木寨嶺隧道越嶺區(qū)區(qū)域地應(yīng)力特征分析及應(yīng)用

巨小強(qiáng)

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 陜西西安 710043)

1 工程概況

新建鐵路蘭渝線木寨嶺隧道位于西秦嶺中山區(qū),隧道穿越主峰木寨嶺為漳河與洮河的分水嶺,橫跨甘肅省漳縣、岷縣兩縣,隧道全長左線為19 020 m,右線為19 080 m,為兩座單線隧道,線間距22.5～50 m。

2 隧道區(qū)區(qū)域地質(zhì)特征

2.1 地層巖性

隧道區(qū)地層巖性復(fù)雜,主要為第四系全新統(tǒng)洪積細(xì)角礫土、粗角礫土、碎石土，下第三系礫巖，二疊系砂巖、礫巖、板巖及炭質(zhì)板巖，石炭系下統(tǒng)砂巖、灰?guī)r、板巖，泥盆系上統(tǒng)砂巖、壓碎巖、斷層角礫等。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧道位于秦嶺—昆侖緯向構(gòu)造體系,后期被賀蘭山字形構(gòu)造體系改造、復(fù)合、歸并,并在茶固灘一帶又被茶固灘帚狀構(gòu)造體系改造。由于多期次構(gòu)造復(fù)合疊加作用,形成了形態(tài)各異、極其復(fù)雜褶曲與斷層束構(gòu)造。木寨嶺隧道全部處于大草灘復(fù)背斜的南翼，斷裂主要為美武—新寺區(qū)域斷裂帶F2,發(fā)育于上述大草灘復(fù)背斜南翼,走向N43°～70°W,斷層面以北傾為主,傾角30°～74°,壓扭性特征顯著,曾發(fā)生過向西錯動,由多條近平行的斷層束組成。可分為兩個較大的斷裂帶,即酒店子—大坪北西向的壓扭性逆沖斷裂和老幼店—磚頭寨—郭家溝的北西向弧形構(gòu)造,發(fā)育有斷層角礫、壓碎巖,斷裂帶中有石英脈充填。該段發(fā)育的次級斷層有f10、f11、f12、f13、f14、f14-1、f14-2、f15、f15-1、f16,這些斷裂大多數(shù)被第四系殘、坡積地層覆蓋,但地貌上斷層崖或斷層埡口較為明顯。

2.3 水文地質(zhì)特征

根據(jù)隧道區(qū)出露的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征,并結(jié)合含水介質(zhì)的不同,地下水分為基巖(巖溶)裂隙水和第四系松散堆積層孔隙水兩大類。

3 隧道區(qū)區(qū)域地應(yīng)力特征分析

3.1 地應(yīng)力測試與分析

地應(yīng)力的測試與分析方法有多種,有小到巖石礦物變形的顯微構(gòu)造分析,大到區(qū)域性的深大斷裂構(gòu)造研究；測量方法既有定性分析,也有定量評價；既有現(xiàn)場實測,也有數(shù)值模擬分析。比較常用的方法主要有：構(gòu)造分析法、震源機(jī)制解、應(yīng)力解除法、水壓致裂法及聲發(fā)射法等。但各種方法都有其特有的優(yōu)越性和局限性,理論上和實際使用中都存在需進(jìn)一步完善的方面。因此,在實際工作中,需要針對區(qū)域地質(zhì)情況進(jìn)行有機(jī)組合,開展綜合地應(yīng)力測試與分析工作,在對各種測試成果資料進(jìn)行綜合分析與評價的基礎(chǔ)上,確定區(qū)域地應(yīng)力的大小和方向。本次工作中主要采用水壓致裂法進(jìn)行測試分析。

