秦嶺地應(yīng)力特征及對(duì)隧道選址的影響研究

周子豪 張 哲

(1.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安 710021； 2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

1 概述

為實(shí)現(xiàn)西部大開(kāi)發(fā)，強(qiáng)化關(guān)中平原城市群與長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶互聯(lián)互通，提升西北與西南、東南的通達(dá)能力，加快交通走廊建設(shè)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和民生改善[1]，國(guó)家實(shí)施了西康鐵路、寧西鐵路、西成高鐵、西武高鐵(擬建)、西渝高鐵(擬建)，以及G5、G65、G40、G70高速公路等一系列重大基礎(chǔ)工程。秦嶺地區(qū)巖性、構(gòu)造復(fù)雜，高地應(yīng)力產(chǎn)生的巖爆病害對(duì)隧道選址和建設(shè)有較大影響[2]。

巖爆是深埋地下工程常見(jiàn)的動(dòng)力破壞現(xiàn)象，其破壞性巨大，往往造成隧道工程結(jié)構(gòu)、設(shè)備損壞及人員傷害等[3]。為此需對(duì)深埋隧道進(jìn)行地應(yīng)力實(shí)測(cè)工作。但以往研究多針對(duì)單個(gè)隧道，樣本較少，系統(tǒng)性總結(jié)不足。以下對(duì)秦嶺地區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示秦嶺地區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，對(duì)類(lèi)似工程巖爆預(yù)測(cè)預(yù)警、隧道選址、施工等具有指導(dǎo)意義。

2 秦嶺地質(zhì)環(huán)境

秦嶺是橫貫我國(guó)中部的東西向山脈，平均高程1 500 m以上，山脈主脊偏北，北坡短急，地形陡峭；南坡較緩，地形地質(zhì)復(fù)雜，深大斷裂發(fā)育。在地質(zhì)構(gòu)造上，秦嶺是我國(guó)中央造山帶的組成部分，是典型的復(fù)合型大陸造山帶，屬古老褶皺斷層山地，是一個(gè)掀升的地塊。秦嶺地區(qū)大地構(gòu)造單元為華北與揚(yáng)子古陸兩大陸臺(tái)結(jié)合部的北秦嶺褶皺斷裂帶的中段，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及長(zhǎng)期的發(fā)展演化過(guò)程，其內(nèi)部組成、構(gòu)造變形及巖系非常復(fù)雜。本次研究區(qū)域西起西成高鐵，東至西武高鐵，約110 km范圍，且以秦嶺主脊(寬度約30 km)為研究重點(diǎn)。區(qū)域內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，斷層及褶皺發(fā)育，應(yīng)力場(chǎng)以現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主，且以水平應(yīng)力為主，具備較高地應(yīng)力的地質(zhì)環(huán)境，是導(dǎo)致巖爆發(fā)生的主要原因[4]。

3 地應(yīng)力測(cè)試

采用水壓致裂法實(shí)測(cè)應(yīng)力是獲得巖體應(yīng)力場(chǎng)最直接的途徑。山嶺隧道一般地處偏遠(yuǎn)，地形復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試極為不便[5]。為獲取初始地應(yīng)力場(chǎng)，往往只進(jìn)行少量的地應(yīng)力測(cè)試，之后以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并依據(jù)某種數(shù)學(xué)模型構(gòu)造初始地應(yīng)力場(chǎng)，得到區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的分布情況。本次研究中，為更好地滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)和施工需要，根據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)力資料、地質(zhì)構(gòu)造條件建立有限元數(shù)值模型，并利用多元回歸方程等方法進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)的反演計(jì)算，以獲得更為精確的應(yīng)力場(chǎng)形態(tài)和特征，為隧道圍巖穩(wěn)定性分析和科學(xué)決策提供依據(jù)[6]。

4 秦嶺淺層地應(yīng)力特征

受地形地貌、板塊運(yùn)動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造和巖性等影響，秦嶺淺層巖體地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律復(fù)雜，區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)呈相對(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定場(chǎng)特征，即一定區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力分布規(guī)律大體一致。因此，建立地應(yīng)力測(cè)試(鉆孔)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)研究區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)分布特性可行。

