一些铁路隧道施工重大伤亡和设计变更事例所反映的疑难工程地质问题 何振宁Word格式文档下载.docx

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突水地段岩层为三叠系大冶组石灰岩，为缓倾角单斜构造。

事后查明，突水地点顶部发育一总容积达60万方溶潭，通过复杂的岩溶通道与隧道上部暗河系统相通，地面汇水面积达14Km2，一旦下雨可每小时补水2万~3万方，静水储量和动水补给量均较大，水压达0.8~1.2MPa。

-

该隧道在选线阶段做了大量地质工作，在完成了清江流域1:

1万地下暗河系统勘察工作的基础上，线路避开了暗河主干部位，尽量向分水岭部位靠，选择暗河支流上游位置相对较高部位通过。

由于线路限坡标准的限制和岩溶系统的复杂性，尽管做了大量工作，仍未能完全避开暗河危害。

3、宜万铁路野三关隧道“8·

5”高压突水、突石事件

隧道全长13Km，最大埋深400m。

2007年8月5日，Ⅰ线正洞DK124+602右侧边墙发生坍塌和突水、突石，在半小时内突水15万方、突石5万方。

块石含量大于50%，最大直径达2m~3m，夹大量岩屑和碳质页岩碎片，粘土物质较少。

隧道已施工正洞被块石、泥沙淤塞400m长，威力巨大的泥石流将衬砌台车、挖掘机、自卸车、装载机等大型机械设备冲出500m，并扭曲解体，死亡10人。

坍塌和突水、突石地段岩层为二叠系下部栖霞组灰岩，为缓倾角单斜构造，右侧边墙围岩恰位于栖霞组底部灰岩与碳质页岩接触面附近，层面以30°

倾角倾向隧道。

事后查明，主要蓄水溶洞位于Ⅰ线隧道右侧边墙外40m、隧道上方100m，顺层发育岩溶管道与3号暗河及地表岩溶洼地相连通。

含水层顶板高出隧道200m，管道流水压达2MPa。

隧道开挖后，隧道右上方的高压岩溶水压垮右边墙厚7m~9m顺层围岩岩体，形成夹杂大量石块的突泥、突水。

（二）工程地质特征

上述园梁山、马鹿箐、野三关隧道的工程灾害事件，均属于高压富水岩溶工程地质问题，有如下特征：

1、隧道埋深较大（400m~500m），地下水位较高（高出隧道120m~450m），隧道高程实测水压1.2~4.5MPa，表明岩溶管道连通性好，水压基本不折减。

2、突水点附近发育较大蓄水溶腔（洞），地下水静储量较大，且通过岩溶管道系统与地下暗河及地表岩溶洼地相连通，地下水有较大动储量补给，涌水量大小与地面降水量和汇水面积大小关系密切。

3、由于地质条件的组合因素，伴随突水的固体物质种类有所区别。

如园梁山隧道突出以可塑状的软泥为主，并伴有压缩空气产生爆突作用；

马鹿箐隧道以水携泥砂为主，溶洞中沉积的粘土物质被大量冲出；

野三关携大量块石和岩屑，溶洞中沉积的粘土物质较少。

4、可溶岩上下均夹有泥、页岩隔水层，对岩溶通道分布的成层性有控制作用。

其所夹煤系地层，可能因硫化物溶解产生硫酸而加大溶蚀作用，促进岩溶发育。

（三）关于高压富水岩溶的分类问题

总结国内近年来隧道建设的经验，隧道的高压富水岩溶问题可以划分以下几类：

1、紧闭褶曲和断层组合型：

以襄渝铁路大巴山隧道和宜万铁路齐岳山隧道为代表，紧闭向斜或背斜褶曲及相伴断层组合，可溶岩形成众多突水涌水点，暗河系统规模不是很大，单点突水量不会过大，但出水点多、水量稳定，常年总涌水量大。

2、封闭单个向斜构造型：

以渝怀铁路园梁山隧道为代表，岩溶管道主要发育在向斜核部和两翼层间滑脱构造部位，出水相对集中，水量大而稳定，且水压较大。

3、岩溶化构造裂隙型：

以青藏铁路关角隧道和精伊霍铁路北天山隧道为代表，溶洞、暗河不发育，构造裂隙发育且普遍轻度溶蚀，蓄水性好，突然相对集中突水点不多，但构造裂隙普遍淋水，且因此形成统一地下水位，具有一定水压。

