寇正中，丁浩江，蒲洪波，蔣 全

敘畢鐵路斑竹林隧道地應(yīng)力特征分析

寇正中1，丁浩江2，蒲洪波1，蔣 全1

（1.四川省煤田地質(zhì)局一三五隊(duì)，瀘州 646000；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

為分析評價(jià)斑竹林隧道地應(yīng)力相關(guān)的工程問題，通過采用構(gòu)造分析法、水壓致裂法，分析和實(shí)測了隧區(qū)地應(yīng)力特征；并采用臨界深度法、強(qiáng)度應(yīng)力比法、工程類比法對巖爆、大變形進(jìn)行分級評價(jià)，表明隧區(qū)屬高應(yīng)力、極高應(yīng)力區(qū)，巖爆等級為輕微；大變形等級為Ⅰ-Ⅱ級。

隧道；地應(yīng)力；巖爆；大變形

越嶺的長大、深埋隧道通常位于高地應(yīng)力區(qū)，高地應(yīng)力往往引發(fā)硬質(zhì)巖巖爆、軟巖大變形等工程問題。因此分析地應(yīng)力特征，對隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程施工方案等均具有重要意義。

敘畢鐵路斑竹林隧道位于云南省威信縣境內(nèi)，隧道進(jìn)口里程D2K222+190、出口里程D2K235+000，隧道全長12 810m，屬特長隧道，最小埋深18m，最大埋深600m，為全線的控制性工程[1，2]。

1 地質(zhì)概況[1，2]

1.1 地形地貌

隧區(qū)位于四川盆地南緣往云貴高原的過渡地帶，屬低、中山侵蝕地貌，海拔約1000～1730m，相對高差150～730m。自然斜坡一般15°～40°，局部陡峻，坡度達(dá)60°～80°。

圖1 隧區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖

1.2 地層巖性

隧區(qū)地層區(qū)劃屬揚(yáng)子區(qū)黔北川南分區(qū)筠連鎮(zhèn)雄小區(qū)。隧區(qū)地層巖性復(fù)雜，出露地層由新到老依次有：第四系全新統(tǒng)（Q4）粉質(zhì)粘土及碎、塊石土；志留系中下統(tǒng)韓家店群（S1-2）砂巖、頁巖，下統(tǒng)石牛欄組(S1)灰?guī)r、頁巖，下統(tǒng)龍馬溪組（S1）泥質(zhì)灰?guī)r、砂巖、頁巖、炭質(zhì)頁巖；奧陶系中上統(tǒng)（O2+3）灰?guī)r，下統(tǒng)湄潭組（O1）砂巖、頁巖夾少量灰?guī)r，下統(tǒng)桐梓組+紅花園組（O1）灰?guī)r、白云巖；寒武系上中統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2-3) 白云巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧區(qū)位于云貴高原北部揚(yáng)子準(zhǔn)地臺滇東臺褶帶的東西向構(gòu)造、北東向構(gòu)造、雨河反S型構(gòu)造三大構(gòu)造體系的復(fù)合部位。褶皺、斷裂發(fā)育，隧道洞身共穿越3條褶皺軸線、7條斷層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造分布及其與線路的關(guān)系見圖1、圖2。隧區(qū)分布的褶皺主要有：高寨坡江西灣背斜、大灣向斜、天堂壩背斜、田壩頭背斜。斷裂主要有：令子反斷層（F1）、威信1#支斷層（F2）、威信2#支斷層（F3）、威信3#支斷層（F4）、威信主斷層（F5）、張家邊支斷層（F6）、張家邊主斷層（F7）、雨巴寨斷層（F8）、落田灣斷層（F9）。

2 隧區(qū)地應(yīng)力特征分析

2.1 地應(yīng)力分析與測試

地應(yīng)力的分析測試方法較多，在充分研究隧區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征及綜合勘察資料的基礎(chǔ)上采用構(gòu)造分析法、水壓致裂法對隧區(qū)地應(yīng)力進(jìn)行分析。

2.1.1 構(gòu)造分析法

根據(jù)各構(gòu)造體系產(chǎn)狀、變形特征，分析其形成時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，推測隧區(qū)古構(gòu)造應(yīng)力場的主應(yīng)力方向；并根據(jù)各構(gòu)造體系的復(fù)合關(guān)系，分析各構(gòu)造期應(yīng)力疊加狀態(tài)，推測現(xiàn)今應(yīng)力場的主應(yīng)力方向。該方法優(yōu)點(diǎn)為簡單、直觀，缺點(diǎn)為只能推測定性的主應(yīng)力高，不能得到定量的主應(yīng)力值。

