隧道穿越韌性剪切帶的綜合勘察分析及圍巖劃分

常帥鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

1 概述

阿爾金山地處甘肅、新疆、西藏和青海四省交界地帶，依據現有研究資料[1]，可細分為敦煌地塊、阿爾金北緣蛇綠混雜巖帶、中阿爾金中—新元古代構造巖帶、阿爾金構造雜巖帶和阿爾金南緣基性超基性巖帶5個構造單元[2]。新建格爾木至庫爾勒鐵路經青海省西部海西蒙古族藏族自治州格爾木市，穿越阿爾金山，到達新疆維吾爾自治區東南部巴音郭楞蒙古自治州境內庫爾勒市，全長約1 200 km。其中七面峰4號隧道穿越阿爾金山阿爾金中-新元古代構造巖帶，斷層、褶皺等構造發育，地質條件復雜，且既有研究資料相對較少。

結合阿爾金山地區已有區域地質資料，采用航片衛片判釋、現場調繪、物探和鉆探等相結合的綜合勘察方法，查明了隧道通過區域的工程地質和水文地質特征，為隧道圍巖級別劃分提供了科學的依據[3]。

2 工程地質概況

新建格庫鐵路七面峰4號隧道起迄里程為DK636+050～DK639+080，隧道全長3 030 m，最大埋深295 m。洞身采用14.1‰的單線單面坡(進口高出口低)；該隧道位于阿爾金山斷裂隆起帶[4]，構造線走向多為NEE，傾角較陡，但亦有NWW向斷裂和帚狀斷裂，并伴有巖漿活動；隧道進口處附近發育有區域性大斷裂(北緣斷裂F19)，隧道出口發育有F20-1斷層帶，隧道洞身穿越5條次級斷裂f10～f14，使得該隧道處于大斷裂形成的韌性剪切帶上[5-6]。隧道區域構造分布及調查情況見圖1。

圖1 隧道區域構造分布及調查示意

隧道洞身通過地層主要為元古界薊縣系馬特克布拉克組片巖夾片麻巖(PtjmSc+Gn)，灰黑色，變晶結構，片狀構造，其主要礦物成分為石英、長石，含少量云母。受地質構造影響，局部節理裂隙發育。片麻巖為肉紅色-灰黑色，片麻狀構造，礦物成分與花崗巖相似，其主要礦物成分為鉀長石、石英，含少量黑云母，呈層狀夾于片巖層中。受地質構造影響，局部折曲發育，巖體破碎。

隧道區域地表水不發育，勘察期間未見地表水，隧道區地下水主要為基巖節理風化裂隙、構造裂隙以及斷層破碎帶中賦存的地下水，由于補給源的限制，整體水量不大。采用降水入滲法計算，隧道單位長度涌水量為0.09～0.20 m3/(d·m)，屬于貧水—弱富水區。

3 韌性剪切帶的綜合勘查分析

3.1 綜合勘查手段的應用

通過該區域DEM(數字高程模型)和航片衛片對比，可發現隧道區域F19和F20-1斷裂在地貌上變化醒目，色調明暗變化清晰，連續出露，斷裂十分明顯，影像表現為一平直如刀切直線，局部有錯斷痕跡，支斷裂發育。

在航片衛片判釋和區域地質資料的基礎上，對線路兩側各500 m范圍內進行詳細的工程地質調繪，查明了隧道通過區域斷層基本特征、各巖性地層接觸關系及界線、不良地質體分布情況及特征。共計完成野外地質觀測點52個。

根據野外調查情況結合地形地貌特征，在隧道出口段布設高密度電阻率法物探剖面一條(長1.2 km，有效測點20個)，該剖面電阻率特征見圖2。從物探測試結果可以看出[7]，測區內電阻率一般小于100 Ω·m，最大電阻率約為370 Ω·m；各斷層帶內巖體電阻率小于60 Ω·m，斷層影響帶內電阻率為50～100 Ω·m，表明該區域受構造影響嚴重，巖體破碎。對比野外調查資料，物探結果顯示的斷層位置走向等特征與野外調查結果基本一致。

圖2 隧道出口段物探釋譯剖面

在航片衛片判釋、野外調查和物探測試成果的基礎上，通過鉆探對隧道區域韌性剪切帶內斷層位置及巖性進行驗證。在隧道出口段物探剖面范圍內布置3個鉆孔，各鉆孔巖芯特征見表1。并對D4Z-137號鉆孔進行彈性波波速測試，計算得到巖體完整性系數為0.28，判定為破碎。

表1 鉆孔巖芯特征統計

3.2 韌性剪切帶特征

區域地質資料顯示，阿爾金斷層主要形成于華力西期，是一條具有多期活動的斷裂帶，大致呈NEE走向，在前古生代表現為一條具有拉張特征的構造帶，中生代時期發生了強烈的左旋走滑活動，新生代時期又伴有強烈的逆沖擠壓作用(既有高角度的逆沖，也有低角度的逆掩)，將前古生代推覆到中、新生界之上[8-11]。F19和F20-1之間形成的韌性剪切帶正是該區域多起構造演化發展的產物[12-13]。

