基于岩爆危险性评价的川藏铁路某深埋硬岩隧道线路方案比选研究

陈仕阔 ，李涵睿 ，周 航,2 ，陈兴强 ，刘 彤

（1.西南交通大学地质工程系，四川 成都 611756；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都610031；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

新建川藏铁路沿线区域动力学环境极其活跃，构造应力场复杂多变，深埋硬岩隧道的典型地质病害突出，成为影响选线、设计、施工的关键问题。岩爆灾害因其突发性、不确定性和破坏力强，至今仍是困扰地下工程勘察设计和安全施工的一个世界性难题[1-3]。因此，进行深埋隧道岩爆危险性评价研究，对川藏铁路的选线设计、施工建设和支护结构设计都具有非常重要的工程实际价值。

目前，现行的铁路选线方法主要有工程选线、环保选线、地形选线、地质选线、减灾选线等[4]，对线路的评价仍以定性分析为主。综合多种影响因素进行考虑，对线路进行定量的客观评价，特别是把控重大风险，突破关键控制难题，依然是艰险复杂山区铁路选线的重要研究方向。罗圆等[5]建立了一种基于大地震风险的川藏铁路线路方案评价模型，通过规避地震风险区进行选线。张永双等[6]以成兰铁路隧道穿越活动断裂为例，提出了活动断裂带工程地质选线思路和对策。杨宗佶等[7]通过研究滑坡灾害的孕灾环境、诱发条件和灾害特征，提出了一种山区铁路规划选线方法。钟卫等[8]根据崩塌落石对铁路工程及运营的影响研究，指出了针对崩塌危险区域的铁路选线方法。林奎[9]综合考虑优选指标体系与模糊层次评判模型，建立了一种适用于冰川泥石流地区铁路选线的评价模型。李雯[10]系统地研究了适用于岩溶区域的铁路选线方法。李国和等[11]根据实测资料详细总结了采空区铁路勘察选线设计的基本流程，并给出了采空区铁路选线安全距离计算方法、相关参数标准及选线途径。大量研究表明，线路区域内的典型地质病害是影响线路优选的主要因素之一，针对性的选线研究是非常必要的[12]。随着川藏铁路等复杂山区铁路工程的规划建设，深埋硬岩隧道数量越来越多，且整体埋深较深，构造活动强烈，地质条件异常复杂，岩爆等典型地质灾害问题也越发突出，在减灾选线设计中进行针对性的研究也越发重要。

众多学者对岩爆的影响因素、判据开展了一系列研究探讨。影响因素方面，徐林生等[13]对多个地下工程资料进行整理研究，发现高地应力条件是岩爆产生的能量来源，岩体结构及其性能、地质构造、水文地质条件等决定了产生岩爆的能量积蓄和释放能力、岩爆方式等。何川等[14]通过对苍岭隧道的岩爆特征与影响因素的相关性分析，认为岩性与应力条件对岩爆的发生起着控制作用。判据方面，张镜剑等[15]将陶振宇判据和谷明成判据结合起来，提出修改后的谷-陶判据。还有一些学者致力于岩爆预测方面，邱道宏等[16]基于超前地质探测和地应力反演数据对江边水电站掌子面前方范围内的岩爆强度进行精细预测。邢军等[17]基于地应力和室内岩石力学试验结果，结合水文地质条件，综合分析该隧道发生岩爆的危险性等级。徐俊帅等[18]研究发现广义Hoek-Brown计算的岩体强度可以综合考虑岩石类型和强度、施工情况、岩体结构特征，提出用岩体强度代替岩石强度进行岩爆预测。这些研究成果都充分认识到了地应力场环境及岩体力学性质对岩爆评价结果的影响，但是受限于隧道工程地质条件的复杂性，目前普遍存在评价指标体系不完善及指标相关性不明确等问题。因此，构建完善的岩爆评价指标体系，确定指标的客观权重，采用多指标的综合预测方法是解决该问题的有效途径之一。