圖2 隧道縱斷面圖

隧區(qū)東西向構(gòu)造體系主要由一系列的近于平行呈東西向的褶皺及壓性斷裂組成，形成于加里東期。由于地球自轉(zhuǎn)角速度變更，在南北向擠壓應(yīng)力作用下形成[3]。推測其古構(gòu)造應(yīng)力場的主應(yīng)力方向?yàn)槟媳毕?；但其?gòu)造形跡往往被其他構(gòu)造體系切割破壞，與新華夏系、雨河反S型構(gòu)造體系呈反接復(fù)合關(guān)系，推測其形成后受燕山運(yùn)動(dòng)影響，現(xiàn)今應(yīng)力場的主應(yīng)力方向?yàn)楸蔽飨颉?/p>

新華夏系、雨河反S型構(gòu)造體系主要由一系列呈北東向的褶皺及壓性斷裂組成，形成于燕山期，由于地球自轉(zhuǎn)速度加快，在南北向擠壓應(yīng)力作用下，受到不同邊界條件的影響，產(chǎn)生不平衡的水平運(yùn)動(dòng)而形成[3]。推測其初始古構(gòu)造應(yīng)力場的主應(yīng)力方向應(yīng)為南北向；在不同邊界條件的影響下，現(xiàn)今應(yīng)力場的主應(yīng)力方向?yàn)楸蔽飨颉?/p>

根據(jù)隧區(qū)構(gòu)造特征及各期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力場的特點(diǎn)，綜合分析，隧區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場的主應(yīng)力方向?yàn)楸蔽飨颉?/p>

圖3 DZ-BZLS深-01孔印模測量結(jié)果圖

2.1.2 水壓致裂法

水壓致裂法是基于鉆孔測試地殼深部地應(yīng)力的方法，其基本原理是利用一對可膨脹的橡膠封隔器，在鉆孔預(yù)定的測試深度封隔一段完整基巖，然后向封隔段內(nèi)注入高壓流體，致使鉆孔孔壁及其周圍巖體在壓力作用下形成破裂，根據(jù)壓裂過程的壓裂—時(shí)間曲線及壓裂參數(shù)點(diǎn)，按彈性力學(xué)理論計(jì)算出地應(yīng)力值；同時(shí)根據(jù)印模器及井下定向儀測定破裂方位，確定地應(yīng)力方向。該方法優(yōu)點(diǎn)是測試精度較高，可測定不同深度的地應(yīng)力值及應(yīng)力方向，缺點(diǎn)是僅適用于比較完整的巖體，對井下設(shè)備要求較高、對鉆探及測試輔助器材的通用性不強(qiáng)、測試成本較高。

為定量評價(jià)隧區(qū)的地應(yīng)力大小及方向，在DZ-BZLS深-01鉆孔進(jìn)行了6段水壓致裂原地應(yīng)力值及3段應(yīng)力方向測量，測量成果見表1、圖3、圖4[2]。

表1 DZ-BZLS深-01孔地應(yīng)力測試結(jié)果表

注：Pb巖石原位破裂壓力；Pr破裂重張壓力；Ps瞬時(shí)閉合壓力；PH試段深度上的水柱壓力；P0試段深度上的孔隙壓力；T 巖石抗拉強(qiáng)度； SH最大水平主應(yīng)力；Sh最小水平主應(yīng)力；Sv用上覆巖層(密度2700kg/m3)重量估算的垂直應(yīng)力；孔深為515.2m；測試前靜水位約為0.0m

2.2 地應(yīng)力特征分析

2.2.1 地應(yīng)力方向

根據(jù)構(gòu)造體系特征及各期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力場的特點(diǎn)分析，隧區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場的主應(yīng)力方向?yàn)楸蔽飨颉８鶕?jù)鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測試結(jié)果，隧區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場狀態(tài)以北西向擠壓為主，最大水平主應(yīng)力方向一般為N19°～25°W，平均為N21°W[3]。兩種方法得出的主應(yīng)力方向比較一致。

線路走向?yàn)镹30°E～N45°E，最大水平主應(yīng)力方向與隧道軸線的夾角為51°～66°，平均66°，對隧道穩(wěn)定性不利。

圖4 大、小和垂直應(yīng)力值隨孔深分布圖

2.2.2 地應(yīng)力值

根據(jù)鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測試結(jié)果，測試深度范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力值為17.53MPa，最小水平主應(yīng)力值為11.52MPa[3]。由于進(jìn)行地應(yīng)力測試的鉆孔數(shù)量有限，不能代表不同深度、不同構(gòu)造部位的地應(yīng)力值，因此可采用實(shí)測成果對隧區(qū)不同部位的地應(yīng)力進(jìn)行簡易推測。

