滇藏铁路香格里拉—邦达段地应力状态及工程效应分析*

谷佳诚 高桂云 周 昊 安易飞 王成虎

(①应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085，中国)(②中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083，中国)

0 引 言

滇藏铁路是我国中长期铁路网规划建设中的重要铁路干线，起于云南省昆明市，终于西藏自治区拉萨市，连接云南西北部及西藏东南部，地势从东南到西北方向逐渐抬升，海拔高程2000～6000m。其中昆明至丽江的铁路线路已经建成，丽香铁路也已基本建成并投入使用，线路拟选定在邦达与某交通线路接轨，共建邦达至拉萨段的铁路线路。香格里拉—邦达铁路段大致走向如图1所示。

图1 滇藏铁路香格里拉—邦达铁路线路走向趋势图

滇藏铁路香格里拉—邦达段地质问题突出，工程环境恶劣，被称为“世界铁路艰险工程之最”。铁路沿线多为高山峡谷地貌，山峰与河谷之间相对高差1000～3000m，由于受到印度洋板块对亚欧板块的挤推作用，滇藏地区新构造运动尤为强烈。德钦至邦达段线路横跨金沙江、澜沧江和怒江三江并流区域，此处铁路沿线支流众多，平均海拔在3000m以上且雪山与江面的相对高差4700m(张加桂等，2010)，由此可知此地受到过新构造运动导致的地面抬升和外动力地质作用。滇藏铁路穿过唐古拉-三江断褶带、拉萨-波密构造带和雅鲁藏布江缝合带，且处于滇藏区域高烈度地震区，由于长期的地质构造活动强烈，活动断裂纵横交错，导致该地区岩体破碎且稳定性差(卿三惠等，2007)。

滇藏铁路香格里拉—邦达段主要受到滇西“三江”地区构造运动的影响，这一影响由印度板块与欧亚板块的汇聚碰撞产生，从而形成了金沙江断裂、澜沧江断裂、怒江断裂3大断裂带，如图1所示。

金沙江断裂带地处羌塘地块和松潘-甘孜造山带之间，是具有多个时期活动的缝合线构造，主要包括金沙江主断裂、东界断裂、西界断裂和NS向的次级断裂，德钦-中甸-大具断裂和巴塘断裂把金沙江断裂分为北段、中段和南端3个部分(夏金梧等，2020)，其走向总体上呈NS向，其中南段呈NNE向，中段近NS向，北段呈NNW向(周荣军等，2005)。基于GPS水平速度场和小震活动的研究可知，金沙江断裂带运动趋势主要表现为右旋走滑，运动速率为5mm·a-1(徐晓雪等，2020)。

澜沧江断裂带位于羌塘-昌都-思茅陆块和南羌塘-左贡-保山陆块的分界处，东边界为碧罗雪山断裂，西边界为吉岔断裂，由于受到NE向水平应力的挤压作用，断裂带有明显的应力集中和压缩变形现象(王学武等，2018)。澜沧江断裂带的整体走向为NS向，从北至南，走向从NS向转为NW向，最后再次呈现NS向，总体显示为S型断裂，且断裂带呈现出左旋走滑的运动特征(王国芝等，2001)。

怒江断裂带是一条纵穿青藏高原的区域性断裂，位于保山地块和腾冲地块的边界，其走向沿怒江流域展布，北段呈NW向，南段呈NS向，断裂带呈现右旋走滑的运动特征(王阎昭等，2015)。

受区域构造运动和沿线大高差的影响，滇藏铁路香格里拉—邦达段隧道工程众多，总长度214km，最长隧道长度可达31.5km(余敏等，2017)，深埋长隧道在该铁路沿线占比较大，在高地应力状态下可能发生岩爆、大变形等重大灾害。铁路沿线属于羌塘-昌都地层区德钦-维西地层分区，岩性分布比较齐全，岩性复杂，主要分布有灰岩、泥岩、板岩、泥质砂岩等，香格里拉—邦达段沿线软质岩约占70%，在强烈的地质构造作用下，严重影响沿线边坡和隧道工程的稳定性。因此，研究滇藏铁路香格里拉—邦达段的地应力状态显得尤为重要。

通过对滇藏铁路香格里拉—邦达段途经的主要断裂的综合分析，整体上断裂走向为NW-NNW向。Anderson理论认为断层面与中间主应力共面，依据断层面上摩擦系数一般为0.6～1.0、且最大主应力方向与断层面夹角一般在23°～30°对该区域的主应力方向进行预测(Amadei et al.，1997；Zang et al.，2010)，结果表明香格里拉—邦达段最大主应力方向应为NWW-NNE向，与谢富仁等(1993)利用断层滑动方向确定构造应力张量的方法得出的结果一致。但是显然香格里拉—邦达段地区新构造运动强烈，构造发育，外动力影响因素较多，实际的主应力方向也会存在较大的变化。

目前，对滇西北地区地应力状态已有初步的了解，比如李金锁等(2005，2006)基于地应力测量和有限元方法分析了滇西北地区的地应力状态，并采用水压致裂的方法得到了大理—丽江地区的原地应力大小和方向。张永双等(2009)结合实测数据，通过有限元方法模拟得到了玉峰寺隧道的应力场特征。钱晓东等(2011)基于震源机制解研究了云南地区的近期构造应力场，指出了控制区域应力状态的3个主要力源。然而，对于滇藏铁路香格里拉—邦达段的地应力状态以及工程风险的研究相对较少。

