川藏铁路拉林段地应力特征及高地应力风险调控选线策略*

黄艺丹 潘 前 姚令侃 陈 诺

(①西南交通大学土木工程学院， 成都 610031， 中国)

(②高速铁路线路工程教育部重点实验室， 成都 610031， 中国)

(③陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室， 成都 610031， 中国)

(④中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031， 中国)

0 引 言

随着我国铁路向青藏高原等地形极其艰险山区延伸，长大隧道越来越多，隧道整体埋深也越来越深，如川藏铁路最大隧道埋深已超过2000 m，对于拟建穿越喜马拉雅山脉的“一带一路”跨境铁路，最大隧道埋深预计可能达到3000 m量级。可见长大深埋将是21世纪中国隧道工程发展的总趋势。随着隧道埋深的增加，高地应力已成为对线路方案起控制作用的一种复杂地质状况，对其风险以在选线阶段就着手调控最为主动。通过调整线位，降低隧道埋深，减少地应力，是选线控制高地应力的基本措施，但何时应考虑比选方案，埋深调整后的隧道地应力状况改善效果如何，其前提都是能对隧址区地应力状态进行定量评估。但在线路工程比选阶段，一般不会通过大量的钻探查明地应力数值，只能借鉴现有资料或经验对地应力状况进行预估。但我国西部山区许多区域地应力实测资料基本为空白，因此建立不依靠实测资料的地应力定量评估方法，已成为制约优质选线的瓶颈问题。

自1912年瑞士地质学家海姆(Heim)首次提出地应力概念和静水应力状态假设以来，许多学者通过理论分析和实测数据研究地应力场的分布特性。景锋等(2007)根据我国大陆地区400多个实测地应力数据，得到了我国地应力沿埋深分布规律。杨树新等(2012)研究了我国陆域八大地块及南北地震带的地应力特征，给出了各地块应力随埋深变化的统计回归公式。韩骏等(2015)用反映地震震级与发生频率的幂指数和埋深，拟合得到地应力公式。郭摇等(2018)增加相对震源深度作为反映研究区地应力状态的参量，对最大水平应力随埋深分布统计回归公式进行修正。

由于地应力场存在较强的地域特征，对青藏高原地应力特征研究主要有：结合青藏高原地质构造反演青藏高原构造应力场(谢富仁等， 2004； 徐纪人等， 2006)。米琦(2015)给出了青藏高原东南缘地区总体及各研究子区水平构造应力的方位特征与量值范围。孟文等(2017)基于西藏林芝县、朗县和乃东县的水压致裂原地应力测量，获得了地壳浅表层的应力状态及分布特征。姚瑞等(2017)给出了青藏高原及周缘及青藏地块构造应力随深度变化的统计特征。欧小强等(2019)采用空心包体法对拉林铁路沿线隧道进行原位地应力测量，提出拉林铁路沿线隧道平均侧压力系数(1.0～1.5)分布较为集中且处于较高水平； 最大主应力量值大多在20～50 MPa之间。

在高地应力区选线技术领域，何娘者(2018)、林世金等(2018)结合工程实践论述了高地应力区的选线原则。《川藏铁路高地应力软岩隧道设计暂行规定》是目前代表性文献，其中归纳的选线条文主要为：川藏铁路隧道宜避开高地应力软岩区段； 隧道轴线宜与最大主应力方向平行或小角度相交等； 此外对高地应力软岩地段的并行隧道，提出了增大线间距的要求。

综上所述，目前有关地质构造作用形成地应力的理论研究，基本停留在宏观论述层面。而基于实测资料的研究，由于目前已有的钻孔点分布稀疏、且钻孔深度基本在500 m以内，而且有些地应力测量方法的精度不高，导致某些深层次的规律不能展现，致使精细化的开展选线作业缺乏依据。水压致裂法是目前直接测量地壳深部应力的唯一方法(刘军强， 2011)。鉴此，本文利用川藏铁路拉萨至林芝段(拉林段)地应力实测数据(采用水压致裂法测量，钻孔距离平均约20 km、深度达到1200 m量级)，挖掘铁路选线可利用的信息，并针对不同埋深地应力复杂程度不同的现象提出高地应力风险防控选线策略。

1 研究区概况

拉林段是川藏铁路的重要组成部分，是川藏铁路的先行试验段。线路西起拉萨市，向东沿雅鲁藏布江顺流而下，经贡嘎、扎囊、泽当、桑日、加查、朗县、米林至林芝，新建线路长403 km，其中隧道47座，总长 216.465 km，占线路长度的 53.7%。

