秦岭地应力特征及对隧道选址的影响研究

周子豪 张 哲

(1.西安工业大学建筑工程学院，陕西西安 710021； 2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

1 概述

为实现西部大开发，强化关中平原城市群与长江经济带互联互通，提升西北与西南、东南的通达能力，加快交通走廊建设，促进区域经济社会发展和民生改善[1]，国家实施了西康铁路、宁西铁路、西成高铁、西武高铁(拟建)、西渝高铁(拟建)，以及G5、G65、G40、G70高速公路等一系列重大基础工程。秦岭地区岩性、构造复杂，高地应力产生的岩爆病害对隧道选址和建设有较大影响[2]。

岩爆是深埋地下工程常见的动力破坏现象，其破坏性巨大，往往造成隧道工程结构、设备损坏及人员伤害等[3]。为此需对深埋隧道进行地应力实测工作。但以往研究多针对单个隧道，样本较少，系统性总结不足。以下对秦岭地区地应力实测资料进行系统研究，揭示秦岭地区地应力场的分布规律，对类似工程岩爆预测预警、隧道选址、施工等具有指导意义。

2 秦岭地质环境

秦岭是横贯我国中部的东西向山脉，平均高程1 500 m以上，山脉主脊偏北，北坡短急，地形陡峭；南坡较缓，地形地质复杂，深大断裂发育。在地质构造上，秦岭是我国中央造山带的组成部分，是典型的复合型大陆造山带，属古老褶皱断层山地，是一个掀升的地块。秦岭地区大地构造单元为华北与扬子古陆两大陆台结合部的北秦岭褶皱断裂带的中段，经历了多期构造运动以及长期的发展演化过程，其内部组成、构造变形及岩系非常复杂。本次研究区域西起西成高铁，东至西武高铁，约110 km范围，且以秦岭主脊(宽度约30 km)为研究重点。区域内新构造运动强烈，断层及褶皱发育，应力场以现代构造应力场为主，且以水平应力为主，具备较高地应力的地质环境，是导致岩爆发生的主要原因[4]。

3 地应力测试

采用水压致裂法实测应力是获得岩体应力场最直接的途径。山岭隧道一般地处偏远，地形复杂，现场地应力测试极为不便[5]。为获取初始地应力场，往往只进行少量的地应力测试，之后以实测数据为基础，并依据某种数学模型构造初始地应力场，得到区域地应力场的分布情况。本次研究中，为更好地满足工程设计和施工需要，根据实测应力资料、地质构造条件建立有限元数值模型，并利用多元回归方程等方法进行初始地应力场的反演计算，以获得更为精确的应力场形态和特征，为隧道围岩稳定性分析和科学决策提供依据[6]。

4 秦岭浅层地应力特征

受地形地貌、板块运动、地质构造和岩性等影响，秦岭浅层岩体地应力场分布规律复杂，区域地应力场呈相对稳定的非稳定场特征，即一定区域内地应力分布规律大体一致。因此，建立地应力测试(钻孔)数据库，利用统计方法来研究区域地应力场分布特性可行。

收集了秦岭终南山公路隧道、引汉济渭、西成高铁、西渝高铁、西武高铁等越岭隧道(洞)等项目具有代表性的33孔地应力测试钻孔资料，筛选出110组数据，并据此分析秦岭区域性地应力特征。

4.1 垂直应力特征

垂直应力σv主要来源于岩体自重，垂直地应力总体上等于上覆岩体自重，且多为压应力。

对垂直地应力σv实测数据的线性回归分析显示：垂直地应力σv随埋深增加而增大，呈近似线性关系，但局部受构造、岩体各向异性等影响，个别实测σv略大于岩体自重。

秦岭地区地层岩性复杂，主要为变质岩和岩浆岩。已探明的岩石有花岗岩、闪长岩、板岩、片麻岩、页岩、大理岩等，其容重一般为25～30 kN/m3，区域浅层(埋深小于3 000 m)垂直应力σv=0.027 1H。

