蘭恒星 張 寧 李郎平 田乃滿 仉義星 劉世杰 林 感 田朝陽 伍宇明 姚佳明 彭建兵 周成虎

(①長安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 西安 710054， 中國)

(②中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101， 中國)

0 引 言

川藏鐵路是我國正在規(guī)劃建設(shè)的重大鐵路工程之一，東起四川省成都市，向西途經(jīng)雅安、甘孜、昌都、林芝、山南等地區(qū)到達(dá)拉薩，全長1543km，是西藏自治區(qū)對(duì)外運(yùn)輸?shù)闹匾€工程之一，也是實(shí)現(xiàn)“一帶一路”互聯(lián)互通的重點(diǎn)工程(圖1)。規(guī)劃建設(shè)川藏鐵路，對(duì)國家長治久安和西藏經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重大意義。然而，川藏鐵路所處的青藏高原東南部，是全球現(xiàn)今地殼形變和構(gòu)造活動(dòng)極為強(qiáng)烈的地區(qū)之一，沿線具有顯著的地形高差、強(qiáng)烈的板塊活動(dòng)、密集的深大斷裂、頻發(fā)的山地災(zāi)害等惡劣地質(zhì)環(huán)境的特點(diǎn)，工程建設(shè)面臨著復(fù)雜多變的地表和地下重大地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，給鐵路的建設(shè)帶來了前所未有的復(fù)雜性和特殊性(蔣良文等， 2016； 彭建兵等， 2020)。主要表現(xiàn)為： (1)高度起伏的地形地貌：川藏鐵路穿越眾多高山峽谷區(qū)，跨大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、雅魯藏布江等大江大河。地勢(shì)起伏大，河流切割深，相對(duì)高差大、山坡陡峭、溝谷深切； (2)高度活躍的構(gòu)造地震：川藏鐵路穿越世界上最活躍的板塊構(gòu)造區(qū)，穿越龍門山、鮮水河、理塘、巴塘、金沙江、瀾滄江、怒江、八宿、嘉黎、雅魯藏布江等十余條深大活動(dòng)斷裂，路線經(jīng)過處歷史大震活躍(Tapponnier et al.，1977； 郭長寶等， 2017)； (3)極度敏感的氣候天氣：川藏鐵路穿越青藏高原東南主體，氣候垂直分帶明顯。由于其獨(dú)特的地理環(huán)境，造成極端降雨、降雪頻發(fā)，凍土融化、冰川退縮等，也成為了全球氣候變化的預(yù)警區(qū)、敏感區(qū)。川藏鐵路建設(shè)所面臨的工程地質(zhì)環(huán)境具有“一極兩強(qiáng)三高”的特點(diǎn)，即極度敏感的氣候、強(qiáng)烈發(fā)育的活動(dòng)斷裂、強(qiáng)烈發(fā)育多樣化的地質(zhì)災(zāi)害，高海拔、高地應(yīng)力、高地溫(薛翊國等， 2020)。因此，川藏鐵路成為鐵路工程史上工程地質(zhì)環(huán)境最為復(fù)雜、災(zāi)害防治難度最大的鐵路工程之一(圖2)。

圖1 川藏鐵路位置與沿線地形高差分布圖(蔣良文等， 2016； 李巍等， 2018)

圖2 川藏鐵路三維地質(zhì)構(gòu)造模型

自20世紀(jì)70年代，隨著川藏鐵路建設(shè)方案的提出，我國學(xué)者在川藏鐵路沿線地區(qū)開展了大量的地質(zhì)災(zāi)害方面的分析工作。包括威脅鐵路的橋梁、路基等明段的崩塌(吳瑞安等， 2017； 李秀珍等， 2019)、滑坡(蘭恒星等， 2019； 李寧等， 2020； 王家柱等， 2021)、泥石流(劉曙亮等， 2019)等地表地質(zhì)災(zāi)害分析； 以及威脅鐵路隧道的巖爆(韓侃等， 2020； 任洋等， 2020； 周航等， 2020)、軟巖大變形(賈學(xué)斌， 2016； 范新宇等， 2019)、斷裂活動(dòng)(王棟等， 2016)、高地溫(王生仁等， 2021)等地下地質(zhì)災(zāi)害分析。此外，一些針對(duì)川藏鐵路工程設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)法規(guī)也逐步制定與應(yīng)用，如《川藏鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)暫定規(guī)定》等。

