地质力学学报  2009, Vol. 15 Issue (3): 226-232
引用本文
罗利锐, 刘志刚. 断层对隧道围岩稳定性的影响[J]. 地质力学学报, 2009, 15(3): 226-232.
LUO Li-rui, LIU Zhi-gang. INFLUENECE OF FAULT CRUSH BELTS ON THE STABILITY OF TUNNEL ROCK[J]. Journal of Geomechanics, 2009, 15(3): 226-232.
断层对隧道围岩稳定性的影响
罗利锐1 , 刘志刚2     
1. 中国京冶工程技术有限公司, 北京 100088;
2. 石家庄铁道学院, 石家庄 050043
摘要:针对隧道开挖过程中的隧道围岩稳定性问题, 将地质力学中构造体系的复合及构造演化应用到隧道围岩稳定性分析中去, 分析了各种力学性质的单一式断层、归并复合式断层以及断层交会等的特点和对隧道围岩稳定性的影响, 并通过厦门海底隧道现场实例加以验证。研究结果显示, 断层交会和断层归并复合很容易引起围岩失稳, 断层的其他要素如风化程度、断层走向与隧道中线走向的夹角对围岩稳定性影响也很大。研究为隧道施工提供了有意义的借鉴。
关键词断层    隧道    稳定性    
文章编号:1006-6616(2009)03-0226-07
INFLUENECE OF FAULT CRUSH BELTS ON THE STABILITY OF TUNNEL ROCK
LUO Li-rui1 , LIU Zhi-gang2     
1. China JINGYE Engineering Corporation Limited, Beijing 100088, China;
2. Shijiazhuang Railway Institute, Shijiazhuang 050043, China
Abstract: The stability of tunnel rock is vital to tunnel construction. By applying the compounding of tectonic systems and tectonic evolution of geomechanics, an analysis has been made on features of single fault crush belts, compound fault crush belts, conjoining fault crush belts, and their influence on stability of tunnel rock, which were confirmed in the field cases of Xiamen sub-sea tunnel. The results show that conjoining fault crush belts and compound fault crush belts can easily lead to unstability of rock, and other factors of faults, such asweathering and the angle between faults strike and tunnel axis strike, also have obvious influence on stability of tunnel rock. The study can offer significant reference for tunnel construction.
Key words: fault crush belts    tunnel    stability    
0 引言

隧道围岩稳定性是隧道开挖过程中备受关注的一个问题, 围岩一旦失稳, 造成隧道塌方, 会给施工带来很大的损失。断层是隧道开挖过程中最常见的不良地质现象, 有断层分布的区段是隧道围岩最不稳定的区段之一, 断层及其破碎带又是岩溶发育地区溶洞水、地下暗河和岩溶淤泥带等岩溶水的最主要发育场所; 封闭条件好的断层及其破碎带, 也是煤系地层中高压、高量瓦斯的主要聚集空间。刘志刚等[1]对断裂多期活动及其在构造地质学、煤田地质学、矿井地质学等领域的应用做了相应的研究; 吴满路等[2]从地应力测量方面对隧道围岩稳定性做了相应的研究, 指出了软弱夹层对稳定性的危害; 汪华斌等[3]对鄂西建始断裂进行了活动性评价, 对上游水电站的规划建设起到了一定的指导作用; 王成虎等[4]在有关区域地质资料[5, 6]的基础上, 通过分析断层活动性、构造应力场的特征以及地震活动性, 对喀什河水电站工程的场址稳定性问题进行了研究。综上所述, 断层对围岩以及场址等的稳定性起着重要的作用, 有必要对其进行深入的研究。

1 各种力学性质断层的成因及特征 1.1 三种单一式断层的成生机制和特征[7~9] 1.1.1 正断层的成生机制和特征

正断层属于重力断层, 成生的最大主压应力σ1来源于重力。三向应力轴的状态σ1直立, σ2σ3水平, σ2与断层走向一致。正断层的倾角较陡, 大多数在45°以上而以60°左右最为常见, 由于产状较陡, 很容易形成在重力作用下的上盘下滑; 倾角伴随深度加大而变缓, 常常形成犁式断层。正断层岩石破碎不太强烈, 角砾岩多带棱角, 糜棱岩不发育, 没有显示强烈挤压特点的复杂小褶皱。主要发育于构造变动轻微地区、褶皱带的覆盖层和活化褶皱带。而在构造变动强烈的地区, 正断层则作为其他构造的伴生派生构造出现, 占次要地位。

