叙毕铁路斑竹林隧道地应力特征分析

寇正中，丁浩江，蒲洪波，蒋 全

叙毕铁路斑竹林隧道地应力特征分析

寇正中1，丁浩江2，蒲洪波1，蒋 全1

（1.四川省煤田地质局一三五队，泸州 646000；2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

为分析评价斑竹林隧道地应力相关的工程问题，通过采用构造分析法、水压致裂法，分析和实测了隧区地应力特征；并采用临界深度法、强度应力比法、工程类比法对岩爆、大变形进行分级评价，表明隧区属高应力、极高应力区，岩爆等级为轻微；大变形等级为Ⅰ-Ⅱ级。

隧道；地应力；岩爆；大变形

越岭的长大、深埋隧道通常位于高地应力区，高地应力往往引发硬质岩岩爆、软岩大变形等工程问题。因此分析地应力特征，对隧道结构设计、工程施工方案等均具有重要意义。

叙毕铁路斑竹林隧道位于云南省威信县境内，隧道进口里程D2K222+190、出口里程D2K235+000，隧道全长12 810m，属特长隧道，最小埋深18m，最大埋深600m，为全线的控制性工程[1，2]。

1 地质概况[1，2]

1.1 地形地貌

隧区位于四川盆地南缘往云贵高原的过渡地带，属低、中山侵蚀地貌，海拔约1000～1730m，相对高差150～730m。自然斜坡一般15°～40°，局部陡峻，坡度达60°～80°。

图1 隧区地质构造图

1.2 地层岩性

隧区地层区划属扬子区黔北川南分区筠连镇雄小区。隧区地层岩性复杂，出露地层由新到老依次有：第四系全新统（Q4）粉质粘土及碎、块石土；志留系中下统韩家店群（S1-2）砂岩、页岩，下统石牛栏组(S1)灰岩、页岩，下统龙马溪组（S1）泥质灰岩、砂岩、页岩、炭质页岩；奥陶系中上统（O2+3）灰岩，下统湄潭组（O1）砂岩、页岩夹少量灰岩，下统桐梓组+红花园组（O1）灰岩、白云岩；寒武系上中统娄山关群(∈2-3) 白云岩。

1.3 地质构造

隧区位于云贵高原北部扬子准地台滇东台褶带的东西向构造、北东向构造、雨河反S型构造三大构造体系的复合部位。褶皱、断裂发育，隧道洞身共穿越3条褶皱轴线、7条断层，地质构造复杂，地质构造分布及其与线路的关系见图1、图2。隧区分布的褶皱主要有：高寨坡江西湾背斜、大湾向斜、天堂坝背斜、田坝头背斜。断裂主要有：令子反断层（F1）、威信1#支断层（F2）、威信2#支断层（F3）、威信3#支断层（F4）、威信主断层（F5）、张家边支断层（F6）、张家边主断层（F7）、雨巴寨断层（F8）、落田湾断层（F9）。

2 隧区地应力特征分析

2.1 地应力分析与测试

地应力的分析测试方法较多，在充分研究隧区地质构造特征及综合勘察资料的基础上采用构造分析法、水压致裂法对隧区地应力进行分析。

2.1.1 构造分析法

根据各构造体系产状、变形特征，分析其形成时的应力状态，推测隧区古构造应力场的主应力方向；并根据各构造体系的复合关系，分析各构造期应力叠加状态，推测现今应力场的主应力方向。该方法优点为简单、直观，缺点为只能推测定性的主应力高，不能得到定量的主应力值。

图2 隧道纵断面图

隧区东西向构造体系主要由一系列的近于平行呈东西向的褶皱及压性断裂组成，形成于加里东期。由于地球自转角速度变更，在南北向挤压应力作用下形成[3]。推测其古构造应力场的主应力方向为南北向；但其构造形迹往往被其他构造体系切割破坏，与新华夏系、雨河反S型构造体系呈反接复合关系，推测其形成后受燕山运动影响，现今应力场的主应力方向为北西向。

新华夏系、雨河反S型构造体系主要由一系列呈北东向的褶皱及压性断裂组成，形成于燕山期，由于地球自转速度加快，在南北向挤压应力作用下，受到不同边界条件的影响，产生不平衡的水平运动而形成[3]。推测其初始古构造应力场的主应力方向应为南北向；在不同边界条件的影响下，现今应力场的主应力方向为北西向。

根据隧区构造特征及各期构造运动应力场的特点，综合分析，隧区现今应力场的主应力方向为北西向。

图3 DZ-BZLS深-01孔印模测量结果图

2.1.2 水压致裂法

水压致裂法是基于钻孔测试地壳深部地应力的方法，其基本原理是利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在钻孔预定的测试深度封隔一段完整基岩，然后向封隔段内注入高压流体，致使钻孔孔壁及其周围岩体在压力作用下形成破裂，根据压裂过程的压裂—时间曲线及压裂参数点，按弹性力学理论计算出地应力值；同时根据印模器及井下定向仪测定破裂方位，确定地应力方向。该方法优点是测试精度较高，可测定不同深度的地应力值及应力方向，缺点是仅适用于比较完整的岩体，对井下设备要求较高、对钻探及测试辅助器材的通用性不强、测试成本较高。