4.2 水平应力特征

(1)水平主应力与随埋的关系

秦岭地区最大、最小水平主应力随埋深分布见图1、图2，从图1、图2可以看出，在700 m深度范围内，水平主应力整体上随埋深增加而增大，水平主应力与埋深呈线性关系，最大水平主应力与埋深的线性方程为

图1 秦岭地区最大水平主应力随埋深分布

图2 秦岭地区最小水平主应力随埋深分布

最小水平主应力与埋深的线性方程为

σh=0.026 1H+1.57

(2)

秦岭地区地质构造强烈，实测结果显示σH/σh≥2，这反映了最大水平主应力σH与最小水平主应力σh梯度差明显，岩体表现出较强的方向性和各向异性[8]。目前，秦岭地区已建的西成高铁、引汉济渭秦岭隧洞工程等遇到的隧道变形大[9]、岩爆强烈等问题，验证了秦岭地区水平主应力大的特征。

(2)最大、最小水平主应力比与埋深的关系

分析σH/σh比值随埋深的变化规律，对研究秦岭浅层水平构造应力的作用机理具有重要的意义。图1、图2反映出秦岭浅层水平地应力具有一定的量值，且σH、σh差别较大，图3反映了σH/σh比值随埋深的变化规律。为进一步分析σH、σh的作用形态，对测试散点进行线性回归，分析结果为

(3)

图3 最大、最小水平主应力比随埋深分布

式(3)表明，σH/σh随埋深增大呈减小的趋势，这说明受岩石泊松效应增大等影响，在一定埋深范围内，σH、σh绝对应力差值还会进一步增大，但相对差会越来越小。

(3)侧压系数随埋深分布规律

侧压系数k是反映地应力状态的参数，反映了岩体某点的应力状态及应力场的变化规律，是工程设计和稳定性评价的主要参数之一。

秦岭地区侧压力系数随埋深的分布如图4所示，从图4可以看出：k值多分布在1.5～3.0范围内，随着埋深增大，k值逐渐减小，其表达式为

k=132/H+1.31

(4)

图4 侧压系数k随埋深分布

4.3 秦岭最大水平主应力方向特征

采用电子定向印模器确定秦岭最大水平主应力方向特征，即根据裂缝破裂面方向获得最大水平主应力方向。

采用以上方法对秦岭地区33个钻孔应力方向进行实测，其结果如图5所示，秦岭浅层岩体最大水平主应力方向基本为偏北向，且最大水平主应力方向主要为NW向，尤其是200 m深度以下。

图5 最大主应力方向特征

秦岭最大水平主应力方向与该地区地质构造密切相关。研究区域属秦岭造山带的中段，位于商丹断裂以南，山阳—凤镇断裂以北，区域构造决定了最大水平主应力方向。

5 对隧道选址的影响

秦岭越岭隧道具有长度大、埋深大等特征，高地应力引起的岩爆病害是秦岭越岭隧道常见的地质灾害，是设计施工的一大难题。

秦岭太兴山隧道CK23+660～CK42+535段，全长18 875 m，地处北秦岭中高山区，为穿越秦岭岭脊而设，相对高差1 300～1 600 m，最大埋深约1 400 m。

该隧道洞身地层岩性主要有混合花岗岩、片岩、片岩夹大理岩等，以硬质岩为主。地质构造上，隧址区域属北秦岭加里东褶皱带，受多次构造活动影响，其内部组成与构造变形十分复杂。隧道通过三条区域性断裂大瓢沟—西翠华断裂(F3)、大钱池—板庙子断裂(F4)及耍钱厂—莫西坪断裂(F5、F5-1)，及13条规模较小的断层，且秦岭北坡为复背斜形态，构造应力复杂(见图6)。

图6 北秦岭高中山区地质构造

在越岭隧道选址工作中，应充分利用秦岭浅层地应力特征分析成果，并结合该越岭隧道工程地质调绘及钻探、物探、试验等勘察成果，查明隧道的地层岩性、地质构造及地应力分布等情况，为隧道选址提供科学依据。主要分析结果如下：