1.1.2 逆断层的成生机制和特征

逆断层属于构造应力断层, 成生的最大主压应力σ1来源于构造应力。三向应力轴的状态σ1水平, σ2水平, σ3直立, σ2与断层走向一致。上盘沿断层面仰起方向, 在水平挤压外力作用下上冲。逆断层的倾角有高角度和低角度之分。β =25°~45°, 以30°为最常见, 为逆掩断层, 多发育于岩层产状平缓地区。β>45°为高角度逆断层, 多发育于岩层产状陡峻的褶皱发育地区。β<25°为辗掩断层, 又称推覆构造, 较少见。逆断层伴随深度、倾角加大而变陡, 常常形成铲式断层。逆断层附近常显示强烈挤压破碎, 形成碎裂岩、压扁岩、碎糜岩、断层泥等构造岩, 还经常出现片理化、节理化剪切带或各种复杂小褶皱, 两侧岩石也常常强烈褶皱变形, 主要发育与于构造变动强烈的地区。

1.1.3 平移断层的成生机制和特征

平移断层也属于构造应力断层, 成生的最大主压应力σ1来源于构造应力。三向应力轴的状态σ1水平, σ2直立, σ3水平, σ2轴与断层走向垂直。两盘沿断层面走向做水平滑移。平移断层一般倾角陡峻、直立, 以70°~80°居多; 由于产状直立, 有时还具有一定程度的、在重力作用下的顺倾向的滑动, 致使一些较大平移断层常被误认为正断层。平移断层的走向伴随深度增加而改变, 出现螺旋状断层面。平移断层常具有密集节理带和薄层等厚的糜棱岩化带。平面上常见尖灭侧现和雁行排列, 有左列式和右列式两种。

1.2 归并复合式断层的成生机制和特征

如果把较完整的岩体或整个岩石圈近似地看作弹性物体, 可以积累地应力, 那么对于在岩石圈中局部出现的断层来说, 它属于非完整刚体的破碎岩体, 主要表现为非弹性物体的特征, 在破碎带内, 地应力以松弛为主, 积累为次。由于地应力不能在断层中得到大量积累, 也就无法达到在既有破碎带内形成新的破裂劈面的剪应力数量级(积累的地应力达到或超过岩石的抗剪强度), 所以多数后期断层活动不能对先存的断层造成进一步的强烈破坏。但是, 相当多的断层还具有一定的弹性物体特征, 也可以积累少量地应力, 可以在既有的破裂面上造成两盘位移或滑移的剪力, 形成平面或剖面剪切运动。对于复合式断层破碎带来说, 作为断层主期活动的断层第一期活动的性质和力学性质, 决定了断层的主要表现形式和基本特征, 而断层后期活动对断层的影响较小, 并且多数后期活动仅仅表现为沿着先存于破碎带内劈面、断裂面, 以不同方式或相同方式出现的位移或滑移。

2 不同力学性质断层对隧道围岩稳定性的影响 2.1 单一式断层 2.1.1 张性、张扭性断层

由于张性、张扭性断层由大小不一、杂乱无章、棱角尖锐、胶结疏松的断层角砾岩组成, 角砾和碎裂岩块之间的结合度最差, 所以其自稳能力在三种单一式断层中最差。

2.1.2 压性、压扭性断层

压性、压扭性断层可分为内带和外带两部分。内带由强烈挤压状态的压扁岩、压碎岩、片理化、糜棱岩化岩石和断层泥等构造岩组成, 由于挤压的缘故, 内带的破碎岩块多呈密实状态, 所以其自稳能力比张性、张扭性断层好, 但仍比扭性或以扭性为主的断层差。外带主要由裂隙发育的压裂岩组成, 岩块之间的结合度较差, 其自稳能力较差。

2.1.3 扭性或以扭性为主的断层

扭性或以扭性为主的断层主要由密集节理带等片石状出现的构造岩组成, 相对其他力学性质的断层来说, 其碎裂程度最低, 碎裂岩块之间的结合度较好, 其自稳能力相对要好。

2.2 归并复合式断层 2.2.1 张性或以张性为主的归并复合式断层

由于张性断层是在水平张应力的直接作用下形成的, 仅一期活动的张性断层的构造岩就具有胶结疏松的特点, 两期或两期以上张性断层活动的叠加, 一方面增加了破碎带的宽度, 另一方面将使断层的构造岩更加疏松, 所以这种归并复合的断层自稳能力在归并复合式断层中最差。

2.2.2 压性或以压性为主的归并复合式断层

压性断层是在水平主压应力的作用下形成的, 破碎带宽大和构造岩破碎是压性断层的突出特征; 而两期或两期以上压性断层活动叠加的宽度常常为单一断层的2 ~3倍, 同时也增加了破碎带构造岩的破碎程度, 增大了裂隙、空隙度, 从而极大地降低了破碎的岩块、角砾之间的黏着力, 因此这种归并复合的断层自稳能力也很差。

