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        滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段地應(yīng)力狀態(tài)及工程效應(yīng)分析*

        2022-11-08 08:43:24谷佳誠(chéng)高桂云安易飛王成虎
        工程地質(zhì)學(xué)報(bào) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:圍巖變形

        谷佳誠(chéng) 高桂云 周 昊 安易飛 王成虎

        (①應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院,北京 100085,中國(guó))(②中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083,中國(guó))

        0 引 言

        滇藏鐵路是我國(guó)中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中的重要鐵路干線,起于云南省昆明市,終于西藏自治區(qū)拉薩市,連接云南西北部及西藏東南部,地勢(shì)從東南到西北方向逐漸抬升,海拔高程2000~6000m。其中昆明至麗江的鐵路線路已經(jīng)建成,麗香鐵路也已基本建成并投入使用,線路擬選定在邦達(dá)與某交通線路接軌,共建邦達(dá)至拉薩段的鐵路線路。香格里拉—邦達(dá)鐵路段大致走向如圖1所示。

        圖1 滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)鐵路線路走向趨勢(shì)圖

        滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段地質(zhì)問(wèn)題突出,工程環(huán)境惡劣,被稱為“世界鐵路艱險(xiǎn)工程之最”。鐵路沿線多為高山峽谷地貌,山峰與河谷之間相對(duì)高差1000~3000m,由于受到印度洋板塊對(duì)亞歐板塊的擠推作用,滇藏地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)尤為強(qiáng)烈。德欽至邦達(dá)段線路橫跨金沙江、瀾滄江和怒江三江并流區(qū)域,此處鐵路沿線支流眾多,平均海拔在3000m以上且雪山與江面的相對(duì)高差4700m(張加桂等,2010),由此可知此地受到過(guò)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的地面抬升和外動(dòng)力地質(zhì)作用。滇藏鐵路穿過(guò)唐古拉-三江斷褶帶、拉薩-波密構(gòu)造帶和雅魯藏布江縫合帶,且處于滇藏區(qū)域高烈度地震區(qū),由于長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,活動(dòng)斷裂縱橫交錯(cuò),導(dǎo)致該地區(qū)巖體破碎且穩(wěn)定性差(卿三惠等,2007)。

        滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段主要受到滇西“三江”地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,這一影響由印度板塊與歐亞板塊的匯聚碰撞產(chǎn)生,從而形成了金沙江斷裂、瀾滄江斷裂、怒江斷裂3大斷裂帶,如圖1所示。

        金沙江斷裂帶地處羌塘地塊和松潘-甘孜造山帶之間,是具有多個(gè)時(shí)期活動(dòng)的縫合線構(gòu)造,主要包括金沙江主斷裂、東界斷裂、西界斷裂和NS向的次級(jí)斷裂,德欽-中甸-大具斷裂和巴塘斷裂把金沙江斷裂分為北段、中段和南端3個(gè)部分(夏金梧等,2020),其走向總體上呈NS向,其中南段呈NNE向,中段近NS向,北段呈NNW向(周榮軍等,2005)?;贕PS水平速度場(chǎng)和小震活動(dòng)的研究可知,金沙江斷裂帶運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)主要表現(xiàn)為右旋走滑,運(yùn)動(dòng)速率為5mm·a-1(徐曉雪等,2020)。

        瀾滄江斷裂帶位于羌塘-昌都-思茅陸塊和南羌塘-左貢-保山陸塊的分界處,東邊界為碧羅雪山斷裂,西邊界為吉岔斷裂,由于受到NE向水平應(yīng)力的擠壓作用,斷裂帶有明顯的應(yīng)力集中和壓縮變形現(xiàn)象(王學(xué)武等,2018)。瀾滄江斷裂帶的整體走向?yàn)镹S向,從北至南,走向從NS向轉(zhuǎn)為NW向,最后再次呈現(xiàn)NS向,總體顯示為S型斷裂,且斷裂帶呈現(xiàn)出左旋走滑的運(yùn)動(dòng)特征(王國(guó)芝等,2001)。

