基于岩爆烈度预测的川藏铁路线路比选研究

马俊杰，李天斌，曾 鹏，王 栋，吴君艳，王剑锋，陈 伟

(1.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059； 2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059； 3.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

1 概述

传统的铁路选线在一定程度上受限于设计人员的经验和技术水平，易受设计者的主观因素影响，不能准确分析评价各类不确定性因素的影响。近年来随着高原复杂山区铁路工程的规划建设，地质选线在铁路选线中发挥越来越重要的作用。季备分析了西宁至成都的拉脊山越岭段铁路的主要工程地质问题，并提出了该越岭段的地质选线原则，同时选出了最优路线，但地质选线通常是对区域的工程地质问题进行大概的分析总结，并没有针对某个具体里程段的工程地质问题进行分析，此法仅适用于线路走向差别较大且穿越区域工程地质条件差异较大的线路方案比选[1]。而对于线路走向差别很小且穿越区域工程地质条件差异较小的线路比选方案，则需要对区域内的地质灾害量化，以更准确地反映比选线路之间的地质差异。杨宗佶等提出了针对滑坡发育区域的铁路规划选线方法[2]；周安荔提出了针对崩塌落石区域和高海拔地热区域的铁路选线方法[3-4]；王延涛提出了针对岩溶及塌陷发育区域的铁路选线方法[5]。李永金分析了通灌铁路沿线岩堆的发育分布规律，提出了铁路穿越岩堆发育区域的选线策略[6]。邓睿等综合分析了玉磨铁路沿线采空区的分布情况、特点及其对线路的影响，提出了绕避采空区的建议[7]。张太红分析了新疆维吾尔自治区境内的四大风区分布情况和特点，提出了兰新铁路第二双线穿越大风区的选线设计建议[8]。贾涛通过分析成兰线松潘段的泥石流发育分布特征，构建了铁路泥石流风险评估体系[9]。姚志勇分析中尼铁路选线的高地温分布情况，提出了铁路通过高地温区域的选线原则[10]。孙先锋研究了中尼铁路沿线断裂构造的分布发育情况，提出了铁路通过活动断裂分布区域的选线建议[11]。

岩爆是开挖地下工程过程中，硬脆性围岩在高地应力环境下因开挖卸荷导致洞壁应力分异，岩体中储存的弹性应变能突然释放，而发生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害[12]。马天辉等通过分析锦屏二级水电站岩爆高发洞段的微震监测结果，揭示岩爆的时间、空间、强度等分布的规律性，结合3S原理，提出4个岩爆判据[13]；陈卫忠等基于工程强度应力比思想，提出适用于施工阶段的岩爆预测指标PRB，并提出岩爆分级界限值[14]；过江等基于云理论和岩爆预测标准构建了岩爆多维云模型综合评判法[15]；目前的岩爆预测研究大多集中在隧道施工阶段，根据现场开挖揭露的地质信息对岩爆进行预测，并采取针对性的措施进行岩爆防治。

拟建川藏铁路某段隧道占比高、埋深大，沿线多发育花岗岩、大理岩和片麻岩等硬岩，新构造运动发育，地应力高，具备岩爆灾害发育的必要条件。如何在工程前期选线阶段基于有限地质资料进行岩爆预测并指导铁路选线是一个亟待解决的问题。

本文在前人研究的基础上，立足于我国西部铁路建设，在铁路前期选线阶段建立隧道岩爆灾害预测模型，以期在线路比选时能尽可能减少潜在岩爆灾害，从而大大降低施工期的风险，为铁路前期选线提供参考。

2 岩爆影响因素分析

通过对前人研究成果及典型隧道岩爆案例统计分析，包括对秦岭铁路隧道、锦屏引水隧洞、福堂坝公路隧道、新老二郎山隧道等地下工程的岩爆灾害案例的详细统计，总结得到引起隧道岩爆的主要因素为地质因素、设计因素、施工因素三大类，其中地质因素主要包括岩石强度、围岩完整性、岩石脆性特征、地下水情况、地应力大小和地质构造等；设计因素主要包括断面尺寸、开挖工法和支护措施等；施工因素主要包括支护时机、支护质量和爆破等。部分隧道岩爆案例见表1。

新建川藏铁路某段沿线主要以隧道穿越山岭，辅以桥梁通过沟谷地带，沿线隧道整体埋深较大，且部分区域处于板块结合区域，构造运动较为强烈，新构造运动较为活跃，岩体初始应力值可能较高，在硬岩隧道中，地下水不发育的区域发生岩爆的可能性较高。

