度的隧道掘進施工，切穿隱伏結構面，形成隱蔽的連續不穩定巖體，加之裂隙水滲流、軟化作用使結構面強度降低，形成突發性大規模坍塌。

5 結語

1)東山2#隧道塌方事故發生的原因，是當地地層分布區地質構造復雜，在褶皺和斷裂發育的背景下，存在工程性質極為惡劣的陡傾角構造節理密集發育帶。由于其性狀復雜，認識難度大及變形征兆不明顯，具有突出的隱蔽性、爆發性及連續性，是難以預測和防范的特殊地質災害。

2)隱伏的地質構造、異常的降水、不利的隧道圍巖結構面等多種因素是造成本次塌方的直接誘因，尤其是縱向陡傾角構造節理發育帶，帶間巖石堅硬，風化程度低，具有極強的隱蔽性，對陡傾角構造節理發育帶的特征及危害認識不足。在認識上有盲區，措施不到位，應從中吸取教訓，深入研究地質復雜、時代復雜的沉積巖各類斷裂構造發育及組合規律，特別是對地下工程威脅很大的陡傾角構造節理發育帶、劈理發育帶的工程特征及分布規律。

3)建立合理的地質災害防控機制是有效認識地質災害和有效防治地質災害的關鍵。

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