木寨嶺隧道越嶺區區域地應力特征分析及應用

巨小強

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司, 陜西西安 710043)

1 工程概況

新建鐵路蘭渝線木寨嶺隧道位于西秦嶺中山區,隧道穿越主峰木寨嶺為漳河與洮河的分水嶺,橫跨甘肅省漳縣、岷縣兩縣,隧道全長左線為19 020 m,右線為19 080 m,為兩座單線隧道,線間距22.5～50 m。

2 隧道區區域地質特征

2.1 地層巖性

隧道區地層巖性復雜,主要為第四系全新統洪積細角礫土、粗角礫土、碎石土，下第三系礫巖，二疊系砂巖、礫巖、板巖及炭質板巖，石炭系下統砂巖、灰巖、板巖，泥盆系上統砂巖、壓碎巖、斷層角礫等。

2.2 地質構造

隧道位于秦嶺—昆侖緯向構造體系,后期被賀蘭山字形構造體系改造、復合、歸并,并在茶固灘一帶又被茶固灘帚狀構造體系改造。由于多期次構造復合疊加作用,形成了形態各異、極其復雜褶曲與斷層束構造。木寨嶺隧道全部處于大草灘復背斜的南翼，斷裂主要為美武—新寺區域斷裂帶F2,發育于上述大草灘復背斜南翼,走向N43°～70°W,斷層面以北傾為主,傾角30°～74°,壓扭性特征顯著,曾發生過向西錯動,由多條近平行的斷層束組成。可分為兩個較大的斷裂帶,即酒店子—大坪北西向的壓扭性逆沖斷裂和老幼店—磚頭寨—郭家溝的北西向弧形構造,發育有斷層角礫、壓碎巖,斷裂帶中有石英脈充填。該段發育的次級斷層有f10、f11、f12、f13、f14、f14-1、f14-2、f15、f15-1、f16,這些斷裂大多數被第四系殘、坡積地層覆蓋,但地貌上斷層崖或斷層埡口較為明顯。

2.3 水文地質特征

根據隧道區出露的地層巖性、地質構造特征,并結合含水介質的不同,地下水分為基巖(巖溶)裂隙水和第四系松散堆積層孔隙水兩大類。

3 隧道區區域地應力特征分析

3.1 地應力測試與分析

地應力的測試與分析方法有多種,有小到巖石礦物變形的顯微構造分析,大到區域性的深大斷裂構造研究；測量方法既有定性分析,也有定量評價；既有現場實測,也有數值模擬分析。比較常用的方法主要有：構造分析法、震源機制解、應力解除法、水壓致裂法及聲發射法等。但各種方法都有其特有的優越性和局限性,理論上和實際使用中都存在需進一步完善的方面。因此,在實際工作中,需要針對區域地質情況進行有機組合,開展綜合地應力測試與分析工作,在對各種測試成果資料進行綜合分析與評價的基礎上,確定區域地應力的大小和方向。本次工作中主要采用水壓致裂法進行測試分析。

水壓致裂法是20世紀70年代發展起來的一種地應力測量方法,該方法是國際巖石力學學會試驗方法委員會頒布的確定巖石應力推薦方法之一,是目前國際上能較好地直接進行深孔應力測量的先進方法。該方法無需知道巖石的力學參數就可獲得地層中現今地應力的多種參量,并具有操作簡便、可進行連續或重復測試、測量速度快、測值可靠等特點,近年來得到了廣泛應用,并取得大量的成果。該方法以彈性力學為基礎,利用一對可膨脹的封隔器,在選定的測量深度,封隔鉆孔中完整基巖段,然后通過泵入流體對該試驗段(常稱壓裂段)增壓,同時利用記錄儀、計算機數字采集系統或數字磁帶記錄儀記錄壓力隨時間的變化,對實測記錄曲線進行分析,得到特征壓力參數,再根據相應的理論計算公式,就可得到測點處最大和最小水平主應力的量值以及巖石的水壓致裂抗拉強度等巖石力學參數。同時,可根據印模器或井下電視獲取破裂方位,確定原地應力的方向。

為了定量評價隧道區地應力的大小和方向,在2個鉆孔中采用水壓致裂法進行了地應力大小及方向測量,共測量了19個測段的地應力大小及9個測段的方向,測量結果見表1、表2。