根據(jù)圖4可以看出，在不考慮巖性、地下水等因素的影響條件下，最大水平主應(yīng)力與深度呈一定的線性增加，可以大致推測隧區(qū)最大水平主應(yīng)力與深度有如下線性關(guān)系：

σHmax≈2.5+0.0359H （式1）

式中：σHmax—最大水平主應(yīng)力（MPa）；H—深度（m）。

根據(jù)地應(yīng)力分布規(guī)律，在褶皺軸部、斷層端部、拐角處及交匯處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大水平主應(yīng)力應(yīng)大于一般地段；斷層破碎帶內(nèi)由于巖體破碎，不能承受高的應(yīng)力、不利于能量積累，其最大水平主應(yīng)力應(yīng)低于周圍巖體。

表2 隧區(qū)初始地應(yīng)力場評估結(jié)果表

注：按《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》說明表4.3.2—7評估，因巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度變化較大，對評估結(jié)果有較大影響。

3 與地應(yīng)力相關(guān)的工程問題分析與評價(jià)

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地應(yīng)力特征，按式1推算隧道最大埋深600m處的最大水平主應(yīng)力值約為24 MPa，結(jié)合地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，對隧區(qū)初始地應(yīng)力場進(jìn)行評估，結(jié)果見表2[4]。

根據(jù)評估結(jié)果，隧區(qū)屬高應(yīng)力、極高應(yīng)力區(qū)，與高地應(yīng)力有關(guān)的主要地質(zhì)問題是硬質(zhì)巖巖爆、軟巖大變形。

3.1 硬質(zhì)巖巖爆

巖爆的發(fā)生主要受到巖石性質(zhì)、圍巖應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，采用臨界深度法、強(qiáng)度應(yīng)力比法、工程類比法進(jìn)行巖爆分級和判別。

3.1.1 臨界深度法

在埋深大于500m以上的地區(qū)，并且具備圍巖巖性硬脆、完整性較好-好、無地下水等四項(xiàng)基本條件，即可能產(chǎn)生巖爆[5]。

隧道最大埋深達(dá)600m；深埋地段主要巖性為白云巖、灰?guī)r，屬較硬巖-堅(jiān)硬巖；巖體完整程度以較完整-完整為主；但位于地下水位以下，巖體富水性強(qiáng)，因此產(chǎn)生巖爆的可能性較小。

表3 巖爆分級反推埋深結(jié)果表

3.1.2 強(qiáng)度應(yīng)力比法

由于巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度離散性較大，對強(qiáng)度應(yīng)力比計(jì)算有較大影響。為便于簡化計(jì)算，對抗壓強(qiáng)度剔除極值，取平均值Rc=50MPa；根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》表12.5.1巖爆分級表，按本文式1，對不同巖爆等級所需的埋深進(jìn)行反推，根據(jù)反推結(jié)果按埋深對巖爆進(jìn)行分級，結(jié)果見表3[6]。

以上判別是基于較完整-完整的中硬、堅(jiān)硬巖體，且無地下水活動(dòng)的情況，考慮到地質(zhì)構(gòu)造對巖體完整性的破壞、地下水對巖爆的弱化作用，建議對分級降低一級，即埋深<280m地段不會(huì)產(chǎn)生巖爆，埋深280～600m地段會(huì)產(chǎn)生輕微巖爆。

3.1.3 工程類比法

根據(jù)成貴線玉京山隧道、高坡隧道施工資料，按工程地質(zhì)條件與本隧道進(jìn)行類比，類比條件見表4。

表4 巖爆條件類比表

除最大埋深有一定差異外，其他各項(xiàng)類比條件均比較一致，可以進(jìn)行類比。施工過程中玉京山隧道無巖爆產(chǎn)生，高坡隧道在埋深大于300m硬質(zhì)巖段有輕微巖爆產(chǎn)生，根據(jù)類比法可以判定斑竹林隧道有產(chǎn)生巖爆的可能性。

綜合以上三種方法，判別斑竹林隧道埋深<300m地段不會(huì)產(chǎn)生巖爆，埋深300～600m地段會(huì)產(chǎn)生輕微巖爆。

3.2 軟巖大變形

隧道通過的軟巖主要為龍馬溪組（S1l）底部的炭質(zhì)頁巖、湄潭組（O1m）頁巖、斷層破碎帶等，其巖石堅(jiān)硬程度屬極軟巖～軟巖。采用強(qiáng)度應(yīng)力比法、工程類比法進(jìn)行軟巖大變形分級和判別。

