Question

软弱岩体与隧道围岩大变形问题

Answer 1

软弱围岩大变形对隧道施工和运营的影响极为严重，常造成延误工期、增加投资等。如果采用TBM技术施工，则可能造成TBM掘进机报废。大量工程实践表明，隧道围岩大变形不仅受岩土体结构控制，而且与地层岩性关系密切。根据野外地质调查结果，滇藏铁路沿线不少地段发育有工程地质性质较差的软弱岩体，主要包括中新生代的泥质岩、不同时代变质的片岩、劈理化板岩以及热液蚀变作用形成的蚀变软岩等，它们在隧道开挖条件下，将产生隧道围岩大变形问题。

一、泥质岩与隧道围岩大变形

1.泥质岩的一般工程地质特征

泥质岩是各种泥岩、页岩、粘土岩及泥质粉砂岩的总称，从工程地质和岩石力学的角度，多数泥质岩属软弱易变的复杂岩石，或言之，大多数泥质岩属软岩（soft rock），很多工程事故的发生都与泥质岩的不良工程特性有关。值得一提的是，在工程实践中人们往往将泥质岩与膨胀岩联系在一起，实际上，膨胀岩是泥质岩中性质最坏的一类，并非所有的泥质岩都是膨胀岩。大量工程实践和研究表明，泥质岩的工程特性及其在工程影响下的性质变化取决于泥质岩的成岩胶结作用和工程活化作用。尽管我国不同地区不同时代的泥质岩成岩胶结类型和胶结程度极其复杂，但仍有一定的规律性（曲永新等，1991），即：①古生界泥质岩为强胶结和极强胶结的非膨胀泥质岩，但上二叠统上部（上石盒子组和石千峰组）分布有一定数量的弱-中等胶结的微膨胀和弱膨胀的泥质岩。②中生界和新生界泥质岩以弱胶结和中等胶结类型为主，我国主要区域性弱胶结的膨胀岩地层包括：上侏罗统—下白垩统泥质岩、古近系泥质岩、新近系泥质岩，它们是我国工程地质性质最差的区域性软弱岩石。③泥质岩成岩胶结作用不仅控制和影响岩石的膨胀势，而且控制和影响岩石的强度和风化耐久性，即随着胶结程度的升高，强度增大、耐久性增强。④受风化作用影响（包括古风化作用和现代风化作用）的泥质岩有胶结作用弱化、强度降低、物理化学活性增高的趋势。

滇藏铁路沿线的泥质软岩主要分布在滇西北的扬子地台区，三江造山带和喜马拉雅造山带地区的三叠系和古生界的泥质岩多发生了不同程度的变质作用而变成泥板岩、千枚岩和片岩等，其强度和崩解耐久性有所提高。滇西北地区的侏罗系和白垩系主要由砂岩与泥质岩互层组成，其中泥质岩（包括泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩）所占比例较大，主要表现为褐红色或紫红色及灰色或灰褐色，结构比较均一，呈块状或层状。

2.与泥质岩有关的工程地质问题

前已叙及，泥质岩往往易于风化，是风化耐久性较差的岩石，也是边坡易滑地层，工程场地以泥质岩作为边坡岩体时，会出现不同程度的滑坡灾害。根据以往工程实例分析，与泥质岩有关的隧道工程地质问题主要表现在以下方面：

（1）在深埋隧道开挖条件下，由于泥岩强度低，常常导致隧道围岩变形量大，从而影响隧道施工安全和支护方式的选择。

（2）弱胶结的泥质岩在盐井一带最大单层厚度可达3 m，在干湿交替变化条件下，将表现出明显的膨胀性，促使隧道围岩出现大变形，对隧道安全运营和支护有显著影响。

（3）当泥质岩以薄夹层形式出现时，往往容易形成层间剪切带，这种情况对边坡稳定和隧道围岩稳定都极为不利。

在滇西北大理-丽江段铁路建设过程中，已经出现了泥质岩不良工程性质引起的隧道大变形问题，并制约了铁路隧道施工安全。例如：2006年6月北衙隧道发生的塌方事故就与节理化泥质岩有很大的关系。