        怒江斷裂帶是一條縱穿青藏高原的區(qū)域性斷裂,位于保山地塊和騰沖地塊的邊界,其走向沿怒江流域展布,北段呈NW向,南段呈NS向,斷裂帶呈現(xiàn)右旋走滑的運(yùn)動(dòng)特征(王閻昭等,2015)。

        受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和沿線大高差的影響,滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段隧道工程眾多,總長(zhǎng)度214km,最長(zhǎng)隧道長(zhǎng)度可達(dá)31.5km(余敏等,2017),深埋長(zhǎng)隧道在該鐵路沿線占比較大,在高地應(yīng)力狀態(tài)下可能發(fā)生巖爆、大變形等重大災(zāi)害。鐵路沿線屬于羌塘-昌都地層區(qū)德欽-維西地層分區(qū),巖性分布比較齊全,巖性復(fù)雜,主要分布有灰?guī)r、泥巖、板巖、泥質(zhì)砂巖等,香格里拉—邦達(dá)段沿線軟質(zhì)巖約占70%,在強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造作用下,嚴(yán)重影響沿線邊坡和隧道工程的穩(wěn)定性。因此,研究滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段的地應(yīng)力狀態(tài)顯得尤為重要。

        通過(guò)對(duì)滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段途經(jīng)的主要斷裂的綜合分析,整體上斷裂走向?yàn)镹W-NNW向。Anderson理論認(rèn)為斷層面與中間主應(yīng)力共面,依據(jù)斷層面上摩擦系數(shù)一般為0.6~1.0、且最大主應(yīng)力方向與斷層面夾角一般在23°~30°對(duì)該區(qū)域的主應(yīng)力方向進(jìn)行預(yù)測(cè)(Amadei et al.,1997;Zang et al.,2010),結(jié)果表明香格里拉—邦達(dá)段最大主應(yīng)力方向應(yīng)為NWW-NNE向,與謝富仁等(1993)利用斷層滑動(dòng)方向確定構(gòu)造應(yīng)力張量的方法得出的結(jié)果一致。但是顯然香格里拉—邦達(dá)段地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,構(gòu)造發(fā)育,外動(dòng)力影響因素較多,實(shí)際的主應(yīng)力方向也會(huì)存在較大的變化。

        目前,對(duì)滇西北地區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)已有初步的了解,比如李金鎖等(2005,2006)基于地應(yīng)力測(cè)量和有限元方法分析了滇西北地區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài),并采用水壓致裂的方法得到了大理—麗江地區(qū)的原地應(yīng)力大小和方向。張永雙等(2009)結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)有限元方法模擬得到了玉峰寺隧道的應(yīng)力場(chǎng)特征。錢曉東等(2011)基于震源機(jī)制解研究了云南地區(qū)的近期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),指出了控制區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的3個(gè)主要力源。然而,對(duì)于滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段的地應(yīng)力狀態(tài)以及工程風(fēng)險(xiǎn)的研究相對(duì)較少。

        本文基于構(gòu)造形跡、震源機(jī)制解和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的多元綜合分析法,對(duì)滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段主應(yīng)力方向進(jìn)行了分析,基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和修正的Sheorey理論對(duì)研究區(qū)應(yīng)力量值進(jìn)行預(yù)測(cè),采用應(yīng)力強(qiáng)度比法和Hoek變形預(yù)測(cè)公式分析不同巖性發(fā)生巖爆或大變形的風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)工程的影響,為滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù),并深化云南西北部和西藏東南部地應(yīng)力場(chǎng)的認(rèn)識(shí)。

        1 主應(yīng)力方向

        1.1 應(yīng)力分區(qū)

        香格里拉—邦達(dá)鐵路沿線新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,基于“中國(guó)大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)”及現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征(謝富仁等,2004),同時(shí)考慮利用更多的震源機(jī)制解和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),更好地分析地應(yīng)力狀態(tài)信息。本文將研究區(qū)分為香格里拉-德欽應(yīng)力區(qū)和芒康-邦達(dá)應(yīng)力區(qū)(圖1)。

