基于巖爆烈度預測的川藏鐵路線路比選研究

馬俊杰，李天斌，曾 鵬，王 棟，吳君艷，王劍鋒，陳 偉

(1.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，成都 610059； 2.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059； 3.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 概述

傳統(tǒng)的鐵路選線在一定程度上受限于設計人員的經(jīng)驗和技術水平，易受設計者的主觀因素影響，不能準確分析評價各類不確定性因素的影響。近年來隨著高原復雜山區(qū)鐵路工程的規(guī)劃建設，地質(zhì)選線在鐵路選線中發(fā)揮越來越重要的作用。季備分析了西寧至成都的拉脊山越嶺段鐵路的主要工程地質(zhì)問題，并提出了該越嶺段的地質(zhì)選線原則，同時選出了最優(yōu)路線，但地質(zhì)選線通常是對區(qū)域的工程地質(zhì)問題進行大概的分析總結(jié)，并沒有針對某個具體里程段的工程地質(zhì)問題進行分析，此法僅適用于線路走向差別較大且穿越區(qū)域工程地質(zhì)條件差異較大的線路方案比選[1]。而對于線路走向差別很小且穿越區(qū)域工程地質(zhì)條件差異較小的線路比選方案，則需要對區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災害量化，以更準確地反映比選線路之間的地質(zhì)差異。楊宗佶等提出了針對滑坡發(fā)育區(qū)域的鐵路規(guī)劃選線方法[2]；周安荔提出了針對崩塌落石區(qū)域和高海拔地熱區(qū)域的鐵路選線方法[3-4]；王延濤提出了針對巖溶及塌陷發(fā)育區(qū)域的鐵路選線方法[5]。李永金分析了通灌鐵路沿線巖堆的發(fā)育分布規(guī)律，提出了鐵路穿越巖堆發(fā)育區(qū)域的選線策略[6]。鄧睿等綜合分析了玉磨鐵路沿線采空區(qū)的分布情況、特點及其對線路的影響，提出了繞避采空區(qū)的建議[7]。張?zhí)t分析了新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)的四大風區(qū)分布情況和特點，提出了蘭新鐵路第二雙線穿越大風區(qū)的選線設計建議[8]。賈濤通過分析成蘭線松潘段的泥石流發(fā)育分布特征，構(gòu)建了鐵路泥石流風險評估體系[9]。姚志勇分析中尼鐵路選線的高地溫分布情況，提出了鐵路通過高地溫區(qū)域的選線原則[10]。孫先鋒研究了中尼鐵路沿線斷裂構(gòu)造的分布發(fā)育情況，提出了鐵路通過活動斷裂分布區(qū)域的選線建議[11]。

巖爆是開挖地下工程過程中，硬脆性圍巖在高地應力環(huán)境下因開挖卸荷導致洞壁應力分異，巖體中儲存的彈性應變能突然釋放，而發(fā)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)地質(zhì)災害[12]。馬天輝等通過分析錦屏二級水電站巖爆高發(fā)洞段的微震監(jiān)測結(jié)果，揭示巖爆的時間、空間、強度等分布的規(guī)律性，結(jié)合3S原理，提出4個巖爆判據(jù)[13]；陳衛(wèi)忠等基于工程強度應力比思想，提出適用于施工階段的巖爆預測指標PRB，并提出巖爆分級界限值[14]；過江等基于云理論和巖爆預測標準構(gòu)建了巖爆多維云模型綜合評判法[15]；目前的巖爆預測研究大多集中在隧道施工階段，根據(jù)現(xiàn)場開挖揭露的地質(zhì)信息對巖爆進行預測，并采取針對性的措施進行巖爆防治。

擬建川藏鐵路某段隧道占比高、埋深大，沿線多發(fā)育花崗巖、大理巖和片麻巖等硬巖，新構(gòu)造運動發(fā)育，地應力高，具備巖爆災害發(fā)育的必要條件。如何在工程前期選線階段基于有限地質(zhì)資料進行巖爆預測并指導鐵路選線是一個亟待解決的問題。

本文在前人研究的基礎上，立足于我國西部鐵路建設，在鐵路前期選線階段建立隧道巖爆災害預測模型，以期在線路比選時能盡可能減少潛在巖爆災害，從而大大降低施工期的風險，為鐵路前期選線提供參考。

