成兰铁路软岩隧道大变形特征及成因机制探析

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－－－－收稿日期：２０１６０２２５；收到修改稿日期：２０１６０５２０．基金项目：铁道部科技研究开发计划（Ｚ２０１２０６１），中国铁路总公司科技研究开发计划项目（２０１３Ｇ０１４Ｂ）资助．第一作者简介：宋章，男，博士，高级工程师，主要从事工程地质及岩土工程方面的勘察设计及相关研究工作．Ｅｍａｉｌ：ｓｚｈｎ０３＠１２６．ｃｏｍ
ＳＯＮＧＺｈａｎｇＪＩＡＮＧＬｉａｎｇｗｅｎＤＵＹｕｂｅｎＺＨＡＮＧＧｕａｎｇｚｅ
（ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＳｔｕｄｉｏｏｆＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＥｒｙｕａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏ．ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｏｕ６１００３１）
１２
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ工程地质学报２０１６
ｏｕｓｈｉｇｈｃｒｕｓｔａｌｓｔｒｅｓｓ．ＴｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｌａｒｇｅｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙｗｅｒｅｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｔｅｃｔｏｎｉｃｓｔｒｅｓｓ，ｓｏｆｔａｎｄｃｒａｃｋｅｄｆｏｒｍａｔｉｏｎｌｉｔｈｏｌｏｇｙ，ｂｉａｓｏｆｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｕｒｆａｃｅａｎｄｓｏｆｔｅｎｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｔｈｅｌｏｏｓｅｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｓｑｕｅｅｚｅｄｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｈｉｇｈｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．ＡｎｄｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｇｒｅａｔｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙａｎｄｏｔｈｅｒｓｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｓｉｍｉｌａｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙ，Ｔｕｎｎｅｌ，Ｓｏｆｔｒｏｃｋ，Ｌａｒｇｅｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ的汶川地震效应及高水平构造应力为特点的地质条
ＡＮＡＬＹＳＩＳＯＮＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＡＮＤＦＯＲＭＡＴＩＯＮＭＥＣＨＡＮＩＳＭＯＦＬＡＲＧＥＲＤＥＦＯＲＭＡＴＩＯＮＦＯＲＴＨＥＴＵＮＮＥＬＯＦＣＨＥＮＧＤＵＬＡＮＺＨＯＵＲＡＩＬＷＡＹ
成兰铁路软岩隧道大变形特征及成因机制探析
宋章蒋良文杜宇本张广泽
（中铁二院工程集团有限责任公司地质创新工作室成都６１００３１）摘要成兰铁路软岩隧道大变形具有衬砌开裂、钢架扭曲、隧道断面缩小等一般大变形的特点，更具有其区域特殊性，即成０条活动断裂，构造条件极为复杂活兰铁路穿越龙门山构造带、松潘甘孜褶皱构造带及西秦岭褶皱构造带三大构造单元的１跃；全线７０％的地层岩性为板岩、千枚岩、片岩及炭质板岩等软质岩，受构造影响，多表现出强烈的揉皱变形和挤压破碎，地层５ · １２ ” 强震区，地震波对岩体震裂损伤作用进一步降低软岩岩体的完整性、增强其透水性，岩性条件极为软弱破碎；穿越汶川“ 汶川地震效应极为显著；构造应力环境极其复杂，高地壳应力的构造应力场特征明显。成兰铁路呈现以复杂的构造应力条件、软弱破碎的地层岩性条件、不利结构面组合的偏压现象及地下水软化效应等相互作用为主的大变形成因机制，可概括为应力作用下的松散型大变形、挤压性大变形及软岩结构型变形３种类型。本文研究结论对在建成兰铁路及类似工程地质条件下的隧道工程建设具有重要的指导意义。关键词成兰铁路隧道软岩大变形特征成因机制中图分类号：ＴＵ４５文献标识码：Ａ
－ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ工程地质学报１００４９６６５／２０１６／２４（Ｓｕｐｐｌ．）００１１０６ＤＯＩ：１０．１３５４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｅｇ．２０１６．ｓ１．００２
０引言