        1.2 應(yīng)力方向分析

        構(gòu)造形跡估算反映的是古構(gòu)造特征,為獲得現(xiàn)今地應(yīng)力方位,需要綜合震源機(jī)制解及實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。基于震源機(jī)制解反演應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果,郝平等(2012)認(rèn)為青藏高原東部地區(qū)最大主應(yīng)力方向?yàn)榻麼E向,并有沿喜馬拉雅構(gòu)造東端順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。賀赤誠(chéng)等(2015)分析了云南迪慶5.9級(jí)地震的震源機(jī)制,得到的P軸優(yōu)勢(shì)方位角為NNW。高錦瑞等(2015)利用P波初動(dòng)的方法,分析了左貢—芒康地區(qū)6.1級(jí)地震的震源機(jī)制。結(jié)果表明,P軸的優(yōu)勢(shì)方位為NE-NEE。為得到更為準(zhǔn)確的地應(yīng)力方位,采用震源機(jī)制解和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析的方法對(duì)不同應(yīng)力分區(qū)的地應(yīng)力方位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

        通過(guò)查閱最新版“中國(guó)大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)”,得到滇藏鐵路香格里拉至邦達(dá)段的震源機(jī)制解數(shù)據(jù),對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出P軸方位角如圖2所示。

        圖2 各應(yīng)力區(qū)震源機(jī)制解P軸方位角統(tǒng)計(jì)圖

        震源機(jī)制解統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,香格里拉-德欽應(yīng)力區(qū)應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜,P軸方向?yàn)镹WW-NNW向,優(yōu)勢(shì)方位為N0°W~N20°W;芒康-邦達(dá)應(yīng)力區(qū)P軸方向?yàn)镹EE向,優(yōu)勢(shì)方位為N60°E~N80°E。為更好地分析研究區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)特征,結(jié)合該地區(qū)的水壓致裂和應(yīng)力解除數(shù)據(jù),并查閱謝富仁等(2007)的成果,對(duì)香格里拉-德欽應(yīng)力區(qū)和芒康-邦達(dá)應(yīng)力區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)水平最大主應(yīng)力方位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖3所示。

        圖3 各應(yīng)力區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)水平最大主應(yīng)力方位統(tǒng)計(jì)圖

        香格里拉-德欽應(yīng)力區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹NW向,優(yōu)勢(shì)方位為N20°W~N40°W;芒康-邦達(dá)應(yīng)力區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹EE-EW向,優(yōu)勢(shì)方位為N60°E~N80°E,與震源機(jī)制解的結(jié)論一致。震源機(jī)制解多反映深部的應(yīng)力狀態(tài),水壓致裂法和應(yīng)力解除法反映淺部的應(yīng)力狀態(tài),淺部區(qū)域由于受外界因素干擾以及工程擾動(dòng),可能影響局部應(yīng)力狀態(tài),使得深淺部的應(yīng)力狀態(tài)略有不同,且應(yīng)力方向多變。

        香格里拉-德欽應(yīng)力區(qū)包含更多的震源機(jī)制解數(shù)據(jù),以該地區(qū)為例,利用震源機(jī)制解數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向進(jìn)行反演分析,結(jié)果如圖4和圖5所示。

        圖5 基于震源機(jī)制解的應(yīng)力形因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        由震源機(jī)制解數(shù)據(jù)反演應(yīng)力結(jié)果可知,最大主應(yīng)力(σ1)方位約為N45°W,最大主應(yīng)力軸傾角約為20°,中間主應(yīng)力(σ2)軸傾角最大,接近垂直狀態(tài),最小主應(yīng)力(σ3)軸傾角約7°,接近水平狀態(tài),說(shuō)明該研究區(qū)以走滑型斷層為主,應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為SH>Sv>Sh,最大主壓應(yīng)力方向?yàn)镹W向,應(yīng)力形因子R范圍為0.5~0.6,反映了該地區(qū)NW向的擠壓應(yīng)力狀態(tài)。

