木寨岭隧道越岭区区域地应力特征分析及应用

巨小强

(中铁第一勘察设计院集团有限公司, 陕西西安 710043)

1 工程概况

新建铁路兰渝线木寨岭隧道位于西秦岭中山区,隧道穿越主峰木寨岭为漳河与洮河的分水岭,横跨甘肃省漳县、岷县两县,隧道全长左线为19 020 m,右线为19 080 m,为两座单线隧道,线间距22.5～50 m。

2 隧道区区域地质特征

2.1 地层岩性

隧道区地层岩性复杂,主要为第四系全新统洪积细角砾土、粗角砾土、碎石土，下第三系砾岩，二叠系砂岩、砾岩、板岩及炭质板岩，石炭系下统砂岩、灰岩、板岩，泥盆系上统砂岩、压碎岩、断层角砾等。

2.2 地质构造

隧道位于秦岭—昆仑纬向构造体系,后期被贺兰山字形构造体系改造、复合、归并,并在茶固滩一带又被茶固滩帚状构造体系改造。由于多期次构造复合叠加作用,形成了形态各异、极其复杂褶曲与断层束构造。木寨岭隧道全部处于大草滩复背斜的南翼，断裂主要为美武—新寺区域断裂带F2,发育于上述大草滩复背斜南翼,走向N43°～70°W,断层面以北倾为主,倾角30°～74°,压扭性特征显著,曾发生过向西错动,由多条近平行的断层束组成。可分为两个较大的断裂带,即酒店子—大坪北西向的压扭性逆冲断裂和老幼店—砖头寨—郭家沟的北西向弧形构造,发育有断层角砾、压碎岩,断裂带中有石英脉充填。该段发育的次级断层有f10、f11、f12、f13、f14、f14-1、f14-2、f15、f15-1、f16,这些断裂大多数被第四系残、坡积地层覆盖,但地貌上断层崖或断层垭口较为明显。

2.3 水文地质特征

根据隧道区出露的地层岩性、地质构造特征,并结合含水介质的不同,地下水分为基岩(岩溶)裂隙水和第四系松散堆积层孔隙水两大类。

3 隧道区区域地应力特征分析

3.1 地应力测试与分析

地应力的测试与分析方法有多种,有小到岩石矿物变形的显微构造分析,大到区域性的深大断裂构造研究；测量方法既有定性分析,也有定量评价；既有现场实测,也有数值模拟分析。比较常用的方法主要有：构造分析法、震源机制解、应力解除法、水压致裂法及声发射法等。但各种方法都有其特有的优越性和局限性,理论上和实际使用中都存在需进一步完善的方面。因此,在实际工作中,需要针对区域地质情况进行有机组合,开展综合地应力测试与分析工作,在对各种测试成果资料进行综合分析与评价的基础上,确定区域地应力的大小和方向。本次工作中主要采用水压致裂法进行测试分析。

水压致裂法是20世纪70年代发展起来的一种地应力测量方法,该方法是国际岩石力学学会试验方法委员会颁布的确定岩石应力推荐方法之一,是目前国际上能较好地直接进行深孔应力测量的先进方法。该方法无需知道岩石的力学参数就可获得地层中现今地应力的多种参量,并具有操作简便、可进行连续或重复测试、测量速度快、测值可靠等特点,近年来得到了广泛应用,并取得大量的成果。该方法以弹性力学为基础,利用一对可膨胀的封隔器,在选定的测量深度,封隔钻孔中完整基岩段,然后通过泵入流体对该试验段(常称压裂段)增压,同时利用记录仪、计算机数字采集系统或数字磁带记录仪记录压力随时间的变化,对实测记录曲线进行分析,得到特征压力参数,再根据相应的理论计算公式,就可得到测点处最大和最小水平主应力的量值以及岩石的水压致裂抗拉强度等岩石力学参数。同时,可根据印模器或井下电视获取破裂方位,确定原地应力的方向。

为了定量评价隧道区地应力的大小和方向,在2个钻孔中采用水压致裂法进行了地应力大小及方向测量,共测量了19个测段的地应力大小及9个测段的方向,测量结果见表1、表2。

