某高原铁路鲁朗隧道地应力特征及其工程影响研究

苗晓岐

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

某铁路位于喜马拉雅东构造结影响区内[1]，区域地质条件复杂[1-4]，冰川泥石流、滑坡、崩塌等地表地质灾害发育[5-8]，为绕避大量地表地质灾害，该段线路整体以隧道形式通过[6，9-10]。位于东久、鲁朗区域的鲁朗隧道是其中的一条长大深埋隧道，长约14 km，最大埋深达1 500 m，埋深超过1 000 m的段落达到8 km。该隧道紧邻色季拉山隧道[9，11]和拉月隧道[10]，主要由花岗岩所组成，含少量片麻岩，均为硬质岩所。由于隧道处于强烈挤压的南迦巴瓦构造结北西侧，且埋深、岩性等与临近铁路巴玉隧道[12]、桑珠岭隧道[13]等岩爆隧道类似，隧道施工过程中可能面临严重的岩爆风险。

高地应力是深埋地下空间发生岩爆、软岩大变形等工程风险[14-15]的根本因素。世界上处于强烈构造区的地下工程施工过程中，一旦埋深达到一定程度，都曾经发生过强烈的岩爆或软岩大变形风险。比如喜马拉雅西构造结地区的NJ水电站[16]、青藏高原南缘的拉林铁路[13]、云贵高原的锦屏引水隧洞/地下实验室[17-18]、秦岭山区的引汉济渭引水隧洞[19]发生了严重的高地应力岩爆，而青藏高原东缘的成兰铁路[20]、东北缘的兰渝铁路[21]等工程则发生了严重的高地应力软岩大变形。获取可靠的地应力值成为岩爆风险评估的重要参考[22]，但本区域无既有实测地应力[23]。因此，为保障隧道的顺利开工建设，对该隧道进行了大量水压致裂法地应力测试，在此基础上结合工程地质背景对其进行了地应力和岩爆风险的综合预测。相关成果对于认识鲁朗隧道的高地应力岩爆风险、指导施工具有重要意义。

1 地形地貌及地质背景

鲁朗隧道地处西藏自治区林芝市巴宜区鲁朗镇，隧道进口位于白木村附近东久曲河右岸，隧道出口位于东久村附近，进出口处均有乡村道路与G318国道相连，交通较为便利。隧道全长约14 km，为一面坡隧道，进口高程约2 800 m，出口高程约3 200 m，隧道最大埋深约为1 430 m。

隧道紧邻喜马拉雅东构造结，平行于雅鲁藏布江缝合带和米林全新世活动断裂，内动力地质作用强烈[1-4，25]。震源机制解及GPS记录均显示，区域地壳主体以NW-SW向挤压应变为主[26-27]。隧道走向NNE-SSW，与区域应力方向总体相一致。隧道位于高山峡谷区，海拔2 800～4 300 m，相对高差约1 500 m，山峰陡峭，外力作用以冰雪作用及寒冻风化作用为主。地形地貌受地质构造和岩性控制明显，呈东北-西南向展布。地势总体上西南高东北低；地形坡度变化较大，沟谷切割较深，多呈“V”形。工程区山体植被发育，除顶部冰雪覆盖区外，多为灌木和松林等植被覆盖。工程区属高原温暖半湿润气候，雨量充沛，日照充足，冬季温和干燥，夏季湿润无高温。复杂的内外动力地质作用，造成区域地表地质灾害极其发育[5-8]。

2 地应力测试结果

为获取有效足够的地应力实测数据，对鲁朗隧道总计8个深孔(图1，LSZ-1～8)进行了水压致裂法地应力测试工作。水压致裂法是国际岩石力学学会推荐的3种地应力测量方法之一，并在整个测量的过程中严格按照DB/T 14—2018《原地应力测量水压致裂法和套芯解除法技术规范》进行，可以有效保证测量数据的可靠性。

注：a.中国大陆现代构造应力场(据谢富仁等，2004[24])；b.鲁朗隧道区域地形地貌图(活动断裂分布图据谢超，2018[25])