為深入綜合分析川藏鐵路可研階段沿線的重大工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，定量評(píng)價(jià)其對(duì)工程的影響，本文基于川藏鐵路沿線的工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)背景資料，采用三維結(jié)構(gòu)建模、統(tǒng)計(jì)建模、動(dòng)力建模、時(shí)空建模等方法，進(jìn)行了地表、地下重大工程地質(zhì)災(zāi)害綜合定量風(fēng)險(xiǎn)分析。地表工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析了新建川藏鐵路雅安至林芝段地表災(zāi)害綜合密度分布規(guī)律，綜合危險(xiǎn)性分布特征，能量分布特征，在此基礎(chǔ)上，定量分析了全線地表地質(zhì)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)分布特征。地下工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析構(gòu)建了斷裂活動(dòng)性、巖爆、大變形風(fēng)險(xiǎn)普適性預(yù)測(cè)模型。以擬建的易貢隧道為例，定量預(yù)測(cè)了斷裂活動(dòng)性、巖爆、大變形的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及影響范圍。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了地下綜合風(fēng)險(xiǎn)分析模型，定量分析了地下工程綜合風(fēng)險(xiǎn)分布情況。本研究可為川藏鐵路可行性研究提供有力的科學(xué)支撐，對(duì)于川藏鐵路的設(shè)計(jì)建設(shè)和后期運(yùn)維具有重要意義，同時(shí)也為國內(nèi)外類似線性工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析提供參考。

1 川藏鐵路沿線區(qū)域地表工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

川藏鐵路全線70余座隧道進(jìn)出口、80余座橋梁橋位、50多公里路基明段，均受到地表工程地質(zhì)災(zāi)害的直接影響(圖3)。為了進(jìn)行川藏鐵路沿線的地表工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)定量分析，本文采用如下的通用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型進(jìn)行評(píng)估(Varnes 1984; Fell 1994)：

圖3 川藏鐵路隧道進(jìn)出口分布

R=H×V

(1)

式中：R為風(fēng)險(xiǎn)；H為危險(xiǎn)性，一般包括地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間可能性、空間可能性和強(qiáng)度可能性，本文只考慮了空間可能性(易發(fā)性)；V為易損性，也叫脆弱性，表示承險(xiǎn)體遭受特定強(qiáng)度災(zāi)害沖擊時(shí)的受損程度，取決于承險(xiǎn)體特征(材質(zhì)、結(jié)構(gòu))和災(zāi)害能量。在鐵路尚未建成的情況下，為簡化風(fēng)險(xiǎn)分析，本文將復(fù)雜的鐵路假設(shè)為單一均質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此易損性或脆弱性主要取決于地質(zhì)災(zāi)害的能量，通過物理動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到的災(zāi)害能量分布即可反映承險(xiǎn)體的易損性或脆弱性。

1.1 川藏鐵路地表災(zāi)害綜合密度分布規(guī)律

災(zāi)害密度在很大程度上反應(yīng)了某一區(qū)域的災(zāi)害易發(fā)性分布特征。通過遙感解譯、文獻(xiàn)資料和野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，川藏鐵路沿線崩塌落石、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)、頻發(fā)，各類災(zāi)害的數(shù)量和規(guī)模均不同。該區(qū)域大型、中型和小型災(zāi)害數(shù)量不等，巨型規(guī)模并不罕見?；跒?zāi)害分布數(shù)據(jù)，在計(jì)算災(zāi)害密度時(shí)對(duì)不同類型、不同規(guī)模的災(zāi)害賦予不同的權(quán)重，從而得到綜合地質(zhì)災(zāi)害密度的計(jì)算方法：

(2)

根據(jù)此方法，得到川藏鐵路災(zāi)害綜合密度分布圖(圖4)。從圖中可知，該區(qū)域內(nèi)的3大類災(zāi)害分布具有不均勻的特點(diǎn)，表現(xiàn)為明顯的聚集性，大江大河地帶多于高原內(nèi)部和湖盆區(qū)，如沿大渡河、瀾滄江、易貢藏布和帕隆藏布河谷及兩岸附近等聚集明顯。地質(zhì)災(zāi)害高密度區(qū)主要分布在江河河谷及沿岸和盆地邊緣，如大渡河沿岸區(qū)域、毛埡壩盆地邊緣區(qū)域、金沙江沿岸區(qū)域、瀾滄江沿岸區(qū)域、怒江沿岸區(qū)域和波密至通麥段。地質(zhì)災(zāi)害中密度區(qū)主要分布于雅安至瀘定段、火夾仲至雅江段、白玉至羅麥段、貢覺到擴(kuò)達(dá)段、邦達(dá)至夏里段、林芝至魯朗段。其中：極高密度區(qū)和高密度區(qū)受斷裂帶活動(dòng)影響更明顯。

