某高原鐵路魯朗隧道地應(yīng)力特征及其工程影響研究

苗曉岐

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

某鐵路位于喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)影響區(qū)內(nèi)[1]，區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜[1-4]，冰川泥石流、滑坡、崩塌等地表地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育[5-8]，為繞避大量地表地質(zhì)災(zāi)害，該段線路整體以隧道形式通過[6，9-10]。位于東久、魯朗區(qū)域的魯朗隧道是其中的一條長大深埋隧道，長約14 km，最大埋深達(dá)1 500 m，埋深超過1 000 m的段落達(dá)到8 km。該隧道緊鄰色季拉山隧道[9，11]和拉月隧道[10]，主要由花崗巖所組成，含少量片麻巖，均為硬質(zhì)巖所。由于隧道處于強(qiáng)烈擠壓的南迦巴瓦構(gòu)造結(jié)北西側(cè)，且埋深、巖性等與臨近鐵路巴玉隧道[12]、桑珠嶺隧道[13]等巖爆隧道類似，隧道施工過程中可能面臨嚴(yán)重的巖爆風(fēng)險。

高地應(yīng)力是深埋地下空間發(fā)生巖爆、軟巖大變形等工程風(fēng)險[14-15]的根本因素。世界上處于強(qiáng)烈構(gòu)造區(qū)的地下工程施工過程中，一旦埋深達(dá)到一定程度，都曾經(jīng)發(fā)生過強(qiáng)烈的巖爆或軟巖大變形風(fēng)險。比如喜馬拉雅西構(gòu)造結(jié)地區(qū)的NJ水電站[16]、青藏高原南緣的拉林鐵路[13]、云貴高原的錦屏引水隧洞/地下實驗室[17-18]、秦嶺山區(qū)的引漢濟(jì)渭引水隧洞[19]發(fā)生了嚴(yán)重的高地應(yīng)力巖爆，而青藏高原東緣的成蘭鐵路[20]、東北緣的蘭渝鐵路[21]等工程則發(fā)生了嚴(yán)重的高地應(yīng)力軟巖大變形。獲取可靠的地應(yīng)力值成為巖爆風(fēng)險評估的重要參考[22]，但本區(qū)域無既有實測地應(yīng)力[23]。因此，為保障隧道的順利開工建設(shè)，對該隧道進(jìn)行了大量水壓致裂法地應(yīng)力測試，在此基礎(chǔ)上結(jié)合工程地質(zhì)背景對其進(jìn)行了地應(yīng)力和巖爆風(fēng)險的綜合預(yù)測。相關(guān)成果對于認(rèn)識魯朗隧道的高地應(yīng)力巖爆風(fēng)險、指導(dǎo)施工具有重要意義。

1 地形地貌及地質(zhì)背景

魯朗隧道地處西藏自治區(qū)林芝市巴宜區(qū)魯朗鎮(zhèn)，隧道進(jìn)口位于白木村附近東久曲河右岸，隧道出口位于東久村附近，進(jìn)出口處均有鄉(xiāng)村道路與G318國道相連，交通較為便利。隧道全長約14 km，為一面坡隧道，進(jìn)口高程約2 800 m，出口高程約3 200 m，隧道最大埋深約為1 430 m。

隧道緊鄰喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)，平行于雅魯藏布江縫合帶和米林全新世活動斷裂，內(nèi)動力地質(zhì)作用強(qiáng)烈[1-4，25]。震源機(jī)制解及GPS記錄均顯示，區(qū)域地殼主體以NW-SW向擠壓應(yīng)變?yōu)橹鱗26-27]。隧道走向NNE-SSW，與區(qū)域應(yīng)力方向總體相一致。隧道位于高山峽谷區(qū)，海拔2 800～4 300 m，相對高差約1 500 m，山峰陡峭，外力作用以冰雪作用及寒凍風(fēng)化作用為主。地形地貌受地質(zhì)構(gòu)造和巖性控制明顯，呈東北-西南向展布。地勢總體上西南高東北低；地形坡度變化較大，溝谷切割較深，多呈“V”形。工程區(qū)山體植被發(fā)育，除頂部冰雪覆蓋區(qū)外，多為灌木和松林等植被覆蓋。工程區(qū)屬高原溫暖半濕潤氣候，雨量充沛，日照充足，冬季溫和干燥，夏季濕潤無高溫。復(fù)雜的內(nèi)外動力地質(zhì)作用，造成區(qū)域地表地質(zhì)災(zāi)害極其發(fā)育[5-8]。