测孔总体沿越岭中的沟谷段或斜坡区分布，较为均匀，但相对集中于中间段和出口段。测量前，首先结合钻孔的岩芯、超声成像和综合测井等测试资料，以综合判定完整的基岩段落。室内根据相关要求[28]对测量数据进行了精细处理，选取其中测量曲线标准、印模清晰且符合压裂特征的数据进行处理，以获取有效应力数据。根据孔深变化情况，每个深孔获取有效数据3～12组不等，共计60组，实测的最大水平主应力范围为3.15～39.67 MPa，最小水平主应力范围为2.35～31.57 MPa，主应力方向为N28°E-N84°E[表1；图2(a)]。实测数据总体规律分布，但在局部点位与平均值偏离较大，表明隧道存在局部应力集中现象。

表1 鲁朗隧道地应力测量结果统计

3 地应力模拟及岩爆风险评估

上述深孔测量的数据总体上具有随着埋深增大而逐渐增大的趋势，且具有一定的线性关系，可以尝试采用线性模拟对其一定深度的地应力数值进行模拟预估。同时，考虑到整个隧道岩性相对简单，均为较为完整的硬质岩所组成，且未被大型断裂所分隔，可以通过模拟侧压力系数随深度的变化关系对其进行总体应力分布特征的预测。为此，分别对实测数据开展了基于线性模拟、侧压力系数模拟的分布模拟，并据此开展了岩爆风险预测。

3.1 地应力线性模拟

线性模拟图2(b)显示，水平主应力随深度增加整体呈现逐渐增大的趋势，其中SH=0.026 2×Z+6.453(R2=0.806)，Sh=0.021 4×Z+3.443(R2=0.843 8)(Z为埋深，m)。最大、最小水平主应力梯度分别约为2.62 MPa/100 m、2.14 MPa/100 m，均小于垂向应力的2.7 MPa/100 m。最大水平主应力整体上比其西侧的色季拉山的2.5～4.3 MPa/100 m[29]要低，且低于青藏高原平均值2.92 MPa/100 m[30]，显示出该区域构造应力作用似乎并不强，达到一定埋深后垂向应力将超过最大水平主应力。然而，鲁朗隧道紧邻米林全新世活动断裂和雅鲁藏布江缝合带，且区域上发生大量破坏性地震，比如2017年的米林6.9级地震震中距离隧道最近处仅约30 km，因此线性模拟结果可能仅能反映区域相对浅表的地应力状态，并较为明显地受到了高陡斜坡的影响。而构造应力可能主要依靠较深的应力状态来反映，但目前较深的测点还相对较少。

图2 鲁朗隧道实测地应力方向和量值

3.2 地应力侧压系数模拟(图3)

图3 鲁朗隧道地应力侧压力系数模拟结果

大量实测地应力侧压系数模拟结果显示，当埋深达到一定程度后，主体由构造作用控制的最大、最小水平主应力与垂向应力的比值与测点埋深两者之间呈现出双曲线关系[22，31-32]，即K=m/Z+n(式中，K为水平主应力与垂向应力的比值，m、n为常数，Z为埋深)，详见式(1)、式(2)[22]。

(1)

(2)

为此，进一步采用侧压力系数对实测数据进行模拟，结果显示KH-max=390/Z+1.21，KH=235/Z+1.04，KH-min=125/Z+0.85；同时Kh-max=255/Z+0.96，Kh=125/Z+0.82，Kh-min=75/Z+0.65。其中KH、Kh为最佳拟合值，据其计算的SH、Sh代表了常规区域的应力平均值。KH-max、Kh-max为水平应力模拟的最大值(内包线)，推测其代表了局部的应力集中[33-34]。KH-min、Kh-min为水平应力模拟的最小值(外包线)，可能与软弱岩体、断层破碎带、节理密集带的发育有关[33-34]。模拟的KH=235/Z+1.04，始终>1，因此除断层破碎带、节理密集带或局部软弱围岩外，基岩内的最大水平主应力应该始终大于垂向应力，符合研究区强烈挤压、局部走滑的地质背景[22]。