二、变质岩系中的软弱岩体和韧性剪切带与隧道围岩大变形

变质岩系列中富含片状矿物的片岩（绿泥石片岩、云母片岩、滑石片岩、云母石英片岩、角闪片岩等）、千枚岩、薄板岩等不仅岩性软弱，而且通常片理、板理发育，各向异性显著，在工程上通常属于软弱岩组。在浅埋隧道中，常因风化程度高，岩石性质变得极其软弱，隧道极难支护；在深埋隧道开挖条件下，可能出现围岩片帮、溃曲和底鼓等大变形现象，严重影响隧道施工安全和支护方式的选择。根据野外调查和区域地质资料综合分析，工程沿线该类软弱岩体主要分布于以下区段：①虎跳峡镇-小中甸；②奔子栏-德钦北；③通麦-鲁朗；④米林-加查等地段。还应当看到，滇藏铁路沿线穿越规模较大的断裂带不计其数，断层泥与碎裂岩的组合带可能引发较大规模的大变形，鉴于断裂带对工程的影响众人皆知，不再赘述。

在滇西北-三江地区，普遍发育一种特殊的构造型式——韧性剪切带，其与藏东南和喜马拉雅构造带的广大变质岩系均属造山带产物。在中温和中高压条件下，造山带强烈的构造变形作用形成的断裂大多表现为片理化、劈理化形式的韧性剪切带，很少为脆性断裂，因此很少看到典型的断层泥、碎裂岩等。由于三江地区韧性剪切带的分布范围和伸展方向与规划中的滇藏铁路线路总体延伸方向基本一致，铁路线不可避免地要穿过这些韧性剪切带，因而对滇藏铁路的规划和建设具有一定的影响。

1.滇西北-三江地区韧性剪切带的构造特征

滇西北地区韧性剪切带的发育主要受区域地质构造控制。受地质历史时期多次构造运动的影响，滇西北地区反映挤压剪切作用的韧性剪切带十分发育，其空间分布和产状多与区域活动断裂一致，局部成为断裂带的重要组成部分。按其集中分布区域和与之相关的区域断裂带，从云南丽江至西藏盐井，由南到北可划分为3个劈理化带密集分布区：中甸断裂韧性剪切带分布区、金沙江断裂韧性剪切带分布区和澜沧江断裂韧性剪切带分布区（图11-20）。3 个集中分布区空间展布方向由近SN向NW-SE偏转，呈右阶雁行排列。各分布区内韧性剪切带分布集中，规模大（上百米至几百米），空间排列交错断续。

（1）澜沧江断裂韧性剪切带

该韧性剪切带北起西藏自治区芒康县盐井镇，向南经佛山、古水，到云南省德钦县升平镇境内，长度大于130 km。区内韧性剪切带广泛分布，澜沧江断裂沿澜沧江河谷蜿蜒延伸，与韧性剪切带走向一致，时而切割韧性剪切带。剪切带主要以劈理形式出现，走向一般为330°～340°，高角度倾斜，倾角一般在80°以上。劈理穿过不同时代的地层，其中最新地层是古近系湖相浅黄色变质长石砂岩夹白色灰岩，说明韧性剪切带在新生代有活动。劈理切割不同岩性的岩石，以板岩中板劈理最整齐，常常与层理相一致；灰岩中劈理分布不均，往往夹有挤压透镜体，有的是大型挤压透镜体；砂岩和玄武岩中劈理发育程度介于板岩和灰岩之间（图11-21）。劈理带中有岩脉穿插，局部沿劈理面发育有擦痕、阶步和羽列，指示沿劈理面有多期位移。

图11-20 挤压劈理化带分布区

图11-21 澜沧江右岸鲁瓦村北的韧性剪切带剖面图

（2）金沙江断裂韧性剪切带

与金沙江断裂相关的韧性剪切带主要分布在断裂两侧及其断裂剪切带范围内，在调查区域内，金沙江韧性剪切带在德钦县奔子栏镇-贺龙桥段比较典型，该处劈理间距0.5～20 cm，呈330°～350°方向展布，倾角较陡，一般在70°～80°左右，局部直立（图11-22）。沿韧性剪切带发育断层三角面地貌。在软硬相间的岩石中，软弱层强烈片理化，坚硬层破碎并受挤压形成透镜体，灰岩中透镜体常形成江边突出的礁岛。当沿劈理化方向有岩性软硬变化时，则发生揉皱弯曲。片理或劈理产状具有不稳定性，面与面之间有相互穿插，这种穿插导致岩石碎裂化。

（3）中甸断裂韧性剪切带

该韧性剪切带主要沿中甸断裂方向延伸，在断裂两侧一定范围内分布。韧性剪切带中劈理分布密集，局部地段韧性剪切带成为断裂带的主要组分。在上虎跳峡口，韧性剪切带产状与中甸断裂关系密切，走向310°～330°，倾角较陡，一般75°～85°，劈（片）理化岩体剖面上延伸宽度超过400 m，发育在灰黑色板岩、灰色劈（片）理化玄武岩和深灰色劈理化灰岩中，被EW向断裂切割，反扭错断（图11-23）。劈理化结构面间距一般1～20 cm，结构面平直细密，岩体中多见方解石、石英细脉穿插；局部片理化发育，厚约0.2～5 cm，揉皱发育，较破碎，在重力作用下易变形，在400 m范围内，有多处崩塌落石和滑坡地质灾害点。