收集了秦嶺終南山公路隧道、引漢濟(jì)渭、西成高鐵、西渝高鐵、西武高鐵等越嶺隧道(洞)等項(xiàng)目具有代表性的33孔地應(yīng)力測(cè)試鉆孔資料，篩選出110組數(shù)據(jù)，并據(jù)此分析秦嶺區(qū)域性地應(yīng)力特征。

4.1 垂直應(yīng)力特征

垂直應(yīng)力σv主要來(lái)源于巖體自重，垂直地應(yīng)力總體上等于上覆巖體自重，且多為壓應(yīng)力。

對(duì)垂直地應(yīng)力σv實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的線(xiàn)性回歸分析顯示：垂直地應(yīng)力σv隨埋深增加而增大，呈近似線(xiàn)性關(guān)系，但局部受構(gòu)造、巖體各向異性等影響，個(gè)別實(shí)測(cè)σv略大于巖體自重。

秦嶺地區(qū)地層巖性復(fù)雜，主要為變質(zhì)巖和巖漿巖。已探明的巖石有花崗巖、閃長(zhǎng)巖、板巖、片麻巖、頁(yè)巖、大理巖等，其容重一般為25～30 kN/m3，區(qū)域淺層(埋深小于3 000 m)垂直應(yīng)力σv=0.027 1H。

4.2 水平應(yīng)力特征

(1)水平主應(yīng)力與隨埋的關(guān)系

秦嶺地區(qū)最大、最小水平主應(yīng)力隨埋深分布見(jiàn)圖1、圖2，從圖1、圖2可以看出，在700 m深度范圍內(nèi)，水平主應(yīng)力整體上隨埋深增加而增大，水平主應(yīng)力與埋深呈線(xiàn)性關(guān)系，最大水平主應(yīng)力與埋深的線(xiàn)性方程為

圖1 秦嶺地區(qū)最大水平主應(yīng)力隨埋深分布

圖2 秦嶺地區(qū)最小水平主應(yīng)力隨埋深分布

最小水平主應(yīng)力與埋深的線(xiàn)性方程為

σh=0.026 1H+1.57

(2)

秦嶺地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示σH/σh≥2，這反映了最大水平主應(yīng)力σH與最小水平主應(yīng)力σh梯度差明顯，巖體表現(xiàn)出較強(qiáng)的方向性和各向異性[8]。目前，秦嶺地區(qū)已建的西成高鐵、引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞工程等遇到的隧道變形大[9]、巖爆強(qiáng)烈等問(wèn)題，驗(yàn)證了秦嶺地區(qū)水平主應(yīng)力大的特征。

(2)最大、最小水平主應(yīng)力比與埋深的關(guān)系

分析σH/σh比值隨埋深的變化規(guī)律，對(duì)研究秦嶺淺層水平構(gòu)造應(yīng)力的作用機(jī)理具有重要的意義。圖1、圖2反映出秦嶺淺層水平地應(yīng)力具有一定的量值，且σH、σh差別較大，圖3反映了σH/σh比值隨埋深的變化規(guī)律。為進(jìn)一步分析σH、σh的作用形態(tài)，對(duì)測(cè)試散點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)性回歸，分析結(jié)果為

(3)

圖3 最大、最小水平主應(yīng)力比隨埋深分布

式(3)表明，σH/σh隨埋深增大呈減小的趨勢(shì)，這說(shuō)明受巖石泊松效應(yīng)增大等影響，在一定埋深范圍內(nèi)，σH、σh絕對(duì)應(yīng)力差值還會(huì)進(jìn)一步增大，但相對(duì)差會(huì)越來(lái)越小。

(3)側(cè)壓系數(shù)隨埋深分布規(guī)律

側(cè)壓系數(shù)k是反映地應(yīng)力狀態(tài)的參數(shù)，反映了巖體某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，是工程設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的主要參數(shù)之一。

秦嶺地區(qū)側(cè)壓力系數(shù)隨埋深的分布如圖4所示，從圖4可以看出：k值多分布在1.5～3.0范圍內(nèi)，隨著埋深增大，k值逐漸減小，其表達(dá)式為

k=132/H+1.31

(4)

