崇禮-赤城大斷裂在白草鞍隧道中的特征分析

黃東橋

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300143)

白草鞍隧道位于河北省張家口市赤城縣境內，全長11 780 m，隧道最大埋深為440.0 m，最小埋深不足20 m。隧址區位于燕山山脈西段低中山區，區內山峰林立，綿延起伏，大部基巖出露，局部被黃土覆蓋。峽谷深切，多呈“V”字形，地形起伏較大，最大高差約450 m[1]。

區域地質資料顯示，崇禮—赤城大斷裂在隧址區通過，為區域性大斷裂[2-3]。勘察過程中，利用地質調查、物探、鉆探等多種手段開展綜合勘察[4-7]，查明了該斷裂的巖性特征、產狀分布和發育程度，為隧址區線路選擇[8]提供了詳實的地質資料。

1 崇禮—赤城大斷裂特征概述

崇禮—赤城大斷裂的形成始于前震旦紀，該斷裂切割了赤城以西的震旦系地層，同時控制了中生代巖漿巖系和第三紀漢諾壩玄武巖的噴發和沉積。前震旦紀和燕山期的巖漿侵入活動[3]，說明該斷裂有多期復活的特性，其中以中生代活動最為強烈。

崇禮—赤城大斷裂在赤城縣被第四紀地層掩蓋，蔣家鋪巖體以西近10 km范圍的中侏羅統后城組蓋層內均未發現該斷裂通過的跡象，其原因有待進一步研究。

2 隧址區崇禮—赤城大斷裂綜合勘察

2.1 地質調查

依據地質資料，判定崇禮—赤城大斷裂主要分布在白草鞍隧道進口段，隧道里程范圍為DK106+400～DK107+350。以地質圖中斷裂位置為中心，在1 km范圍內進行地質調查，查明了與線位相交的2條巖性接觸帶和1條斷裂束構造行跡，分別編號為Dy01號、Dy02號、Dy03號觀測點。在線路兩側還發現了斷裂束3條和巖性接觸帶4條，亦編號并建立了相應的觀測點。推斷上述4條斷裂束即為崇禮—赤城大斷裂在隧址區的構造行跡。將4條斷裂束按隧道里程由小到大依次編號為：fy1號、fy2號、fy3號、fy4號。地質調查成果見圖1。

通過研究區域地質資料和地質調查，初步查明了崇禮—赤城大斷裂在隧址區的構造活動行跡及巖性特征。為了進一步明確fy1號、fy2號斷裂的位置，查明其深部地層巖性分布特征，布置了以有源(CSAMT)音頻大地電磁法為主的物探測試。同時，有針對性的布置了斷裂構造及突水涌泥等控制孔和巖性控制孔。

圖1 地質調查成果示意

2.2 物探測試

采用有源(CSAMT)音頻大地電磁法，測點點距25 m，工作最低頻率為8 Hz，最高頻率為9 600 Hz；沿白草鞍隧道布置一條貫通性測線，針對崇禮—赤城大斷裂布置橫測線，測線長1 200 m，有效測點480個，檢查點12個。同時，以地震折射法作為補充，其工作參數為：單排列長度110 m，12道接收，道距10 m，錘擊震源激發。隧址區該斷裂段視電阻率分布特征見圖2。

圖2 隧址區崇禮—赤城大斷裂段落視電阻率分布

在物探分析過程中，通過修正和反演等手段去除干擾因素[9-11]，得到相對準確的地質體視電阻率分布特征(見圖2)。不同地質體因其礦物成分、構造、裂隙發育程度及其充填物質不同，其電阻率會有所差異。以此為主要標準，根據地質體視電阻率的差異變化，劃分出可能的斷裂和巖性接觸帶位置(由于進口位于測線邊界，受邊界條件干擾，F1號斷裂的位置準確性相對較差)。

根據物探測試成果，初步查明了隧址區崇禮—赤城大斷裂段落深部地層分布特征：主要斷裂2條(編號F1、F2)和主要的巖性接觸帶：F1號斷裂在洞身附近出現了低高阻分界，由低阻向高阻劇烈變化，推斷線性異常里程為DK106+200附近，斷層破碎帶巖石破碎、含水；F2號斷裂在洞身附近出現了低高阻分界，由低阻向高阻變化劇烈，推斷線性異常里程為DK107+150附近，斷層帶巖石破碎、含水。