水壓致裂法是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種地應(yīng)力測量方法,該方法是國際巖石力學(xué)學(xué)會試驗方法委員會頒布的確定巖石應(yīng)力推薦方法之一,是目前國際上能較好地直接進(jìn)行深孔應(yīng)力測量的先進(jìn)方法。該方法無需知道巖石的力學(xué)參數(shù)就可獲得地層中現(xiàn)今地應(yīng)力的多種參量,并具有操作簡便、可進(jìn)行連續(xù)或重復(fù)測試、測量速度快、測值可靠等特點,近年來得到了廣泛應(yīng)用,并取得大量的成果。該方法以彈性力學(xué)為基礎(chǔ),利用一對可膨脹的封隔器,在選定的測量深度,封隔鉆孔中完整基巖段,然后通過泵入流體對該試驗段(常稱壓裂段)增壓,同時利用記錄儀、計算機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng)或數(shù)字磁帶記錄儀記錄壓力隨時間的變化,對實測記錄曲線進(jìn)行分析,得到特征壓力參數(shù),再根據(jù)相應(yīng)的理論計算公式,就可得到測點處最大和最小水平主應(yīng)力的量值以及巖石的水壓致裂抗拉強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù)。同時,可根據(jù)印模器或井下電視獲取破裂方位,確定原地應(yīng)力的方向。

為了定量評價隧道區(qū)地應(yīng)力的大小和方向,在2個鉆孔中采用水壓致裂法進(jìn)行了地應(yīng)力大小及方向測量,共測量了19個測段的地應(yīng)力大小及9個測段的方向,測量結(jié)果見表1、表2。

表1 木寨嶺隧道MSZ-1孔水壓致裂原地應(yīng)力測量結(jié)果

表2 木寨嶺隧道木Z-08孔水壓致裂原地應(yīng)力測量結(jié)果

3.2 區(qū)域地應(yīng)力特征分析

工程區(qū)MSZ-1、木Z-8孔應(yīng)力場以水平主應(yīng)力為主,并有隨深度線性增加的趨勢。三向主應(yīng)力關(guān)系基本為：SH>SV>Sh,表明該區(qū)深部以構(gòu)造應(yīng)力作用為主。

根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50218—94)：RC/SH<4為極高應(yīng)力；

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對所有測點的RC與SH進(jìn)行了比較,結(jié)果列于表3～表5。

表3 木寨嶺特長隧道MSZ-1孔應(yīng)力大小與RC的比較結(jié)果

表4 木寨嶺特長隧道木Z-08孔應(yīng)力大小與RC的比較結(jié)果

表5 RC/SH數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

可以看出，應(yīng)力大小受巖石飽和抗壓強(qiáng)度RC的影響,根據(jù)實測RC為20～10 0MPa進(jìn)行分析,當(dāng)RC=20 MPa時,RC/SH<4的極高地應(yīng)力占全部測點的100％；當(dāng)RC=30 MPa時,RC/SH<4的極高地應(yīng)力占全部測點的60％～100％；當(dāng)RC=100 MPa時,RC/SH<4的極高地應(yīng)力占全部測點的50％。顯然,盡管某些測段受巖石結(jié)構(gòu)完整性及構(gòu)造的影響,使得地應(yīng)力測試結(jié)果具有較為明顯的變化。統(tǒng)計分析表明,極高和高地應(yīng)力的情況占全部測段的100％，這一統(tǒng)計結(jié)果較為客觀地揭示了其地應(yīng)力狀態(tài)的總體分布特征。

4 與地應(yīng)力有關(guān)的主要地質(zhì)問題分析與評價

根據(jù)隧道區(qū)地應(yīng)力特征,隧道局部埋深較大段存在高地應(yīng)力問題,隧道施工中與高地應(yīng)力有關(guān)的主要地質(zhì)問題是硬質(zhì)巖的巖爆和軟質(zhì)圍巖的大變形。

4.1 巖爆

巖爆的產(chǎn)生需要具備兩方面的條件：高儲能體的存在,且其應(yīng)力接近巖體強(qiáng)度是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)因，某些附加荷載的觸發(fā)是其產(chǎn)生的外因。巖爆的發(fā)生是一種復(fù)雜的非線性動力學(xué)現(xiàn)象,其控制和影響因素較多,成因機(jī)制復(fù)雜。巖體的力學(xué)性質(zhì)、原地應(yīng)力狀態(tài)、巖體滲透特性、地下洞室的截面形狀以及開挖方式等因素,都在一定程度上構(gòu)成了某一地區(qū)巖爆的形成要素。但歸納起來,主要有兩大因素,一是巖石的性質(zhì),二是圍巖的應(yīng)力。巖石的性質(zhì)是巖爆發(fā)生的內(nèi)因,圍巖應(yīng)力是外因,是巖爆發(fā)生的必要條件。