圖4 地質(zhì)災(zāi)害密度綜合分布圖

1.2 川藏鐵路地表災(zāi)害綜合危險(xiǎn)性分布

在川藏鐵路地表地質(zhì)災(zāi)害密度綜合分布的基礎(chǔ)上，本文基于ALSA(Li et al.，2017)等模型進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。在評(píng)價(jià)過程中，綜合考慮了影響災(zāi)害易發(fā)的地質(zhì)、構(gòu)造、地貌、降雨、地震、工程地質(zhì)力學(xué)(巖體的黏聚力C和摩擦角φ)等因子，得到川藏鐵路沿線及鄰區(qū)的地表地質(zhì)災(zāi)害的綜合危險(xiǎn)性分布(圖5)。其中：地質(zhì)圖因子來自全國1︰250萬比例尺地質(zhì)圖； 構(gòu)造圖因子參考Deng et al.，(2003)的斷裂數(shù)據(jù)； 地貌圖因子來自全國1︰100萬比例尺地貌數(shù)據(jù)； 降雨因子來自全國1km空間分辨率降水柵格數(shù)據(jù)集； 地震因子是指地震動(dòng)峰值加速度，來自《中國地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》(GB18306-2015)； 工程地質(zhì)力學(xué)因子主要來自川藏鐵路沿線多個(gè)研究區(qū)域內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)采用的黏聚力C和摩擦角φ值?？紤]到川藏鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際發(fā)生情況，將地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分為4個(gè)等級(jí)：低危險(xiǎn)性(0～0.105)、中危險(xiǎn)性(0.105～0.218)、高危險(xiǎn)性(0.218～0.454)、極高危險(xiǎn)性(0.454～1.000)。

圖5 川藏鐵路及鄰區(qū)綜合地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分布圖

1.3 地表地質(zhì)災(zāi)害綜合強(qiáng)度(脆弱性)分布

在危險(xiǎn)性分析的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)力學(xué)模型(Lan et al.，2007； Wu et al.， 2019， 2020)，計(jì)算模擬川藏鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)力學(xué)過程，獲得災(zāi)害能量分布，并根據(jù)能量分布得到風(fēng)險(xiǎn)所需要的易損性分布(圖6)。結(jié)果表明，川藏鐵路地表地質(zhì)災(zāi)害高能量區(qū)域主要集中在魯朗段至多吉段、邦達(dá)段至昌都段、貢覺段至巴塘段、雅江站附近和瀘定車站附近。造成這種特征的原因主要包括兩個(gè)方面：一方面，復(fù)雜的構(gòu)造格局和強(qiáng)烈的變形控制了這幾個(gè)極高和高危險(xiǎn)集中區(qū)復(fù)雜而劇烈的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，孕育了地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)環(huán)境，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了豐富的物質(zhì)來源； 另一方面，強(qiáng)烈切割的地形，山高坡陡谷深的地貌格局不僅提高了災(zāi)害發(fā)生的能量量級(jí)，也加劇了災(zāi)害發(fā)生路徑和頻率的多樣性、不確定性及密集性。針對(duì)以上極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，在鐵路建設(shè)過程中，需要加強(qiáng)對(duì)災(zāi)害頻率密集區(qū)的避讓，同時(shí)也要加強(qiáng)災(zāi)害能量強(qiáng)度較大區(qū)域的防護(hù)與監(jiān)測(cè)。

圖6 地表地質(zhì)災(zāi)害能量(脆弱性)分布圖

1.4 地表地質(zhì)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)國家地震防控標(biāo)準(zhǔn)， 50年內(nèi)超越概率63%屬于多遇地震， 50年內(nèi)超越概率10%屬于基本地震， 50年內(nèi)超越概率2%屬于罕遇地震。本次川藏鐵路沿線區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以不同超越概率下的地震工況作為背景，分析不同地震裂度下的風(fēng)險(xiǎn)分布情況。