按照板块构造观点，研究区位于青藏高原拉萨地块、特提斯喜马拉雅地块及两者之间的雅鲁藏布江缝合带(图1)。拉林段在扎其—桑日、加查—洞嘎、扎绕—中沙坝段线路沿雅鲁藏布缝合带，尤其冷达—洞嘎段部分线路在雅鲁藏布缝合带内行走。沿线主要分布有新生界、中生界、古生界、元古界沉积岩、岩浆岩、变质岩及雅鲁藏布江构造地层区和各种成因的松散堆积层。

图1 研究区所处构造单元与隧道钻孔布设示意图

根据中铁二院工程集团有限责任公司拉林段地应力测量资料，钻孔沿线长度237.092 km，采用水压致裂法钻孔测量，得到13个测孔， 83个测点数据，分布在拉林铁路12个隧道的不同里程处，测点埋深分布于96～1221 m范围内。钻孔点岩性以千枚岩、炭质千枚岩、花岗岩和闪长岩为主，岩层比较完整，岩芯采取率较高，岩石质量指标RQD基本在95%以上。数据包括最大水平应力(σH)、最小水平应力(σh)、垂直应力(σv)，以及主应力方向等。

2 地应力结构与方向分析

Anderson(1951)根据应力关系将应力结构划分为正断型、走滑型和逆断型3种基本类型，分别为：正断型σv>σH>σh； 走滑型σH>σv>σh； 逆断型σH>σh>σv(邓小龙等， 2020)，据此得到研究区地应力结构统计结果见表1。

表1 拉林段实测地应力结构类型占比

由表1可知，拉林段实测地应力结构主要是逆断型和走滑型，仅1例为正断型。

对各测点最大主应力的方位角进行统计，以10度为一个区间，有10个在0°～10°之间，有9个在10°～20°之间，有4个在20°～30°之间， 5个在340°～350°之间， 8个在350°～360°之间。统计区间内方向出现的频数，绘制极坐标方向玫瑰图。考虑最大主应力是成对出现的，绘制极坐标方向玫瑰图见图2。由图2可知，拉林段最大主应力方向分布于N19°W～N30°E之间，优势方向为N5°E，近南北向。

图2 拉林段实测地应力方向玫瑰图

依据世界应力图数据库和中国大陆地壳应力环境基础数据库，按拉萨地块和特提斯喜马拉雅地块分别统计地应力类型和地应力方向，应力数据包括1935～2014年期间142次4.0级以上地震的震源机制解、10个断层滑动反演、4个应力解除和1个水压致裂(图3)，其中拉萨地块有109个应力数据，特提斯喜马拉雅48个数据。结果见表2和图4。

图3 拉萨地块和特提斯喜马拉雅地块地应力结构类型

表2 拉萨地块和特提斯喜马拉雅地块地应力结构类型占比

图4 拉萨地块和特提斯喜马拉雅地块地应力方向

由表2可知，拉萨地块和特提斯喜马拉雅应力结构大部分为正断型，其次为走滑型，逆断型仅2例。由图4可知，特提斯喜马拉雅地块和拉萨地块地应力方向虽基本为南北方向，但特提斯喜马拉雅地块稍偏东。以缝合带为界，缝合带以北的拉萨地块属于板块碰撞的被动盘，缝合带以南的特地斯喜马拉雅地块属于主动盘。拉林段地应力方向更接近于主动盘，但地应力结构与相邻地块均不相同，这些宏观规律与板块构造学勾画的青藏高原南缘地应力场格局相符(黄艺丹等， 2020)。

3 实测地应力随埋深分布规律

3.1 地应力与埋深的关系

将实测地应力σH、σh、σv随埋深h的统计分布示于图5。

图5 地应力随埋深变化图与回归方程

由图5可知，若按线性回归，σH、σh随埋深变化的拟合效果不佳，拟合曲线的拟合优度仅为0.6905和0.7760。而σv与埋深的线性回归公式拟合优度已接近于1，说明σv随埋深的变化具有很好的线性规律。

3.2 基于海姆公式的地应力随埋深描述方式

Gay(1975)基于深度达到2500 m的钻孔数据，发现了存在转换深度的现象，自转换深度以下，水平应力不再大于垂直应力。苏生瑞等(2002)提出，侧压力系数Kav(Kav=(σH+σh)/2σv)随深度而减小，但在不同地区，变化的速率很不相同：在深度不大的情况下，Kav的值相当分散，随深度增加，该值的变化范围逐步缩小，并趋近与1，说明在地壳深部有可能出现静水压力状态。杨树新等(2012)提出，中国大陆地区Kav随深度的变化特征为：浅部离散，随着深度增加而集中，并趋向0.68，埋深等于465 m时，Kav=1，是水平作用为主导向垂直作用为主导的转换深度。据此概念框架，将拉林铁路实测地应力的Kav随埋深的分布示于图6。