圖4 側(cè)壓系數(shù)k隨埋深分布

4.3 秦嶺最大水平主應(yīng)力方向特征

采用電子定向印模器確定秦嶺最大水平主應(yīng)力方向特征，即根據(jù)裂縫破裂面方向獲得最大水平主應(yīng)力方向。

采用以上方法對(duì)秦嶺地區(qū)33個(gè)鉆孔應(yīng)力方向進(jìn)行實(shí)測(cè)，其結(jié)果如圖5所示，秦嶺淺層巖體最大水平主應(yīng)力方向基本為偏北向，且最大水平主應(yīng)力方向主要為NW向，尤其是200 m深度以下。

圖5 最大主應(yīng)力方向特征

秦嶺最大水平主應(yīng)力方向與該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。研究區(qū)域?qū)偾貛X造山帶的中段，位于商丹斷裂以南，山陽(yáng)—鳳鎮(zhèn)斷裂以北，區(qū)域構(gòu)造決定了最大水平主應(yīng)力方向。

5 對(duì)隧道選址的影響

秦嶺越嶺隧道具有長(zhǎng)度大、埋深大等特征，高地應(yīng)力引起的巖爆病害是秦嶺越嶺隧道常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，是設(shè)計(jì)施工的一大難題。

秦嶺太興山隧道CK23+660～CK42+535段，全長(zhǎng)18 875 m，地處北秦嶺中高山區(qū)，為穿越秦嶺嶺脊而設(shè)，相對(duì)高差1 300～1 600 m，最大埋深約1 400 m。

該隧道洞身地層巖性主要有混合花崗巖、片巖、片巖夾大理巖等，以硬質(zhì)巖為主。地質(zhì)構(gòu)造上，隧址區(qū)域?qū)俦鼻貛X加里東褶皺帶，受多次構(gòu)造活動(dòng)影響，其內(nèi)部組成與構(gòu)造變形十分復(fù)雜。隧道通過(guò)三條區(qū)域性斷裂大瓢溝—西翠華斷裂(F3)、大錢(qián)池—板廟子斷裂(F4)及耍錢(qián)廠—莫西坪斷裂(F5、F5-1)，及13條規(guī)模較小的斷層，且秦嶺北坡為復(fù)背斜形態(tài)，構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜(見(jiàn)圖6)。

圖6 北秦嶺高中山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

在越嶺隧道選址工作中，應(yīng)充分利用秦嶺淺層地應(yīng)力特征分析成果，并結(jié)合該越嶺隧道工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探、物探、試驗(yàn)等勘察成果，查明隧道的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地應(yīng)力分布等情況，為隧道選址提供科學(xué)依據(jù)。主要分析結(jié)果如下：

①隧道通過(guò)三條區(qū)域性斷裂(F3、F4、F5、F5-1)及13條規(guī)模較小的斷層，且秦嶺北坡為復(fù)背斜形態(tài)，隧道洞身位于斷裂、褶皺構(gòu)造發(fā)育地帶，地應(yīng)力形成主要原因來(lái)自構(gòu)造應(yīng)力。

②該隧道最大埋深約1 400 m，大部分段落位于混合片麻巖、混合巖、混合花崗巖等硬質(zhì)巖體中，有發(fā)生巖爆的可能性。

③最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W，與區(qū)域內(nèi)地形及主要構(gòu)造相符，最大水平主應(yīng)力方向?qū)η貛X主隧道軸線(xiàn)起一定的控制作用，隧道軸線(xiàn)宜按近NS布置。

④對(duì)該隧道可能發(fā)生的巖爆問(wèn)題，應(yīng)開(kāi)展施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)工作，采取有效的防護(hù)措施，確保隧道施工及運(yùn)營(yíng)安全。

為進(jìn)一步落實(shí)該隧道地應(yīng)力分布對(duì)隧道選址的影響，在項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)前進(jìn)行了地質(zhì)加深勘察[10]工作，通過(guò)地應(yīng)力鉆孔(QCSZ-3-1)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試驗(yàn)證(孔深范圍188.76～393.79 m)。測(cè)試報(bào)告表明：