根據(jù)地表地質(zhì)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，在上述危險(xiǎn)性分布和災(zāi)害動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度分布分析的基礎(chǔ)上，以超越概率為63%， 10%，和2%的地震工況情境為大背景，得到了川藏鐵路沿線地表地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布圖(圖7)、基本地震情景下地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布圖(圖8)和罕遇地震情景下地質(zhì)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)(圖9)?？紤]到川藏鐵路的實(shí)際災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，將綜合風(fēng)險(xiǎn)劃分為4個(gè)等級(jí)：低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0～0.423)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.423～0.501)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.501～0.595)和極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(0.595～1.0)。

圖7 川藏鐵路沿線及鄰區(qū)綜合風(fēng)險(xiǎn)分布圖

圖8 川藏鐵路沿線及鄰區(qū)基本地震情景下綜合風(fēng)險(xiǎn)分布圖

圖9 川藏鐵路沿線及鄰區(qū)罕遇地震情景下綜合風(fēng)險(xiǎn)分布圖

地質(zhì)災(zāi)害高危險(xiǎn)區(qū)和極高危險(xiǎn)區(qū)主要分布于東構(gòu)造結(jié)、金沙江斷裂帶、鮮水河斷裂帶、嘉黎斷裂帶、瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶鄰區(qū)。在考慮地震影響的條件下，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布受到研究區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造斷裂帶的控制。根據(jù)結(jié)果，川藏鐵路沿線可識(shí)別出3個(gè)地表災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，分別是鮮水河斷裂帶、金沙江斷裂帶和東構(gòu)造結(jié)地區(qū)。并且隨著地震烈度的增加，中、高危險(xiǎn)區(qū)以斷裂帶為中心向兩側(cè)擴(kuò)展，低、中、高危險(xiǎn)區(qū)向極高危險(xiǎn)等級(jí)轉(zhuǎn)化。例如，隨著地震烈度的增高，東構(gòu)造結(jié)和鮮水河斷裂帶區(qū)域的地表地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)范圍急劇擴(kuò)大，導(dǎo)致川藏鐵路的林芝—波密段、洛隆—邦達(dá)段、新都橋—折多山段處于高乃至極高風(fēng)險(xiǎn)。上述幾個(gè)極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，除了上文所述的復(fù)雜地質(zhì)地貌特點(diǎn)，也是強(qiáng)烈地震活動(dòng)的密集區(qū)。位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的川藏鐵路在規(guī)劃建設(shè)過程中，不僅要注重自身結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計(jì)，同時(shí)也要注重次生災(zāi)害帶來的鏈生風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作。

2 地下重大地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析

川藏鐵路隧道工程占全線的83%。因此，地下工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)是關(guān)乎隧道工程安全的核心問題。地下地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)主要包括斷裂活動(dòng)、巖爆、大變形、高地溫等復(fù)雜地質(zhì)狀況。本研究分別構(gòu)建了斷裂活動(dòng)、巖爆和大變形等工程復(fù)雜地質(zhì)狀況風(fēng)險(xiǎn)分析模型，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查的資料和川藏鐵路沿線及鄰區(qū)已建成和在建的工程實(shí)例，初步分析了川藏鐵路沿線斷裂活動(dòng)、巖爆、大變形等地下工程復(fù)雜地質(zhì)狀況總體的風(fēng)險(xiǎn)情況。受篇幅所限，本文以川藏鐵路沿線長度最長的易貢隧道(42.5km)為例，開展斷層活動(dòng)性、巖爆、大變形等地下工程復(fù)雜地質(zhì)狀況風(fēng)險(xiǎn)定量的評(píng)價(jià)，最后建立整合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，評(píng)估其綜合地下工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。川藏鐵路沿線易貢隧道的區(qū)域位置及鄰區(qū)工程實(shí)例位置如圖10所示。