2 巖爆影響因素分析

通過對前人研究成果及典型隧道巖爆案例統(tǒng)計分析，包括對秦嶺鐵路隧道、錦屏引水隧洞、福堂壩公路隧道、新老二郎山隧道等地下工程的巖爆災害案例的詳細統(tǒng)計，總結(jié)得到引起隧道巖爆的主要因素為地質(zhì)因素、設計因素、施工因素三大類，其中地質(zhì)因素主要包括巖石強度、圍巖完整性、巖石脆性特征、地下水情況、地應力大小和地質(zhì)構(gòu)造等；設計因素主要包括斷面尺寸、開挖工法和支護措施等；施工因素主要包括支護時機、支護質(zhì)量和爆破等。部分隧道巖爆案例見表1。

新建川藏鐵路某段沿線主要以隧道穿越山嶺，輔以橋梁通過溝谷地帶，沿線隧道整體埋深較大，且部分區(qū)域處于板塊結(jié)合區(qū)域，構(gòu)造運動較為強烈，新構(gòu)造運動較為活躍，巖體初始應力值可能較高，在硬巖隧道中，地下水不發(fā)育的區(qū)域發(fā)生巖爆的可能性較高。

而針對于本文的研究對象處于前期選線階段的實際情況，僅考慮地質(zhì)因素對巖爆的影響。同時考慮到選線階段巖爆烈度預測計算數(shù)據(jù)的易獲取性，在與行業(yè)專家討論后，選用巖石強度、地應力、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖級別4個指標對各線路比選方案進行巖爆烈度預測分析。

2.1 巖石強度

巖爆一般發(fā)生在風化程度低、完整性好、巖質(zhì)堅硬、少有裂隙存在及脆性指數(shù)高的巖體中。通常巖石的抗壓強度越大，其巖質(zhì)越堅硬，儲存的彈性應變能也可能越大[23]。統(tǒng)計部分國內(nèi)地下工程的巖爆發(fā)生頻率與巖石強度的關系，如圖1所示。

表1 典型隧道巖爆案例

注：Rb為巖石單軸抗壓強度。

圖1 巖石強度與巖爆發(fā)生頻率

統(tǒng)計結(jié)果顯示，絕大部分巖爆(85.60%)發(fā)生在堅硬巖石當中，少部分發(fā)生在較堅硬巖石中(14.32%)，較軟巖和軟巖中發(fā)生巖爆的概率極小。新建川藏鐵路某段沿線多穿越花崗巖、片麻巖等硬巖分布區(qū)域，若隧道處于埋深較大且地下水不發(fā)育區(qū)域，其圍巖條件通常較好，該區(qū)域的巖石抗壓強度也較大，結(jié)合圖1 的統(tǒng)計結(jié)果可知，巖石強度對巖爆的發(fā)生具有重要的影響。

2.2 地應力狀況

地應力是地下工程賦存環(huán)境中最重要的因素之一，巖體初始地應力受構(gòu)造環(huán)境和地形、地質(zhì)條件等的影響[24]。通常在高地應力環(huán)境下，硬脆巖的彈性應變能較大，其巖爆幾率較大。本文收集了部分國內(nèi)地下工程的巖爆發(fā)生頻率與地應力的關系，如圖2所示。

圖2 地應力大小與巖爆發(fā)生頻率

統(tǒng)計結(jié)果顯示，絕大部分巖爆(89.64%)發(fā)生在地應力20 MPa以上，少部分發(fā)生在20 MPa以下(10.36%)。高地應力條件下，硬脆巖發(fā)生巖爆概率極大。新建川藏鐵路某段沿線隧道整體埋深水平較大，根據(jù)楊樹新等提出的青藏地塊的地應力修正公式σ=0.0292×h+5.185(σ為地應力，h為埋深)[25]，可估算出沿線隧道的地應力值較高。結(jié)合圖2的統(tǒng)計結(jié)果可知，在高地應力條件下，硬脆性圍巖更易發(fā)生巖爆，因此地應力也是影響巖爆的一個重要因素。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造對巖爆的影響主要為是否處于應力集中區(qū)域、巖體結(jié)構(gòu)完整性的影響。通常在褶皺核部及其臨近區(qū)域，由地殼運動形成褶皺過程中，存儲了大量的構(gòu)造應力，此條件下發(fā)生巖爆可能性較大。而在斷層區(qū)域，巖石破碎，其彈性應變能較小，一般不容易發(fā)生巖爆[26]。本文收集部分國內(nèi)地下工程的巖爆發(fā)生頻率與地應力的關系，如圖3所示。