        綜合分析構(gòu)造形跡、震源機(jī)制解、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果,香格里拉-德欽應(yīng)力區(qū)的水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹NW向,優(yōu)勢(shì)方位為N0°W~N40°W;芒康-邦達(dá)應(yīng)力區(qū)的水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹EE向,優(yōu)勢(shì)方位為N60°E~N80°E。由于鐵路沿線地貌為橫斷山脈高山深谷區(qū),構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、斷層發(fā)育、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、變質(zhì)作用強(qiáng)烈,且震源機(jī)制解多反映深部的應(yīng)力狀態(tài),水壓致裂法和應(yīng)力解除法反映淺部的應(yīng)力狀態(tài),深淺部的應(yīng)力狀態(tài)略有不同,導(dǎo)致局部應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),整體表現(xiàn)出復(fù)雜多變的特點(diǎn)。

        2 主應(yīng)力量值

        研究區(qū)內(nèi)包含多條斷裂帶,同時(shí)受到印度洋板塊和青藏高原的擠壓作用,地殼運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、構(gòu)造應(yīng)力水平較高,深埋隧道在高地應(yīng)力作用下開挖存在巖爆或軟巖大變形的風(fēng)險(xiǎn),因而需要對(duì)研究區(qū)域地應(yīng)力量值進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

        2.1 預(yù)測(cè)方法

        地應(yīng)力測(cè)量是獲取應(yīng)力場(chǎng)特征最直接的方法,然而,新建滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)較少且離散性較大,數(shù)值模擬又不能很好地?cái)M合這些離散數(shù)據(jù)。為更好地研究區(qū)域地應(yīng)力狀態(tài),本文將結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和修正的Sheorey模型(Sheorey,1994),分別對(duì)研究區(qū)巖體變形參數(shù)和地應(yīng)力大小進(jìn)行估算和預(yù)測(cè)。

        Sheorey模型將地殼、地幔和地核進(jìn)行分層考慮,來(lái)分析不同深度地殼和地幔的巖體彈性模量、泊松比、巖體熱膨脹系數(shù)以及巖體密度隨地殼深度增加而增加的問(wèn)題,以此為基礎(chǔ)分析地應(yīng)力的狀態(tài)。對(duì)于淺層地殼,Sheorey模型認(rèn)為水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比k隨深度的變化規(guī)律如下:

        k=0.25+7E(Z)(0.001+1/Z)

        (1)

        式中:E(Z)為一定深度處巖石的平均彈性模量。但是Sheorey模型是一個(gè)理論模型,受巖體結(jié)構(gòu)面以及地質(zhì)歷史的影響,理論值和實(shí)測(cè)值存在較大的差別,且式(1)僅適用于138.87~33.73km的地殼深度范圍(Sheorey,1994),因此需要考慮巖體的這些信息,對(duì)該模型進(jìn)行修正。Hoek et al.(2006)對(duì)巖體變形模量的統(tǒng)計(jì)分析得到了巖體變形模量與巖體質(zhì)量關(guān)系如下:

        (2)

        式中:Erm為原位巖體變形模量;D為巖體擾動(dòng)指數(shù),取值范圍0~1,取決于外界因素對(duì)巖體的擾動(dòng)程度,如爆破、巖體開挖、卸荷等;GSI為地質(zhì)體強(qiáng)度指標(biāo)(Hoek et al.,2006)?;谠搸r體變形模量與巖體質(zhì)量關(guān)系,王成虎等(2014)對(duì)Sheorey模型進(jìn)行了修正,修正結(jié)果如下:

        (3)

        式中:Z1、Z2為距地表的深度;Erm1、Erm2為Z1、Z2處巖體的彈性模量;k1、k2為Z1、Z2處水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值。在公式中:Z1、Erm1和k1作為參考,通過(guò)改變Z2的值以及對(duì)該深度的巖體彈性模量估算,可以預(yù)測(cè)不同深度的k2值。

        修正的Sheorey模型可將離散數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,可預(yù)測(cè)不同巖性、不同深度的原地應(yīng)力狀態(tài),同時(shí)其考慮了深度Z和巖體彈性模量Erm兩個(gè)參數(shù),包含了巖性、結(jié)構(gòu)面等信息,能很好地?cái)M合和預(yù)測(cè)工程區(qū)原地應(yīng)力隨深度和位置的變化趨勢(shì)。