岩爆综合预测是通过构建合适的数学模型或经验评价体系，对地下工程的潜在岩爆风险进行综合预测[19-20]。笔者基于熵权-理想点法和地应力场反演分析构建了一种岩爆预测模型，并在川藏铁路拉林段桑珠岭隧道岩爆预测中得到较好的验证[21]。在此基础上，本文立足于我国西部复杂艰险山区铁路工程隧道建设，将前述岩爆预测模型应用于新建川藏铁路某深埋长大硬岩隧道，从岩爆问题着手进行线路方案比选研究，以期为类似工程地质条件下的深埋长大硬岩隧道选线研究提供解决方案。

1 岩爆危险性评价模型

1.1 岩爆评价指标体系

通过对以往发生岩爆的深埋隧道典型案例资料进行收集和整理，总结发现岩爆的发生主要与地应力状态、围岩性质以及岩体本身力学性质有关[22]。Zhou等[21]通过归纳总结岩爆案例的破坏特征及发生规律，基于熵权法的属性约简研究分析了岩爆的关键影响因素，从11项指标中选取岩石单轴抗压强度与洞壁最大主应力比（σc/σmax）、洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度比（σθ/σc）、岩石强度脆性系数（σc/σt）、岩石弹性能指数（Wet）及岩体完整性系数（Kv）作为岩爆评价指标，并结合熵权-理想点法和地应力场反演构建了岩爆危险性综合评价模型。因此，本文选取上述5项指标构建岩爆评价指标体系，这些评价指标综合反映了具有岩爆倾向的围岩性质、岩石力学性能和高地应力环境，保证了所选评价指标对于岩爆综合评价的有效性以及体系的完备性[13,15,21-22]。为便于后续岩爆评价指标的归一化处理及权重计算，本文对强度应力比法的原始比值范围进行统一处理。在保证安全合理基础上，将强度应力比法中的极强岩爆归入强烈岩爆中，即当σc/σmax＜2时，属于强烈岩爆。岩爆与各评价指标的关系如表1所示[15,20-22]。

表1 岩爆与各评价指标的关系Table 1 Relationship between rock burst and various evaluation indexes

1.2 熵权法计算指标权重

熵权法的基本思路是根据评价指标的熵值计算各指标的权重系数，能够克服专家打分法、平均法等主观性强的缺陷，得到的指标权重更加合理可靠[22]。本文利用其对岩爆评价指标进行客观赋权，其评价指标分为“效益型”和“成本型”两种，经量纲归一化处理后，计算可得岩爆评价指标的权重系数。

1.3 理想点法确定岩爆风险等级

理想点法是多属性决策中常用的一种解决多因素问题的方法，能集中反映总体情况并进行综合评价，其核心是计算评价对象到理想点的距离大小并将其作为判断归属的依据。距离越小，说明评价对象与理想解越接近。本文采用闵可夫斯基距离函数[21]计算评价对象与理想点的距离D：

其中，fi（x）、fi*（+）、fi*u和fi*l依次为第i个指标的评价值、理想值、上限值和下限值。

H为闵可夫斯基距离，当H取1，2和∞时分别代表曼哈顿距离、欧氏距离和切比雪夫距离。根据Zhou等[21]对川藏铁路桑珠岭隧道岩爆评价研究，选择H=2（欧氏距离）在岩爆危险性评价中的精度达到94.1%。在后续隧道线路比选研究中，选择H=2进行岩爆危险性评价。

2 工程概况及线路比选方案

2.1 大高差的地貌特征

川藏铁路某隧道地处藏东南三江流域高山峡谷地区，工程区地貌形态主要受青藏高原地貌隆升的影响，山脉总体走向为东西向，山势雄伟，群峰高耸，地面高程为3 720～4 900 m，是典型的“V”形高山峡谷地貌。