2 地應(yīng)力測試結(jié)果

為獲取有效足夠的地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)，對魯朗隧道總計8個深孔(圖1，LSZ-1～8)進(jìn)行了水壓致裂法地應(yīng)力測試工作。水壓致裂法是國際巖石力學(xué)學(xué)會推薦的3種地應(yīng)力測量方法之一，并在整個測量的過程中嚴(yán)格按照DB/T 14—2018《原地應(yīng)力測量水壓致裂法和套芯解除法技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行，可以有效保證測量數(shù)據(jù)的可靠性。

注：a.中國大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(據(jù)謝富仁等，2004[24])；b.魯朗隧道區(qū)域地形地貌圖(活動斷裂分布圖據(jù)謝超，2018[25])

測孔總體沿越嶺中的溝谷段或斜坡區(qū)分布，較為均勻，但相對集中于中間段和出口段。測量前，首先結(jié)合鉆孔的巖芯、超聲成像和綜合測井等測試資料，以綜合判定完整的基巖段落。室內(nèi)根據(jù)相關(guān)要求[28]對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了精細(xì)處理，選取其中測量曲線標(biāo)準(zhǔn)、印模清晰且符合壓裂特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲取有效應(yīng)力數(shù)據(jù)。根據(jù)孔深變化情況，每個深孔獲取有效數(shù)據(jù)3～12組不等，共計60組，實測的最大水平主應(yīng)力范圍為3.15～39.67 MPa，最小水平主應(yīng)力范圍為2.35～31.57 MPa，主應(yīng)力方向為N28°E-N84°E[表1；圖2(a)]。實測數(shù)據(jù)總體規(guī)律分布，但在局部點位與平均值偏離較大，表明隧道存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

表1 魯朗隧道地應(yīng)力測量結(jié)果統(tǒng)計

3 地應(yīng)力模擬及巖爆風(fēng)險評估

上述深孔測量的數(shù)據(jù)總體上具有隨著埋深增大而逐漸增大的趨勢，且具有一定的線性關(guān)系，可以嘗試采用線性模擬對其一定深度的地應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行模擬預(yù)估。同時，考慮到整個隧道巖性相對簡單，均為較為完整的硬質(zhì)巖所組成，且未被大型斷裂所分隔，可以通過模擬側(cè)壓力系數(shù)隨深度的變化關(guān)系對其進(jìn)行總體應(yīng)力分布特征的預(yù)測。為此，分別對實測數(shù)據(jù)開展了基于線性模擬、側(cè)壓力系數(shù)模擬的分布模擬，并據(jù)此開展了巖爆風(fēng)險預(yù)測。

3.1 地應(yīng)力線性模擬

線性模擬圖2(b)顯示，水平主應(yīng)力隨深度增加整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，其中SH=0.026 2×Z+6.453(R2=0.806)，Sh=0.021 4×Z+3.443(R2=0.843 8)(Z為埋深，m)。最大、最小水平主應(yīng)力梯度分別約為2.62 MPa/100 m、2.14 MPa/100 m，均小于垂向應(yīng)力的2.7 MPa/100 m。最大水平主應(yīng)力整體上比其西側(cè)的色季拉山的2.5～4.3 MPa/100 m[29]要低，且低于青藏高原平均值2.92 MPa/100 m[30]，顯示出該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用似乎并不強(qiáng)，達(dá)到一定埋深后垂向應(yīng)力將超過最大水平主應(yīng)力。然而，魯朗隧道緊鄰米林全新世活動斷裂和雅魯藏布江縫合帶，且區(qū)域上發(fā)生大量破壞性地震，比如2017年的米林6.9級地震震中距離隧道最近處僅約30 km，因此線性模擬結(jié)果可能僅能反映區(qū)域相對淺表的地應(yīng)力狀態(tài)，并較為明顯地受到了高陡斜坡的影響。而構(gòu)造應(yīng)力可能主要依靠較深的應(yīng)力狀態(tài)來反映，但目前較深的測點還相對較少。