        2.2 側(cè)壓力系數(shù)確定

        結(jié)合“中國(guó)大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)”中香格里拉-德欽地區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及謝富仁等(2007)的成果,依據(jù)研究區(qū)的應(yīng)力數(shù)據(jù),通過(guò)公式kH=SH/Sv,kh=Sh/Sv和k=(SH+Sh)/(2Sv)計(jì)算側(cè)壓力系數(shù),并按照Hoek-Brown公式對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,如圖6所示。

        圖6 基于修正的Sheorey模型的k值擬合及數(shù)據(jù)圖

        埋深較淺時(shí),受地形、地貌、風(fēng)化程度的影響,側(cè)壓力系數(shù)較為離散,并且部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)在山脈或山谷的斜坡附近獲取,這些數(shù)據(jù)不能代表區(qū)域應(yīng)力狀態(tài),因此,在擬合時(shí)這些數(shù)據(jù)不予考慮。當(dāng)埋深大于200m時(shí),側(cè)壓力系數(shù)的離散性減小,為得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果,采用500m處的側(cè)壓力系數(shù)擬合值作為基準(zhǔn)對(duì)應(yīng)力量值進(jìn)行預(yù)測(cè),其中500m處的擬合值分別為kH=1.80,kh=1.10和k=1.46。本文結(jié)合研究區(qū)巖性狀況,預(yù)測(cè)不同深度、不同巖性的地應(yīng)力量值。

        2.3 應(yīng)力量值估算

        結(jié)合上述區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征,依據(jù)Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和RocLab軟件并采用修正的Sheorey模型,對(duì)巖體變形參數(shù)進(jìn)行估計(jì)并預(yù)測(cè)主應(yīng)力量值(Hoek et al.,1997;王成虎等,2014)。滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段屬于羌塘-昌都地層區(qū)德欽-維西地層分區(qū),沿線主要分布有灰?guī)r、砂巖、板巖等(宋章等,2019)。依據(jù)應(yīng)力預(yù)測(cè)的理論,考慮灰?guī)r、泥巖、板巖3種巖性對(duì)香格里拉至邦達(dá)段進(jìn)行地應(yīng)力量值預(yù)測(cè)。研究區(qū)的埋深越大,應(yīng)力量值越大,以砂巖為例,預(yù)測(cè)結(jié)果和變化規(guī)律如圖7所示。

        圖7 砂巖地層應(yīng)力量值預(yù)測(cè)結(jié)果

        砂巖地層應(yīng)力量值預(yù)測(cè)結(jié)果顯示(圖7),埋深400m時(shí),水平最大、最小主應(yīng)力范圍為11.61~19.51MPa和7.09~11.92MPa;埋深1000m時(shí),水平最大、最小主應(yīng)力范圍為24.32~35.74MPa和14.86~21.84MPa;埋深2000m時(shí),水平最大、最小主應(yīng)力范圍為47.54~63.54MPa和29.05~38.83MPa。

        灰?guī)r地層埋深1000m時(shí),水平最大、最小主應(yīng)力范圍為24.23~36.43MPa和14.81~22.26MPa;埋深2000m時(shí),水平最大、最小主應(yīng)力范圍為47.29~64.37MPa和28.90~39.34MPa。

        板巖地層埋深1000m時(shí),水平最大、最小主應(yīng)力范圍為25.93~37.30MPa和15.85~22.79MPa;埋深2000m時(shí),水平最大、最小主應(yīng)力范圍為50.77~66.69MPa和31.03~40.76MPa。

        3 應(yīng)力狀態(tài)評(píng)價(jià)與影響分析

        3.1 高地應(yīng)力狀態(tài)評(píng)價(jià)

        滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段處于初期階段,相關(guān)研究以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較少,為初步了解工程概況,需要對(duì)研究區(qū)巖體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行估算,并對(duì)地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行宏觀評(píng)價(jià)。Hoek et al.(1997)提出了巖體整體強(qiáng)度估算公式:

        (4)