3.3 岩爆风险分析

侧压力系数模拟结果显示出随着埋深增加，区域应力状态由SH>Sh>SV转为SH>SV>Sh，指示主体以挤压-走滑型应力为主。鲁朗隧道所在区域的实测最大水平主应力方向全部集中在NE向，这与GPS[26-27]和震源机制解[27，35-36]给出的现今构造应场NNE-SSW到NE-SW的方向相对来说较为一致，也符合区域强烈挤压变形特征。由于隧道总体走向为NNE-SSW，与主应力方向小角度相交，对岩爆控制相对有利。

根据模拟结果，线性模拟结果与区域构造存在一定的偏差，而侧压力系数模拟结果符合区域地应力场和区域构造特征。因此，本次评估考虑使用侧压力系数模拟的地应力进行隧道一定埋深的地应力计算及相应的岩爆风险评估。

如表2所示，根据侧压系数模拟，隧道在500,1 000 m处地应力分别达到20，34 MPa，隧道最大埋深(1 430 m)处，最大水平主应力约为47 MPa(SH)，局部应力集中区域最大甚至可达57 MPa左右(SH-max)。现场实测表明，花岗岩、片麻岩的单轴饱和抗压强度一般为60～120 MPa之间，且大部分集中于90 MPa左右。在不考虑隧道具体开挖情况下，按照TB10003—2016《铁路隧道设计规范》表12.5.1岩爆分级表，如果抗压强度按照最低值Rc=60 MPa考虑，强度应力比为1.1～1.3之间，该隧道最大埋深处可能发生强烈岩爆；如果抗压强度按照最低值Rc=120 MPa考虑，强度应力比为2.1～2.6之间，该隧道最大埋深仅能发生中等岩爆。

表2 线性模拟、侧压力系数模拟鲁朗隧道关键深度地应力和强度应力比(考虑Rc=90 MPa)量值

按照Rc=60 MPa和Rc=120 MPa评估的结果差异过大，不利于认识隧道的总体岩爆风险。由此，本文抗压强度按照平均值Rc=90 MPa、最大水平主应力按照平均值(SH)考虑，进行隧道岩爆风险总体评估。埋深300 m左右，Rc/SH=6.1，表明此时隧道具有发生轻微岩爆的风险；600 m左右，Rc/SH=3.9，表明此时隧道具有发生中等岩爆的风险；至1 400 m左右，Rc/SH=2.0，表明此时隧道具有发生强烈岩爆的风险。由此，预估鲁朗隧道发生长大段落中等岩爆的风险较高，且局部大埋深段落和应力集中区域可能发生强烈岩爆。基于侧压力系数模拟的鲁朗隧道强度应力比与埋深关系见表3。

表3 基于侧压力系数模拟的鲁朗隧道强度应力比与埋深关系

需要说明的是，该评估仅根据现有资料对隧道岩爆风险做一个总体评估。地应力只是岩爆发生的关键因素之一，在实际评估过程中还需排除Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩及富水段落，小断裂、节理密集区还应考虑局部应力释放和应力集中的影响，并需在施工期加强相关段落的超前地质预报工作。

4 结论与建议

(1)鲁朗隧道区域主应力方向主体为NE向，隧道总体走向与其小角度相交，对岩爆控制相对有利。

(2)尽管实测数据总体规律分布，但在局部点位与平均值偏离较大，表明隧道存在局部应力集中。隧道1 207 m处实测最大水平应力约为40 MPa。侧压力系数模拟可有效反映鲁朗隧道的地应力状态，据此预测隧道最大埋深处最大水平主应力的平均值约为47 MPa，局部应力集中区域最大可能达到57 MPa。

(3)根据强度应力比法，预估鲁朗隧道发生长大段落中等岩爆的风险较高，且超过1 400 m的大埋深段落和局部应力集中区域可能发生强烈岩爆。

(4)建议：由于岩爆风险详细评估还需考虑局部断裂、节理等局部构造，以及围岩类别、富水性等条件，应在施工期加强相关段落的超前地质预报。