張集鐵路舊堡隧道斷層破碎帶初期支護大變形原因分析及治理措施

李 翔，劉占峰

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 工程背景

新建張家口至集寧鐵路全長178.01 km，是我國鐵路網京蘭通道的組成部分、一次性建成的復線工程，速度目標值160 km/h。舊堡隧道是該線控制性工程，位于河北省張家口市西約40 km處的萬全縣舊堡鎮與尚義縣土夭溝村之間，于外長城下穿越東洋河與洗馬林河的分水嶺，地貌屬洋河斷陷盆地西緣之冀北低中山區，隧道全長9 585 m，最大埋深493 m［9］，單洞雙線，斷面面積138 m2，洞身變質巖構造發育，巖體破碎，圍巖開挖級別以Ⅳ～Ⅴ級為主，隧道采用新奧法原理組織施工，施工至斷層破碎帶DK29+376～406地段多次發生溜渣突泥突水并引起大變形等地質災害，處理塌方變形時間達6個月，造成工期嚴重滯后，成本增加，也給施工帶來較大安全風險。

2 工程地質條件

2.1 地層巖性

隧道范圍穿越地層較復雜，進口附近為第四系上更新統坡洪積(Q3dl+pl)新黃土夾砂礫石，洞身范圍為太古界馬市口組(Arm)麻粒巖、黑云母斜長片麻巖、磁鐵石英巖及太古界下白窯組(Arx)淺粒巖，局部可見基性輝綠巖脈及酸性花崗偉晶巖脈侵入。斷層破碎帶地段分布為構造擠壓破碎巖與泥質夾層。

2.2 地質構造

隧道位于陰山東西復雜構造帶南部，中朝準地臺燕山沉降帶與內蒙古地軸分界處。北部屬內蒙古地軸，南部屬燕山沉降帶。構造形跡以斷裂為主，褶皺相對弱一些，巖漿活動比較強烈。在地質歷史上經歷了三期較明顯的構造運動，分別為前震旦紀、中生代及新生代構造運動。多期構造運動的疊加造成地質構造極其復雜。

隧道區中生代構造以一條北北東向逆沖斷裂(F3)為區內構造主線，與之配套的則為斷裂上下盤的一系列褶皺構造。根據調查，在DK30+260附近處可見順片理穿插厚8.0～10.0 m花崗偉晶巖脈以及規模只有1.0～2.0 m厚的數條巖脈，該處巖層呈小背斜狀，東翼產狀120°∠49°，西翼產狀195°∠8°。分水嶺附近為復向斜的軸部，小里程端表現尤其明顯;此外，隧道區斷裂也較多，除大斷層F3外，還存在12條小斷裂［9］。

根據野外、洞內地質詳查和節理統計，發現節理主要有4 組［10］，產狀分別為①130°～150°∠34°～55°，②200°～225°∠57°～84°，③280°～300°∠30°～45°，④40°～65°∠70°～82°。

2.3 地下水特征

舊堡隧道地下水類型主要為基巖裂隙水及賦存于斷層及影響帶中呈帶狀的構造裂隙水。基巖裂隙水，又分基巖裂隙潛水和承壓水兩類。基巖裂隙潛水分布較廣，以淺部為主，含于基巖風化帶、風化裂隙及構造節理裂隙中。而承壓水則是由于該隧道圍巖—太古界變質巖受多期構造運動影響，節理裂隙發育程度不同，且多期巖脈的侵入和斷裂的切割使軟弱構造破碎帶中含有斷層泥或構造夾泥層，對地下水運移形成切割阻隔作用，形成了部分地段和層位含水、部分地段和層位隔水的構造，形成了局部承壓含水體。勘察資料中對隧道涌水量進行計算預測［4］，隧道一般涌水量在16 013 m3/d左右，最大涌水量在61 157 m3/d左右，其中DK28+380～DK29+630段最大涌水量在17 688 m3/d左右［9］。

3 圍巖變形過程及原因分析

3.1 圍巖變形過程

隧道DK29+376～406段為F3斷層破碎帶，2010年 2月 26日施工至 DK29+406、仰拱至DK29+376，掌子面出現股狀涌水、溜渣，現場及時噴射混凝土封閉并開始全斷面徑向注漿加固。3月4日對DK29+389～400段進行套拱，3月6日套拱施作，拱架采用I20b型鋼，間距0.8 m，施作過程中水量突然加大，由日常50 m3/h持續增加到150 m3/h，最大達到200 m3/h，初支混凝土剝落，初期支護大面積開裂脫落，鋼架扭曲變形，部分變形嚴重的鋼架銼斷并發生塌方，如圖1、圖2所示，右側初支收斂大的已沒有襯砌厚度，至3月底變形收斂趨于緩和，后期至8月底是加固換拱作業。