        式中:σcm為原位巖體整體強(qiáng)度;mb為經(jīng)驗(yàn)參數(shù);s、a為與巖體特征有關(guān)的常數(shù);σci為巖石單軸抗壓強(qiáng)度。σcm、mb、s、a和σci的具體計(jì)算方法和取值參見Hoek(2002)和周亞?wèn)|等(2019)的介紹與討論。由于研究區(qū)正處建設(shè)初期,相關(guān)研究和數(shù)據(jù)相對(duì)較少,故結(jié)合Hoek的取值建議,并結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)對(duì)σci取參考值,分析研究區(qū)的巖爆風(fēng)險(xiǎn),為研究區(qū)的工程效應(yīng)提供初步參考(Hoek,2002;王成虎等,2009;周航等,2020)。

        利用Hoek-Brown準(zhǔn)則修正的巖體強(qiáng)度應(yīng)力比法可以評(píng)價(jià)地應(yīng)力狀態(tài)(王成虎等,2009),以砂巖地層為例進(jìn)行分析,圖8為應(yīng)力評(píng)價(jià)結(jié)果。

        圖8 砂巖Ⅱ~Ⅴ級(jí)圍巖應(yīng)力評(píng)價(jià)

        當(dāng)σcm/SH小于2時(shí)表現(xiàn)為高地應(yīng)力狀態(tài),由圖8可知,砂巖地層在埋深大于500m處,就可能出現(xiàn)高地應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于灰?guī)r和板巖地層,則在埋深400m處就可能出現(xiàn)高地應(yīng)力狀態(tài)。然而,實(shí)際工程圍巖是否為高應(yīng)力狀態(tài),還需要結(jié)合破壞特征進(jìn)行綜合評(píng)判。

        3.2 線路布設(shè)分析

        研究區(qū)工程地質(zhì)條件差,呈現(xiàn)為地形高差大、地災(zāi)規(guī)模大、構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)等特點(diǎn),鐵路沿線隧道工程眾多,隧道軸線與水平最大主應(yīng)力方向的夾角(α)影響隧道圍巖的穩(wěn)定性(余莉等,2015;蔣鈺峰等,2019),當(dāng)SH>Sh>Sv時(shí),α=0°最有利于隧道圍巖的穩(wěn)定;當(dāng)Sv>SH>Sh時(shí),α=90°最有利于隧道圍巖的穩(wěn)定;當(dāng)SH>Sv>Sh時(shí),最有利的夾角(α)為:

        (5)

        依據(jù)中國(guó)大陸地殼應(yīng)力環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)1970年以來(lái)的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知,香邦鐵路沿線走滑型斷層(SH>Sv>Sh)約占51.82%,正斷層(Sv>SH>Sh)約占22.73%。錢曉東等(2011)通過(guò)對(duì)云南現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究,認(rèn)為滇西北的地震類型以走滑型為主,約占62%。吳富峣等(2019)研究發(fā)現(xiàn)德欽-中甸斷裂奔子欄段具有典型的走滑斷層運(yùn)動(dòng)特征。由此可知,沿線以走滑型斷層為主。依據(jù)式(2)計(jì)算,隧道軸線與最大主應(yīng)力方位的夾角(α)范圍為6.6°~60°,香格里拉-德欽應(yīng)力區(qū)水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹NW向,平均方位角為N20°W,因此隧道軸線方位設(shè)置為N80°W~N40°E有利于圍巖穩(wěn)定;芒康-邦達(dá)應(yīng)力區(qū)水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹EE向,平均方位角為N70°E,因此隧道軸線方位設(shè)置為N10°E~N130°E有利于圍巖穩(wěn)定。在香格里拉-德欽應(yīng)力區(qū)中香格里拉地區(qū)存在有正斷型斷層,應(yīng)力結(jié)構(gòu)為Sv>SH>Sh,隧道軸線與最大主應(yīng)力的夾角α=90°有利于圍巖的穩(wěn)定。

        3.3 硬巖巖爆分析

        滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段沿線表現(xiàn)出高海拔、大高差、大埋深的特點(diǎn),在高地應(yīng)力的作用下,隧道圍巖可能發(fā)生巖爆或圍巖大變形現(xiàn)象。