4、宽大单斜构造型：

以马鹿箐隧道和野三关隧道为代表，多层厚层可溶岩夹隔水层的缓倾角单斜构造，易发育网络化顺层岩溶系统和较大规模暗河系统，与大型储水洞、腔不利组合部位可发生灾难性大规模突水事件。

二、软弱围岩大变形问题

近年来出现了较多隧道软弱围岩大变形问题，初步归纳可分为以下二种情况：

（一）高构造地应力环境下的软弱围岩大变形

在青藏高原周边板块碰撞挤压形成的高地应力环境下，隧道在开挖过程中软岩普遍出现大变形问题。

兰新二线乌稍岭隧道：

隧道全长22Km，最大埋深1050m，最大地应力32MPa，方向北东26°

，与隧道走向交角较大。

在二叠系、志留系千枚岩夹板岩分布的出口地段，干燥无水，在区域地应力作用下，拱顶围岩一般下沉50cm~60cm，最大1.05m；

左边墙（西南侧）一般收敛55cm，最大1.03m；

右边墙（北东侧）一般收敛30cm~40cm，最大70cm。

兰渝铁路隧道软弱围岩地段：

兰渝铁路通过板岩、千枚岩、碳质板岩、等软弱围岩地段长达90Km，70%是隧道通过。

该地区位于板块交汇部位，断裂和褶曲构造极为发育，地层岩性变化大，在现今青藏高原向北东的持续扩展挤压作用下，地应力状态非常复杂。

地应力以水平应力为主，普遍达27~30MPa，隧道变形量为30~100cm，隧道施工过程中普遍发生长时间持续的变形过程，支护开裂和破损情况十分严重，二衬也有开裂现象。

初步归纳高构造地应力环境下的软弱围岩大变形有如下工程地质特征：

1、地应力强度高，一般为25~30MPa，最大可达35~~50MPa，收敛变形值0.5~1.0m。

2、变形持续时间长，隧道开挖后其应力状态较长时间不易达到新的平衡。

3、分布范围广，软岩、较硬岩都可能发生变形，软岩可形成韧性剪切塑性变形，较硬岩可形成块状破碎和层间变形。

4、最大主应力方向如与隧道走向大角度相交，大变形主要发生在边墙和洞顶；

最大主应力方向如与隧道走向近平行，掌子面大变形明显突出。

5、大变形强度、幅度与多种地质、工程因素相关。

其地质因素如岩性、局部地质构造、岩层产状、地应力方向、地下水等；

工程因素如单双线跨度、断面形状、支护措施、辅助导坑位置及施工进度等。

（二）在山体压力作用下软岩大变形

宜万铁路堡镇隧道全长11.6Km，最大埋深200~400m，发生大变形地段位于志留系与奥陶系地层界面位置，单斜构造，岩层走向与隧道走向基本平行，岩层从隧道左侧倾向右侧，倾角35°

