趙呈冉（蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州　730000）

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香欽多隧道地應(yīng)力分析及軟巖變形應(yīng)對(duì)措施

趙呈冉
（蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州730000）

摘要根據(jù)香欽多隧道地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，結(jié)合隧址區(qū)巖石物理力學(xué)特征，對(duì)隧道工程圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明:該工程區(qū)構(gòu)造應(yīng)力仍占主導(dǎo)地位，地應(yīng)力以NEE向水平擠壓為主，洞身部位的最大水平主應(yīng)力為10. 55～14. 70 MPa，最小水平主應(yīng)力為6. 22～8. 93 MPa，垂直主應(yīng)力為4. 96～5. 91 MPa；由于隧道軸向與最大主應(yīng)力方向局部夾角較大、地應(yīng)力較高，隧道局部發(fā)生軟巖變形的可能性大。建議隧道開(kāi)挖采用似橢圓形斷面，且長(zhǎng)軸為水平方向，短軸為豎直方向。

關(guān)鍵詞隧道；地應(yīng)力；軟巖變形

1　概況

香欽多隧道為新建鐵路蘭州至合作線(xiàn)一控制性工程，進(jìn)口位于甘南州夏河縣曲奧鄉(xiāng)頭道河，出口位于甘南州夏河縣麻當(dāng)鄉(xiāng)香欽多村，屬青藏高原東北部邊緣中山區(qū)，地形起伏大，地面高程介于2 320～2 900 m，相對(duì)高差約200～600 m。進(jìn)口山體自然坡度約60°，出口山體自然坡度約45°，洞身段地表起伏，沖溝深切，植被茂密。隧道最大埋深532 m，洞身局部深切沖溝最小埋深39 m。隧道起訖里程DK122 + 735—DK127 + 131，全長(zhǎng)4 396 m。隧道洞身縱向?yàn)閱蚊嫫?，平面上除DK122 + 857. 21—DK125 + 212. 23位于半徑1 600 m的曲線(xiàn)及DK126 + 703. 15—DK127 + 131段位于半徑800 m的曲線(xiàn)上外，其余均位于直線(xiàn)上。隧洞洞身岀露地層主要為第四系全新統(tǒng)坡積、洪積碎石類(lèi)土，三疊系下統(tǒng)板巖。

2　場(chǎng)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

隧道區(qū)隸屬秦嶺褶皺系一級(jí)大地構(gòu)造單元，青海南山冒地槽褶皺帶二級(jí)大地構(gòu)造單元，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)經(jīng)歷了多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。

本隧道洞身無(wú)斷裂構(gòu)造通過(guò)，在隧道進(jìn)口NEE向約8. 5 km處為太陽(yáng)溝～方半場(chǎng)逆斷層，大致產(chǎn)狀為N45°W/ 60°S，斷層破碎帶寬約20～180 m，斷于三疊系板巖地層中，屬前第四系斷層。出口西南方約850 m處為恰瓊根～小河逆斷層，大致產(chǎn)狀為NW /50°～70°S，破碎帶寬約300 m，斷于二疊系和三疊系地層的交界處，二疊系為下盤(pán)，三疊系為上盤(pán)，屬于Q1～Q2時(shí)代斷層。

3場(chǎng)區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)方向分析

圖1　節(jié)理和板理玫瑰花圖

受區(qū)域構(gòu)造及斷裂的影響，隧址區(qū)內(nèi)巖層陡傾，并發(fā)育有2組優(yōu)勢(shì)剪節(jié)理，節(jié)理產(chǎn)狀分別為N17°W，N28°E。板理的優(yōu)勢(shì)走向?yàn)镹78°W，詳見(jiàn)圖1。板理為一種壓性結(jié)構(gòu)面，與秦嶺褶皺帶構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有聯(lián)系，且和變質(zhì)作用有關(guān)。可以推測(cè)在秦嶺褶皺帶形成期區(qū)內(nèi)的構(gòu)造地應(yīng)力與板理走向垂直，即為N12°E；而通過(guò)對(duì)節(jié)理玫瑰花圖（圖1（a））的分析，2組剪節(jié)理組成的銳角角平分線(xiàn)為最大地應(yīng)力的方向，即N6°E，與N12°E方向基本一致。據(jù)此可以推測(cè)場(chǎng)區(qū)的古地應(yīng)力方向基本在N5°～15°E。

通過(guò)查閱《世界地應(yīng)力圖》發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)區(qū)現(xiàn)今的地應(yīng)力方向?yàn)镹E～NEE。另外，利用震源機(jī)制解得到的結(jié)論是該場(chǎng)區(qū)最大地應(yīng)力方向不像其他地區(qū)那樣集中，分布范圍較大，主要分布在330°～50°［1］。因此，場(chǎng)區(qū)地應(yīng)力的方向大致可以確定為NE向。