而针对于本文的研究对象处于前期选线阶段的实际情况，仅考虑地质因素对岩爆的影响。同时考虑到选线阶段岩爆烈度预测计算数据的易获取性，在与行业专家讨论后，选用岩石强度、地应力、地质构造、围岩级别4个指标对各线路比选方案进行岩爆烈度预测分析。

2.1 岩石强度

岩爆一般发生在风化程度低、完整性好、岩质坚硬、少有裂隙存在及脆性指数高的岩体中。通常岩石的抗压强度越大，其岩质越坚硬，储存的弹性应变能也可能越大[23]。统计部分国内地下工程的岩爆发生频率与岩石强度的关系，如图1所示。

表1 典型隧道岩爆案例

注：Rb为岩石单轴抗压强度。

图1 岩石强度与岩爆发生频率

统计结果显示，绝大部分岩爆(85.60%)发生在坚硬岩石当中，少部分发生在较坚硬岩石中(14.32%)，较软岩和软岩中发生岩爆的概率极小。新建川藏铁路某段沿线多穿越花岗岩、片麻岩等硬岩分布区域，若隧道处于埋深较大且地下水不发育区域，其围岩条件通常较好，该区域的岩石抗压强度也较大，结合图1 的统计结果可知，岩石强度对岩爆的发生具有重要的影响。

2.2 地应力状况

地应力是地下工程赋存环境中最重要的因素之一，岩体初始地应力受构造环境和地形、地质条件等的影响[24]。通常在高地应力环境下，硬脆岩的弹性应变能较大，其岩爆几率较大。本文收集了部分国内地下工程的岩爆发生频率与地应力的关系，如图2所示。

图2 地应力大小与岩爆发生频率

统计结果显示，绝大部分岩爆(89.64%)发生在地应力20 MPa以上，少部分发生在20 MPa以下(10.36%)。高地应力条件下，硬脆岩发生岩爆概率极大。新建川藏铁路某段沿线隧道整体埋深水平较大，根据杨树新等提出的青藏地块的地应力修正公式σ=0.0292×h+5.185(σ为地应力，h为埋深)[25]，可估算出沿线隧道的地应力值较高。结合图2的统计结果可知，在高地应力条件下，硬脆性围岩更易发生岩爆，因此地应力也是影响岩爆的一个重要因素。

2.3 地质构造

地质构造对岩爆的影响主要为是否处于应力集中区域、岩体结构完整性的影响。通常在褶皱核部及其临近区域，由地壳运动形成褶皱过程中，存储了大量的构造应力，此条件下发生岩爆可能性较大。而在断层区域，岩石破碎，其弹性应变能较小，一般不容易发生岩爆[26]。本文收集部分国内地下工程的岩爆发生频率与地应力的关系，如图3所示。

图3 地质构造与岩爆发生频率

统计结果显示，绝大部分岩爆(58.31%)发生在地质构造不发育的地方，21.44%发生在褶皱核部区域，15.19%发生在断层附近，褶皱两翼和断层破碎带发生岩爆概率较小。在应力集中区和岩体结构较为完整的区域，硬脆岩发生概率较高，而在岩体较为破碎的区域发生岩爆概率则较小。新建川藏铁路某段沿线地质构造错综复杂，新构造运动活跃，断层、褶皱发育，特别是色季拉山至林芝县城一带处于板块俯冲带，该段隧道可能较多处于应力集中区，结合图3的统计结果可知，地质构造对岩爆的影响也不可忽视。

2.4 围岩级别

隧道开挖改变了岩体存在的空间环境，扰动了围岩初始应力状态，破坏了围岩平衡状态，使围岩应力重新分布，局部发生应力集中现象[27]。隧道开挖面的围岩级别也可以作为岩爆的表征。这个指标在选线阶段主要根据地质勘察资料获取。本文收集了部分国内地下工程的岩爆发生频率与围岩级别的关系，如图4所示。