~55°

。

地应力实测最大水平主应力16MPa，北西60°

Ⅰ线隧道恰位于志留系砂岩与奥陶系泥质灰岩接触带，志留系底部有15m厚炭质页岩，在较长地段形成炭质页岩连续贯通分布于隧道洞室内的顺层构造，倾角35°

~40°

在层间水的润滑作用下，产生顺层滑动变形，内挤100cm，拱顶下沉35~40cm，支护开裂，钢梁扭曲，部分地段坍塌。

襄渝二线新茨沟隧道、新蜀河隧道和杨河隧道，通过以云母片岩和炭质片岩为主的软岩地段均发生大变形。

其地质构造走向与线路走向大致平行，地层、断层走向与隧道走向交角很小，隧道开挖过程中一旦遇到软弱地层，常出现顺层变形情况，在较长地段连续式重复出现，无法避开。

据统计，三座隧道出现软岩共揭示88段，总长6.5Km，炭质极软岩呈“厚层式带状”、“互层状”和“透镜体或薄层状”三种状态分布，层厚1~4m，最厚32m。

大变形以水平位移为主，边墙收敛30~100cm，拱顶下沉30~50cm，支护开裂和钢架变形严重，变形时间持续长。

初步归纳，在山体压力作用下软岩大变形有如下工程地质特征：

1、大变形具有流变特征，即在外部荷载无变化的情况下，岩体变形随时间增长逐渐加大，直至破坏垮塌。

一般变形经历阻尼~均速~加速三个阶段，或者初始蠕变~支护措施后蠕变~破坏突变三阶段。

例如，杨河隧道大变形阻尼阶段6天，均速变形阶段26~41天，32~47天后加速至破坏；

新茨沟隧道22天后加速，36天破坏。

2、外部荷载主要是山体重力，一般隧道埋深超过200m，软岩就可能发生大变形。

地应力可达10~15MPa，而围岩强度小于5MPa，低者小于1MPa，围岩强度应力比极低，这是变形的基本原因。

3、除岩石强度过低外，顺层构造是长大地段发生大变形的控制性因素，特别是有地下水的因素，更易降低层面结合强度，发生顺层滑动。

地应力以水平方向为主，也可能受控顺层因素。

4、变形大小和时间长短，受多种因素控制。

主要有：

岩层产状：

岩层走向与隧道走向近似平行地段越长，变形越易发生；

顺层边墙与逆层边墙变形形迹有区别，岩石倾角陡缓不同变形有区别。

岩性：

强度低变形大，尤其是含炭质和云母成分多变形大，层面越发育变形大，软层越厚变形越大。

构造：

受挤压形成的摩擦镜面越发育变形越大。

地下水：

有水渗流是重要诱发因素。

埋深：

一般埋深超过200m，发生变形。

埋深越大，山体压力越大，围岩强度应力比低到一定临界值发生变形。

但也有的隧道埋深不大，如牡绥铁路兴源隧道埋深不超过100m，但整个隧道全部分布薄层炭质泥岩夹砂岩，岩质软弱，层面密集发育摩擦镜面，由于岩层走向与隧道走向交角小于45°

，倾角较陡（＞50°

），加之双线隧道跨度较大，有利于产生强烈的卸荷作用，发生了以拱顶沉降为主的大变形，这说明产状因素很重要。

综上所述，山体压力环境下的软岩变形具有流变塑性变形和顺层偏压滑移剪切变形相组合的特征，与大区域构造地应力环境下软弱围岩大变形相比有共性，但一般仅限于炭质极软岩及长大顺层地段，岩性较单一，且与地下水关系更密切。

（三）关于大变形分级标准

为了更准确分析评价大变形程度采取相应工程措施，铁一院总结兰渝铁路的经验，提出了软岩隧道大变形分级标准：

大变形等级ⅠⅡⅢ

相对变形（%）1.5~33~5>

5

强度应力比（Rc/ó

）0.25~0.150.15~0.10<

0.1

我认为，这个分级根据岩石强度和相对变形量是基本因素。

在勘察设计阶段其判别标准，还应在区别大区域构造地应力为主、还是以小区域山体重力地应力为主的前提下，同时考虑强度、产状、地下水和层面结构因素，进行综合判别。

（四）局部陡坡地形因素造成隧道浅埋段变形问题

包西铁路增建二线冒天山隧道全长14Km。

其中K514+830至K514+950长120m地段，在开通运营二年后整体道床轨道板发生严重开裂和上拱变形，最大拱起达50mm，同时侧沟普遍发生开裂、位移和错断，致使列车限速运行。

经查，造成这一地段轨道结构发生严重变形，是由于在深切沟谷陡坡地形隧道浅埋的地段山体侧压力不对称局部集中作用所致。

该段隧道埋深仅30m，地表为二条冲沟交汇处。

其线路K514+800~K514+900长100m地段右侧地表为高近200m黄土陡坡，陡坡走向平行隧道，其坡脚线恰位于隧道中线附近，而隧道左侧为较宽的平坦谷沟，使隧道部位处于山体压力不对称受力状态，加之隧道顶部以上的基岩地层厚度不大（20多米），在承受山体压力过大的情况下向隧道偏压，致使轨道结构变形上拱，这是非常典型和少见的局部地应力集中事件。