4　地應(yīng)力測(cè)試及評(píng)價(jià)

4. 1原位測(cè)試

本隧道巖層陡傾，節(jié)理、板理等結(jié)構(gòu)面發(fā)育，受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響明顯，且隧道埋深大。距離隧道南部約12 km處一高速公路隧道開(kāi)挖發(fā)生軟巖大變形，巖性為板巖，變形原因?yàn)樗淼劳ㄟ^(guò)區(qū)存在高地應(yīng)力，故本隧道通過(guò)區(qū)存在高地應(yīng)力的概率極大，為此對(duì)隧道采取了水壓致裂法現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試地應(yīng)力，測(cè)試孔內(nèi)共測(cè)了7個(gè)壓裂段，每個(gè)壓裂段分別測(cè)出最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

經(jīng)測(cè)試隧址區(qū)最大地應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹70°～72°E，所獲得的工程區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向基本吻合，可見(jiàn)實(shí)測(cè)最大水平地應(yīng)力與前述定性判定基本一致。

表1　實(shí)測(cè)地應(yīng)力

總體看來(lái)，在測(cè)試深度范圍內(nèi)，3個(gè)主應(yīng)力之間的關(guān)系為SH＞Sh＞Sv（SH為最大水平主應(yīng)力，Sh為最小水平主應(yīng)力，Sv為垂直主應(yīng)力），表明該地區(qū)在地殼淺部水平應(yīng)力占主導(dǎo)地位，地應(yīng)力作用較為明顯。

4. 2地應(yīng)力等級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)鐵路相關(guān)規(guī)范［2］中評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（詳見(jiàn)表2），結(jié)合室內(nèi)巖石試驗(yàn)報(bào)告，對(duì)隧址區(qū)地應(yīng)力等級(jí)做如下評(píng)價(jià)。隧道洞身最大主應(yīng)力值σmax取洞軸線(xiàn)附近實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力SH平均值12. 62 MPa，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc采用室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的平均值12. 03 MPa。經(jīng)計(jì)算，該隧道的評(píng)估基準(zhǔn)值為0. 95，屬極高地應(yīng)力。

表2　地應(yīng)力水平評(píng)價(jià)

5地應(yīng)力對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

高地應(yīng)力是巖體地下工程需要重點(diǎn)考慮的影響因素之一，在其作用下隧道圍巖發(fā)生變形或破壞主要有巖爆和大變形兩種形式。其中巖爆發(fā)生在硬質(zhì)巖內(nèi)，而大變形主要發(fā)生在軟質(zhì)巖內(nèi)。本隧道板巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度多為10～20 MPa，平均值為12. 03，屬軟質(zhì)巖，且隧道埋深大。綜合分析巖體強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、地下水、地應(yīng)力等因素，本隧道地下洞室穩(wěn)定條件一般，初步認(rèn)為在極高地應(yīng)力作用下，在節(jié)理密集帶、褶皺核部及含地下水地段隧洞發(fā)生大變形的可能性非常大。

Jethwa等提出了圍巖擠壓程度指數(shù)Nc［3］，計(jì)算公式為

式中：σcm為巖體單軸抗壓強(qiáng)度；Sv為垂直主應(yīng)力；γ為巖體重度；H為隧道埋深。

式中：cp為巖石黏聚力；φp為巖石內(nèi)摩擦角。

根據(jù)圍巖擠壓程度指數(shù)Nc進(jìn)一步細(xì)分了圍巖變形等級(jí)，見(jiàn)表3。

表3　圍巖擠壓變形程度分級(jí)（據(jù)Jethwa等）［3］

依據(jù)巖石試驗(yàn)結(jié)果，cp為5. 5 MPa，φp為35. 7°，由此可得板巖的巖體單軸抗壓強(qiáng)度σcm為21. 44 MPa。Jethwa等提出的方法考慮巖體單軸抗壓強(qiáng)度和重力因素（或者原地應(yīng)力因素），并沒(méi)有考慮地下空間開(kāi)挖后形成的二次應(yīng)力場(chǎng)。而Malan等在文獻(xiàn)中指出，在考慮可能的最大應(yīng)力型擠壓大變形時(shí)，用最大剪應(yīng)力（3SH- Sv）代替Sv更為合適，因?yàn)閿D壓大變形主要是由于剪切破壞導(dǎo)致的流變而產(chǎn)生的，故采用最大剪應(yīng)力估算更為合理。將實(shí)測(cè)的地應(yīng)力數(shù)值帶入3SH- Sv得到最大剪應(yīng)力值為33. 07 MPa，則可以得出圍巖擠壓程度指數(shù)Nc= 21. 44 /33. 07 = 0. 65。按照表3判定，隧道開(kāi)挖圍巖將有可能產(chǎn)生中等擠壓變形。