2.2 复杂活跃的地质构造特征

川藏铁路地处印度洋板块与亚欧板块挤压碰撞形成的造山带，属于强烈挤压区[23]。在构造分区图上（图1），研究区主体位于华南板块（Ⅲ） 及滇藏板块（Ⅳ） 内[24]。川藏铁路所经过的川西及藏东南地区处于印度板块北移的压应力场之中，构造活动带表现出多期性，这些构造运动更多地表现在一系列强烈活动的断裂构造带上，区域地质构造异常复杂[25-26]，加之隧道埋深大、围岩强度高，使得高地应力条件下的硬岩岩爆灾害问题尤为突出，对铁路选线设计，尤其是地质选线工作提出了严峻的挑战。

图1 新建川藏铁路沿线构造纲要[24]Fig.1 Geotectonic outline of the new Sichuan-Tibet Railway[24]

2.3 主要的地质灾害风险

川藏铁路某隧道最大埋深超过1 320 m，岩性多为花岗闪长岩和二长花岗岩等硬岩，块状构造，岩质坚硬[27]，隧道典型地质剖面（B线路）如图2所示。结合工程区的地质构造特征及实测地应力数据，该区域的构造应力处于较高水平。经过初步调查，影响该隧道工程选线的主要地质灾害为岩爆，其余类型的地质灾害对本隧道影响相对较小，本文暂不考虑，仅探讨基于岩爆危险性综合评价结果的隧道关键控制段比选方案。

图2 新建川藏铁路某隧道典型地质剖面Fig.2 Typical geological section of a tunnel on the new Sichuan-Tibet Railway

2.4 线路比选方案

本文以新建川藏铁路某隧道作为研究对象，基于对潜在的岩爆危害进行定量评估，开展3条线路方案的比选研究（图3）。线路均位于怒江高山峡谷向伯舒拉岭山区的过渡区域[27]。

图3 线路方案Fig.3 Route scheme

根据图4可知，3条线路的埋深超过1 000 m的段落较少，其中A线路平均埋深超过1 000 m路段占比最大，达到5.8%；B线路占比最小，为5.2%。隧道围岩的结构和力学性质决定了岩爆发生时能量积聚和释放的能力大小，岩爆多发生在I、II、III级围岩中。根据图5，C线路Ⅱ级和Ⅲ级围岩占比最多，为81.3%，A线路较C路线稍少，为74.4%；B线路Ⅱ级和Ⅲ级围岩占比最少，为56.4%。

图4 线路埋深分布Fig.4 Distribution of buried depth

图5 线路围岩级别占比Fig.5 Percentage of surrounding rock grades

3 基于岩爆危险性评价的减灾选线评价

3.1 工程区岩石力学试验

川藏铁路某隧道的岩性以二长花岗岩和花岗闪长岩等硬岩为主，按照国际岩石力学学会 （ISRM）的规定，将岩样加工成标准岩石试件。先通过RSMSY6声波仪测量岩石试件的横波和纵波速度，计算得到岩石试件的动弹性模量和动泊松比。随后，在RMT-150C型电液伺服控制刚性压力机上对二长花岗岩和花岗闪长岩等岩石试件分别开展单轴压缩变形试验和巴西圆盘劈裂试验，测试得到两种岩石试件的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、静弹性模量和静泊松比。图6为岩石全过程应力-应变曲线，川藏铁路某隧道岩石力学基本参数如表2所示。

图6 岩石全过程应力-应变曲线Fig.6 The complete stress-strain curve

表2 岩石物理力学参数一览表Table 2 Physical and mechanical parameters of rocks

3.2 岩爆倾向性评价

岩爆倾向性评价主要考虑岩石的强度和变形，以及岩性方面进行岩爆危险性评价研究。结合前人对岩石的岩爆倾向性指标分析研究[1,16,22]，选择最大储存弹性应变能指标和岩石强度脆性系数对该工程区可能发生岩爆的硬质岩（主要为二长花岗岩和花岗闪长岩）的岩爆倾向性进行定量评价。在岩爆倾向性评价中，岩石力学参数均取其平均值。

岩石硬脆程度可以用强度脆性系数B来表示：

式中：σc—岩石饱和单轴抗压强度/MPa；

σt—岩石单轴抗拉强度/MPa。

最大储存弹性应变能指标可用下式计算：

式中：Es—最大储存弹性应变能指标/（MJ·m-3）;