图6 Kav随埋深变化图

由图6可见，埋深500 m以前，Kav非常离散，埋深500 m以后，Kav的收敛程度具有突变性质。因此，拉林段地应力转换深度可定在500 m。现对500 m以后的地应力数据进行拟合，示于图7。

图7 埋深>500 m时地应力随埋深变化图与回归方程

由图7可见，σH、σh的拟合优度已达0.9594和0.9185，表明500 m后地应力数据与埋深均具有良好的线性关系。并且三大主应力，特别是σH和σv随埋深分布为比较接近的一组平行线，表明转化深度后地应力场已有呈静水压力状态的趋势。

根据海姆理论，重力应力场是各种应力场中唯一能够计算的应力场。海姆假定地应力是一种静水压力状态，即地壳中任意点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即：σh=σv=γh，γ是上覆岩层的容重，h为埋深。根据地勘资料，拉林段岩层容重为0.026 kN·m-3，得到研究区海姆地应力计算公式为：

σ=0.026h

(1)

隧道工程设计时，地应力荷载主要考虑的是最大地应力，一般即为最大水平应力σH。因此以海姆公式为基础建立不依靠实测资料的最大水平应力定量评估方法，为破解铁路方案比选阶段缺乏地应力定量评估方法的难题提供了一种思路。

现将实测σH与海姆公式进行对比分析。图8横轴指标为实测σH与海姆公式计算值σ的比值，本文用λ表示，即λ=σH/σ。现将λ随埋深的分布绘于图8，并将埋深大于500m的实测σH数据与研究区海姆公式绘于图9。

图8 λ随埋深变化图

图9 埋深>500 m时σH与海姆公式对比图

由图8可见，最大水平应力实测值与海姆公式的比值随埋深逐步减小， 100～300 m时λ的最大值为3.7， 200～500 m时为2.4， 500 m后λ趋近于1。

综上所述，我们认为拉林段最大水平应力以海姆公式为度量标准随埋深分布的规律为：存在一个转换深度(500 m)，在小于该深度时，σH随埋深变化紊乱，但在100～300 m时，其最大值不超过海姆公式计算值的3.7倍，在300～500 m时，不超过2.4倍； 在大于500 m后，可用海姆公式近似估算。拉林段最大水平应力的估算公式如下：

(2)

4 高地应力风险调控选线策略

铁路定线是一种从粗到细、从整体到局部，反复调整，逐步优化的过程。现定义：拉通方案，指隧址处于高地应力状态的方案，一般也是从线路整体顺直性考虑首先提出的方案； 比较方案，指当预估高地应力问题严重时，通过调整线位降低隧道埋深，减少地应力的线路方案。最终的推荐方案应是由拉通方案与比较方案通过经济技术条件全面比选，择优确定的。

比较方案是以减少隧道埋深为导向进行线位调整，具体选线措施可归纳为：平面绕避，即一般线路高程基本不变，主要通过平面调整线位，避开高地应力区。包括大面积地甚至从廊道层面考虑绕避方案； 河谷线建桥跨河，把线路选在有利河岸； 线路从靠近山体岭脊部位外移修建依山傍河隧道等。立体调整，即线路平面变动不大，主要通过抬高线路高程，减少隧道埋深，控制地应力。包括线路横穿平行岭谷地形时，抬高桥位，降低隧道埋深； 在越岭地区，现偏重于采用标高低、坡度缓、运营条件好的长隧方案，但低标高就可能带来高地应力问题，因此提高越岭隧道标高、增加两端引线长度，是控制越岭隧道高地应力的传统方法。当然在实际操作时，常常是两种措施的综合应用，如既傍山又抬高标高以减小埋深。在重要路段，往往需要设计多种方案，通过对各方案的技术经济条件反复比选，才能确定优化方案。在从事以上选线作业时，何时需考虑比较方案，调整后地应力状态改善效果如何，都需要对隧址区地应力状态进行定量评估。现以拉林段最大水平应力估算公式为例，提出高地应力风险调控策略如下：

目前一般将埋深大于洞径2～3倍的隧道叫做深埋隧道、埋深超过500 m时为超深埋隧道。对于普通深埋隧道，因埋深小于转换深度，若调整埋深对其效果难以估计，不宜运用选线手段调控风险； 此外通过式(2)计算可知，虽然地应力紊乱，但最大值不超过极高应力量级； 更重要的是，普通深埋隧道已有较多工程实践(丰明海等， 2014)； 综合以上3点，认为利用施工期的现场实测数据动态调整支护结构和施工方法，高地应力风险整体可控。而对于超深埋隧道，利用隧址位于转换深度以下时最大水平应力可定量评估的认识，宜运用选线手段调控高地应力风险。