三、太古界硬质变质岩大变形问题

张集铁路旧堡隧道全长9.6Km，北同蒲取直雁门关隧道全长14Km，都通过华北北部古老的太古界片麻岩、混合岩、变粒岩地层。

因变质深，结晶程度高，是岩质坚硬的硬质岩、甚至极硬岩，在以往的隧道建设过程中很少出现重大设计变更。

但这两座隧道在施工中却出现了没有料到的围岩大变形问题，给施工造成极大困难，工期一延再延，进行了重大设计变更，使我们不得不重新认识华北北部太古界变质岩的工程地质特征。

对此，我初步归纳以下几点：

1、不管是片麻岩、变粒岩、角闪岩，普遍含有大量黑云母，片理发育，降低了岩石强度。

2、在变质过程中，经受了混合岩化作用，花岗岩物质大量顺层侵入，由于熔融程度不是很深，未形成熔融为一体的混合岩，而是经历了层面发育的条痕状混合岩化作用，同时有大量伟晶岩脉、石英岩脉穿插发育，不但增多了岩体内的结构面，而且正长石易蚀变为强度低、且具有一定膨胀性的高岭石，再经风化作用易形成高岭土，成为软团块或软夹层。

3、在漫长的地质历史中，还有大量、多期深色超基性、中基性岩体、岩脉侵入，如辉绿岩、橄榄岩、角闪岩等，多顺层或切层侵入，经蚀变作用，如蛇纹岩化、滑石化、透闪石化、绿泥石化、石棉化、碳酸盐化及相应的片理化，有的还进一步形成绿泥石片岩、黑云母片岩、角闪石片岩等软质岩夹层，强度低，遇水软化，崩解性强，易产生大变形。

4、由于构造裂隙和各类蚀变岩类结构面可成为良好的地下水通道，在原始天然状态下深部岩体一般无水，一旦隧道开挖形成排泄廊道，引导地下水汇集渗流，不但软化各类蚀变夹层，而且冲蚀蚀变物质，为岩体大变形和发生坍塌提供了诱发条件。

总之，华北地区北部山区分布的太古界变质岩地层，虽然总体上属于硬质岩，但由于多期地质构造和蚀变作用，岩体软弱结构面发育，当隧道开挖导致地下水汇聚渗流后，结构面强度大为降低，因此围岩分级不能按常规划定为Ⅲ级，宜基本定为Ⅳ级，破碎和软质夹层的富水地段应定为Ⅴ级。

四、侵入岩脉蚀变风化破碎岩体塌方和突泥问题

（一）集包三、四线新旗下营隧道“3·

19”大塌方

该隧道全长2025m，最大埋深200m，最小埋深8m，为双线隧道。

通过地层主要为太古界大理岩和后期侵入的闪长岩。

2010年3月19日，隧道施工掌子面里程为DK587+980，14时首先在DK587+930~940发生塌方，后迅速牵引带动大里程方向连续塌方，2~3天内坍塌还时有发生，长50m已开挖并进行初期支护地段全部坍塌封死，死亡10人，塌方总量达四、五千方。

经事件发生后调查鉴定分析，塌方地段岩性以太古界大理岩为主，首先塌方地段DK587+920~DK587+946长26m地段为辉绿岩墙，DK587+965有一闪长玢岩脉，DK587+966有一辉绿岩脉，挤压构造特征明显，由于构造挤压和风化深重，岩体十分破碎。

隧道顶部左侧上方约40m发育一条与隧道小角度交汇的冲沟，冲沟深十余米，其走向有利冬季积雪。

据查气象资料，塌方前半年，冬季降雪量比历年同期偏多近一倍，特别是2010年1月3日降大暴雪为历史罕见，3月份春季有大量融雪水下渗。

此外，隧道施工于2009年12月就掘进至DK587+980，因冬季严寒暂停施工，初期支护地段停工放置时间长达近4个月，二衬较长时间未跟上，有利于变形加快发展。

设计按大理岩分布地段，将DK587+865~DK588+075围岩分级划定为Ⅲ级，施工中虽然根据现场情况进行了变更，但由于对辉绿岩也按硬质岩对待，加强支护强度的措施衔接不紧密，塌方在薄弱环节突破进而牵引全段塌方。