①隧址區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)地位，且σH>σh>σv，測(cè)區(qū)主應(yīng)力場(chǎng)以北東—南西向擠壓為主，最大水平主應(yīng)力σH=13.3～24.3 MPa，最小水平主應(yīng)力σh=6.4～12.2 MPa。按照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218—2014)進(jìn)行地應(yīng)力水平評(píng)價(jià)，根據(jù)不同埋深處的巖性、巖石飽和抗壓強(qiáng)度平均值Rc與隧道垂直方向水平應(yīng)力σ橫之比判斷巖爆發(fā)生的可能性。該孔巖性為混合花崗巖，Rc=29.1～26.7 MPa，Rc/σ橫<4，說(shuō)明該隧道的巖爆等級(jí)以中等—輕微為主，局部可能發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆。秦嶺大興山隧道地應(yīng)力實(shí)測(cè)成果[11]見(jiàn)表1。

表1 秦嶺大興山隧道地應(yīng)力測(cè)試成果

②地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的平均比值為σH/σh=1.9，符合秦嶺地區(qū)σH/σh=210/H+1.4的規(guī)律。

③實(shí)測(cè)的最大水平主應(yīng)力方向平均值為N34°W，符合秦嶺構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的方向特征。

秦嶺地區(qū)深埋隧道具備產(chǎn)生巖爆的可能。為確保深埋隧道的安全，依據(jù)秦嶺地應(yīng)力分布特征及已建(在建)工程經(jīng)驗(yàn)，提出秦嶺地區(qū)隧道選址原則：

①巖體初始地應(yīng)力場(chǎng)是研究地下隧道圍巖穩(wěn)定狀況和隧道選址的重要依據(jù)，隧道軸線(xiàn)(平面)方向應(yīng)盡可能與最大水平主應(yīng)力σH方向趨于一致，若難于避免時(shí)，隧道軸線(xiàn)盡量與水平主應(yīng)力以小角度相交，夾角越小越有利于隧道穩(wěn)定；②隧道埋深宜淺不宜深，應(yīng)據(jù)此合理地進(jìn)行隧道縱斷面設(shè)計(jì)；③選擇適當(dāng)?shù)臄嗝嫘螤?，使斷面形狀與構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)相適應(yīng)，最好采用寬度大于高度的矩形、拱形及橢圓形斷面形式，并采用塑性支護(hù)構(gòu)件等。

6 結(jié)論

以秦嶺實(shí)測(cè)地應(yīng)力鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)秦嶺最大、最小主應(yīng)力，主應(yīng)力比，側(cè)壓系數(shù)及最大水平主應(yīng)力方向特征的分析研究，揭示了秦嶺淺層地應(yīng)力分布特征，并以西渝高鐵太興山秦嶺隧道選址為例進(jìn)行論證，提出了隧道選址的指導(dǎo)意見(jiàn)。

(1)秦嶺新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，應(yīng)力場(chǎng)以現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主，賦存高地應(yīng)力的地質(zhì)環(huán)境，具備巖爆發(fā)生的條件。

(2)秦嶺地區(qū)地應(yīng)力特征研表現(xiàn)為：水平主應(yīng)力上隨埋深增大而增加，與埋深有較好的線(xiàn)性關(guān)系，最大水平主應(yīng)力σH=0.048 9H+3.68，最小水平主應(yīng)力σh=0.026 1H+1.57；最大、最小水平主應(yīng)力比σH/σh隨埋深增大呈衰減趨勢(shì)，σH/σh=210/H+1.4；側(cè)壓系數(shù)k值主要分布在1.5～2.5間，隨著埋深增大，k值逐漸減小；最大水平主應(yīng)力方向主要為NW向。

(3)隧道選址原則為：隧道軸線(xiàn)(平面)方向盡可能與最大水平主應(yīng)力σH方向趨于一致；隧道埋深宜淺不宜深；合理進(jìn)行隧道縱斷面設(shè)計(jì)；隧道斷面形狀與構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)相適應(yīng)。