圖3 地質(zhì)構(gòu)造與巖爆發(fā)生頻率

統(tǒng)計結(jié)果顯示，絕大部分巖爆(58.31%)發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育的地方，21.44%發(fā)生在褶皺核部區(qū)域，15.19%發(fā)生在斷層附近，褶皺兩翼和斷層破碎帶發(fā)生巖爆概率較小。在應力集中區(qū)和巖體結(jié)構(gòu)較為完整的區(qū)域，硬脆巖發(fā)生概率較高，而在巖體較為破碎的區(qū)域發(fā)生巖爆概率則較小。新建川藏鐵路某段沿線地質(zhì)構(gòu)造錯綜復雜，新構(gòu)造運動活躍，斷層、褶皺發(fā)育，特別是色季拉山至林芝縣城一帶處于板塊俯沖帶，該段隧道可能較多處于應力集中區(qū)，結(jié)合圖3的統(tǒng)計結(jié)果可知，地質(zhì)構(gòu)造對巖爆的影響也不可忽視。

2.4 圍巖級別

隧道開挖改變了巖體存在的空間環(huán)境，擾動了圍巖初始應力狀態(tài)，破壞了圍巖平衡狀態(tài)，使圍巖應力重新分布，局部發(fā)生應力集中現(xiàn)象[27]。隧道開挖面的圍巖級別也可以作為巖爆的表征。這個指標在選線階段主要根據(jù)地質(zhì)勘察資料獲取。本文收集了部分國內(nèi)地下工程的巖爆發(fā)生頻率與圍巖級別的關系，如圖4所示。

圖4 圍巖級別與巖爆發(fā)生頻率

統(tǒng)計結(jié)果顯示，絕大部分巖爆(78.40%)發(fā)生于Ⅰ級圍巖和Ⅱ級圍巖，少部分(20.02%)發(fā)生在Ⅲ級圍巖中，極少數(shù)(1.58%)發(fā)生在Ⅳ級圍巖中，而Ⅴ級圍巖沒有統(tǒng)計到發(fā)生巖爆的案例。說明圍巖較好的情況下，發(fā)生巖爆的概率更大。新建川藏鐵路某段沿線隧道圍巖級別主要分布于Ⅲ級和Ⅳ級，而Ⅱ級圍巖的分布也不在少數(shù)，結(jié)合圖4統(tǒng)計結(jié)果可知，研究段沿線Ⅱ級和Ⅲ級圍巖分布的隧道段巖爆發(fā)生的可能性較大。

2.5 巖爆災害烈度預測指標

通過對大量巖爆案例的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，硬脆巖在高地應力區(qū)域、應力集中區(qū)、巖體完整性好及圍巖條件好的情況下更容易發(fā)生巖爆。因此本文選取巖石強度、地應力、地質(zhì)構(gòu)造及圍巖級別這4個具有代表性的指標在鐵路選線階段預測巖爆災害是可行的。

3 巖爆災害烈度預測模型

3.1 AHP-專家打分概述

通過對各類典型隧道巖爆烈度影響因素的分析，將影響隧道巖爆的因素總結(jié)為四大類：巖性因素、應力因素、構(gòu)造因素和巖體結(jié)構(gòu)因素。分別包括巖石強度、地應力大小、地質(zhì)構(gòu)造和圍巖級別?？芍陨现笜酥屑扔卸恐笜艘灿卸ㄐ灾笜耍捎肁HP法則可以構(gòu)建同時考慮定量和定性指標的模型。由此可通過AHP法求得各指標對于目標的權(quán)值，再結(jié)合專家打分法則可構(gòu)建巖爆烈度預測打分體系，通過對已有巖爆資料打分并統(tǒng)計，可得各巖爆烈度和各指標打分總值的關系，由此構(gòu)建出巖爆烈度預測模型。