E—岩石弹性模量/GPa。

根据式（2）和（3），结合表2，计算可得二长花岗岩和花岗闪长岩的强度脆性系数分别为19.74，19.92，最大储存弹性应变能分别为0.22 ，0.31 MJ/m3，并绘制二长花岗岩和花岗闪长岩的岩爆倾向性评价标准及结果分析图，如图7所示。由于二者的强度脆性系数和最大储存弹性应变能均处于同一水平区间且相差不大，可认为两种岩性对岩爆的影响程度无较大的差异。故该隧道两种岩性的岩爆倾向性均在轻微-中等岩爆之间。

图7 岩爆倾向性评价标准及结果分析图Fig.7 Test results and evaluation criteria of rock burst proneness

3.3 地应力测试及初始地应力场反演分析

川藏铁路某隧道采用水压致裂法进行了原位地应力测试，CD-1#钻孔实测地应力数据如表3所示。由实测地应力资料可知，钻孔实测最大埋深622 m，最大水平主应力SH范围为6.25～17.55 MPa，最小水平主应力Sh范围为4.66～16.20 MPa，垂向主应力Sv范围为5.32～13.35 MPa。三向主应力的大小关系在浅部满足：SH＞Sh＞Sv，反映了在地壳浅层有着较强的水平构造应力作用的特点；埋深超过400 m的部分表现为：SH＞Sv＞Sh，说明随着埋深的增大，自重应力影响逐渐增大，但最大水平主应力依然占据主导地位。

表3 实测钻孔地应力数据Table 3 Measured borehole stress data

根据工程地质资料，结合DEM数字高程数据，选取20 000 m×10 000 m的区域作为计算对象，保证3条比选线路均处于模型中央。通过拟合三维地形曲面并建立三维模型并剖分地层后，导入COMSOL Multiphysics中生成计算模型。本次计算采用边界荷载调整法[22]，结合现有实测地应力资料对隧址区初始地应力场进行反演分析，该隧道最大水平主应力云图如图8所示。

图8 工程区最大水平主应力云图Fig.8 Maximum horizontal principal stress of the engineering area

根据地应力实测资料以及初始地应力场反演结果可知，该隧道沿线73%的区域都处于高到极高地应力状态，具备岩爆发生的高地应力条件。从图8（b）可知，隧道轴线上最大水平主应力的量值普遍较高，有90.41%的区段应力值大于20 MPa，反映了该区域较强的水平构造应力作用特征。受篇幅限制，表4仅列出该隧道3条线路12个里程段的应力资料（每段里程100 m）。

表4 线路部分里程的应力资料Table 4 Stress data of route partial mileage

新建川藏铁路某隧道拟采取全断面掘进法开挖，即开挖断面为圆形，洞壁最大切向力σθ计算方式见文献[21]。根据上文所述，确定该隧道各里程段的岩石饱和单轴抗压强度（σc）、最大主应力（σmax），并计算洞壁最大切向力（σθ），该隧道3条比选线路部分里程的岩爆分析资料如表5所示。在本文岩爆危险性综合评价中，岩石饱和单轴抗压强度取其平均值。

表5 线路部分里程的岩爆分析资料Table 5 Rock burst analysis data of route partial mileage

根据图9实测钻孔地应力值与模拟值对比可知，实测值与模拟值整体结果较吻合，最大水平主应力、最小水平主应力和垂向主应力基本上均随埋深的增大而逐渐增大，且三向主应力的平均误差分别为9.9%、11.3%和2.0%。根据初始地应力场反演分析求得钻孔各测点最大水平主应力的平均方位为N48°E，与实测方位N42°—52°E相吻合，与现今构造运动的应力场方向也基本相符。因此，初始地应力场反演分析的结果能够反映该隧道所在区域实际地应力情况，可以作为岩爆危险性综合评价的参考依据。

图9 实测钻孔地应力值与模拟值对比Fig.9 Comparison of the measured borehole value and simulated value