經過分析對比，F2號斷裂與通過區域地質資料和地質調查查明的fy3號斷裂為同一斷裂，相互之間得到了驗證。根據上述地質體的位置，應在相應段落適當加密鉆孔。

2.3 鉆探驗證

綜合分析地質調查和物探成果，根據斷裂帶和巖性接觸帶的分布，該斷裂帶共布置鉆探驗證孔3個，其中09-Zb-3720和09-Zb-3720-1為斷裂構造及突水涌泥等控制孔，09-Zb-3721為巖性控制孔。

鉆探巖芯特征和斷裂特征的分析統計見表1、表2。洞身位置斷裂構造的巖芯見圖3～圖5。

表1 鉆探巖芯特征統計

表2 鉆孔查明的斷裂特征統計

圖3 09-Zb-3720孔45～49.7 m構造帶巖芯

圖4 09-Zb-3720-1孔31～35 m構造泥巖芯

圖5 09-Zb-3720-1孔60～64.7 m構造帶巖芯

3 隧址區崇禮—赤城大斷裂特征綜合分析

3.1 地層巖性

該段落大部分地層基巖出露，局部地表覆蓋第四系上更新統坡洪積層(Q3dl+pl)，主要出露地層有中侏羅統后城組(J2h)砂礫巖、太古界紅旗營子組花崗片麻巖(Arh)；燕山期侵入巖花崗巖(πγ52-2)、閃長巖(δ52-2)，局部少量出露石英斑巖(λπ)。

(1)第四系上更新統坡洪積層(Q3dl+pl)

主要為新黃土、粉質黏土，黃褐色、褐黃色及褐色，硬塑—堅硬，局部呈軟塑狀，土質不純，含較多角礫碎石，厚約0～10.0 m，主要分布在隧道進口附近。

(2)中侏羅統后城組(J2h)

主要為灰紫夾暗紫色砂礫巖，灰紫、暗紫色，強風化—弱風化，礫狀結構，中厚—厚層構造，節理裂隙發育。

(3)太古界紅旗營子組花崗片麻巖(Arh)

主要為灰色、灰綠色花崗片麻巖，粗粒變晶結構，片麻構造，節理裂隙發育，巖芯呈柱狀，局部呈塊狀、碎塊狀，與中侏羅統后城組(J2h)凝灰巖呈不整合接觸。

(4)燕山期侵入巖

花崗巖：主要為黃褐色夾灰綠色、肉紅色，粗粒結構，塊狀構造，主要礦物成份為石英、正長石、黑云母，節理裂隙發育，巖芯呈柱狀，局部呈塊狀，與中侏羅統后城組(J2h)砂礫巖呈不整合接觸。

閃長巖：灰色，主要礦物成份為石英、長石、云母，細粒結構，塊狀構造，節理裂隙發育，夾少量小晶體。

3.2 構造機理

在研究區域地質資料的基礎上，通過地質調查、物探和鉆探驗證等多種勘察手段，查明了斷裂構造4條，分別為fy1號、fy2號、fy3號、fy4號。其中，fy4號斷裂為fy3號斷裂的衍生斷裂，規模較小，未延伸至隧道洞身。

(1)fy1號斷裂

傾向為277°，傾角為60°，形成于燕山期，切斷了花崗巖地層，斷層上下盤均為花崗巖，為張性斷裂。在地質調查階段，未在洞身位置發現該斷裂，但在DK105+960右側約190 m的位置發現了斷裂活動跡象，后根據物探測試，判定在DK106+250附近可能存在斷裂構造。在鉆探驗證階段，在鉆孔09-Zb-3720(DK106+190.45左1.476 m)深度45～49.7 m發現斷層帶。根據以上3處斷裂構造的產狀和巖性特征綜合分析，判定為同一處斷裂，編號為fy1號。