圖10 川藏鐵路易貢隧道區(qū)域位置及鄰區(qū)工程實(shí)例

2.1 斷裂活動(dòng)性

斷層活動(dòng)及其影響是川藏鐵路面臨的首要風(fēng)險(xiǎn)。川藏鐵路沿線分布鮮水河斷裂帶、金沙江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶、怒江斷裂帶、嘉黎斷裂帶等11條深大斷裂帶(郭長寶等， 2021)?；顒?dòng)斷裂活動(dòng)性強(qiáng)，在蠕滑作用下積累的位移變形和應(yīng)力效應(yīng)可直接破壞隧道的空間結(jié)構(gòu)(劉學(xué)增等， 2020)。因此，定量判別活動(dòng)斷裂對(duì)隧道影響的位置和范圍，是可研階段活動(dòng)斷裂避讓規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)方案的重要參考。許多研究表明：斷裂帶的幾何特征、破碎帶寬度與活動(dòng)速率具有一定的相關(guān)關(guān)系(Kim et al.，2004； Faulkner et al.，2011)，因此，本文采用統(tǒng)計(jì)模型的方法建立一種斷裂活動(dòng)與影響帶寬度的普適性統(tǒng)計(jì)評(píng)估模型。通過收集整理已有文獻(xiàn)中包括川藏沿線在內(nèi)的世界范圍內(nèi)的斷層幾何特征、斷層活動(dòng)性、斷層影響寬度等數(shù)據(jù)，將斷層的幾何特征與斷層的活動(dòng)性聯(lián)系起來，從而得到斷層幾何特征與活動(dòng)性的普適性定量統(tǒng)計(jì)評(píng)估模型：

y=1.5×10-4x0.96

(3)

式中：x為斷層的長度；y為斷層的活動(dòng)速率，兩個(gè)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系如圖11所示。由圖可知，兩個(gè)參數(shù)具有很好的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)活動(dòng)斷裂的長度范圍和活動(dòng)速率，川藏鐵路沿線的活動(dòng)斷裂主要分布在圖中的灰色區(qū)域內(nèi)，而灰色區(qū)域右側(cè)數(shù)據(jù)主要來源于板塊活動(dòng)的邊界斷層，如圣安德烈斯斷裂帶。因此，無論是從斷裂的幾何特征，還是從斷裂的活動(dòng)特征，在全球范圍內(nèi)，川藏鐵路沿線的活動(dòng)斷裂均處于中上等的位置。

圖11 斷層幾何特征與活動(dòng)性的普適性統(tǒng)計(jì)評(píng)估模型

在此基礎(chǔ)之上，將斷裂帶影響寬度與斷裂活動(dòng)速率聯(lián)系起來，得到了斷裂活動(dòng)速率與斷裂帶影響寬度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系：

z=10(-0.03(lgy)2+0.48lgy+1.87)

(4)

式中：z為斷層影響寬度；y為斷層的活動(dòng)速率，兩個(gè)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系如圖12所示。由圖可知，隨著斷層活動(dòng)速率的增加，斷層影響寬度逐漸增加。從斷裂帶影響寬度的整體水平來看，川藏鐵路沿線活動(dòng)斷裂的活動(dòng)速率較高，主要分布在圖中的灰色區(qū)域內(nèi)，因此，沿線斷裂帶影響寬度的風(fēng)險(xiǎn)水平相對(duì)較高，川藏鐵路穿越活動(dòng)斷裂時(shí)，需要加強(qiáng)隧道安全防控設(shè)計(jì)與隧道穩(wěn)定性的長期監(jiān)測(cè)。

圖12 斷裂帶影響寬度的普適性評(píng)估模型

圖13 鐵路沿線各斷裂帶影響范圍分布圖

圖14 易貢隧道斷裂帶影響范圍

2.2 巖爆風(fēng)險(xiǎn)

受新生代以來地殼急劇抬升、板塊強(qiáng)烈擠壓的影響，川藏鐵路沿線活動(dòng)斷裂發(fā)育，存在大量構(gòu)造應(yīng)力高度集中的地質(zhì)環(huán)境。此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，川藏鐵路沿線分布大量的硬質(zhì)巖，以花崗巖、閃長巖、花崗片麻巖為主，隧道段硬質(zhì)巖約占全線的47%，因此，川藏鐵路隧道段將常常遭遇巖爆復(fù)雜地質(zhì)狀況。針對(duì)巖爆問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種巖爆預(yù)測(cè)方法，包括應(yīng)力判據(jù)法(Barton et al.，1974； Russenes，1974； 徐林生，1999)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法(Feng et al.，2015; Ma et al.，2015)，指標(biāo)判據(jù)法(Kidybinski， 1981； 馮濤等， 2000； 蘇國韶， 2006)等，其中：應(yīng)力判據(jù)法是通過巖石應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的比值來判別巖爆的程度，是一種廣泛用于隧道施工前的巖爆預(yù)測(cè)方法。其優(yōu)勢(shì)在于：基于有限的實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過地應(yīng)力反演得到隧道全線地應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)結(jié)合地質(zhì)資料中巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，即可得到施工前隧道全線的巖爆初步預(yù)測(cè)結(jié)果。然而該方法給出的結(jié)果多為巖爆等級(jí)的定性預(yù)測(cè)，難以給出巖爆的范圍和程度的定量預(yù)測(cè)。Martin et al. (1999)根據(jù)多個(gè)工程實(shí)例的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將爆坑深度與圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比聯(lián)系起來，為巖爆的定量預(yù)測(cè)提供了新的思路。因此，本文在Martin et al. (1999)的基礎(chǔ)上，收集了全球范圍內(nèi)66個(gè)典型巖爆隧道的強(qiáng)度應(yīng)力比、隧道跨度及最大爆坑深度等數(shù)據(jù)，得到了爆坑深度與圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比之間的表達(dá)式：