當(dāng)最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力，隧道軸線(xiàn)方向與最大水平主應(yīng)力方向平行或夾角較小時(shí)，有利于隧道穩(wěn)定。由于隧道為兩段曲線(xiàn)夾一段直線(xiàn)，隧道軸線(xiàn)方向與最大水平主應(yīng)力夾角在一定范圍內(nèi)。其中進(jìn)口段夾角為35°～50°，長(zhǎng)度約790 m，約占隧道全長(zhǎng)的18％，對(duì)隧道穩(wěn)定不利；其余地段夾角為5°～30°，長(zhǎng)度約3 600 m，約占隧道全長(zhǎng)82％，夾角相對(duì)較小，對(duì)隧道穩(wěn)定相對(duì)有利。另根據(jù)有關(guān)資料，在水平應(yīng)力占主導(dǎo)的情況下，寬高比＜1的隧道穩(wěn)定性差，而采用似橢圓形（寬高比＞1）隧道穩(wěn)定性好。從表2可以看出，由于本隧道初始應(yīng)力場(chǎng)屬極高地應(yīng)力場(chǎng)，板巖為軟巖，在極高地應(yīng)力作用下可能出現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象。

6　應(yīng)對(duì)措施

1）橢圓形開(kāi)挖斷面壓力分布均勻。建議隧道采用似橢圓形斷面，并且長(zhǎng)軸為水平方向，短軸為豎直方向。

2）選擇適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)時(shí)機(jī)。圍巖的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)留有一定的變形量，允許圍巖適度變形，使得圍巖應(yīng)力適量釋放。在圍巖失穩(wěn)之前及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。

3）現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)、地質(zhì)觀(guān)察以及地質(zhì)預(yù)報(bào)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工方案，通過(guò)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工使得支護(hù)結(jié)構(gòu)更加安全合理。

7　結(jié)論

1）該工程區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力仍占主導(dǎo)地位，3個(gè)主應(yīng)力之間的關(guān)系為SH＞Sh＞Sv；測(cè)區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力以NEE向水平擠壓為主，洞身最大水平主應(yīng)力為10. 55 ～14. 70 MPa，最小水平主應(yīng)力為6. 22～8. 93 MPa；垂直主應(yīng)力為4. 96～5. 91 MPa。根據(jù)高地應(yīng)力判斷標(biāo)準(zhǔn)，初步判斷該鉆孔附近的地應(yīng)力極高。

2）實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力方向?yàn)镹70°～72°E。

3）由于隧道軸向與最大主應(yīng)力方向局部夾角較大，同時(shí)地應(yīng)力較高，局部發(fā)生軟巖變形的可能性大。

參考文獻(xiàn)

［1］郭啟良，包林海，王成武，等.新建鐵路蘭州至合作線(xiàn)香欽多隧道地應(yīng)力測(cè)試分析報(bào)告［R］.北京：中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，2015.

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（責(zé)任審編葛全紅）

Analysis on Ground Stress for Xiangqinduo Tunnel and Measures to Cope with Soft Rock Deformation

ZHAO Chengran
（Lanzhou Railway Design Institute Co.，Ltd.，Lanzhou Gansu 730000，China）

AbstractBased on ground stress measurement results of Xiangqinduo tunnel，and the mechanical performance of tunnel rocks，the paper analyzed the stability of surrounding rocks. T he results indicate that structural stress still prevail，ground stress mainly takes the form of horizontal squeeze at NEE direction. For the tunnel body，the main ground stress maximum is 10. 55～14. 70 M Pa and minimum is 6. 22～8. 93 M Pa at horizontal direction，while varies between 4. 96～5. 91 M Pa at vertical direction. Due to the relatively high ground stress and the large angle between the tunnel axle and the main stress，there is a great chance for the occurrence of soft rock local deformation. T he paper suggests a like-oval cross section for excavation where the long axle represents the horizontal direction，and the short axle represents the vertical one.

Key wordsT unnel；Ground stress；Soft rock deformation

中圖分類(lèi)號(hào)U452. 1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 19

文章編號(hào)：1003-1995（2016）06-0070-03

收稿日期：2015-05-10；修回日期：2016-04-10

作者簡(jiǎn)介：趙呈冉（1981—），男，工程師。