为定量评价隧区的地应力大小及方向，在DZ-BZLS深-01钻孔进行了6段水压致裂原地应力值及3段应力方向测量，测量成果见表1、图3、图4[2]。

表1 DZ-BZLS深-01孔地应力测试结果表

注：Pb岩石原位破裂压力；Pr破裂重张压力；Ps瞬时闭合压力；PH试段深度上的水柱压力；P0试段深度上的孔隙压力；T 岩石抗拉强度； SH最大水平主应力；Sh最小水平主应力；Sv用上覆岩层(密度2700kg/m3)重量估算的垂直应力；孔深为515.2m；测试前静水位约为0.0m

2.2 地应力特征分析

2.2.1 地应力方向

根据构造体系特征及各期构造运动应力场的特点分析，隧区现今应力场的主应力方向为北西向。根据钻孔水压致裂地应力测试结果，隧区现今应力场状态以北西向挤压为主，最大水平主应力方向一般为N19°～25°W，平均为N21°W[3]。两种方法得出的主应力方向比较一致。

线路走向为N30°E～N45°E，最大水平主应力方向与隧道轴线的夹角为51°～66°，平均66°，对隧道稳定性不利。

图4 大、小和垂直应力值随孔深分布图

2.2.2 地应力值

根据钻孔水压致裂地应力测试结果，测试深度范围内最大水平主应力值为17.53MPa，最小水平主应力值为11.52MPa[3]。由于进行地应力测试的钻孔数量有限，不能代表不同深度、不同构造部位的地应力值，因此可采用实测成果对隧区不同部位的地应力进行简易推测。

根据图4可以看出，在不考虑岩性、地下水等因素的影响条件下，最大水平主应力与深度呈一定的线性增加，可以大致推测隧区最大水平主应力与深度有如下线性关系：

σHmax≈2.5+0.0359H （式1）

式中：σHmax—最大水平主应力（MPa）；H—深度（m）。

根据地应力分布规律，在褶皱轴部、断层端部、拐角处及交汇处易出现应力集中现象，其最大水平主应力应大于一般地段；断层破碎带内由于岩体破碎，不能承受高的应力、不利于能量积累，其最大水平主应力应低于周围岩体。

表2 隧区初始地应力场评估结果表

注：按《铁路工程地质勘察规范》说明表4.3.2—7评估，因岩石饱和单轴抗压强度变化较大，对评估结果有较大影响。

3 与地应力相关的工程问题分析与评价

根据地质构造、地层岩性、地应力特征，按式1推算隧道最大埋深600m处的最大水平主应力值约为24 MPa，结合地应力实测结果，对隧区初始地应力场进行评估，结果见表2[4]。

根据评估结果，隧区属高应力、极高应力区，与高地应力有关的主要地质问题是硬质岩岩爆、软岩大变形。

3.1 硬质岩岩爆

岩爆的发生主要受到岩石性质、围岩应力、地质构造等因素的影响，采用临界深度法、强度应力比法、工程类比法进行岩爆分级和判别。

3.1.1 临界深度法

在埋深大于500m以上的地区，并且具备围岩岩性硬脆、完整性较好-好、无地下水等四项基本条件，即可能产生岩爆[5]。

隧道最大埋深达600m；深埋地段主要岩性为白云岩、灰岩，属较硬岩-坚硬岩；岩体完整程度以较完整-完整为主；但位于地下水位以下，岩体富水性强，因此产生岩爆的可能性较小。

表3 岩爆分级反推埋深结果表

3.1.2 强度应力比法

由于岩石饱和单轴抗压强度离散性较大，对强度应力比计算有较大影响。为便于简化计算，对抗压强度剔除极值，取平均值Rc=50MPa；根据《铁路隧道设计规范》表12.5.1岩爆分级表，按本文式1，对不同岩爆等级所需的埋深进行反推，根据反推结果按埋深对岩爆进行分级，结果见表3[6]。

以上判别是基于较完整-完整的中硬、坚硬岩体，且无地下水活动的情况，考虑到地质构造对岩体完整性的破坏、地下水对岩爆的弱化作用，建议对分级降低一级，即埋深<280m地段不会产生岩爆，埋深280～600m地段会产生轻微岩爆。

3.1.3 工程类比法

根据成贵线玉京山隧道、高坡隧道施工资料，按工程地质条件与本隧道进行类比，类比条件见表4。

表4 岩爆条件类比表

除最大埋深有一定差异外，其他各项类比条件均比较一致，可以进行类比。施工过程中玉京山隧道无岩爆产生，高坡隧道在埋深大于300m硬质岩段有轻微岩爆产生，根据类比法可以判定斑竹林隧道有产生岩爆的可能性。

