香欽多隧道地應力分析及軟巖變形應對措施

趙呈冉（蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州　730000）

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香欽多隧道地應力分析及軟巖變形應對措施

趙呈冉
（蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州730000）

摘要根據香欽多隧道地應力測試結果，結合隧址區巖石物理力學特征，對隧道工程圍巖穩定性進行了分析。分析結果表明:該工程區構造應力仍占主導地位，地應力以NEE向水平擠壓為主，洞身部位的最大水平主應力為10. 55～14. 70 MPa，最小水平主應力為6. 22～8. 93 MPa，垂直主應力為4. 96～5. 91 MPa；由于隧道軸向與最大主應力方向局部夾角較大、地應力較高，隧道局部發生軟巖變形的可能性大。建議隧道開挖采用似橢圓形斷面，且長軸為水平方向，短軸為豎直方向。

關鍵詞隧道；地應力；軟巖變形

1　概況

香欽多隧道為新建鐵路蘭州至合作線一控制性工程，進口位于甘南州夏河縣曲奧鄉頭道河，出口位于甘南州夏河縣麻當鄉香欽多村，屬青藏高原東北部邊緣中山區，地形起伏大，地面高程介于2 320～2 900 m，相對高差約200～600 m。進口山體自然坡度約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4 396 m。隧道洞身縱向為單面坡，平面上除DK122 + 857. 21—DK125 + 212. 23位于半徑1 600 m的曲線及DK126 + 703. 15—DK127 + 131段位于半徑800 m的曲線上外，其余均位于直線上。隧洞洞身岀露地層主要為第四系全新統坡積、洪積碎石類土，三疊系下統板巖。

2　場區地質構造

隧道區隸屬秦嶺褶皺系一級大地構造單元，青海南山冒地槽褶皺帶二級大地構造單元，在漫長的地質歷史時期內經歷了多期的構造運動。

本隧道洞身無斷裂構造通過，在隧道進口NEE向約8. 5 km處為太陽溝～方半場逆斷層，大致產狀為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，三疊系為上盤，屬于Q1～Q2時代斷層。

3場區地應力場方向分析

圖1　節理和板理玫瑰花圖

受區域構造及斷裂的影響，隧址區內巖層陡傾，并發育有2組優勢剪節理，節理產狀分別為N17°W，N28°E。板理的優勢走向為N78°W，詳見圖1。板理為一種壓性結構面，與秦嶺褶皺帶構造運動有聯系，且和變質作用有關。可以推測在秦嶺褶皺帶形成期區內的構造地應力與板理走向垂直，即為N12°E；而通過對節理玫瑰花圖（圖1（a））的分析，2組剪節理組成的銳角角平分線為最大地應力的方向，即N6°E，與N12°E方向基本一致。據此可以推測場區的古地應力方向基本在N5°～15°E。

通過查閱《世界地應力圖》發現，場區現今的地應力方向為NE～NEE。另外，利用震源機制解得到的結論是該場區最大地應力方向不像其他地區那樣集中，分布范圍較大，主要分布在330°～50°［1］。因此，場區地應力的方向大致可以確定為NE向。

4　地應力測試及評價

4. 1原位測試

本隧道巖層陡傾，節理、板理等結構面發育，受區域構造運動影響明顯，且隧道埋深大。距離隧道南部約12 km處一高速公路隧道開挖發生軟巖大變形，巖性為板巖，變形原因為隧道通過區存在高地應力，故本隧道通過區存在高地應力的概率極大，為此對隧道采取了水壓致裂法現場原位測試地應力，測試孔內共測了7個壓裂段，每個壓裂段分別測出最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力，測量結果見表1。

經測試隧址區最大地應力優勢方向為N70°～72°E，所獲得的工程區構造應力場方向與區域構造應力場方向基本吻合，可見實測最大水平地應力與前述定性判定基本一致。

表1　實測地應力

總體看來，在測試深度范圍內，3個主應力之間的關系為SH＞Sh＞Sv（SH為最大水平主應力，Sh為最小水平主應力，Sv為垂直主應力），表明該地區在地殼淺部水平應力占主導地位，地應力作用較為明顯。

4. 2地應力等級評價

根據鐵路相關規范［2］中評價標準（詳見表2），結合室內巖石試驗報告，對隧址區地應力等級做如下評價。隧道洞身最大主應力值σmax取洞軸線附近實測最大水平主應力SH平均值12. 62 MPa，巖石單軸飽和抗壓強度Rc采用室內試驗測試結果的平均值12. 03 MPa。經計算，該隧道的評估基準值為0. 95，屬極高地應力。

表2　地應力水平評價

5地應力對隧道圍巖穩定性的影響

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

Jethwa等提出了圍巖擠壓程度指數Nc［3］，計算公式為

式中：σcm為巖體單軸抗壓強度；Sv為垂直主應力；γ為巖體重度；H為隧道埋深。

式中：cp為巖石黏聚力；φp為巖石內摩擦角。

根據圍巖擠壓程度指數Nc進一步細分了圍巖變形等級，見表3。

表3　圍巖擠壓變形程度分級（據Jethwa等）［3］

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

當最大水平主應力大于垂直主應力，隧道軸線方向與最大水平主應力方向平行或夾角較小時，有利于隧道穩定。由于隧道為兩段曲線夾一段直線，隧道軸線方向與最大水平主應力夾角在一定范圍內。其中進口段夾角為35°～50°，長度約790 m，約占隧道全長的18％，對隧道穩定不利；其余地段夾角為5°～30°，長度約3 600 m，約占隧道全長82％，夾角相對較小，對隧道穩定相對有利。另根據有關資料，在水平應力占主導的情況下，寬高比＜1的隧道穩定性差，而采用似橢圓形（寬高比＞1）隧道穩定性好。從表2可以看出，由于本隧道初始應力場屬極高地應力場，板巖為軟巖，在極高地應力作用下可能出現不良地質現象。

6　應對措施

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

2）選擇適當的支護時機。圍巖的支護參數設計應留有一定的變形量，允許圍巖適度變形，使得圍巖應力適量釋放。在圍巖失穩之前及時進行支護。

3）現場施工時應加強監控量測、地質觀察以及地質預報，及時調整支護參數和施工方案，通過動態設計與信息化施工使得支護結構更加安全合理。

7　結論

1）該工程區現今構造應力仍占主導地位，3個主應力之間的關系為SH＞Sh＞Sv；測區現今地應力以NEE向水平擠壓為主，洞身最大水平主應力為10. 55 ～14. 70 MPa，最小水平主應力為6. 22～8. 93 MPa；垂直主應力為4. 96～5. 91 MPa。根據高地應力判斷標準，初步判斷該鉆孔附近的地應力極高。

2）實測最大主應力方向為N70°～72°E。

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

參考文獻

［1］郭啟良，包林海，王成武，等.新建鐵路蘭州至合作線香欽多隧道地應力測試分析報告［R］.北京：中國地震局地殼應力研究所，2015.

［2］中華人民共和國鐵道部. TB 10003—2005鐵路隧道設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［3］JETHWA J L，SINGH B，SINGH B. Estimation of Ultimate Rock Pressure for Tunnel Linings Under Squeezing Rock Conditions—A New Approach［C］/ / Design and Performance of Underground Excavations：ISRM Symposium. London：Amer Society of Civil Engineers，1984：231-238.

（責任審編葛全紅）

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

中圖分類號U452. 1

文獻標識碼A

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

文章編號：1003-1995（2016）06-0070-03

收稿日期：2015-05-10；修回日期：2016-04-10

作者簡介：趙呈冉（1981—），男，工程師。