圖1 初期支護大面積開裂脫落

圖2 初期支護變形開裂鋼架彎折

3月份DK29+320～+450段的監測數據表明，該段收斂變形最大處在DK29+390，至3月底其中導拱頂沉降位移最大值為46.7 cm，左側邊墻收斂46.3 cm，右側188.4 cm。收劍變形監測結果［10］如圖3、圖4所示。

3.2 變形原因分析

3.2.1 巖性特點

圖3 DK29+320～DK29+450段圍巖收斂變形曲線

圖4 DK29+390斷面收斂變形－時間曲線

舊堡隧道研究段范圍內出露地層巖性為太古界馬市口組(Arm)麻粒巖(或稱二輝斜長片麻巖)和黑云母斜長片麻巖。這是一套深變質、淺色麻粒巖相變質巖建造，具花崗變晶結構，弱片麻狀構造。該套變質巖系屬正片麻巖，即由中酸性淺層巖變質而成的。試驗測得天然狀態下單軸抗壓強度為0.22 MPa，風干狀態下的單軸抗壓強度為1.8 MPa。構造擠壓破碎帶的軟化系數 Ks＜ 0.22/1.8=0.12［9］。可見構造擠壓破碎巖不僅屬于極軟巖、弱膨脹巖，而且是易軟化巖石。受多期構造運動影響，易發生蝕變及形成構造擠壓破碎巖與泥質夾層。構造擠壓破碎巖與泥質夾層的黏土礦物主要以綠泥石和蒙脫石混層礦物為主，占黏土礦物總量的75% ～78%，其次是綠泥石、高嶺石等。構造擠壓破碎巖及巖體內極其發育的構造泥質夾層和斷層泥具有弱中膨脹性，天然含水量高并接近塑限，極易吸水軟化。

3.2.2 結構面特征

根據詳細野外和洞內地質詳查，圍巖軟弱結構面有節理、構造擠壓破碎帶。通過節理統計，發現節理主要有4組［6］，這幾組節理密度低形成節理密集帶，而且貫通性強，將巖體切割成菱形塊狀，節理面充填薄層黑色、墨綠色泥質物，擦痕鏡面明顯。

構造擠壓破碎帶非常發育，走向NWW，陡傾，與隧道軸線小角度相交。構造擠壓破碎帶［1］由斷層泥或構造泥質夾層、壓碎巖構成，斷層泥包裹著被壓碎的巖屑，中弱膨脹性，干燥時強度較高，遇水后迅速崩解。壓碎巖表現為灰白色透鏡狀麻粒巖碎裂巖塊，被暗綠色斷層泥或泥質夾層分隔，結構面上極發育擦痕及摩擦鏡面，表現出明顯的擠壓錯動痕跡;隧道開挖卸荷后張開性好。這種構造擠壓破碎帶在隧道斷面內分布廣泛，與節理化麻粒巖相間產出，成為研究段隧道控制性結構面之一。

3.2.3 多期構造運動疊加

由于多期構造運動疊加，斷裂構造兼具壓扭性推覆構造特征及張扭性斷裂特征［5］。早期該斷裂是北北東向斷裂構造組合中的一條，為壓扭性推覆逆斷層，斷層帶中可見高嶺土化、褐鐵礦化變質現象;后期發生脆性張扭性斷裂，表現為順斷層帶方向發育花崗偉晶巖脈，順應力面片理、劈理發育，斷層帶附近巖體節理、裂隙發育，斷層角礫多呈棱角狀。

3.2.4 地下水共同作用

舊堡隧道地下水類型主要為裂隙水，太古界麻粒巖受多期構造運動影響，節理裂隙發育，斷層破碎帶常因張開性好、構造角礫膠結松散、孔隙較大而容易形成具有較大儲水空間［3］。隧道的施工開挖又使破碎帶外側巖體構造面尤其是密閉節理面張開，基巖裂隙水與破碎帶中地下水連通性加強，造成裂隙間細粒流失［8］，加劇了構造擠壓破碎巖浸水后呈不穩定狀態，產生崩解、膨脹、軟化和沿裂隙面開裂現象。

4 圍巖變形段治理措施

針對隧道DK29+376～406段塑性變形、塌方，經過多次處理方案研究和召開專家會議論證后，主要采取如下措施。

(1)加強錨桿及初期支護結構

系統錨桿對控制圍巖大變形有很好的作用，要求加強錨桿的施作質量。左側邊墻錨桿長4.5 m，縱向間距0.8 m，環向間距1.0 m，右側拱部及邊墻采用長8 m自進式錨桿，縱向間距0.8 m，環向間距1.0 m。本段變形地段采用V級承壓斷面，邊墻仰拱厚度60 c m，仰拱65 cm。采用鋼筋混凝土襯砌，主筋φ25 mm，間距20 cm。初期支護采用H200型鋼鋼架，間距0.8 m，縱向連接采用I20b型鋼連接，間距1.0 m，單層φ8 mm鋼筋網，網格間距為20 cm×20 cm，預留變形量根據監控量測情況預留 30 ～35 cm。［2］