表1 木寨嶺隧道MSZ-1孔水壓致裂原地應力測量結果

表2 木寨嶺隧道木Z-08孔水壓致裂原地應力測量結果

3.2 區域地應力特征分析

工程區MSZ-1、木Z-8孔應力場以水平主應力為主,并有隨深度線性增加的趨勢。三向主應力關系基本為：SH>SV>Sh,表明該區深部以構造應力作用為主。

根據《工程巖體分級標準》(GB/50218—94)：RC/SH<4為極高應力；

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對所有測點的RC與SH進行了比較,結果列于表3～表5。

表3 木寨嶺特長隧道MSZ-1孔應力大小與RC的比較結果

表4 木寨嶺特長隧道木Z-08孔應力大小與RC的比較結果

表5 RC/SH數據統計分析

可以看出，應力大小受巖石飽和抗壓強度RC的影響,根據實測RC為20～10 0MPa進行分析,當RC=20 MPa時,RC/SH<4的極高地應力占全部測點的100％；當RC=30 MPa時,RC/SH<4的極高地應力占全部測點的60％～100％；當RC=100 MPa時,RC/SH<4的極高地應力占全部測點的50％。顯然,盡管某些測段受巖石結構完整性及構造的影響,使得地應力測試結果具有較為明顯的變化。統計分析表明,極高和高地應力的情況占全部測段的100％，這一統計結果較為客觀地揭示了其地應力狀態的總體分布特征。

4 與地應力有關的主要地質問題分析與評價

根據隧道區地應力特征,隧道局部埋深較大段存在高地應力問題,隧道施工中與高地應力有關的主要地質問題是硬質巖的巖爆和軟質圍巖的大變形。

4.1 巖爆

巖爆的產生需要具備兩方面的條件：高儲能體的存在,且其應力接近巖體強度是巖爆產生的內因，某些附加荷載的觸發是其產生的外因。巖爆的發生是一種復雜的非線性動力學現象,其控制和影響因素較多,成因機制復雜。巖體的力學性質、原地應力狀態、巖體滲透特性、地下洞室的截面形狀以及開挖方式等因素,都在一定程度上構成了某一地區巖爆的形成要素。但歸納起來,主要有兩大因素,一是巖石的性質,二是圍巖的應力。巖石的性質是巖爆發生的內因,圍巖應力是外因,是巖爆發生的必要條件。

切向應力準則首先由挪威學者巴頓提出。根據切向應力準則,將圍巖的切向應力(σθ)與巖石的抗壓強度(RC)之比作為判斷有無巖爆及發生巖爆的等級劃分原則。

σθ/RC<0.3：無巖爆活動；

σθ/RC介于0.3～0.5間：輕微巖爆；

σθ/RC介于0.5～0.7間：中等巖爆；

σθ/RC>0.7：強烈巖爆。

根據彈性力學公式,作用在隧道側幫上的正應力為

可以認為在隧道橫截面內作用的兩向正應力分別為σn和垂直應力SV。再假設隧道斷面形狀為圓形,就可以得到對應測段深度的最大切向應力σθ,具體計算結果見表6。

表6 用于巖爆分析的計算參數和計算結果

結合以上所述的巖爆等級劃分準則,從表6的計算結果可以看出,在相應的埋深條件下,木寨嶺隧道部分段落存在發生中等以上巖爆的可能性。

4.2 軟巖變形

對于長大深埋隧道來講,軟巖變形是地應力引起的另一類主要地質問題。木寨嶺隧道通過11條斷層,斷層破碎帶主要由斷層泥礫和碎裂巖組成,其原巖以板巖夾炭質板巖為主,巖性較差,巖質軟弱，巖體破碎,屬軟巖—極軟巖。因此,綜合隧道區的地應力特征及巖性特征,斷層破碎帶在施工中有發生較大變形的可能。

5 結 論

MSZ-1、木Z-08孔地應力測試結果表明,木寨嶺隧道越嶺區三向主應力的關系為：SH>SV>Sh。據此可以認為,該區具有較為明顯的現今水平構造應力作用,水平主應力作用為主。統計分析表明,極高和高地應力的情況占全部測段的100％。

根據鉆孔的印模測試結果,木寨嶺隧道附近實測最大水平主應力優勢方向為N34°～39°E,在建隧道軸線方向為N30°～40°E。因此,最大水平主應力方向對擬建隧道穩定性的影響較小。

根據地應力測試結果對隧道圍巖穩定性進行的分析,木寨嶺隧道在其開挖過程中,由于巖體中較高的地應力以及巖石的單軸飽和抗壓強度較小,存在發生中等以上巖爆的可能性,尤其是隧道通過埋深較大而巖體完整、堅硬的塊狀巖體洞段時,發生巖爆的可能性更大。

木寨嶺隧道通過11條斷層,對隧道區的地應力特征及巖性特征綜合分析表明,斷層破碎帶在施工中有發生較大變形的可能。

[1]鐵道第一勘察設計院.新建蘭渝鐵路木寨嶺特長隧道地應力測試報告[R].西安：鐵道第一勘察設計院，2008

[2]鐵道第一勘察設計院.新建蘭渝鐵路木寨嶺特長隧道設計方案[R].西安：鐵道第一勘察設計院，2008

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