圖2 魯朗隧道實測地應(yīng)力方向和量值

3.2 地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)模擬(圖3)

圖3 魯朗隧道地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)模擬結(jié)果

大量實測地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)模擬結(jié)果顯示，當(dāng)埋深達(dá)到一定程度后，主體由構(gòu)造作用控制的最大、最小水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力的比值與測點埋深兩者之間呈現(xiàn)出雙曲線關(guān)系[22，31-32]，即K=m/Z+n(式中，K為水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力的比值，m、n為常數(shù)，Z為埋深)，詳見式(1)、式(2)[22]。

(1)

(2)

為此，進(jìn)一步采用側(cè)壓力系數(shù)對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示KH-max=390/Z+1.21，KH=235/Z+1.04，KH-min=125/Z+0.85；同時Kh-max=255/Z+0.96，Kh=125/Z+0.82，Kh-min=75/Z+0.65。其中KH、Kh為最佳擬合值，據(jù)其計算的SH、Sh代表了常規(guī)區(qū)域的應(yīng)力平均值。KH-max、Kh-max為水平應(yīng)力模擬的最大值(內(nèi)包線)，推測其代表了局部的應(yīng)力集中[33-34]。KH-min、Kh-min為水平應(yīng)力模擬的最小值(外包線)，可能與軟弱巖體、斷層破碎帶、節(jié)理密集帶的發(fā)育有關(guān)[33-34]。模擬的KH=235/Z+1.04，始終>1，因此除斷層破碎帶、節(jié)理密集帶或局部軟弱圍巖外，基巖內(nèi)的最大水平主應(yīng)力應(yīng)該始終大于垂向應(yīng)力，符合研究區(qū)強(qiáng)烈擠壓、局部走滑的地質(zhì)背景[22]。

3.3 巖爆風(fēng)險分析

側(cè)壓力系數(shù)模擬結(jié)果顯示出隨著埋深增加，區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)由SH>Sh>SV轉(zhuǎn)為SH>SV>Sh，指示主體以擠壓-走滑型應(yīng)力為主。魯朗隧道所在區(qū)域的實測最大水平主應(yīng)力方向全部集中在NE向，這與GPS[26-27]和震源機(jī)制解[27，35-36]給出的現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)場NNE-SSW到NE-SW的方向相對來說較為一致，也符合區(qū)域強(qiáng)烈擠壓變形特征。由于隧道總體走向為NNE-SSW，與主應(yīng)力方向小角度相交，對巖爆控制相對有利。

根據(jù)模擬結(jié)果，線性模擬結(jié)果與區(qū)域構(gòu)造存在一定的偏差，而側(cè)壓力系數(shù)模擬結(jié)果符合區(qū)域地應(yīng)力場和區(qū)域構(gòu)造特征。因此，本次評估考慮使用側(cè)壓力系數(shù)模擬的地應(yīng)力進(jìn)行隧道一定埋深的地應(yīng)力計算及相應(yīng)的巖爆風(fēng)險評估。