(5)

式中：Df為爆坑影響深度；a為隧道半徑；σmax=3σ1-σ3為硐室圍巖的最大切向應(yīng)力；σc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，該模型也結(jié)合Hoek et al.(1980)巖爆等級(jí)劃分依據(jù)(表1)，可實(shí)現(xiàn)巖爆的定性與定量的共同預(yù)測(cè)，Df/a與σmax/σc的相關(guān)關(guān)系與巖爆等級(jí)劃分(圖15)。

圖15 爆坑深度預(yù)測(cè)普適性模型

表1 巖爆等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

由圖15可知，最大爆坑深度與圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比呈很好的線性關(guān)系。此外，由式(5)可知，巖爆發(fā)生的初始應(yīng)力為0.33σc(當(dāng)Df/a=1時(shí))，基本符合初始巖爆的應(yīng)力范圍 0.25σc～0.5σc(Martin et al.，1999)。因此，該模型在巖爆預(yù)測(cè)中具有良好的適用性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和測(cè)試，川藏鐵路沿線可能發(fā)生巖爆地段的強(qiáng)度應(yīng)力比σmax/σc約為1～1.4，在川藏鐵路沿線及鄰區(qū)已建成或在建隧道的巖爆實(shí)例數(shù)據(jù)中，川藏鐵路拉薩—林芝段巴玉隧道的最大爆坑深度范圍2～3m(Df/a=1.46～1.70)(嚴(yán)健等， 2019)，錦屏水電站的最大爆坑深度約為3m(Df/a=2)(史永躍等， 2014)。因此可以推斷，從巖爆風(fēng)險(xiǎn)的整體水平上看，川藏鐵路沿線隧道在發(fā)生巖爆地段的巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)主要位于圖中綠色區(qū)域，處于巖爆風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)烈和極強(qiáng)等級(jí)?；谏鲜鲱A(yù)測(cè)模型，以易貢隧道為例，對(duì)川藏鐵路巖爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料、室內(nèi)巖石單軸抗壓強(qiáng)度(表2)和鉆孔地應(yīng)力數(shù)據(jù)，采用三維地應(yīng)力反演的方法得到了全線的地應(yīng)力分布(郭延輝等， 2020)(圖16)。由圖可知，隧道沿線最大水平主應(yīng)力σH可達(dá)到38.2MPa，垂直主應(yīng)力σv和最小主應(yīng)力σh沿軸線分布規(guī)律與最大主應(yīng)力相似，且隨著埋深增大，垂直主應(yīng)力σv明顯大于最小水平主應(yīng)力σh。

圖16 隧道沿線地應(yīng)力分布圖

表2 巖石基本力學(xué)參數(shù)

基于以上數(shù)據(jù)，得到了易貢隧道沿線巖爆最大爆坑深度分布的定量評(píng)估結(jié)果(圖17)。由圖可知，易貢隧道可能發(fā)生巖爆段落總長度達(dá)24757m，占隧道全長的58.29%，其中中等及以上巖爆段落3213m，占隧道總長度的7.58%。巖爆主要發(fā)生在巖體較完整的弱風(fēng)化片麻巖和弱風(fēng)化花崗巖中，且地應(yīng)力普遍高于25MPa。在埋深較大的花崗巖段落，地應(yīng)力可達(dá)38MPa以上，有強(qiáng)烈等級(jí)巖爆發(fā)生的可能。預(yù)測(cè)隧道爆坑最大深度比1.54，按易貢隧道當(dāng)量半徑4.07計(jì)算，預(yù)測(cè)最大爆坑深度可達(dá)2.20m以上。

圖17 易貢隧道最大爆坑深度預(yù)測(cè)分布圖

2.3 大變形風(fēng)險(xiǎn)