图11-22 德钦县奔子栏一带的韧性剪切带剖面图

图11-23 丽江玉龙县金沙江右岸上虎跳峡口韧性剪切带剖面图

2.韧性剪切带对隧道工程的影响分析

滇西北地区韧性剪切带分布广泛，常表现为劈理密集、岩体破碎，带中岩性复杂，工程地质性质多变，常常和其他方向的断裂、劈理带及节理岩脉相交切，在后期的构造运动和外动力作用中受到进一步的改造，有的揉皱作用强烈，使得带内劈理变得更加密集和复杂，岩体性质进一步恶化。除了对斜坡稳定性产生显著影响外，韧性剪切带对隧道稳定性的影响也比较显著。

图11-24 劈理化岩体弯折溃曲机理和简化力学模型

当韧性剪切带的劈理面或片理面倾角较陡，岩体（如板岩、千枚岩）强度软弱时，隧道围岩可以发生弯折、溃曲破坏；在隧道顶板和肩部，劈理面和其他次一级节理面组合，容易形成不稳定的块体，造成隧道顶板掉块甚至冒顶；若设计隧道走向与劈理面走向平行，作为隧道围岩中的一组优势岩体结构面，在边墙附近岩体沿劈理面容易产生片帮剥落或垮塌；在岩体片理化程度高，揉皱发育地段，岩体比较破碎，对隧道整体稳定性不利，当与其他结构面在空间上有不利组合时，可能会发生大范围的塌方。特别是当地应力水平较高、隧道埋深较大、劈（片）理化岩体储能性质较强时（片理化灰岩，片理化玄武岩等），在一侧围压卸除条件下，容易发生快速弯折溃曲现象，其发生机理为：隧道开挖造成岩体快速卸荷，在较强的地应力作用下，沿平行隧道壁的劈（片）理面进一步发育成张裂隙，将围岩分割成薄板状，薄岩板受力弯曲，储存应变能，同时向隧道临空方向位移，当位移超过某临界值，裂隙迅速扩展，使隧道围岩发生快速大变形，甚至发生岩爆（图11-24）。

三、粘土化蚀变软岩与隧道围岩大变形

滇藏铁路途经的三江和藏东南地区地质构造演化异常复杂，经历了多期强烈的构造岩浆作用并伴随发生岩浆热液成矿和热液蚀变作用，加之新近纪以来青藏高原强烈隆起为特色的差异性新构造活动及高山峡谷地貌，使得滇藏铁路建设面临着极为复杂的工程地质环境，遇到了多种多样的复杂工程地质问题。其中，铁路沿线广泛分布、类型多样的火成岩侵入体在热液蚀变作用下常形成粘土化（蒙脱石化、伊利石化、高岭石化）蚀变岩带，尤其是蒙脱石化蚀变岩既是强度极低的软岩，又是典型的膨胀岩，由其引起的隧道和边坡变形破坏问题比较突出（照片11-1）。研究表明，造山带、构造岩浆带、热液成矿带的区域发育规律决定了蚀变岩的区域分布和发育特征及工程特性，例如滇藏铁路滇西北段多为蒙脱石化，西藏段多为高岭石化和伊利石化。因此，很有必要根据铁路沿线构造-热液作用和成矿规律，对蚀变岩的类型、形成机理和发育规律进行分析，并研究蚀变岩的不良工程地质特性，从而指导滇藏铁路蚀变岩分布区的工程地质预测及工程问题防治。

滇藏铁路沿线的蚀变岩是喜马拉雅-三江成矿域的重要组成部分，跨越青藏东部、川滇西部的横断山区，面积50×10⁴ km²。该带地处特提斯-喜马拉雅构造带的东部及向南急转弯部位，是中国最重要的岩浆热液成矿域之一。蚀变岩的分布规律主要表现在蚀变岩类型和发育程度具有明显的分区性。根据野外调查和测试分析，大致可以将滇藏铁路沿线划分为3个区，即：滇西北蒙脱石化基性超基性蚀变岩分布区、德钦-八宿蚀变岩分布区、藏南蚀变岩分布区。