        巖爆是指在外力擾動(dòng)或隧道工程活動(dòng)下,巖體突然釋放其變形勢(shì)能的過(guò)程,圍巖產(chǎn)生爆裂、彈射等的動(dòng)力現(xiàn)象,這種現(xiàn)象在Ⅱ、Ⅲ級(jí)硬質(zhì)圍巖中尤為明顯。巖體的峰值強(qiáng)度和脆性破壞特征明顯影響巖爆的發(fā)生,巖體的峰值強(qiáng)度越高,儲(chǔ)能越好,就越易發(fā)生巖爆;巖體的脆性越強(qiáng),也越易發(fā)生巖爆(馮夏庭等,2019)。由于滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)鐵路正處于可行性研究階段,工程活動(dòng)尚未進(jìn)行,巖體結(jié)構(gòu)條件、巖體力學(xué)性質(zhì)未能全面準(zhǔn)確獲取。為初步了解研究區(qū)的巖爆特征,采用應(yīng)力強(qiáng)度比的方法來(lái)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)硬質(zhì)巖發(fā)生巖爆的可能性。應(yīng)力強(qiáng)度比有兩種指標(biāo)(表1):地下空間周邊切向最大應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度之比σθmax/σci或最大主應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度之比σ1/σci,發(fā)生巖爆的臨界條件為σθmax/σci=0.4±0.1或者σ1/σci=0.15±0.05(王成虎等,2012;楊汝華等,2019)。如圖9所示為灰?guī)r地層的應(yīng)力強(qiáng)度比隨深度的變化規(guī)律。

        圖9 灰?guī)r地層應(yīng)力強(qiáng)度比隨深度的變化規(guī)律

        表1 巖爆評(píng)價(jià)指標(biāo)

        σθmax=3σ1-σ3灰?guī)r地層埋深小于700m時(shí)無(wú)巖爆,埋深大于700m時(shí),圍巖可能出現(xiàn)中等脆性破壞或巖爆等高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象,當(dāng)埋深大于1200m時(shí),圍巖可能出現(xiàn)較強(qiáng)的脆性破壞或巖爆現(xiàn)象。郭長(zhǎng)寶(2011)在大瑞鐵路高黎貢山越嶺段重大工程地質(zhì)問(wèn)題的研究中發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域深度700m處隧道施工過(guò)程中存在中等巖爆現(xiàn)象,與本文的研究結(jié)果一致。

        3.4 軟巖大變形分析

        在高地應(yīng)力作用下,軟質(zhì)巖的基本特性主要表現(xiàn)為強(qiáng)度低、易風(fēng)化、孔隙比大、滲水性強(qiáng)等特點(diǎn),容易發(fā)生顯著塑性變形(孫洋等,2013),這種現(xiàn)象在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖中尤為明顯。大變形往往持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),形變量相對(duì)較大,嚴(yán)重影響隧道工程的穩(wěn)定性。

        采用Hoek的變形預(yù)測(cè)公式(Hoek,2001;胡元芳等,2011)來(lái)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)軟質(zhì)巖發(fā)生圍巖大變形的可能性,其公式為:

        (6)

        式中:εt為隧道徑向位移;Pi為隧道支護(hù)壓力,無(wú)支護(hù)時(shí)取為0;P0為原巖應(yīng)力,此處取3σ1-σ3(Malan et al.,1998),σ1和σ3分別為最大和最小主應(yīng)力。

        Hoek也給出了巖體擠壓變形的判定范圍,如圖10所示。

        圖10 巖體擠壓變形分級(jí)圖(Hoek,2001)