3.4 确定评价指标值

川藏铁路某隧道各个里程段的岩石弹性能指数Wet由室内试验和工程类比法综合确定。根据国标《工程岩体分级标准》（GB 50218—1994）[28]中的岩体BQ值以及隧道围岩基本质量级别、岩块饱和单轴抗压强度、地下水、软弱结构面产状、天然应力等地质勘察资料，反推隧道各里程段的岩体完整性系数Kv。最后，结合表3和表4，得到隧道各评价指标的具体数值，如表6所示。

表6 各评价指标值Table 6 Each evaluation index values

3.5 计算指标权重

根据熵权法的基本理论及计算规则，利用其对岩爆评价指标进行客观赋权，输入该工程区各评价指标的数值，经量纲归一化处理后，计算可得各评价指标的权重系数。由表7可知，σθ/σc对某隧道岩爆的影响较大，其次是Wet，而σc/σmax、Kv和σc/σt对岩爆的影响相对较小。其中，岩爆各评价指标权重的大小与某隧道工程的样本组成和数量有关，样本越多，代表性越强，计算结果越可靠。

表7 各评价指标权重系数Table 7 Entropy weight of each evaluation index

3.6 岩爆危险性评价

根据笔者在前期工作中提出的熵权-理想点法和地应力场反演方法[21]，构建的深埋硬岩隧道岩爆危险性评价模型来综合评估理想点距离与岩爆等级的关系，川藏铁路某隧道3条线路的岩爆危险性评价结果示例如表8所示。根据所选12个里程段的岩爆危险性评价结果可知，B线路的岩爆危害影响相对较小。

表8 岩爆危险性评价结果示例Table 8 Examples of rock burst risk assessment results

3.7 线路综合比选及推荐方案

根据现场实测资料、室内岩石力学试验、初始地应力场反演结果以及工程类比法等，将3条比选方案各个里程段的岩爆评价指标值代入岩爆危险性评价模型中，得到评价结果如图10所示。结果表明，A线路总岩爆段落占比32.5%，B线路总岩爆段落占比24.9%，C线路总岩爆段落占比26.7%，从总岩爆段落占比来看，A线路岩爆发生的可能性最大，B线路岩爆发生的可能性最小。中等和强烈岩爆的防控是设计及施工中的棘手问题，有较强的不可控性，应进行重点研究。A线路中不可控岩爆（中等岩爆和强烈岩爆）段落占比为17.4%，B线路中不可控岩爆段落占比13.4%，C线路中不可控岩爆段落占比17.5%。A线路和C线路中不可控岩爆段落占比相当，分别比B线路高4.0%和4.1%。综合对比可知，B线路可初步作为优选方案。此外，还应加强地质勘察深度、进行更多的实测地应力钻孔测试以及室内岩石力学试验，结合更加精细化表征的地应力反演模型，并借鉴类似工程经验，综合确定岩爆危险性评价所依据的指标及其权重，使评价结果更加准确和可靠。

图10 岩爆危险性评价结果Fig.10 Rock burst risk assessment results

4 结论

（1）根据实测地应力以及初始地应力场反演分析结果可知，川藏铁路某隧道沿线多段具备发生岩爆的高地应力条件。对该工程区可能发生岩爆的二长花岗岩和花岗闪长岩进行岩爆倾向性评价可知，两种岩性的岩爆倾向性均在轻微—中等岩爆之间。

（2）基于熵权-理想点法和地应力场反演的岩爆危险性综合评价模型，对川藏铁路某隧道3条线路的岩爆灾害进行定量评价可知：A线路的岩爆灾害影响程度最高，B线路的岩爆灾害影响程度最低，并且B线路中不可控岩爆（中等岩爆和强烈岩爆）段落占比最小，岩爆灾害影响最小，为最优线路方案。

（3）本文通过定量分析岩爆灾害的影响程度来指导新建川藏铁路深埋硬岩隧道选线，规避岩爆潜在风险的影响，为最终的铁路选线决策提供技术支撑。由于铁路选线是一个复杂的工程地质问题，还需进一步结合其它影响因素综合研究确定。