图4 围岩级别与岩爆发生频率

统计结果显示，绝大部分岩爆(78.40%)发生于Ⅰ级围岩和Ⅱ级围岩，少部分(20.02%)发生在Ⅲ级围岩中，极少数(1.58%)发生在Ⅳ级围岩中，而Ⅴ级围岩没有统计到发生岩爆的案例。说明围岩较好的情况下，发生岩爆的概率更大。新建川藏铁路某段沿线隧道围岩级别主要分布于Ⅲ级和Ⅳ级，而Ⅱ级围岩的分布也不在少数，结合图4统计结果可知，研究段沿线Ⅱ级和Ⅲ级围岩分布的隧道段岩爆发生的可能性较大。

2.5 岩爆灾害烈度预测指标

通过对大量岩爆案例的统计分析发现，硬脆岩在高地应力区域、应力集中区、岩体完整性好及围岩条件好的情况下更容易发生岩爆。因此本文选取岩石强度、地应力、地质构造及围岩级别这4个具有代表性的指标在铁路选线阶段预测岩爆灾害是可行的。

3 岩爆灾害烈度预测模型

3.1 AHP-专家打分概述

通过对各类典型隧道岩爆烈度影响因素的分析，将影响隧道岩爆的因素总结为四大类：岩性因素、应力因素、构造因素和岩体结构因素。分别包括岩石强度、地应力大小、地质构造和围岩级别。可知以上指标中既有定量指标也有定性指标，而采用AHP法则可以构建同时考虑定量和定性指标的模型。由此可通过AHP法求得各指标对于目标的权值，再结合专家打分法则可构建岩爆烈度预测打分体系，通过对已有岩爆资料打分并统计，可得各岩爆烈度和各指标打分总值的关系，由此构建出岩爆烈度预测模型。

3.2 岩爆烈度预测指标层次结构构建

根据选定的岩石强度、地应力、地质构造和围岩级别4个指标，建立基于川藏铁路前期选线阶段的高地应力隧道岩爆烈度预测指标层次结构的目标层(A)、准则层(B)和子准则层(C)，如图5所示。

图5 岩爆预测指标体系

3.3 AHP法确定指标权重

(1)标度划分

采用Saaty提出的9标度法，可定量化处理定性问题。通过对指标之间的重要性划分标度，以此构建目标层和准则层之间的判断矩阵。各标度含义见表2[28]。

(2)构造判断矩阵并确定权重

经一致性检验合格后，由于准则层各准则都只对应一个方案，所以得表5 B-C矩阵。最终可得权重占比：岩石强度占38%、地应力大小占30%、地质构造占13%、围岩级别占19%。对岩爆影响较大的是岩性因素和地应力因素。

表2 标度划分表

表3 A-B判断矩阵

表4 平均随机一致性指标

表5 B-C矩阵

3.4 专家打分法确定评分细则

在计算各因素的权重后，为了得到岩爆烈度评价结果，采用专家打分法对各因素的情况进行打分。其中各指标最大分值为权重乘以100所得值，各指标的分值范围为综合几位专家的意见得出，具体分值等级见表6。

3.5 岩爆烈度分值范围确定

隧道岩爆烈度预测分值计算公式如下

Q1=C1+C2+C3+C4

(1)

式中Q1——岩爆烈度预测总分值；

C1——岩石强度打分；

C2——为地应力状况打分；

C3——地质构造打分；

C4——围岩级别打分。

表6 铁路选线阶段岩爆烈度预测打分体系

对二郎山隧道右线K76+310～K74+880段，左线ZK76+333～ZK74+918段；秦岭隧道Ⅱ线进口DYK64+505～DYK73+090；福堂隧道A6标左线ZK19+270～ZK21+215，右线K19+140～K20+970对计算分值Q1与岩爆烈度关系进行统计(图6)。

通过统计结果分析得到隧道岩爆烈度评分范围，见表7。

表7 岩爆烈度分值范围

表6和表7共同组成应用于川藏铁路前期选线阶段的岩爆烈度预测模型。技术人员根据表6的打分体系对各预测段的指标进行打分，然后对各指标的打分求和，将总分值和表7的分值范围进行比较，则可得到岩爆烈度预测结果。

4 基于岩爆烈度预测的川藏铁路线路比选

4.1 线路备选方案

以川藏铁路某段3条比选线路为研究对象。3条比选线路沿线岩性分布主要是花岗岩为主的侵入岩和以板岩、砂岩、千枚岩为主的沉积岩、变质岩；3条比选线路均穿越不良地质区域，其主要不良地质类型为断层破碎带、挤压带及褶皱；3条比选线路的隧道围岩级别主要为Ⅲ级围岩和Ⅳ级围岩，Ⅱ级围岩和Ⅴ级围岩较少，隧道总体围岩情况较差；3条比选方案的埋深分布如图7所示。