2.2.3 扭性或以扭性为主的归并复合式断层

扭性断层是在水平扭应力作用下形成的, 破碎带常常以板状破碎的构造岩出现, 破碎程度远不及压性和张性断层。多期扭性断层的叠加活动, 除了较小地增加了破碎带的宽度外, 破碎带的构造岩变化不大, 所以这种归并复合的断层自稳能力较好。

虽然断层归并复合, 即断层多期活动在地壳岩石圈有相当多的存在, 在我国尤其如此, 但是断层的基本特征和表现形式仍以断层多期活动的主期(第一期)活动为主, 后期活动的特征常常表现轻微。因此, 仅从各种多期活动的断层的特征来看, 其自稳能力由最差到相对较好的顺序应当是:主期和后期均表现为张性或张扭性的归并复合式断层→主期表现为张性或张扭性、后期表现为压性或压扭性的归并复合式断层→主期表现为压性或压扭性、后期表现为张性或张扭性的归并复合式断层→主期表现为压性或压扭性, 后期也表现为压性或压扭性的归并复合式断层→主期表现为张性或张扭性、后期表现为扭性或以扭性为主的多期活动断层→主期表现为压性或压扭性, 后期表现为扭性或以扭性为主的多期活动断层→主期表现为扭性或以扭性为主、后期表现为张性或张扭性的多期活动断层→主期表现为扭性或以扭性为主、后期表现为压性或压扭性的多期活动断层→主期和后期均表现为扭性或以扭性为主的断层。

3 顺层断层对隧道围岩稳定性的影响

层理是连续沉积中的暂时间断, 有时是构造作用在沉积中的反映, 当地层发生褶曲时, 往往发生相对滑动, 形成顺层理方向的断层, 层面可以看成一个剪切结构面, 这个面在沉积岩中对围岩稳定往往非常不利, 因为沿着它抗剪强度很低, 特别是在黏土质页岩夹层时, 遇水易软化, 降低与上覆岩层层面间的抗剪强度, 在其他断层影响下, 围岩很容易发生失稳。

4 断层交会对隧道围岩稳定性的影响[10]

断层交会, 即两条或两条以上断层相交。它包括一般断层交会和断层复合交接两类。前者是指同一构造体系内部两条不同力学性质的断层交会; 后者则是指两个或两个以上不同构造体系的断层复合交接, 后者是更主要的断层交会。断层交会对隧道围岩稳定性的影响最大, 因为其与单一式断层相比, 明显扩大了断层的规模, 增加了断层的裂隙、空隙的密度, 增大了裂隙、空隙, 从而降低了破碎岩石、角砾的胶结程度和黏着力。另外, 由于断层交会复合为不同走向断层相交, 所以其对围岩稳定性的影响程度比断层归并复合还要大很多。各种形式断层交会的自稳能力由差到相对较好的顺序是:张性与张性断层交会→压性与张性断层交会→压性与压性断层交会→张性与扭性断层交会→压性与扭性断层交会→扭性与扭性断层交会。

5 断层其他要素对围岩稳定性的影响

影响隧道围岩稳定性的断层其他因素主要包括:地质风化、断层走向与隧道中线的夹角、地下水和地应力。这里仅介绍前两个。

5.1 地质风化

地质风化常常使岩石中的长石类矿物水化形成高岭土、蒙托石等黏土矿物, 使破碎带矿物泥化, 增加含泥量, 地质风化还可以使岩石中的云母等片状矿物产生物理膨胀, 沿着片理张开, 这些都能降低破碎带岩石的胶结程度, 降低岩石的强度, 从而降低断层的自稳能力。

5.2 断层走向与隧道中线的夹角

在上述各种断层影响隧道围岩稳定性因素相似的条件下, 若断层的走向与隧道中线垂直或者大角度相交, 则围岩相对自稳能力强, 若小角度相交甚至与隧道中线平行时, 则自稳能力就差。

6 实例分析 6.1 工程地质概况

厦门翔安隧道位于厦门岛东北侧, 全长8.695 km, 其中隧道长5.948 km, 两岸接线长2.747 km。该隧道工程穿越深海地段2.860 km, 潮间带1.540 km, 陆域地段1.548 km。隧道主要穿越第四系覆盖层及燕山期侵入岩两大类地层。第四系以侵入岩残积土为主。基岩以燕山早期第二次侵入的花岗闪长岩为主, 其内穿插二长岩、辉绿岩等岩脉, 多沿本场区最为发育的NNE向高角度裂隙侵入, 脉宽一般不足1 m。

6.2 隧道所在地的构造体系和构造演化[11]

