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。