(2)注漿加固

對DK29+376～DK29+406段松動圍巖以及對右側臨擋護墻后松動巖體進行注漿加固，施工中采用外堵內固注漿法設計理念［7］，對變形松動圈以外巖體注漿形成止水帷幕封堵地下水，對已變形松動巖體注漿加固，為防止水壓力過大，以減少地下水對初期支護的壓力，在兩端設置泄水孔。實施過程中采用φ42 mm小導管，長 6.0 m，間距 1.5 m ×1.5 m;泄水孔間距 3 m×3 m，梅花形布置。注漿材料以硫鋁酸鹽水泥單液漿［水灰比(1～1.2)∶1］為主，普通水泥單液漿［水灰比0.8～1∶1］、普通水泥 -水玻璃雙液漿［水灰比(0.8～1)∶1］為輔。注漿結束標準以定量定壓相結合控制，即單孔注漿量達到設計注漿量的1.5～2倍(每延米1.2 m3)，注漿壓力達到設計終壓 3.0 ～4.0 MPa并維持10 min以上可結束該孔。

(3)增設臨擋護墻

右側增設臨擋護墻進行應急處理。擋墻內布設I16b型鋼，鋼架縱向間距1.2 m，擋墻每4 m澆筑一段。待加固完成穩定后進行拆除換拱處理。該段擋墻加固橫斷面見圖5［10］。增設臨擋護墻共有3個方案，方案優缺點見表1。

圖5 臨擋護墻加固橫斷面(單位:cm)

表1 臨擋護墻方案優缺點比較

綜合考慮各種因素，推薦采用方案二。

(4)加強初期后換拱

對DK29+376～DK29+391段止漿擋墻拆除后進行換拱，并先采取掛板混凝土加強初期支護，混凝土厚30cm。對DK29+391～DK29+406段侵限的部位進行換拱處理，初期支護先采用掛板混凝土加強支護，換拱結束后，抓緊施工二次襯砌。

根據設計的方案，通過全段注漿加固、加強錨桿和結構加強、增設臨擋護墻、拆除后重新施作，通過有效的注漿、逐段拆除，最終使該段圍巖大變形得到控制，保證了施工質量。舊堡隧道自2010年底貫通運營以來，運營狀態良好。

5 認識及建議

(1)舊堡隧道發生斷層破碎帶塌方大變形原因主要是由于地質復雜條件造成的，是太古界變質巖的巖性結構特征、多期構造運動疊加及地下水的共同作用，導致斷層破碎帶松弛的結果。只有對變質巖巖性結構特征和地下水對斷層破碎帶的影響進一步認識，施工中處理好地下水，堵排結合，避免地下水聚集，減小地下水的連通性，同時盡快使初支封閉成環，抓緊施工二次襯砌，避免隧道開挖卸荷后巖體構造面尤其是密閉節理面張開，才能避免塌方大變形事故的發生。

(2)對隧道塌方變形的處理應在加強結構支護、注漿加固、排堵地下水幾個方面綜合考慮，單一的加強支護或盲目的排水、堵水均不利于塌方變形事故的處理。

(3)變形處理場地施作困難時，臨時增設擋墻作為止漿墻，先避開變形段落繼續向前掘進，然后迂回處理，通過選擇合適的管棚錨桿長度和注漿參數，采用縱向側向注漿處理，待加固穩定后逐段拆除換拱處理，既贏得了施工掘進的時間又有較大的作業空間，同時也有利于安全救援。后期施工實踐證明，增設擋墻作為止漿墻方案是可取的。

［1］關寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］鐵道第二勘察設計院.TB 10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］張煒，李治國，王全勝.巖溶隧道涌水原因分析及治理技術探討［J］.隧道建設，2008(3):257-262.

［4］鐵道部第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊，中國鐵道出版社，1999.

［5］河北省地質礦產局.1∶20萬張家口幅地質圖及地質圖說明書［Z］.石家莊:河北省地質礦產局，2002.

［6］孫福軍，陳洋，曾慶利，喬志斌，李杰.張集線舊堡隧道工程地質條件和巖體結構特征研究［J］.工程地質學報，2010(4).

［7］張民慶，張梅.高壓富水斷層“外堵內固注漿法”設計新理念與工程實踐［J］.中國工程科學，2009(12):26-33.

［8］楊昵剛.云陽山隧道斷層破碎帶初支大變形原因分析及處理方案［J］.企業技術開發，2012(4).

［9］鐵道部第三勘察設計院集團有限公司.舊堡隧道地質勘察報告［R］.天津:鐵道第三勘察設計院集團有限公司，2011.

［10］鐵道部第三勘察設計院集團有限公司.舊堡隧道技術總結［R］.天津:鐵道第三勘察設計院集團有限公司，2011.