1.滇西北蒙脱石化蚀变岩分布区

该分布区出露的多为蒙脱石化蚀变岩带，蚀变岩具有单体规模小、蚀变程度高、工程性质差的特点。蚀变岩的粘土矿物组成绝大多数都是单矿物的蒙脱石，导致该地区的蚀变岩既是强度极低的软岩，又是典型的膨胀岩。该分布区的蚀变岩，以母岩普遍发生蒙脱石化为主要特征。主要属于岩浆期后的热液蚀变岩，少量为火山岩的热液蚀变。根据滇西北蒙脱石化基性超基性蚀变岩分布特征，大致可划分出3个蚀变岩带（图11-25）。

（1）大理-金坪基性和超基性岩带 位于金沙江-哀牢山缝合带东缘，扬子准地台的西缘，中小型火成岩体密集成群分布在大理海东一带和南端的金坪地区，单个岩体延伸排列与所处构造方位一致。其岩石组合主要可分为环状和层状2种类型：① 环状基性超基性岩体多呈NW-SE向呈带状分布，单个岩体呈似层状、扁豆状和扁柱状。岩体通常内部为超基性、外部为基性，多与围岩呈近似整合状接触，少数切穿围岩。岩体长度一般小于1.0 km，宽数百米，MgO含量28.8%～39.2%。② 层状基性超基性岩体主要为众多分布广但规模小的岩墙，厚数米至数十米，少数呈岩株状出现，其岩石类型包括辉绿岩、辉长辉绿岩或辉绿玢岩。这些岩脉大多沿区内次级断裂及其交汇的部位分布。

（2）金沙江基性和超基性岩带 主要位于金沙江断裂与德钦断裂之间，岩带长约240 km、宽25 km的南北地带，已知岩体超过200个，组成20余个岩群，如德钦白茫雪山垭口、东竹林等岩群，每个岩群由几至十几个岩体组成。超基性岩体的分布通常与断裂一致，单个岩体长数十至数百米，长宽比一般5：1～20：1，岩体多呈单斜层状或透镜状，与围岩产状近乎一致。基性岩一般呈长条状出露，长数十至数百米，宽数米至数十米。岩石类型主要为辉绿玢岩、辉绿岩、辉长岩等，也有中性、酸性侵入体分布。德钦白茫雪山北麓冰碛物中的大量蒙脱石矿物即来自于该蚀变岩带。

（3）中甸-丽江中性和中酸性斑（玢）岩带 单个岩体形态复杂，规模较小，主要岩石类型为闪长玢岩、花岗闪长玢岩、石英二长斑岩、二长花岗斑岩、花岗斑岩，多分布在区域断裂两侧。

2.德钦-八宿蚀变岩分布区

本区可划分为2个带，一是澜沧江基性和超基性岩带，另一个是三江上游分布区。前者主要位于澜沧江断裂东侧，已知岩体近百个，其展布与构造线一致，多呈NNW-近SN向。后者比较分散，并且常与干燥河谷硫化矿床氧化带的硫酸盐类析出物相伴生。该分布区的蚀变岩带具有以下发育特征：

照片11-1 滇藏铁路沿线典型蚀变软岩特征

图11-25 三江地区地质背景和主要蚀变岩带分布图

（1）蚀变岩多处于构造断裂部位或遭到构造破碎的区域。

（2）大量表生硫酸盐类沉积和氧化带棕色、棕红色、橘黄色等颜色特征以及黄铁矿的分布说明，许多蚀变岩的形成与硫化物矿床（矿脉）的热液蚀变和表生氧化作用有关。

（3）蚀变程度及蚀变岩性质都极不均一。

（4）根据现场调查和原岩XRD测试结果，发生蚀变的火成岩侵入体以中酸性岩浆岩为主，岩石的蚀变主要是斜长石的蒙脱石化；黑云母、角闪石的绿泥石化。

（5）处于硫化矿氧化带部位的蚀变岩，因受水的作用，在粘土矿物组成上出现明显的高岭石化现象（高岭石相对含量达19%～25%）。

3.藏南蚀变岩分布区

该区可以按照蚀变岩类型进一步划分为3个带（亚类），即喜马拉雅高温水热蚀变岩带、波密区域性大断裂花岗岩中低温水热蚀变岩带、基性超基性岩蒙脱石化蚀变岩带。

（1）喜马拉雅高温水热蚀变岩带 喜马拉雅缝合带属于中国乃至世界热流高异常区，温度高于80℃温泉43处，沸泉42处，地下水富含S、Cl、Na等元素，热水的水化学类型包括：SO₄·HCO₃—Na，HCO₃ ·SO₄—Na，SO₄ ·Cl—Na。由于地下水富含、Cl^-，蚀变岩普遍发生了高岭石化现象，尤其是日多温泉一带安山岩的蚀变岩中高岭石含量达28%～55%。应当指出，该蚀变岩带水热作用不均一，沿裂隙呈面状蚀变，蚀变岩性质较差（图11-26，图11-27）。