3.2 巖爆烈度預測指標層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建

根據(jù)選定的巖石強度、地應力、地質(zhì)構(gòu)造和圍巖級別4個指標，建立基于川藏鐵路前期選線階段的高地應力隧道巖爆烈度預測指標層次結(jié)構(gòu)的目標層(A)、準則層(B)和子準則層(C)，如圖5所示。

圖5 巖爆預測指標體系

3.3 AHP法確定指標權(quán)重

(1)標度劃分

采用Saaty提出的9標度法，可定量化處理定性問題。通過對指標之間的重要性劃分標度，以此構(gòu)建目標層和準則層之間的判斷矩陣。各標度含義見表2[28]。

(2)構(gòu)造判斷矩陣并確定權(quán)重

經(jīng)一致性檢驗合格后，由于準則層各準則都只對應一個方案，所以得表5 B-C矩陣。最終可得權(quán)重占比：巖石強度占38%、地應力大小占30%、地質(zhì)構(gòu)造占13%、圍巖級別占19%。對巖爆影響較大的是巖性因素和地應力因素。

表2 標度劃分表

表3 A-B判斷矩陣

表4 平均隨機一致性指標

表5 B-C矩陣

3.4 專家打分法確定評分細則

在計算各因素的權(quán)重后，為了得到巖爆烈度評價結(jié)果，采用專家打分法對各因素的情況進行打分。其中各指標最大分值為權(quán)重乘以100所得值，各指標的分值范圍為綜合幾位專家的意見得出，具體分值等級見表6。

3.5 巖爆烈度分值范圍確定

隧道巖爆烈度預測分值計算公式如下

Q1=C1+C2+C3+C4

(1)

式中Q1——巖爆烈度預測總分值；

C1——巖石強度打分；

C2——為地應力狀況打分；

C3——地質(zhì)構(gòu)造打分；

C4——圍巖級別打分。

表6 鐵路選線階段巖爆烈度預測打分體系

對二郎山隧道右線K76+310～K74+880段，左線ZK76+333～ZK74+918段；秦嶺隧道Ⅱ線進口DYK64+505～DYK73+090；福堂隧道A6標左線ZK19+270～ZK21+215，右線K19+140～K20+970對計算分值Q1與巖爆烈度關系進行統(tǒng)計(圖6)。

通過統(tǒng)計結(jié)果分析得到隧道巖爆烈度評分范圍，見表7。

表7 巖爆烈度分值范圍

表6和表7共同組成應用于川藏鐵路前期選線階段的巖爆烈度預測模型。技術人員根據(jù)表6的打分體系對各預測段的指標進行打分，然后對各指標的打分求和，將總分值和表7的分值范圍進行比較，則可得到巖爆烈度預測結(jié)果。

4 基于巖爆烈度預測的川藏鐵路線路比選

4.1 線路備選方案

以川藏鐵路某段3條比選線路為研究對象。3條比選線路沿線巖性分布主要是花崗巖為主的侵入巖和以板巖、砂巖、千枚巖為主的沉積巖、變質(zhì)巖；3條比選線路均穿越不良地質(zhì)區(qū)域，其主要不良地質(zhì)類型為斷層破碎帶、擠壓帶及褶皺；3條比選線路的隧道圍巖級別主要為Ⅲ級圍巖和Ⅳ級圍巖，Ⅱ級圍巖和Ⅴ級圍巖較少，隧道總體圍巖情況較差；3條比選方案的埋深分布如圖7所示。

圖6 計算分值Q1與巖爆烈度關系

圖7 隧道平均埋深分布

其中K方案多為長隧道，包括長約54.868 km的易貢隧道、23.205 km的拉月隧道、15.666 km的東久隧道和33.469 km的色季拉山隧道，隧道平均埋深主要分布于0～1 500 m，其中500～1 500 m平均埋深占比最大(62.97%)；A方案線路也以隧道穿越為主，其中多為中短隧道，少有長隧道、超長隧道，隧道平均埋深主要分布于0～1 000 m(84.30%)；C方案線路多為橋隧穿越，其中隧道多為短隧道，隧道平均埋深主要分布于0～1 000 m(88.69%)?？傮w而言，K方案隧道平均埋深水平遠高于A方案和C方案。