在建成兰铁路起于成都市青白江区，经汶川 “ ５ · １２ ” 强震区什邡市、绵竹市、安县至阿坝州茂县、松潘县、九寨沟县，之后穿岷山至甘肃省宕昌县连接在建的兰渝铁路哈达铺站。全线跨越了龙门山构造带、松潘甘孜褶皱构造带及西秦岭褶皱构造带三大构造单元，共涉及１２条区域性活动断裂，线路１０次穿越活动断裂，其构造条件极为复杂活跃（中铁二院工程集团有限责任公司，２００９）。全线地层岩性主要以千枚岩、板岩为主，夹砂岩、灰岩、页岩（含煤层），零星分布花岗闪长岩，占线路长度约７０％的段落岩体为板岩、炭质板岩、片岩、千枚岩，受构造影响，多表现出强烈的揉皱变形和挤压破碎，岩性条件极为软弱破碎；全线软岩地层的隧道多达２６座，占全线隧道总长的５３％，且千枚岩地层主要分布于成兰线南段的杨家坪－松潘段（中铁二院工程集团有００９）。成兰铁路穿越汶川 “ ５ · １２ ” 限责任公司，２地震区，地震效应极为显著，水平构造应力场特征明显，前期研究表明（中铁二院工程集团有限责任公司，２００９；袁传保等，２０１４），成兰线南段长大隧道２０～洞线附近的最大水平主应力优势方向均在Ｎ７５ ° Ｗ之间，即ＮＷ向，与区域构造应力方向一致；而北段最大水平主应力优势方向为Ｎ２０ ° Ｅ～Ｎ４８ ° Ｗ，受西秦岭构造带影响，变化较大。已有的工程实践（何满潮，２００２；赵旭峰，２００７；刘志春等，２００８；刘光明，２０１２；汪波等，２０１２；赵勇，２０１２；高美奔等，２０１３；李翔等，２０１４；００８）表明，软岩地层修建隧道时常会李国良等，２遇到衬砌开裂、钢架扭曲、甚至隧道断面缩小等软岩大变形破坏现象，给工程造成极大危害。目前成兰铁路试验段成都至川主寺段隧道在修建过程中，也遇到了较多的变形开裂破坏等现象，其具有软岩大变形的一般特点，更具有其区域特性，即极为复杂活跃的构造条件、极为软弱破碎的地层岩性条件、显著
ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｌａｒｇｅｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔｒｏｃｋｔｕｎｎｅｌｏｆｔｈｅＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙｐｒｅｓｅｎｔｅｄｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｃｏｍｍｏｎｌａｒｇｅｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｌｉｎｉｎｇｃｒａｃｋ，ｓｔｅｅｌｔｏｒｓｉｏｎ，ｔｒａｎｓｅｃｔｏｆｔｕｎｎｅｌｒｅｄｕｃｅｄｉｎｓｉｚｅ，ａｎｄｓｏｏｎ；ｂｕｔｐｏｓｓｅｓｓｅｄｔｈｅｒｅｇｉｏｎａｌｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｔｉｅｓｏｆｔｈｅｔｅｃｔｏｎｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｉｎｔｒｉｃａｔｅａｎｄａｃｔｉｖｅ，ｆｏｒｔｈｅＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙｐａｓｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｔｈｒｅｅｔｅｃｔｏｎｉｃｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆＬｏｎｇｍｅｎＭｏｕｎｔａｉｎｔｅｃｔｏｎｉｃｂｅｌｔ，ＳｏｎｇｐａｎＧａｎｚｈｉｆｏｌｄｔｅｃｔｏｎｉｃｂｅｌｔａｎｄｗｅｓｔＱｉｎｌｉｎｇＭｏｕｎｔａｉｎｓｆｏｌｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｂｅｌｔｉｎｃｌｕｄｅｄ１０ａｃｔｉｖｅｆａｕｌｔｓ；ｏｆｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｌｉｔｈｏｌｏｇｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗｅｒｅｅｘｔｒｅｍｅｌｙｗｅａｋａｎｄｃｒａｃｋｅｄ，ｆｏｒｔｈｅ７０ｐｅｒｃｅｎｔｏｆｒｏｃｋｍａｓｓｏｆＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙｗｅｒｅｓｏｆｔｒｏｃｋｏｆｓｌａｔｅ，ｐｈｙｌｌｉｔｅ，ｓｃｈｉｓｔａｎｄｃａｒｂｏｎｓｌａｔｅ，ｓｕｆｆｅｒｅｄｓｅｒｉｏｕｓｌｙｂｙｔｈｅｔｅｃｔｏｎｉｃａｎｄｔｏｏｋｏｎｔｈｅｉｎｔｅｎｓｅｃｒｕｍｐｌｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｏｎｇｃｒｕｓｈｉｎｇｃｒａｃｋｅｄ；ｏｆｔｈｅＷｅｎｃｈｕａｎｓｅｉｓｍｉｃｅｆｆｅｃｔｗｅｒｅｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ，ｆｏｒｔｈｅＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙｒｕｎｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＷｅｎｃｈｕａｎ “ ５ · １２ ” ｍｅｉｚｏｓｅｉｓｍａｌａｒｅａ，ｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｄａｍａｇｅｄｔｏｒｏｃｋｍａｓｓ，ｗｈｉｃｈｒｅｓｕｌｔｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｉｎｔｅｇｒｉｔｙｏｆｒｏｃｋｍａｓｓａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｗａｔｅｒｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｒｏｃｋｍａｓｓ．Ｔｈｅｃｒｕｓｔａｌ，ｗｉｔｈｔｈｅｔｅｃｔｏｎｉｃｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｏｂｖｉｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｏｆＣｈｅｎｇｄｕＬａｎｚｈｏｕｒａｉｌｗａｙｗｅｒｅｅｘｔｒｅｍｅｌｙｃｏｍｐｌｅｘ