香钦多隧道地应力分析及软岩变形应对措施

赵呈冉（兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州　730000）



香钦多隧道地应力分析及软岩变形应对措施

赵呈冉
（兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州730000）

摘要根据香钦多隧道地应力测试结果，结合隧址区岩石物理力学特征，对隧道工程围岩稳定性进行了分析。分析结果表明:该工程区构造应力仍占主导地位，地应力以NEE向水平挤压为主，洞身部位的最大水平主应力为10. 55～14. 70 MPa，最小水平主应力为6. 22～8. 93 MPa，垂直主应力为4. 96～5. 91 MPa；由于隧道轴向与最大主应力方向局部夹角较大、地应力较高，隧道局部发生软岩变形的可能性大。建议隧道开挖采用似椭圆形断面，且长轴为水平方向，短轴为竖直方向。

关键词隧道；地应力；软岩变形

1　概况

香钦多隧道为新建铁路兰州至合作线一控制性工程，进口位于甘南州夏河县曲奥乡头道河，出口位于甘南州夏河县麻当乡香钦多村，属青藏高原东北部边缘中山区，地形起伏大，地面高程介于2 320～2 900 m，相对高差约200～600 m。进口山体自然坡度约60°，出口山体自然坡度约45°，洞身段地表起伏，冲沟深切，植被茂密。隧道最大埋深532 m，洞身局部深切冲沟最小埋深39 m。隧道起讫里程DK122 + 735—DK127 + 131，全长4 396 m。隧道洞身纵向为单面坡，平面上除DK122 + 857. 21—DK125 + 212. 23位于半径1 600 m的曲线及DK126 + 703. 15—DK127 + 131段位于半径800 m的曲线上外，其余均位于直线上。隧洞洞身岀露地层主要为第四系全新统坡积、洪积碎石类土，三叠系下统板岩。

2　场区地质构造

隧道区隶属秦岭褶皱系一级大地构造单元，青海南山冒地槽褶皱带二级大地构造单元，在漫长的地质历史时期内经历了多期的构造运动。

本隧道洞身无断裂构造通过，在隧道进口NEE向约8. 5 km处为太阳沟～方半场逆断层，大致产状为N45°W/ 60°S，断层破碎带宽约20～180 m，断于三叠系板岩地层中，属前第四系断层。出口西南方约850 m处为恰琼根～小河逆断层，大致产状为NW /50°～70°S，破碎带宽约300 m，断于二叠系和三叠系地层的交界处，二叠系为下盘，三叠系为上盘，属于Q1～Q2时代断层。

3场区地应力场方向分析

图1　节理和板理玫瑰花图

受区域构造及断裂的影响，隧址区内岩层陡倾，并发育有2组优势剪节理，节理产状分别为N17°W，N28°E。板理的优势走向为N78°W，详见图1。板理为一种压性结构面，与秦岭褶皱带构造运动有联系，且和变质作用有关。可以推测在秦岭褶皱带形成期区内的构造地应力与板理走向垂直，即为N12°E；而通过对节理玫瑰花图（图1（a））的分析，2组剪节理组成的锐角角平分线为最大地应力的方向，即N6°E，与N12°E方向基本一致。据此可以推测场区的古地应力方向基本在N5°～15°E。

通过查阅《世界地应力图》发现，场区现今的地应力方向为NE～NEE。另外，利用震源机制解得到的结论是该场区最大地应力方向不像其他地区那样集中，分布范围较大，主要分布在330°～50°［1］。因此，场区地应力的方向大致可以确定为NE向。

4　地应力测试及评价

4. 1原位测试

本隧道岩层陡倾，节理、板理等结构面发育，受区域构造运动影响明显，且隧道埋深大。距离隧道南部约12 km处一高速公路隧道开挖发生软岩大变形，岩性为板岩，变形原因为隧道通过区存在高地应力，故本隧道通过区存在高地应力的概率极大，为此对隧道采取了水压致裂法现场原位测试地应力，测试孔内共测了7个压裂段，每个压裂段分别测出最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力，测量结果见表1。

经测试隧址区最大地应力优势方向为N70°～72°E，所获得的工程区构造应力场方向与区域构造应力场方向基本吻合，可见实测最大水平地应力与前述定性判定基本一致。

表1　实测地应力

总体看来，在测试深度范围内，3个主应力之间的关系为SH＞Sh＞Sv（SH为最大水平主应力，Sh为最小水平主应力，Sv为垂直主应力），表明该地区在地壳浅部水平应力占主导地位，地应力作用较为明显。