鉴此，提出选线流程如图10所示，并说明如下：

图10 高地应力风险调控选线流程图

(1)建立海姆地应力计算公式。首先通过踏勘及资料分析，查明研究区地层时代、岩性及分布范围，以及地震、地应力条件及主要构造特征等； 根据地勘资料，建立海姆假说地应力计算公式。

(2)决定是否设计比较方案。根据我国的工程岩体分级标准，岩体初始地应力≥23 MPa为高地应力，≥40 MPa为极高地应力； 根据《川藏铁路高地应力软岩隧道设计暂行规定》，软岩岩体初始地应力≥10 MPa为中高地应力、 ≥20 MPa为较高地应力、 ≥40 MPa为极高地应力。鉴此，现阶段建议软岩地应力大于较高地应力(埋深约800 m)，硬岩达到极高地应力(埋深约1600 m)时宜设计比较方案。但即使不考虑调线时，也应做好应对隧道软岩大变形的设计预案，式(2)中λ的上限值，可作为预估最不利风险的参考。

(3)设计比较方案。以降低隧道埋深为导向设计比较方案。按照2.5 MPa/100m计算，以地应力至少减少5 MPa为限，比较方案一般需减少埋深200 m以上才有比较价值。

(4)拉通与比较方案的经济技术指标分析。对于硬岩隧道，由于高地应力对造价的影响不显著，方案比选时主要考虑高地应力对施工期限、施工技术水平等综合因素的影响。对于软岩隧道，建议采用年换算工程运营费法，作为反映方案技术效益的定量指标，其中工程费的计算建议采用估算法，即按计算项目的单价乘以相应的工程数量。因高地应力隧道造价积累的数据相对较少，现对高地应力隧道每延米单价提出以下两个简单估算方法以供参考。

其一，在预设计阶段，通过降低围岩等级的做法进行高地应力隧道设计，是业内常用方法，因此隧道围岩级别降低导致工程造价增加数据，可以反映高地应力隧道工程造价增加情况。根据西南山区铁路近年来的统计数据，将双线铁路隧道每延米成本估计范围列于表3(单线隧道造价可按双线隧道造价的75%估计)。

表3 围岩级别和造价

其二，根据正在建设的渝昆铁路10座软岩大变形隧道(大变形总长度达19.24km)高地应力相应工程处置费的统计，采取措施后的造价比原造价每延米提高30%。在选线方案比选时，也可按拉通方案隧道工程每延米单价提高30%估计。

(5)确定推荐方案。软岩隧道以经济性指标为主，对拉通与比较方案经济技术条件全面对比分析，最终确定推荐方案。

5 结 论

(1)本文基于川藏铁路拉林段地应力钻孔实测资料的分析，获得研究区地应力结构以逆断型和走滑型为主，地应力方向分布于N19°W～N30°E之间，地应力随埋深的规律为： 地应力状态转换深度约为500 m，小于该深度时，最大水平应力随埋深变化紊乱，但最大值不超过极高地应力量级； 大于该深度后，最大水平应力可用海姆公式估算。据此提出：对于埋深小于转换深度的隧道，宜采用施工期动态调整支护结构和施工方法的手段，控制高地应力风险； 对于埋深大于转换深度的超深埋隧道，利用隧址区地应力可用海姆公式估计的认识，宜运用选线手段，通过方案经济技术比较择优确定线位。研究为破解方案比选阶段缺乏地应力定量评估方法的难题开拓了思路。

(2)转换深度的现象是通过实测数据分析发现的。对其机理的一种解释为：在地表以下较深部位，在上覆岩层较大荷载长期作用下，岩体发生塑流，使Kav值趋近于1，也就是该处岩体的天然应力将接近于静水状态。当然这仍属假说性质的解释，但从现象学观点看并不妨碍进行应用性探索。我们认为地应力存在转换深度这一点可能是具有普适性的，但不同地貌单元的转换深度值，以及转换深度之前最大水平应力的紊乱程度等有所不同。以拉林段为例，基于转换深度的概念并以海姆公式为度量标准，对地应力采用分段描述模式，并针对不同精度提出相应的工程对策，可成为一种发展方向。本文研究祈盼产生抛砖引玉之效。

(3)一般认为缝合带及邻近区域具有高背景地应力、高应变梯度且地应力环境更为复杂的特点。本文因缺乏横贯缝合带的钻孔数据，尚不能提炼出缝合带地应力有何特殊的规律，进一步的研究有待深入。