（二）厦新铁路梁山隧道大型蚀变岩墙涌水突泥

隧道全长9.9Km，最大埋深680m，穿越燕山期花岗岩地层。

2009年3月14日施工至DK96+505突然发生涌水突泥，突泥砂2000方；

至4月6日又相继发生3次涌水突泥，共突泥砂2.8万方，夹花岗岩碎、块石，并于4月6日在隧道埋深270m山腰地段形成60m×

30m、深约25m巨型陷坑。

事后查明，发生涌水突泥的部位为花岗岩体中的辉绿岩和闪长玢岩岩墙，其走向与隧道正交向两侧延伸数百米，岩墙厚10余米，倾角近垂直，是后期中基性岩浆沿花岗岩体中北西向构造裂隙带侵入形成。

中基性岩浆化学稳定性差，易风化，经蚀变作用呈土状和细颗粒状，形成深达二、三百米板状风化带，在坚硬的花岗岩体中形成富水的软弱破碎带，构成涌水突泥通道，一旦隧道开挖形成大规模塌方和突泥事件。

五、富水逆掩断层破碎带大规模突泥

南宁至广州铁路白云隧道全长2Km。

2010年1月11日23时DK334+733拱顶左侧突然出现大规模突水、突泥，持续时间约30秒，喷涌长度170m，突出泥沙2500多方，无人员伤亡和机械损失，掘进停工，转入清理、原因调查，进行超前地质钻探和物探、水量检测、围岩监测及辅助性施工作业等工作。

1月16日现场安排10人继续进行上述工作时，8时10分掌子面突然又涌出3000方左右块石、碎石、岩屑和粘土混合物质，持续30秒，喷涌长度仍为170m，隧顶上方高80m地面产生一30m×

13m深6m塌陷漏斗坑。

现场作业人员4人死亡、2人失踪，施工台架、铲车和装载机被推移10多米，完全损毁。

隧道围岩为寒武系砂质页岩、炭质页岩夹粉砂岩，单斜结构。

塌方掌子面前方10m即DK334+743~833将进入区域性罗东大断裂破碎带及影响带范围。

该断层是由相距百米的2条平行展布的逆掩断层组合而成，断层倾角仅25°

强烈的逆冲挤压在二条断层之间形成极为破碎的剪切带，经强烈风化作用，呈土夹角砾、块石状，富水饱和成流塑状，致使塌方迅速转化为突泥、突水。

页岩地区与灰岩地区不同，页岩是贫水的非可溶岩，岩层渗水性差，形不成地下水管道和洞穴，所以一般不会形成大规模的突泥、突水。

而此次事件形成在短时间内突然冲出携泥砂、石块的地下水，具有可溶岩地区岩溶洞穴填充物发生突泥、突水的表征，可能是由于页岩中夹有砂岩地层形成相对富水通道所致。

六、层状地层大规模顺层塌方

（一）有以下两个工程实例：

1、沪昆客专半山隧道进口段塌方

半山隧道全长5.6Km，为双线隧道，最大埋深341m。

2012年4月24~25日DK217+916~999连续发生塌方，塌方地段长83m，塌方高达25m，并造成相邻二衬开裂，因发现及时，未造成伤亡事故。

经事后调查分析，造成塌方的地质成因是由于古老的奥陶系砂质板岩地层中发育层间隐形构造节量密集带，在连续三个月降雨条件下，地下水下渗增加，软化围岩和结构面强度并加大岩体容重，于隧道施工开挖中在较长地段形成顺层坍塌。

主要地质因素及特征：

⑴奥陶系板岩时代古老，经受多期地质构造运动，除发育褶皱和断裂构造外，呈单斜产状的板岩地层还多发育层间相对位移形成的隐形节理密集带，从表面上看还具有成层岩石的状态，但内部矿物分子联结已遭分割破坏，形成隐形节理，一经扰动就分离解体。

⑵岩层及伴生的节理密集带，走向与隧道走向交角较小，近似平行，顺层的不利结构组合，在较长的地段斜穿隧道。

地层及节理密集带以50°

~60°

角度倾向隧道，松散、破碎岩体易沿层面下滑，形成规模不断扩大的牵引式坍塌；

尤其当具备地下水沿层面或节理面加大渗流的条件时，更易诱发较大顺层坍塌，这是进口段塌方地段长达83m规模较大的原因。

“4·

25”塌方发生后所进行的大地电磁勘探成果图，清晰表明由于地下水下渗形成了反映层间节理密集带位置的低电阻异常带，其走向与隧道小角度斜交，倾向隧道。

⑶砂质板岩属脆性岩石，当受力时塑性变形不明显，具有硬质岩破坏变形的突发性特征，可能造成塌方前变形监测征兆不明显，或征兆表现较晚，这使板岩地质坍塌发生很突然，而且首先坍塌的起点也不易判断，预防和预警难度很大。