        依據(jù)Hoek的變形預(yù)測(cè)公式,計(jì)算出砂巖和板巖地層圍巖下的變形量,預(yù)測(cè)結(jié)果見圖11~圖12。

        圖11 砂巖變形預(yù)測(cè)結(jié)果

        圖12 板巖變形預(yù)測(cè)結(jié)果

        砂巖地層埋深小于1400m時(shí),相對(duì)變形量小于1%,支護(hù)問(wèn)題較小,埋深大于1400m時(shí),相對(duì)變形量超過(guò)1%,可能發(fā)生輕微的變形,埋深超過(guò)2400m時(shí),相對(duì)變形量超過(guò)2.5%,可能發(fā)生中等大變形現(xiàn)象。整體上砂巖地層的穩(wěn)定性較好,不易發(fā)生軟巖大變形破壞現(xiàn)象;板巖地層埋深小于800m時(shí),相對(duì)變形量小于1%,支護(hù)問(wèn)題較小,埋深大于800m時(shí)可能發(fā)生輕微變形,埋深大于1400m時(shí),可能發(fā)生中等大變形破壞,埋深大于2200m可能發(fā)生嚴(yán)重的大變形破壞。

        4 結(jié) 論

        本文通過(guò)對(duì)滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段的地質(zhì)構(gòu)造狀況、主應(yīng)力方向分析、主應(yīng)力量值預(yù)測(cè)、高地應(yīng)力分析以及工程效應(yīng)問(wèn)題的研究,得到以下結(jié)論:

        (1)滇藏鐵路香格里拉-德欽應(yīng)力區(qū)的水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹NW向,優(yōu)勢(shì)方位為N0°W~N40°W;芒康-邦達(dá)應(yīng)力區(qū)的水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹EE向,優(yōu)勢(shì)方位為N60°E~N80°E。

        (2)滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段埋深400m處,水平最大、最小主應(yīng)力為11.61~20.14MPa和7.09~12.31MPa,埋深1000m處,水平最大、最小主應(yīng)力為24.23~37.30MPa和14.81~22.79MPa;埋深2000m處,水平最大、最小主應(yīng)力為47.29~66.69MPa和28.90~40.76MPa;埋深2500m處,水平最大、最小主應(yīng)力為58.89~82.19MPa和35.99~50.22MPa。

        (3)香格里拉-德欽應(yīng)力區(qū)隧道軸線方位設(shè)置為N80°W~N40°E有利于圍巖穩(wěn)定;芒康-邦達(dá)應(yīng)力區(qū)隧道軸線方位設(shè)置為N10°E~S50°E有利于圍巖穩(wěn)定;香格里拉正斷型斷層地區(qū)隧道軸線與最大主應(yīng)力的夾角α=90°有利于圍巖的穩(wěn)定。

        (4)鐵路沿線高地應(yīng)力作用顯著,埋深大于400m就可能表現(xiàn)為高地應(yīng)力;結(jié)合圍巖高地應(yīng)力破壞現(xiàn)象預(yù)測(cè)結(jié)果,對(duì)于Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖埋深大于700m以中等巖爆現(xiàn)象為主,埋深大于1200m將可能存在強(qiáng)烈?guī)r爆現(xiàn)象;對(duì)于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖埋深大于1400m以中等大變形為主,埋深大于2200m將可能存在嚴(yán)重大變形現(xiàn)象。

        本文基于構(gòu)造行跡、震源機(jī)制解和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的多元綜合分析法對(duì)研究區(qū)應(yīng)力方向進(jìn)行了分析。然而,目前由于對(duì)滇藏鐵路香格里拉—邦達(dá)段的研究相對(duì)較少,存在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限且區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈可能導(dǎo)致相鄰區(qū)域差異性較大等問(wèn)題,通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果可能存在一定的偏差;修正的Sheorey理論雖然可以開展研究區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)的預(yù)測(cè),但是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量也直接影響預(yù)測(cè)結(jié)果,同時(shí)針對(duì)復(fù)雜多變地層,不同巖性、不同深度巖體彈性模量差異較大,預(yù)測(cè)結(jié)果也會(huì)受到很大影響。針對(duì)滇藏鐵路沿線的工程地質(zhì)問(wèn)題,有必要不斷加大實(shí)測(cè)研究,不斷補(bǔ)充和完善沿線應(yīng)力數(shù)據(jù),同時(shí)理論上還需進(jìn)一步的改進(jìn)優(yōu)化,增強(qiáng)其適用性,更好地為工程施工以及科學(xué)研究領(lǐng)域提供參考。

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