如表2所示，根據(jù)側(cè)壓系數(shù)模擬，隧道在500,1 000 m處地應(yīng)力分別達(dá)到20，34 MPa，隧道最大埋深(1 430 m)處，最大水平主應(yīng)力約為47 MPa(SH)，局部應(yīng)力集中區(qū)域最大甚至可達(dá)57 MPa左右(SH-max)?，F(xiàn)場實測表明，花崗巖、片麻巖的單軸飽和抗壓強(qiáng)度一般為60～120 MPa之間，且大部分集中于90 MPa左右。在不考慮隧道具體開挖情況下，按照TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》表12.5.1巖爆分級表，如果抗壓強(qiáng)度按照最低值Rc=60 MPa考慮，強(qiáng)度應(yīng)力比為1.1～1.3之間，該隧道最大埋深處可能發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆；如果抗壓強(qiáng)度按照最低值Rc=120 MPa考慮，強(qiáng)度應(yīng)力比為2.1～2.6之間，該隧道最大埋深僅能發(fā)生中等巖爆。

表2 線性模擬、側(cè)壓力系數(shù)模擬魯朗隧道關(guān)鍵深度地應(yīng)力和強(qiáng)度應(yīng)力比(考慮Rc=90 MPa)量值

按照Rc=60 MPa和Rc=120 MPa評估的結(jié)果差異過大，不利于認(rèn)識隧道的總體巖爆風(fēng)險。由此，本文抗壓強(qiáng)度按照平均值Rc=90 MPa、最大水平主應(yīng)力按照平均值(SH)考慮，進(jìn)行隧道巖爆風(fēng)險總體評估。埋深300 m左右，Rc/SH=6.1，表明此時隧道具有發(fā)生輕微巖爆的風(fēng)險；600 m左右，Rc/SH=3.9，表明此時隧道具有發(fā)生中等巖爆的風(fēng)險；至1 400 m左右，Rc/SH=2.0，表明此時隧道具有發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆的風(fēng)險。由此，預(yù)估魯朗隧道發(fā)生長大段落中等巖爆的風(fēng)險較高，且局部大埋深段落和應(yīng)力集中區(qū)域可能發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆?；趥?cè)壓力系數(shù)模擬的魯朗隧道強(qiáng)度應(yīng)力比與埋深關(guān)系見表3。

表3 基于側(cè)壓力系數(shù)模擬的魯朗隧道強(qiáng)度應(yīng)力比與埋深關(guān)系

需要說明的是，該評估僅根據(jù)現(xiàn)有資料對隧道巖爆風(fēng)險做一個總體評估。地應(yīng)力只是巖爆發(fā)生的關(guān)鍵因素之一，在實際評估過程中還需排除Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖及富水段落，小斷裂、節(jié)理密集區(qū)還應(yīng)考慮局部應(yīng)力釋放和應(yīng)力集中的影響，并需在施工期加強(qiáng)相關(guān)段落的超前地質(zhì)預(yù)報工作。

4 結(jié)論與建議

(1)魯朗隧道區(qū)域主應(yīng)力方向主體為NE向，隧道總體走向與其小角度相交，對巖爆控制相對有利。

(2)盡管實測數(shù)據(jù)總體規(guī)律分布，但在局部點位與平均值偏離較大，表明隧道存在局部應(yīng)力集中。隧道1 207 m處實測最大水平應(yīng)力約為40 MPa。側(cè)壓力系數(shù)模擬可有效反映魯朗隧道的地應(yīng)力狀態(tài)，據(jù)此預(yù)測隧道最大埋深處最大水平主應(yīng)力的平均值約為47 MPa，局部應(yīng)力集中區(qū)域最大可能達(dá)到57 MPa。

(3)根據(jù)強(qiáng)度應(yīng)力比法，預(yù)估魯朗隧道發(fā)生長大段落中等巖爆的風(fēng)險較高，且超過1 400 m的大埋深段落和局部應(yīng)力集中區(qū)域可能發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆。

(4)建議：由于巖爆風(fēng)險詳細(xì)評估還需考慮局部斷裂、節(jié)理等局部構(gòu)造，以及圍巖類別、富水性等條件，應(yīng)在施工期加強(qiáng)相關(guān)段落的超前地質(zhì)預(yù)報。