①隧道通过三条区域性断裂(F3、F4、F5、F5-1)及13条规模较小的断层，且秦岭北坡为复背斜形态，隧道洞身位于断裂、褶皱构造发育地带，地应力形成主要原因来自构造应力。

②该隧道最大埋深约1 400 m，大部分段落位于混合片麻岩、混合岩、混合花岗岩等硬质岩体中，有发生岩爆的可能性。

③最大水平主应力方向为NW，与区域内地形及主要构造相符，最大水平主应力方向对秦岭主隧道轴线起一定的控制作用，隧道轴线宜按近NS布置。

④对该隧道可能发生的岩爆问题，应开展施工地质超前预报与监测工作，采取有效的防护措施，确保隧道施工及运营安全。

为进一步落实该隧道地应力分布对隧道选址的影响，在项目初步设计前进行了地质加深勘察[10]工作，通过地应力钻孔(QCSZ-3-1)进行地应力测试验证(孔深范围188.76～393.79 m)。测试报告表明：

①隧址区域构造应力占主导地位，且σH>σh>σv，测区主应力场以北东—南西向挤压为主，最大水平主应力σH=13.3～24.3 MPa，最小水平主应力σh=6.4～12.2 MPa。按照《工程岩体分级标准》(GB50218—2014)进行地应力水平评价，根据不同埋深处的岩性、岩石饱和抗压强度平均值Rc与隧道垂直方向水平应力σ横之比判断岩爆发生的可能性。该孔岩性为混合花岗岩，Rc=29.1～26.7 MPa，Rc/σ横<4，说明该隧道的岩爆等级以中等—轻微为主，局部可能发生强烈岩爆。秦岭大兴山隧道地应力实测成果[11]见表1。

表1 秦岭大兴山隧道地应力测试成果

②地应力以构造应力为主，最大水平主应力与垂直应力的平均比值为σH/σh=1.9，符合秦岭地区σH/σh=210/H+1.4的规律。

③实测的最大水平主应力方向平均值为N34°W，符合秦岭构造运动应力场的方向特征。

秦岭地区深埋隧道具备产生岩爆的可能。为确保深埋隧道的安全，依据秦岭地应力分布特征及已建(在建)工程经验，提出秦岭地区隧道选址原则：

①岩体初始地应力场是研究地下隧道围岩稳定状况和隧道选址的重要依据，隧道轴线(平面)方向应尽可能与最大水平主应力σH方向趋于一致，若难于避免时，隧道轴线尽量与水平主应力以小角度相交，夹角越小越有利于隧道稳定；②隧道埋深宜浅不宜深，应据此合理地进行隧道纵断面设计；③选择适当的断面形状，使断面形状与构造应力状态相适应，最好采用宽度大于高度的矩形、拱形及椭圆形断面形式，并采用塑性支护构件等。

6 结论

以秦岭实测地应力钻孔数据为基础，通过对秦岭最大、最小主应力，主应力比，侧压系数及最大水平主应力方向特征的分析研究，揭示了秦岭浅层地应力分布特征，并以西渝高铁太兴山秦岭隧道选址为例进行论证，提出了隧道选址的指导意见。

(1)秦岭新构造运动强烈，应力场以现代构造应力场为主，赋存高地应力的地质环境，具备岩爆发生的条件。

(2)秦岭地区地应力特征研表现为：水平主应力上随埋深增大而增加，与埋深有较好的线性关系，最大水平主应力σH=0.048 9H+3.68，最小水平主应力σh=0.026 1H+1.57；最大、最小水平主应力比σH/σh随埋深增大呈衰减趋势，σH/σh=210/H+1.4；侧压系数k值主要分布在1.5～2.5间，随着埋深增大，k值逐渐减小；最大水平主应力方向主要为NW向。

(3)隧道选址原则为：隧道轴线(平面)方向尽可能与最大水平主应力σH方向趋于一致；隧道埋深宜浅不宜深；合理进行隧道纵断面设计；隧道断面形状与构造应力状态相适应。