切向應(yīng)力準(zhǔn)則首先由挪威學(xué)者巴頓提出。根據(jù)切向應(yīng)力準(zhǔn)則,將圍巖的切向應(yīng)力(σθ)與巖石的抗壓強(qiáng)度(RC)之比作為判斷有無巖爆及發(fā)生巖爆的等級劃分原則。

σθ/RC<0.3：無巖爆活動；

σθ/RC介于0.3～0.5間：輕微巖爆；

σθ/RC介于0.5～0.7間：中等巖爆；

σθ/RC>0.7：強(qiáng)烈?guī)r爆。

根據(jù)彈性力學(xué)公式,作用在隧道側(cè)幫上的正應(yīng)力為

可以認(rèn)為在隧道橫截面內(nèi)作用的兩向正應(yīng)力分別為σn和垂直應(yīng)力SV。再假設(shè)隧道斷面形狀為圓形,就可以得到對應(yīng)測段深度的最大切向應(yīng)力σθ,具體計算結(jié)果見表6。

表6 用于巖爆分析的計算參數(shù)和計算結(jié)果

結(jié)合以上所述的巖爆等級劃分準(zhǔn)則,從表6的計算結(jié)果可以看出,在相應(yīng)的埋深條件下,木寨嶺隧道部分段落存在發(fā)生中等以上巖爆的可能性。

4.2 軟巖變形

對于長大深埋隧道來講,軟巖變形是地應(yīng)力引起的另一類主要地質(zhì)問題。木寨嶺隧道通過11條斷層,斷層破碎帶主要由斷層泥礫和碎裂巖組成,其原巖以板巖夾炭質(zhì)板巖為主,巖性較差,巖質(zhì)軟弱，巖體破碎,屬軟巖—極軟巖。因此,綜合隧道區(qū)的地應(yīng)力特征及巖性特征,斷層破碎帶在施工中有發(fā)生較大變形的可能。

5 結(jié) 論

MSZ-1、木Z-08孔地應(yīng)力測試結(jié)果表明,木寨嶺隧道越嶺區(qū)三向主應(yīng)力的關(guān)系為：SH>SV>Sh。據(jù)此可以認(rèn)為,該區(qū)具有較為明顯的現(xiàn)今水平構(gòu)造應(yīng)力作用,水平主應(yīng)力作用為主。統(tǒng)計分析表明,極高和高地應(yīng)力的情況占全部測段的100％。

根據(jù)鉆孔的印模測試結(jié)果,木寨嶺隧道附近實測最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向為N34°～39°E,在建隧道軸線方向為N30°～40°E。因此,最大水平主應(yīng)力方向?qū)M建隧道穩(wěn)定性的影響較小。

根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果對隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行的分析,木寨嶺隧道在其開挖過程中,由于巖體中較高的地應(yīng)力以及巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度較小,存在發(fā)生中等以上巖爆的可能性,尤其是隧道通過埋深較大而巖體完整、堅硬的塊狀巖體洞段時,發(fā)生巖爆的可能性更大。

木寨嶺隧道通過11條斷層,對隧道區(qū)的地應(yīng)力特征及巖性特征綜合分析表明,斷層破碎帶在施工中有發(fā)生較大變形的可能。

[1]鐵道第一勘察設(shè)計院.新建蘭渝鐵路木寨嶺特長隧道地應(yīng)力測試報告[R].西安：鐵道第一勘察設(shè)計院，2008

[2]鐵道第一勘察設(shè)計院.新建蘭渝鐵路木寨嶺特長隧道設(shè)計方案[R].西安：鐵道第一勘察設(shè)計院，2008

[3]劉允芳.水壓致裂法三維地應(yīng)力測量[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1991,10(3)：246-256

[4]趙德安,陳志敏,蔡小林，等.中國地應(yīng)力場分布規(guī)律統(tǒng)計分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,26(6)：1265-1271

[5]蔡美峰,喬蘭.地應(yīng)力測量原理和技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,1995：13-90