隧址所在地区, 在强烈的侏罗纪—白垩纪的燕山运动时期, 侵入大面积的花岗岩, 并在NW W—SEE主压外力作用下, 形成的主要构造体系是新华夏系, 其构造型式为压性逆断层, 走向NE 20°~25°。在隧道内只能见到一些紧密节理面, 大的断层都已被岩脉所充填, 既有二长岩岩脉, 又有辉绿岩岩脉, 且比较常见。张性正断层走向NW 290°左右, 一组反扭平移断层走向NW 340°左右, 另一组顺扭平移断层走向NE 70°左右。大约在早第四纪喜马拉雅造山运动时期, 该区再次产生了一次强烈的构造运动, 在NW—SE主压外力作用下形成的华夏式构造体系, 其构造型式为压性逆断层走向NE 45°左右。在隧道内只能见到一些紧密节理面, 大的断层都已被岩脉所充填。洞内只见辉绿岩岩脉, 比较少见。张性正断层走向NW 315°左右, 一组扭性反扭平移断层走NE 5°~10°左右, 另一组顺扭平移断层走向NE 80°左右。

6.3 构造体系的归并复合和断层的交会 6.3.1 构造体系的归并复合

隧道所在地先后经历了两次大的构造体系, 即新华夏系和华夏式。早期新华夏系构造型式的断层经历后期华夏式构造体系时要发生构造体系的归并复合, 具体为:NE 20°~25°左右的压性岩脉归并复合为反扭斜冲的压扭性岩脉, NW 290°左右的张性正断层归并复合为顺扭斜滑的张扭性正平移断层, NW 340°左右的反扭平移断层归并复合为反扭斜滑张扭性正平移断层, NE 70°左右的顺扭平移断层归并复合为顺扭斜冲平移正断层。

6.3.2 断层的交会

洞内常见的断层交会有:NW 290°左右走向的断层切割NE 25°左右和NE 45°左右的岩脉, NW 315°左右走向的断层切割NE 25°左右和NE 45°左右的岩脉, 以及三种以上的断层和岩脉相切割。岩脉通常被切割成大小不一的块体, 加上岩脉风化程度高, 所以很容易发生掉块和坍塌。

6.4 隧道主要断层对围岩稳定性的影响

断层的自稳能力由最差到稍差的顺序是:两种以上的归并复合式断层和岩脉相交会切割→归并复合式NW 290°左右或NW 315°左右走向的断层切割NE 25°左右和NE 45°左右的岩脉→归并复合式NW 290°左右的断层→归并复合式NE 20°~25°左右的岩脉→归并复合式NW 340°左右断层→单一式NW 315°左右的断层→单一式NE 45°左右的岩脉→归并复合式NE 70°左右断层。

6.5 现场实际开挖情况

翔安隧道服务洞出口开挖至NK11 +628.5时, 拱顶发生小型坍塌。当时围岩为强风化花岗闪长岩(W3), 掌子面中部有一条可见宽度为0.7 m的二长岩岩脉, 产状NE 25° 295°∠82° (隧道走向约NE 40°), 掌子面上还有走向为NW 290°的断层, 将二长岩岩脉切割(见图 1)。拱顶大面积滴水, 坍塌面沿着二长岩岩脉形成一个直径1 m、高度为2.5 m的塌腔(见图 2)。引起此次坍塌的主要原因为归并复合式NW 290°的断层切割NE 25°走向的二长岩岩脉。另外, 二长岩岩脉的风化程度高和其走向与隧道中线夹角较小也是一个重要的原因。

图 1 NWW290°走向的断层切割NEE25°走向的二长岩岩脉 Figure 1 NWW 295° -striking fault crush belts cutting NNE 25° -striking vein

图 2 掌子面拱顶发生的小型坍塌 Figure 2 The collapsing of arch

翔安隧道行车左洞出口CRD-1部掌子面开挖至ZK11 +640时, 在ZK11 +645位置初期支护突然开裂(见图 3)。ZK11 +650 ~ZK11 +640初期支护下沉量达60 cm。引起此次大变形的主要原因为该里程段为强风化(W3)粗粒花岗闪长岩向弱风化(W2)粗粒花岗闪长岩过渡, 过渡段存在着大量的节理和小断层, 特别是走向NWW 295°的张性节理和小断层(见图 4), 沿着断层面时有掉块, 最终造成初期支护大变形。

图 3 初期支护开裂 Figure 3 The fracture of preliminary lining

图 4 NWW 295°走向的密集节理带 Figure 4 Dense NWW295° -striking joint planes
7 结语

本文从理论上对各种断层对隧道围岩稳定性的影响进行了分析, 并以厦门海底隧道为例进行了说明。这些研究主要是对隧道的施工提供一些指导意义, 在地质分析的基础上通过地质勘探以及各种超前地质预报手段探明前方断层的基本特征, 分析其对隧道施工的影响有多大, 做好相应的防护措施, 最大程度地减少财产的损失和人员的伤亡。

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