該斷裂為燕山期侵入巖發育的小型斷裂。

(2)fy2號斷裂

傾向為20°，傾角為82°，形成于燕山期，切斷了花崗巖地層、砂礫巖。斷層上盤為砂礫巖，下盤為花崗巖，斷層帶內發育碎裂巖、斷層角礫巖、砂巖和斷層泥，為壓扭性斷裂。在地質調查階段，同樣未在洞身位置發現該斷裂，但在DK106+530右側約90 m的位置發現了斷裂活動跡象，物探測試判定，在DK106+300附近可能發育巖性接觸帶。在鉆探驗證階段，在鉆孔09-Zb-3720-1(DK106+387.90左14 m)，深度13～40.7 m和59.7～64.7 m發現斷層帶。根據斷裂構造和巖性接觸帶的產狀和巖性特征綜合分析，判定為斷裂，編號為fy2號，同時也是侵入巖與沉積巖的接觸帶。

(3)fy3號斷裂

傾向為210°，傾角為72°，切斷了花崗片麻巖、閃長巖地層。斷層上盤為花崗片麻巖，下盤為閃長巖，為崇禮—赤城大斷裂的主要活動跡象。其從前震旦紀開始形成，經多期構造運動，其中以燕山期巖漿巖侵入和燕山運動影響最大，為壓扭性斷裂。地質調查階段，在DK107+250附近發現了斷裂活動跡象。同時，根據物探測試判定，在DK107+100～400附近可能發育斷裂帶，綜合分析確定該斷裂為fy3號。

該斷裂為崇禮—赤城大斷裂的主要活動跡象，在太古屆片麻巖的基礎上，從崇禮—赤城大斷裂的形成開始，經歷了多期巖漿巖侵入和構造運動，形成了目前的斷裂構造特征。

3.3 綜合分析

根據隧址區崇禮—赤城大斷裂地層巖性的時代和成因，結合該段落斷裂的分布和形成過程，查明了崇禮—赤城大斷裂在隧址區的特征。其在形成之始受到前震旦紀及以前時代地層巖性的控制，初期巖性以太古屆片麻巖為主，后接受侏羅紀地層的沉積，同時受到多期構造運動的影響，以燕山期運動最為強烈。燕山期大規模巖漿巖侵入崇禮—赤城大斷裂構造，巖漿巖的侵入和固化相當于給斷裂構造進行了“注漿”，在一定程度上加固了斷裂構造，但同時也形成了新的斷裂構造。

古老的斷裂構造與其后期地層的形成和構造運動相互影響。崇禮—赤城大斷裂控制了侏羅紀、燕山期等時代地層的形成和分布。同時，侏羅紀、燕山期的地層和構造運動也改變了大斷裂原始破碎的狀態，掩蓋了大斷裂在隧址區大規模的構造行跡，形成了新的小型斷裂構造。

隧址區崇禮—赤城大斷裂段落縱斷面如圖6所示。

圖6 隧址區崇禮—赤城大斷裂段落縱斷面示意

4 結論

(1)崇禮—赤城大斷裂主要分布在白草鞍隧道里程DK106+400～DK107+350段落，通過綜合勘察，查明了其在隧址區表現行跡主要為4條斷裂束，工程編號分別為：fy1號、fy2號、fy3號、fy4號，其中，fy2號、fy3號斷裂與巖性接觸帶重合。

(2)古老的斷裂構造與其后期地層的形成和構造運動相互影響，相互改變著各自的特征。崇禮—赤城大斷裂控制了侏羅紀、燕山期等時代地層的形成和分布。同時，侏羅紀、燕山期的地層形成和構造運動也改變了大斷裂原始破碎的狀態，尤其是巖漿巖的侵入對破碎巖體起到了一定的固化作用，掩蓋了大斷裂在隧址區大規模的構造行跡，同時又形成了新的小型斷裂構造，此即為崇禮—赤城大斷裂在隧址區構造行跡不明顯的原因所在。

(3)崇禮—赤城大斷裂與其后期的地層形成和構造運動相互影響，斷層帶內發育有斷層泥、糜棱巖等，巖體破碎，設計施工時應重視其影響。

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