（2）波密区域性大断裂花岗岩中低温水热蚀变岩带 XRD定量测试结果表明，该蚀变岩带的粘土矿物组成为高混层比的伊利石/蒙脱石混层矿物、少量伊利石和绿泥石。其中，伊利石主要来自钾长石的蚀变作用，绿泥石为角闪石、黑云母的蚀变产物。在中低温地下水作用的断裂带中常有次生CaCO₃分布，由于断裂带岩石比较破碎，加上高混层比的I/S混层矿物的大量分布，此类断裂蚀变岩通常具有很高的物理化学活性和极低的强度，在隧道或边坡开挖中极易产生地质灾害。

图11-26 西藏日多温泉一带的蚀变岩发育特征剖面

图11-27 西藏德仲温泉一带蚀变岩特征剖面

（3）基性超基性岩蒙脱石化蚀变岩带 该类蚀变岩以曲松红旗铬铁矿为代表，矿体围岩（辉橄岩）蒙脱石化蚀变程度高，工程性质差（照片11-1）。

4.粘土化蚀变软岩对隧道工程建设的影响

由于粘土化蚀变岩不良的工程地质特性，在隧道掘进和边坡开挖中常出现严重的岩体变形破坏问题。例如，滇藏铁路大理-丽江段的禾洛山隧道，围岩为遭受热液蚀变的玄武岩，在宏观上表现为相对较完整的玄武岩夹蒙脱石化蚀变岩组合。在2005年隧道工程施工过程中，自DK55+622至DK61+710约5 km的范围内，曾发生过5次与蒙脱石化蚀变岩有关的塌方问题，有时甚至不到100 m就会出现一次塌方，塌方体积一般20～30 m³。由于强烈粘土化蚀变的岩体常呈土状或泥状，现场技术人员常把它们看作是凝灰岩及其全-强风化的产物。而实际上塌方的出现主要是由于蒙脱石化蚀变岩的性质非常软弱，在干湿交替和松弛条件下极易发生膨胀变形，加上围岩节理发育、破碎程度高，开挖后自稳能力差，从而造成围岩坍塌（图11-28）。在西藏段，由于蚀变作用常与干燥河谷硫化矿床氧化带盐类析出物相伴产出，不仅岩体的工程性质软弱，而且硫酸盐类析出物的腐蚀作用和盐胀作用也是重要的工程地质难题，因而使得问题更加复杂化。

图11-28 禾洛山隧道掌子面（DK61+235）处的蚀变岩破坏特征

现场调查和室内测试认为，蚀变岩的分布与铁路沿线热液矿床的分布具有相似的规律。在蚀变岩工程地质调查中，不仅要搞清热液矿床和区域热液蚀变岩带的分布，还要注意温泉和地下热水的分布，它们的长期作用亦可使岩石产生蚀变。隧道建设主要应从以下方面加强防治工作：

（1）根据工程区蚀变岩的发育特征和分布规律，结合前期地质勘察成果，开展隧道工程地质超前预报，主要可以采用深入细致的隧道地质编录与水平超前钻及TSP综合预报相结合，及时掌握蚀变岩的分布及其工程性质变化。

（2）在粘土化蚀变岩带开挖隧道，应加强超前支护，根据蚀变岩的厚度和性状加长超前支护导管的长度，并在蚀变岩出露部位缩短环向支护间距，适时实施全封闭支护，稳定开挖面。对于正常支护的径向锚杆，应根据围岩情况长短结合。在软弱破碎岩体区，锚杆可适当地加密、加长。

（3）在粘土化蚀变岩分布区，应合理选择施工方法，隧道开挖宜采用微台阶法，少爆、多挖，减少扰动。此外，蚀变岩分布区的隧道围岩通常软硬变化较大，使用TBM施工时，可能因软弱围岩大变形和不均一变形而造成卡机事故，因此，TBM技术不适用于大量分布此类围岩的隧道施工。

（4）粘土化蚀变岩的物质组成和结构决定了在有水的情况下隧道塌方、冒泥问题更为显著，因此，在富水地段应采取堵排结合的方法，采用帷幕注浆或超前钻引水，尽量减少隧道围岩与地下水的作用。