综合以上三种方法，判别斑竹林隧道埋深<300m地段不会产生岩爆，埋深300～600m地段会产生轻微岩爆。

3.2 软岩大变形

隧道通过的软岩主要为龙马溪组（S1l）底部的炭质页岩、湄潭组（O1m）页岩、断层破碎带等，其岩石坚硬程度属极软岩～软岩。采用强度应力比法、工程类比法进行软岩大变形分级和判别。

3.2.1 强度应力比法

表5 大变形分级反推埋深结果表

湄潭组主要岩性为砂岩夹页岩，其砂岩属较硬岩-坚硬岩，根据DZ-BZLS深-01钻孔岩样力学试验成果，页岩饱和单轴抗压强度一般3.0～8.6Mpa，属极软岩-软岩；龙马溪组炭质页岩力学性质与湄潭组页岩相似；断层破碎带岩石力学性质低于湄潭组页岩。为便于简化计算，取软质岩饱和单轴抗压强度平均值Rc=4.9MPa；根据《铁路隧道设计规范》表12.5.3大变形分级表，按本文式1，对不同软岩大变形等级所需的埋深进行反推，根据反推结果按埋深对大变形进行分级，结果见表5[6]。

隧区软质岩最大埋深为450m，一般地段软质岩埋深<200m不会产生大变形，埋深200～450m大变形等级为Ⅰ级；断层破碎带围岩多为断层角砾岩、断层泥，围岩强度更低，且地下水活动对大变形不利，建议对断层破碎带大变形分级提高一级，即断层破碎带大变形等级为Ⅱ级。

3.2.2 工程类比法

根据成贵线玉京山隧道、高坡隧道施工资料，按工程地质条件与本隧道进行软岩大变形类比，类比条件见表6。

各项类比条件基本一致，可以进行类比。施工过程中玉京山隧道无大变形产生；高坡隧道埋深<300m地段无大变形，埋深300～450m地段有大变形，变形等级Ⅰ～Ⅱ级，其中Ⅱ级大变形主要分布在埋深400～450m段。根据类比法可以判定斑竹林隧道有产生大变形的可能性。

表6 大变形条件类比表

综合以上两种方法，判别斑竹林隧道一般地段软岩埋深<300m不会产生大变形，埋深300～450m大变形等级为Ⅰ级；断层破碎带大变形等级为Ⅱ级。

4 结论

1）隧区现今应力场状态以北西向挤压为主，最大水平主应力方向平均为N21°W；测试深度范围内最大水平主应力值为17.53MPa，推测最大埋深600m处的最大水平主应力值约为24 MPa；隧区属高应力、极高应力区，与高地应力有关的主要地质问题是硬质岩岩爆、软岩大变形。

2）隧区硬质岩埋深<300m地段不会产生岩爆，埋深300～600m地段会产生轻微岩爆。

3）隧区一般地段软岩埋深<300m不会产生大变形，埋深300～450m地段大变形等级为Ⅰ级；断层破碎带大变形等级为Ⅱ级。

[1]曹正喜、寇正中等. 斑竹林隧道区测报告[R].中铁二院叙毕铁路.2015.

[2]曹正喜、寇正中等. 斑竹林隧道勘察报告[R].中铁二院叙毕铁路.2016.

[3]贵州省地质局.威信幅1:20万区域地质调查报告[R].北京.1979.

[4]TB 10012-2007.铁路工程地质勘察规范[S].北京: 中国铁道出版社,2013.

[5]GB 50487-2008.水利水电工程地质勘察规范[S].北京:中国计划出版社,2009.

[6]TB 10003-2016.铁路隧道设计规范[S].北京: 中国铁道出版社,2017.

[7]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社,2005.

[8]GB 50021-2001.岩土工程勘察规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

Characteristics of Ground Stress in the Banzhulin Tunnel of the Xuyong-Bijie Railway

KOU Zheng-zhong1DING Hao-jiang2PU Hong-bo1JIANG Quan1

(1-No.135 Geological Team, Sichuan Bureau of Coal Geology, Luzhou, Sichuan 646000; 2-China Railway Second Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Chengdu 610031)

This paper analyzes characteristics of ground stress in the Banzhulin Tunnel of the Xuyong-Bijie Railway by means of structural analysis and hydro-fracturing method. The ground stress under condition of bump and large deformation is classified and evaluated by use of critical depth method, strength stress ratio method and engineering analogy. The results indicate high ground stress and highest ground stress in the tunnel, slight bump and large deformation of class I-II.

tunnel; ground stress; bump; large deformation

2018-09-10

寇正中（1982—），男，四川大邑人，工程师，现主要从事水工环地质工作

P642.2

A

1006-0995（2019）03-0447-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.03.020