3.2.1 強(qiáng)度應(yīng)力比法

表5 大變形分級反推埋深結(jié)果表

湄潭組主要巖性為砂巖夾頁巖，其砂巖屬較硬巖-堅(jiān)硬巖，根據(jù)DZ-BZLS深-01鉆孔巖樣力學(xué)試驗(yàn)成果，頁巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般3.0～8.6Mpa，屬極軟巖-軟巖；龍馬溪組炭質(zhì)頁巖力學(xué)性質(zhì)與湄潭組頁巖相似；斷層破碎帶巖石力學(xué)性質(zhì)低于湄潭組頁巖。為便于簡化計(jì)算，取軟質(zhì)巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值Rc=4.9MPa；根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》表12.5.3大變形分級表，按本文式1，對不同軟巖大變形等級所需的埋深進(jìn)行反推，根據(jù)反推結(jié)果按埋深對大變形進(jìn)行分級，結(jié)果見表5[6]。

隧區(qū)軟質(zhì)巖最大埋深為450m，一般地段軟質(zhì)巖埋深<200m不會(huì)產(chǎn)生大變形，埋深200～450m大變形等級為Ⅰ級；斷層破碎帶圍巖多為斷層角礫巖、斷層泥，圍巖強(qiáng)度更低，且地下水活動(dòng)對大變形不利，建議對斷層破碎帶大變形分級提高一級，即斷層破碎帶大變形等級為Ⅱ級。

3.2.2 工程類比法

根據(jù)成貴線玉京山隧道、高坡隧道施工資料，按工程地質(zhì)條件與本隧道進(jìn)行軟巖大變形類比，類比條件見表6。

各項(xiàng)類比條件基本一致，可以進(jìn)行類比。施工過程中玉京山隧道無大變形產(chǎn)生；高坡隧道埋深<300m地段無大變形，埋深300～450m地段有大變形，變形等級Ⅰ～Ⅱ級，其中Ⅱ級大變形主要分布在埋深400～450m段。根據(jù)類比法可以判定斑竹林隧道有產(chǎn)生大變形的可能性。

表6 大變形條件類比表

綜合以上兩種方法，判別斑竹林隧道一般地段軟巖埋深<300m不會(huì)產(chǎn)生大變形，埋深300～450m大變形等級為Ⅰ級；斷層破碎帶大變形等級為Ⅱ級。

4 結(jié)論

1）隧區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場狀態(tài)以北西向擠壓為主，最大水平主應(yīng)力方向平均為N21°W；測試深度范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力值為17.53MPa，推測最大埋深600m處的最大水平主應(yīng)力值約為24 MPa；隧區(qū)屬高應(yīng)力、極高應(yīng)力區(qū)，與高地應(yīng)力有關(guān)的主要地質(zhì)問題是硬質(zhì)巖巖爆、軟巖大變形。

2）隧區(qū)硬質(zhì)巖埋深<300m地段不會(huì)產(chǎn)生巖爆，埋深300～600m地段會(huì)產(chǎn)生輕微巖爆。

3）隧區(qū)一般地段軟巖埋深<300m不會(huì)產(chǎn)生大變形，埋深300～450m地段大變形等級為Ⅰ級；斷層破碎帶大變形等級為Ⅱ級。

[1]曹正喜、寇正中等. 斑竹林隧道區(qū)測報(bào)告[R].中鐵二院敘畢鐵路.2015.

[2]曹正喜、寇正中等. 斑竹林隧道勘察報(bào)告[R].中鐵二院敘畢鐵路.2016.

[3]貴州省地質(zhì)局.威信幅1:20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[R].北京.1979.

[4]TB 10012-2007.鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京: 中國鐵道出版社,2013.

[5]GB 50487-2008.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2009.

[6]TB 10003-2016.鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京: 中國鐵道出版社,2017.

[7]鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京:中國鐵道出版社,2005.

[8]GB 50021-2001.巖土工程勘察規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

Characteristics of Ground Stress in the Banzhulin Tunnel of the Xuyong-Bijie Railway

KOU Zheng-zhong1DING Hao-jiang2PU Hong-bo1JIANG Quan1

(1-No.135 Geological Team, Sichuan Bureau of Coal Geology, Luzhou, Sichuan 646000; 2-China Railway Second Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Chengdu 610031)

This paper analyzes characteristics of ground stress in the Banzhulin Tunnel of the Xuyong-Bijie Railway by means of structural analysis and hydro-fracturing method. The ground stress under condition of bump and large deformation is classified and evaluated by use of critical depth method, strength stress ratio method and engineering analogy. The results indicate high ground stress and highest ground stress in the tunnel, slight bump and large deformation of class I-II.

tunnel; ground stress; bump; large deformation

2018-09-10

寇正中（1982—），男，四川大邑人，工程師，現(xiàn)主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作

P642.2

A

1006-0995（2019）03-0447-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.03.020