表1 木寨岭隧道MSZ-1孔水压致裂原地应力测量结果

表2 木寨岭隧道木Z-08孔水压致裂原地应力测量结果

3.2 区域地应力特征分析

工程区MSZ-1、木Z-8孔应力场以水平主应力为主,并有随深度线性增加的趋势。三向主应力关系基本为：SH>SV>Sh,表明该区深部以构造应力作用为主。

根据《工程岩体分级标准》(GB/50218—94)：RC/SH<4为极高应力；

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对所有测点的RC与SH进行了比较,结果列于表3～表5。

表3 木寨岭特长隧道MSZ-1孔应力大小与RC的比较结果

表4 木寨岭特长隧道木Z-08孔应力大小与RC的比较结果

表5 RC/SH数据统计分析

可以看出，应力大小受岩石饱和抗压强度RC的影响,根据实测RC为20～10 0MPa进行分析,当RC=20 MPa时,RC/SH<4的极高地应力占全部测点的100％；当RC=30 MPa时,RC/SH<4的极高地应力占全部测点的60％～100％；当RC=100 MPa时,RC/SH<4的极高地应力占全部测点的50％。显然,尽管某些测段受岩石结构完整性及构造的影响,使得地应力测试结果具有较为明显的变化。统计分析表明,极高和高地应力的情况占全部测段的100％，这一统计结果较为客观地揭示了其地应力状态的总体分布特征。

4 与地应力有关的主要地质问题分析与评价

根据隧道区地应力特征,隧道局部埋深较大段存在高地应力问题,隧道施工中与高地应力有关的主要地质问题是硬质岩的岩爆和软质围岩的大变形。

4.1 岩爆

岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体的存在,且其应力接近岩体强度是岩爆产生的内因，某些附加荷载的触发是其产生的外因。岩爆的发生是一种复杂的非线性动力学现象,其控制和影响因素较多,成因机制复杂。岩体的力学性质、原地应力状态、岩体渗透特性、地下洞室的截面形状以及开挖方式等因素,都在一定程度上构成了某一地区岩爆的形成要素。但归纳起来,主要有两大因素,一是岩石的性质,二是围岩的应力。岩石的性质是岩爆发生的内因,围岩应力是外因,是岩爆发生的必要条件。

切向应力准则首先由挪威学者巴顿提出。根据切向应力准则,将围岩的切向应力(σθ)与岩石的抗压强度(RC)之比作为判断有无岩爆及发生岩爆的等级划分原则。

σθ/RC<0.3：无岩爆活动；

σθ/RC介于0.3～0.5间：轻微岩爆；

σθ/RC介于0.5～0.7间：中等岩爆；

σθ/RC>0.7：强烈岩爆。

根据弹性力学公式,作用在隧道侧帮上的正应力为

可以认为在隧道横截面内作用的两向正应力分别为σn和垂直应力SV。再假设隧道断面形状为圆形,就可以得到对应测段深度的最大切向应力σθ,具体计算结果见表6。

表6 用于岩爆分析的计算参数和计算结果

结合以上所述的岩爆等级划分准则,从表6的计算结果可以看出,在相应的埋深条件下,木寨岭隧道部分段落存在发生中等以上岩爆的可能性。

4.2 软岩变形

对于长大深埋隧道来讲,软岩变形是地应力引起的另一类主要地质问题。木寨岭隧道通过11条断层,断层破碎带主要由断层泥砾和碎裂岩组成,其原岩以板岩夹炭质板岩为主,岩性较差,岩质软弱，岩体破碎,属软岩—极软岩。因此,综合隧道区的地应力特征及岩性特征,断层破碎带在施工中有发生较大变形的可能。

5 结 论

MSZ-1、木Z-08孔地应力测试结果表明,木寨岭隧道越岭区三向主应力的关系为：SH>SV>Sh。据此可以认为,该区具有较为明显的现今水平构造应力作用,水平主应力作用为主。统计分析表明,极高和高地应力的情况占全部测段的100％。

根据钻孔的印模测试结果,木寨岭隧道附近实测最大水平主应力优势方向为N34°～39°E,在建隧道轴线方向为N30°～40°E。因此,最大水平主应力方向对拟建隧道稳定性的影响较小。

根据地应力测试结果对隧道围岩稳定性进行的分析,木寨岭隧道在其开挖过程中,由于岩体中较高的地应力以及岩石的单轴饱和抗压强度较小,存在发生中等以上岩爆的可能性,尤其是隧道通过埋深较大而岩体完整、坚硬的块状岩体洞段时,发生岩爆的可能性更大。

木寨岭隧道通过11条断层,对隧道区的地应力特征及岩性特征综合分析表明,断层破碎带在施工中有发生较大变形的可能。

[1]铁道第一勘察设计院.新建兰渝铁路木寨岭特长隧道地应力测试报告[R].西安：铁道第一勘察设计院，2008

[2]铁道第一勘察设计院.新建兰渝铁路木寨岭特长隧道设计方案[R].西安：铁道第一勘察设计院，2008

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