在隧道通過的韌性剪切帶內，受構造活動影響，斷層發育，巖體破碎。通過綜合勘察手段[14-15]，查明韌性剪切帶內各斷層性質如下：

(1)f10斷層：于DK636+794～DK636+814段與隧道洞身大角度相交，斷層產狀為N35°～50°E/60°～75°S，為壓扭性逆斷層，斷層上、下盤均為晚元古代中期花崗巖，斷層破碎帶寬度為5～10 m，局部地段寬度可達20 m。斷層帶物質主要為壓碎巖，原巖成分主要為花崗巖，局部見片巖夾于其中。該斷層受地質構造影響嚴重，斷層帶兩側巖體較破碎，對隧道工程影響較大。

(2)f11斷層：于DK637+444～DK637+464段與隧道洞身大角度相交，斷層產狀為N10°E/84°W，為壓扭性逆斷層，斷層產狀與片理產狀近于一致，斷層上、下盤均為元古界薊縣系云母石英片巖夾大理巖，斷層破碎帶寬5～10 m，主帶內為壓碎巖，兩側可見斷層角礫及糜棱巖，對隧道工程影響較大。

(3)f12斷層：于DK637+664～DK637+684段與隧道大角度相交，斷層產狀為N65°～70°E/55°～80°S，為壓性逆斷層，斷層帶上下盤均為元古界薊縣系云母石英片巖夾大理巖，斷層破碎帶寬3～8 m，斷層帶物質為壓碎巖，局部地段可見節理密集帶，對隧道工程有一定影響。

(4)f13斷層：于DK638+205～DK638+240段與隧道洞身大角度相交，斷層產狀為N60°～70°E/45°～65°S，為壓性逆斷層，斷層帶上下盤均為元古界薊縣系云母石英片巖夾大理巖，斷層破碎帶寬15～20 m，局部寬度可達30 m，主要表現為沿片理方向的一系列節理密集帶，局部可見壓碎巖夾于其中，局部為斷層角礫，對隧道洞身影響較大。

(5)f14斷層：斷層破碎帶于DK638+555～DK638+695段與隧道洞身大角度相交，斷層產狀為N60°～75°E/55°～65°S，為壓扭性逆斷層，斷層帶上下盤均為元古界薊縣系云母石英片巖夾大理巖，斷層破碎帶寬30～50 m，斷層下盤影響帶寬度約20 m，斷層主帶可見寬5～6 m的糜棱巖及壓碎巖，兩側可見節理密集帶。受斷層帶影響，兩側巖體破碎，對隧道工程影響較大。

(6)F20-1斷層：主要位于隧道出口DK639+085～DK639+124之間，斷層與隧道大角度相交，斷層產狀為N30°～50°E/30°～60°S，為逆斷層，斷層帶上、下盤均為云母石英片巖，斷層破碎帶寬30～40 m，斷層帶物質主要為斷層角礫，對隧道工程有一定影響。

通過綜合勘察分析，七面峰4號隧道通過區域地質構造發育，韌性剪切帶中各斷層破碎帶內以糜棱巖和斷層角礫為主，斷層兩側影響帶內分布有寬度不等的壓碎巖和節理裂隙密集帶，韌性剪切帶內巖體整體較破碎—破碎；地表水和地下水均不發育，隧道整體屬于貧水—弱富水。

3.3 隧道圍巖劃分

根據圍巖巖體特征、巖石堅硬程度、巖體完整程度、風化程度、物探電阻率、埋置深度、地下水等影響對隧道圍巖進行綜合評價。考慮整個隧道位于韌性剪切帶內，巖體受構造影響嚴重，判定七面峰4號隧道圍巖級別以Ⅳ、Ⅴ級為主[16]，斷層破碎帶圍巖為Ⅴ級，其余段落為Ⅳ級，圍巖劃分情況見表2、表3。經隧道開挖驗證，實際情況與設計基本相符，無圍巖跨級別調整，未引起Ⅰ類變更[17]。

表2 七面峰4號隧道圍巖分級一覽

表3 七面峰4號隧道圍巖分級統計

4 結論

(1)七面峰4號隧道位于中阿爾金中—新元古代構造巖片構造單元內，地處F19與F20-1斷裂形成的韌性剪切帶內，構造發育，隧道巖性以元古界薊縣系馬特克布拉克組片巖夾片麻巖、片巖夾大理巖為主，局部有花崗巖入侵。受構造影響，巖體破碎。隧道區域地表水不發育，由于補給條件限制，地下水整體以弱富水為主。

(2)多起構造運動演化發展形成隧道區域韌性剪切帶構造現狀。通過航片衛片判釋、野外調查、物探測試和鉆探相結合的綜合勘察手段，查明了隧道通過區域韌性剪切帶內各構造的性質及各巖性的工程性質。