4.2 巖爆烈度預測示例

由于新建川藏鐵路某段的3條比選方案線路均較長，故僅在比選方案選取6個里程段(每段100 m)進行預測示范，預測示例的指標數(shù)據(jù)見表8，對各指標打分得出巖爆烈度結(jié)果見表9。表8和表9中的前3行數(shù)據(jù)屬于K方案，后3行屬于A方案。

由表8和表9可以看出，上述的巖爆烈度預測模型使用簡單，結(jié)果明了，適用性較強。

4.3 巖爆烈度預測結(jié)果分析

將整理好的3條比選線路的巖爆烈度預測指標數(shù)據(jù)代入本文評估模型中，統(tǒng)計計算結(jié)果如圖8所示。

表8 巖爆烈度預測示例基礎數(shù)據(jù)

表9 指標打分

圖8 巖爆預測結(jié)果

由圖8可得，K方案中無巖爆段占比70.46%，輕微巖爆段占比4.99%，中等巖爆段占比20.34%，強烈?guī)r爆段占比4.21%；可以看出K方案巖爆發(fā)生可能性較大，且主要集中于中等巖爆。A方案中無巖爆段占比87.48%，輕微巖爆段占比4.49%，中等巖爆段占比6.14%，強烈?guī)r爆段占比1.88%；可以看出A方案巖爆可能性仍然較高，但遠低于K方案，且中等巖爆占比明顯降低。C方案中無巖爆段占比87.59%，輕微巖爆段占比5.04%，中等巖爆段占比6.07%，強烈?guī)r爆段占比1.30%；可以看出C方案與A方案的巖爆段占比基本一致，但C方案巖爆可能性略低于A方案，亦遠小于K方案。綜上，從巖爆災害對鐵路線路的影響程度看，C方案為推薦方案。

5 結(jié)論

基于AHP-專家評分法建立了適用于鐵路前期選線階段的巖爆災害烈度預測模型，并以川藏鐵路某段為例開展了高地應力硬巖巖爆災害烈度評估，在其評估結(jié)果分析的基礎上對3條選線方案進行比選研究，得到以下結(jié)論。

(1)通過分析國內(nèi)大量巖爆災害案例，結(jié)合川藏鐵路前期選線階段的實際情況，選取巖石強度、地應力、地質(zhì)構(gòu)造和圍巖級別4個指標構(gòu)建巖爆烈度預測指標體系，采用AHP法確定各指標的權(quán)重，結(jié)合專家評分法構(gòu)建巖爆烈度預測打分體系，建立了簡單可行的適用于鐵路前期選線階段的巖爆烈度預測模型。

(2)通過高地應力硬巖巖爆烈度預測模型在川藏鐵路某段的3條比選方案中的應用，計算得出K方案巖爆災害影響遠高于A方案和C方案，A方案巖爆災害影響略高于C方案。從各比選方案的巖爆烈度預測結(jié)果來看，C方案為最優(yōu)方案，其巖爆災害影響最小，且主要集中于輕微巖爆和中等巖爆；該模型在研究段的應用，有效驗證了其應用于川藏鐵路前期選線具有良好的適應性。

(3)本研究構(gòu)建的基于鐵路前期選線階段的巖爆烈度預測模型，旨在鐵路前期選線階段較為準確且快速地預測巖爆災害，為鐵路線路比選提供參考，以期在線路比選中盡量減少巖爆災害，降低隧道施工風險。而在數(shù)據(jù)豐富的施工期則需構(gòu)建更為詳細全面的指標體系，以期更準確地預測巖爆災害。

(4)本研究著手于西部鐵路工程的典型重大地下地質(zhì)災害，開展高地應力硬巖巖爆烈度分析和線路優(yōu)選，為最終的決策提供量化的技術參考。但影響鐵路選線的因素眾多(如生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟效益、地面地質(zhì)災害等)，最終的鐵路線路規(guī)劃方案還需結(jié)合各方面因素綜合研究確定。