4. 2地应力等级评价

根据铁路相关规范［2］中评价标准（详见表2），结合室内岩石试验报告，对隧址区地应力等级做如下评价。隧道洞身最大主应力值σmax取洞轴线附近实测最大水平主应力SH平均值12. 62 MPa，岩石单轴饱和抗压强度Rc采用室内试验测试结果的平均值12. 03 MPa。经计算，该隧道的评估基准值为0. 95，属极高地应力。

表2　地应力水平评价

5地应力对隧道围岩稳定性的影响

高地应力是岩体地下工程需要重点考虑的影响因素之一，在其作用下隧道围岩发生变形或破坏主要有岩爆和大变形两种形式。其中岩爆发生在硬质岩内，而大变形主要发生在软质岩内。本隧道板岩单轴饱和抗压强度多为10～20 MPa，平均值为12. 03，属软质岩，且隧道埋深大。综合分析岩体强度、结构面发育程度、地下水、地应力等因素，本隧道地下洞室稳定条件一般，初步认为在极高地应力作用下，在节理密集带、褶皱核部及含地下水地段隧洞发生大变形的可能性非常大。

Jethwa等提出了围岩挤压程度指数Nc［3］，计算公式为

式中：σcm为岩体单轴抗压强度；Sv为垂直主应力；γ为岩体重度；H为隧道埋深。

式中：cp为岩石黏聚力；φp为岩石内摩擦角。

根据围岩挤压程度指数Nc进一步细分了围岩变形等级，见表3。

表3　围岩挤压变形程度分级（据Jethwa等）［3］

依据岩石试验结果，cp为5. 5 MPa，φp为35. 7°，由此可得板岩的岩体单轴抗压强度σcm为21. 44 MPa。Jethwa等提出的方法考虑岩体单轴抗压强度和重力因素（或者原地应力因素），并没有考虑地下空间开挖后形成的二次应力场。而Malan等在文献中指出，在考虑可能的最大应力型挤压大变形时，用最大剪应力（3SH- Sv）代替Sv更为合适，因为挤压大变形主要是由于剪切破坏导致的流变而产生的，故采用最大剪应力估算更为合理。将实测的地应力数值带入3SH- Sv得到最大剪应力值为33. 07 MPa，则可以得出围岩挤压程度指数Nc= 21. 44 /33. 07 = 0. 65。按照表3判定，隧道开挖围岩将有可能产生中等挤压变形。

当最大水平主应力大于垂直主应力，隧道轴线方向与最大水平主应力方向平行或夹角较小时，有利于隧道稳定。由于隧道为两段曲线夹一段直线，隧道轴线方向与最大水平主应力夹角在一定范围内。其中进口段夹角为35°～50°，长度约790 m，约占隧道全长的18％，对隧道稳定不利；其余地段夹角为5°～30°，长度约3 600 m，约占隧道全长82％，夹角相对较小，对隧道稳定相对有利。另根据有关资料，在水平应力占主导的情况下，宽高比＜1的隧道稳定性差，而采用似椭圆形（宽高比＞1）隧道稳定性好。从表2可以看出，由于本隧道初始应力场属极高地应力场，板岩为软岩，在极高地应力作用下可能出现不良地质现象。

6　应对措施

1）椭圆形开挖断面压力分布均匀。建议隧道采用似椭圆形断面，并且长轴为水平方向，短轴为竖直方向。

2）选择适当的支护时机。围岩的支护参数设计应留有一定的变形量，允许围岩适度变形，使得围岩应力适量释放。在围岩失稳之前及时进行支护。

3）现场施工时应加强监控量测、地质观察以及地质预报，及时调整支护参数和施工方案，通过动态设计与信息化施工使得支护结构更加安全合理。

7　结论

1）该工程区现今构造应力仍占主导地位，3个主应力之间的关系为SH＞Sh＞Sv；测区现今地应力以NEE向水平挤压为主，洞身最大水平主应力为10. 55 ～14. 70 MPa，最小水平主应力为6. 22～8. 93 MPa；垂直主应力为4. 96～5. 91 MPa。根据高地应力判断标准，初步判断该钻孔附近的地应力极高。

2）实测最大主应力方向为N70°～72°E。

3）由于隧道轴向与最大主应力方向局部夹角较大，同时地应力较高，局部发生软岩变形的可能性大。

参考文献

［1］郭启良，包林海，王成武，等.新建铁路兰州至合作线香钦多隧道地应力测试分析报告［R］.北京：中国地震局地壳应力研究所，2015.

［2］中华人民共和国铁道部. TB 10003—2005铁路隧道设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，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.

（责任审编葛全红）

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

中图分类号U452. 1

文献标识码A

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

文章编号：1003-1995（2016）06-0070-03

收稿日期：2015-05-10；修回日期：2016-04-10

作者简介：赵呈冉（1981—），男，工程师。