图6 计算分值Q1与岩爆烈度关系

图7 隧道平均埋深分布

其中K方案多为长隧道，包括长约54.868 km的易贡隧道、23.205 km的拉月隧道、15.666 km的东久隧道和33.469 km的色季拉山隧道，隧道平均埋深主要分布于0～1 500 m，其中500～1 500 m平均埋深占比最大(62.97%)；A方案线路也以隧道穿越为主，其中多为中短隧道，少有长隧道、超长隧道，隧道平均埋深主要分布于0～1 000 m(84.30%)；C方案线路多为桥隧穿越，其中隧道多为短隧道，隧道平均埋深主要分布于0～1 000 m(88.69%)。总体而言，K方案隧道平均埋深水平远高于A方案和C方案。

4.2 岩爆烈度预测示例

由于新建川藏铁路某段的3条比选方案线路均较长，故仅在比选方案选取6个里程段(每段100 m)进行预测示范，预测示例的指标数据见表8，对各指标打分得出岩爆烈度结果见表9。表8和表9中的前3行数据属于K方案，后3行属于A方案。

由表8和表9可以看出，上述的岩爆烈度预测模型使用简单，结果明了，适用性较强。

4.3 岩爆烈度预测结果分析

将整理好的3条比选线路的岩爆烈度预测指标数据代入本文评估模型中，统计计算结果如图8所示。

表8 岩爆烈度预测示例基础数据

表9 指标打分

图8 岩爆预测结果

由图8可得，K方案中无岩爆段占比70.46%，轻微岩爆段占比4.99%，中等岩爆段占比20.34%，强烈岩爆段占比4.21%；可以看出K方案岩爆发生可能性较大，且主要集中于中等岩爆。A方案中无岩爆段占比87.48%，轻微岩爆段占比4.49%，中等岩爆段占比6.14%，强烈岩爆段占比1.88%；可以看出A方案岩爆可能性仍然较高，但远低于K方案，且中等岩爆占比明显降低。C方案中无岩爆段占比87.59%，轻微岩爆段占比5.04%，中等岩爆段占比6.07%，强烈岩爆段占比1.30%；可以看出C方案与A方案的岩爆段占比基本一致，但C方案岩爆可能性略低于A方案，亦远小于K方案。综上，从岩爆灾害对铁路线路的影响程度看，C方案为推荐方案。

5 结论

基于AHP-专家评分法建立了适用于铁路前期选线阶段的岩爆灾害烈度预测模型，并以川藏铁路某段为例开展了高地应力硬岩岩爆灾害烈度评估，在其评估结果分析的基础上对3条选线方案进行比选研究，得到以下结论。

(1)通过分析国内大量岩爆灾害案例，结合川藏铁路前期选线阶段的实际情况，选取岩石强度、地应力、地质构造和围岩级别4个指标构建岩爆烈度预测指标体系，采用AHP法确定各指标的权重，结合专家评分法构建岩爆烈度预测打分体系，建立了简单可行的适用于铁路前期选线阶段的岩爆烈度预测模型。

(2)通过高地应力硬岩岩爆烈度预测模型在川藏铁路某段的3条比选方案中的应用，计算得出K方案岩爆灾害影响远高于A方案和C方案，A方案岩爆灾害影响略高于C方案。从各比选方案的岩爆烈度预测结果来看，C方案为最优方案，其岩爆灾害影响最小，且主要集中于轻微岩爆和中等岩爆；该模型在研究段的应用，有效验证了其应用于川藏铁路前期选线具有良好的适应性。

(3)本研究构建的基于铁路前期选线阶段的岩爆烈度预测模型，旨在铁路前期选线阶段较为准确且快速地预测岩爆灾害，为铁路线路比选提供参考，以期在线路比选中尽量减少岩爆灾害，降低隧道施工风险。而在数据丰富的施工期则需构建更为详细全面的指标体系，以期更准确地预测岩爆灾害。

(4)本研究着手于西部铁路工程的典型重大地下地质灾害，开展高地应力硬岩岩爆烈度分析和线路优选，为最终的决策提供量化的技术参考。但影响铁路选线的因素众多(如生态环境、经济效益、地面地质灾害等)，最终的铁路线路规划方案还需结合各方面因素综合研究确定。