在高地應(yīng)力地區(qū)，除了巖爆問題，當(dāng)鐵路隧道穿越片巖、千枚巖、板巖、頁巖和構(gòu)造破碎帶等巖層時(shí)，易發(fā)生強(qiáng)烈擠壓的大變形問題。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大變形的判別和預(yù)測(cè)進(jìn)行了大量研究，現(xiàn)有的大變形預(yù)測(cè)方法主要為定性判別法，如Wood(1972)、Nakano(1979)、Jethwa et al. (1984)、Barla(1995)等方法，和定量預(yù)測(cè)方法，包如Hoek et al. (2000)方法。其中Hoek et al. (2000)根據(jù)圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比劃分了擠壓變形的等級(jí)，同時(shí)給出了有無支護(hù)條件下圍巖的擠壓變形量，可以實(shí)現(xiàn)大變形的定量預(yù)測(cè)。

本文在Hoek et al. (2000)方法的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充收集了大量國內(nèi)、國外典型隧道軟巖變形數(shù)據(jù)，得到了隧道變形量與圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比之間的普適性統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型：

ε=0.212×(σc/σ1)-2.006

(6)

式中：ε為隧道相對(duì)變形量；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；σ1為最大主應(yīng)力。相關(guān)關(guān)系和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如圖18所示。

圖18 圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比與變形量的普適性統(tǒng)計(jì)模型

由圖18可知，隧道的強(qiáng)度應(yīng)力比和相對(duì)變形量之間具有較好的冪指數(shù)變化規(guī)律，強(qiáng)度應(yīng)力比從高到低的變化過程中，隧道的相對(duì)變形量逐漸增大，隧道面臨的大變形風(fēng)險(xiǎn)逐漸升高。在強(qiáng)度應(yīng)力比較低時(shí)，由強(qiáng)度應(yīng)力比改變而引起的隧道相對(duì)變形量變化更顯著，而強(qiáng)度應(yīng)力比較高時(shí)，隧道相對(duì)變形量的變化趨緩。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查資料和測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，川藏鐵路沿線可能發(fā)生大變形地段的圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比σc/σ1=0.1～0.3，在川藏鐵路沿線及鄰區(qū)已建成和在建隧道的大變形的實(shí)例中，成蘭鐵路茂縣隧道發(fā)生大變形的最大變形量為922.6mm(相對(duì)變形ε=17.41%)(侯國強(qiáng)， 2019)， 317國道鷓鴣山隧道的最大變形量為420mm(相對(duì)變形ε=4%)(陳衛(wèi)忠等， 2019)，因此可以推斷，從大變形風(fēng)險(xiǎn)的整體水平上看，川藏鐵路沿線隧道在發(fā)生大變形地段的巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)主要位于圖中黃色區(qū)域，處于大變形風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)烈和極強(qiáng)等級(jí)。

基于上述預(yù)測(cè)模型，對(duì)易貢隧道進(jìn)行大變形風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)。沿線的應(yīng)力分布和巖體強(qiáng)度如上文所述，得到易貢隧道沿線的大變形分布(圖19)。結(jié)果顯示，易貢隧道可能發(fā)生大變形段落總長度達(dá)7123m，占隧道全長的16.77%，其中中等及以上大變形段落2368m，占隧道總長度的5.58%。大變形主要發(fā)生在斷層構(gòu)造作用強(qiáng)烈的破碎巖體中以及節(jié)理裂隙發(fā)育的軟弱巖體中。在巖體高度破碎的斷裂帶附近，隧道相對(duì)變形量可達(dá)到9.1%，按易貢隧道當(dāng)量半徑4.07計(jì)算，預(yù)測(cè)最大收斂量可達(dá)350mm以上。

圖19 易貢隧道大變形預(yù)測(cè)分布圖

2.4 地下工程復(fù)雜地質(zhì)狀況綜合風(fēng)險(xiǎn)

為獲得隧道地下地質(zhì)綜合風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建隧道地下復(fù)雜地質(zhì)狀況綜合風(fēng)險(xiǎn)模型，可采用公式：

(7)

式中：R為綜合風(fēng)險(xiǎn)；Ri為第i類風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果；F()為歸一化函數(shù)，將Ri歸一化到[0，1]區(qū)間，按照上述各類風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，歸一化的等級(jí)劃分為4級(jí)： Ⅰ級(jí)(0～0.25)、Ⅱ(0.25～0.50)、Ⅲ(0.50～0.75)、Ⅳ(0.75～1.0)。