2、黎南铁路那适二号隧道DK698塌方

2010年7月11日，黎南铁路那适二号隧道DK698二衬前方正在进行仰拱施工的地段突然发生塌方，相距54m掌子面10人被封困；

7月14日~28日又接连发生6次塌方，填埋掌子面至二衬全部正施工地段，10人未救出。

塌方段隧道埋深60m，7月29日地表发生塌陷。

该隧道地层属寒武系粉砂岩夹页岩，产状属单斜构造，岩层走向近东西向，与隧道走向夹角15°

~20°

，为小角度斜交，岩层倾角陡立为70°

~80°

塌方后，在地表整治工程中，开挖和清除了较大范围表土和风化层，可以清晰看到发育顺层节理密集带。

有一组优势节理顺层面发育，且相隔数米至十余米还发育挤压破碎带；

结构面多见摩擦镜面和片状碳质成分，成为岩体中相对软弱夹层。

这种产状陡立、纵向延伸较长、且结构面产状不利组合的延伸方向与隧道走向小角度倾角，是该段发生大规模坍塌的基本地质条件。

该地区塌方前一个月连续降5次大雨，地下水大量下渗，对岩体及结构面强度有软化作用，而且加大岩体容重，这是发生塌方的重要诱发因素。

塌方地段以粉砂岩为主，也呈现脆性岩石破坏变形特点，塌陷前变形征兆不明显，且由于牵引作用不断扩大持续发展形成多次塌方。

（二）通过上面两个实例，可以归纳顺层塌方有以下特征：

1、围岩为成层性明显、强度中等硬度偏软的板岩、粉砂岩、页岩，其强度不是很大，但具有硬质岩脆性特征，一般围岩级别常被判定为Ⅲ~Ⅳ级，未采取强大的支护加固措施。

2、岩层为单斜构造，倾角偏陡（45°

~90°

），在单斜构造的局部地段可能形成顺层发育的层间滑动面、带，严重的可形成层间节理密集带或挤压构造密集带，一旦其走向与隧道走向近平行，即在隧道中形成顺层构造，在较长地段形成不稳定岩体倾向隧道硐室的危险状态，这是牵引形成较大规模塌方的关键地质条件。

3、中等硬度偏软的岩石强度，塑性变形不明显，其失稳变形具有脆性岩石破坏变形的突发性和隐蔽性特征。

4、沿层面和构造节理结构面渗流地下水，可软化岩石和结构面结合强度，增大岩体容重，因此阵雨是诱发塌方的重要条件。

5、塌方的起始部位具有很大的偶然性，不易判断。

七、中更新统老黄土崩塌

锦赤铁路烧锅地隧道全长1.1Km，为单线隧道。

2010年10月18日进口浅埋黄土围岩地段发生塌方，7人被埋死亡。

经现场调查，本次塌方是隧道黄土浅埋地段，在异常降雨条件下由于雨水大量下渗形成的突发性事件。

地质原因分析如下：

1、老黄土垂直节理发育是基本地质条件

隧道塌方地段为中更新统粘质黄土，干燥条件下是呈硬塑——坚硬状。

一种突出的特殊性是垂直节理发育，一旦有雨量较大的降水条件，坡面地表水可沿垂直节理下渗一定深度，并侵润软化垂直节理周边黄土，使其含水量增加，强度降低，形成软弱的直立的网格状“过湿带”。

而“过湿带”之间的黄土仍呈硬塑——坚硬状，被切割分离成片状、柱状。

如浅埋隧道通过黄土地段“过湿带”密集发育，黄土地层的整体稳定性大为降低，一旦隧道开挖形成凌空面，靠近隧道的黄土柱、板承受不了上覆土层的压力，就可能发生“折断式”坍塌。

这种破坏突发性强，征兆不明显，很难预先监测到，虽然土方量不大，但冲击力强，对隧道结构破坏性较大。

2、异常降雨是直接原因

据当地敖汉旗气象局提供的资料，2010年9月至10月降水量为162mm，是历年同期降雨量64mm的2.