基于上述公式，對(duì)易貢隧道斷層活動(dòng)性、巖爆、大變形等風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合分析，可得到隧道不同段落地下地質(zhì)綜合風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)價(jià)結(jié)果(圖20)。由圖可知，A段落的主要風(fēng)險(xiǎn)為巖爆，占綜合風(fēng)險(xiǎn)的100%； B段落的主要風(fēng)險(xiǎn)為斷層活動(dòng)性和大變形，各占綜合風(fēng)險(xiǎn)的50%。該研究結(jié)果可為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)與施工提供重要的數(shù)據(jù)參數(shù)。

圖20 易貢隧道綜合風(fēng)險(xiǎn)分布圖

3 主要結(jié)論

作為史上修建難度最大的鐵路，川藏鐵路穿越區(qū)沿線具有顯著的地形高差、強(qiáng)烈的板塊活動(dòng)、密集的深大斷裂、頻發(fā)的山地災(zāi)害等惡劣地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，工程建設(shè)面臨著復(fù)雜多變的地表和難以預(yù)測(cè)的地下重大工程地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。本文基于川藏鐵路沿線的翔實(shí)的時(shí)空數(shù)據(jù)集及資料，采用地表和地下風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估模型，深入綜合分析了川藏鐵路可研階段沿線的重大工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)及其對(duì)工程的影響。主要結(jié)論如下：

(1)由于地質(zhì)構(gòu)造條件的復(fù)雜性，川藏鐵路穿越區(qū)存在不同程度、不同類型的地表和地下重大工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)； 川藏鐵路沿線的地質(zhì)災(zāi)害、斷裂活動(dòng)、巖爆和大變形等重大工程地質(zhì)災(zāi)害的總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相對(duì)較高。通過風(fēng)險(xiǎn)定量分析，可以為可研階段提供依據(jù)，并進(jìn)一步指導(dǎo)后續(xù)的設(shè)計(jì)與施工的優(yōu)化和深化。

(2)地表地質(zhì)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果表明：川藏鐵路沿線總體上存在3個(gè)地表地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，分別是鮮水河斷裂帶、金沙江斷裂帶和東構(gòu)造結(jié)地區(qū)； 隨著地震烈度的增加，即從多遇地震場(chǎng)景到基本地震場(chǎng)景，再到罕遇地震場(chǎng)景，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)呈沿控制性斷裂分布逐漸向外擴(kuò)展的趨勢(shì)，且原有的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域會(huì)向極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變。位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的川藏鐵路在規(guī)建設(shè)過程中，不僅要注重自身結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計(jì)，同時(shí)也要注重次生災(zāi)害帶來的鏈生風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作。

(3)斷層活動(dòng)及其影響是川藏鐵路面臨的首要風(fēng)險(xiǎn)。在三維空間建?；A(chǔ)上，通過收集整理世界范圍內(nèi)的斷層幾何特征、斷層活動(dòng)性、斷層影響寬度等數(shù)據(jù)，建立了斷層幾何特征與活動(dòng)性的普適性統(tǒng)計(jì)評(píng)估模型，得到了川藏鐵路全線斷裂活動(dòng)性風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)結(jié)果及分布規(guī)律。

(4)隧道巖爆與大變形風(fēng)險(xiǎn)皆由高地應(yīng)力引起。川藏鐵路隧道埋深大、受構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)影響顯著，巖爆和大變形問題突出?；趪鴥?nèi)外的大量隧道工程實(shí)例，分別建立了巖爆和大變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的定量模型。對(duì)于巖爆風(fēng)險(xiǎn)，研究建立了強(qiáng)度應(yīng)力比與爆坑深度的普適性統(tǒng)計(jì)模型； 對(duì)于大變形風(fēng)險(xiǎn)，研究建立了圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比與變形量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系； 結(jié)合相關(guān)鐵路規(guī)范，以易貢隧道為例，開展了典型隧道巖爆、大變形風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)價(jià)，評(píng)估了川藏鐵路典型隧道全線巖爆、大變形的風(fēng)險(xiǎn)分布特征和規(guī)律。

(5)通過構(gòu)建的隧道地下工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)綜合模型，定量評(píng)價(jià)了隧道全線不同段落的綜合地下工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布特征，并獲取了不同段落的各類地下工程災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的比例，可進(jìn)一步為后續(xù)的隧道設(shè)計(jì)與施工提供重要的參考信息。