本文基于构造形迹、震源机制解和实测数据的多元综合分析法，对滇藏铁路香格里拉—邦达段主应力方向进行了分析，基于Hoek-Brown强度准则和修正的Sheorey理论对研究区应力量值进行预测，采用应力强度比法和Hoek变形预测公式分析不同岩性发生岩爆或大变形的风险以及对工程的影响，为滇藏铁路香格里拉—邦达段的建设提供科学依据，并深化云南西北部和西藏东南部地应力场的认识。

1 主应力方向

1.1 应力分区

香格里拉—邦达铁路沿线新构造运动强烈，基于“中国大陆地壳应力环境基础数据库”及现代构造应力场特征(谢富仁等，2004)，同时考虑利用更多的震源机制解和实测数据，更好地分析地应力状态信息。本文将研究区分为香格里拉-德钦应力区和芒康-邦达应力区(图1)。

1.2 应力方向分析

构造形迹估算反映的是古构造特征，为获得现今地应力方位，需要综合震源机制解及实测应力数据进行分析。基于震源机制解反演应力场结果，郝平等(2012)认为青藏高原东部地区最大主应力方向为近NE向，并有沿喜马拉雅构造东端顺时针旋转的趋势。贺赤诚等(2015)分析了云南迪庆5.9级地震的震源机制，得到的P轴优势方位角为NNW。高锦瑞等(2015)利用P波初动的方法，分析了左贡—芒康地区6.1级地震的震源机制。结果表明，P轴的优势方位为NE-NEE。为得到更为准确的地应力方位，采用震源机制解和实测数据综合分析的方法对不同应力分区的地应力方位进行统计分析。

通过查阅最新版“中国大陆地壳应力环境基础数据库”，得到滇藏铁路香格里拉至邦达段的震源机制解数据，对这些数据进行统计分析得出P轴方位角如图2所示。

图2 各应力区震源机制解P轴方位角统计图

震源机制解统计结果显示，香格里拉-德钦应力区应力状态相对复杂，P轴方向为NWW-NNW向，优势方位为N0°W～N20°W；芒康-邦达应力区P轴方向为NEE向，优势方位为N60°E～N80°E。为更好地分析研究区域的应力场特征，结合该地区的水压致裂和应力解除数据，并查阅谢富仁等(2007)的成果，对香格里拉-德钦应力区和芒康-邦达应力区的实测数据水平最大主应力方位进行统计分析，如图3所示。

图3 各应力区实测数据水平最大主应力方位统计图

香格里拉-德钦应力区实测数据水平最大主应力方向为NNW向，优势方位为N20°W～N40°W；芒康-邦达应力区实测数据水平最大主应力方向为NEE-EW向，优势方位为N60°E～N80°E，与震源机制解的结论一致。震源机制解多反映深部的应力状态，水压致裂法和应力解除法反映浅部的应力状态，浅部区域由于受外界因素干扰以及工程扰动，可能影响局部应力状态，使得深浅部的应力状态略有不同，且应力方向多变。

香格里拉-德钦应力区包含更多的震源机制解数据，以该地区为例，利用震源机制解数据对区域构造应力方向进行反演分析，结果如图4和图5所示。

图5 基于震源机制解的应力形因子统计结果

由震源机制解数据反演应力结果可知，最大主应力(σ1)方位约为N45°W，最大主应力轴倾角约为20°，中间主应力(σ2)轴倾角最大，接近垂直状态，最小主应力(σ3)轴倾角约7°，接近水平状态，说明该研究区以走滑型断层为主，应力状态表现为SH>Sv>Sh，最大主压应力方向为NW向，应力形因子R范围为0.5～0.6，反映了该地区NW向的挤压应力状态。

综合分析构造形迹、震源机制解、实测数据的结果，香格里拉-德钦应力区的水平最大主应力方向为NNW向，优势方位为N0°W～N40°W；芒康-邦达应力区的水平最大主应力方向为NEE向，优势方位为N60°E～N80°E。由于铁路沿线地貌为横断山脉高山深谷区，构造运动强烈、断层发育、地质构造复杂、变质作用强烈，且震源机制解多反映深部的应力状态，水压致裂法和应力解除法反映浅部的应力状态，深浅部的应力状态略有不同，导致局部应力方向发生偏转，整体表现出复杂多变的特点。

2 主应力量值

研究区内包含多条断裂带，同时受到印度洋板块和青藏高原的挤压作用，地壳运动强烈、构造应力水平较高，深埋隧道在高地应力作用下开挖存在岩爆或软岩大变形的风险，因而需要对研究区域地应力量值进行预测分析。

2.1 预测方法

地应力测量是获取应力场特征最直接的方法，然而，新建滇藏铁路香格里拉—邦达段实测地应力数据较少且离散性较大，数值模拟又不能很好地拟合这些离散数据。为更好地研究区域地应力状态，本文将结合实测数据，基于Hoek-Brown强度准则和修正的Sheorey模型(Sheorey，1994)，分别对研究区岩体变形参数和地应力大小进行估算和预测。

Sheorey模型将地壳、地幔和地核进行分层考虑，来分析不同深度地壳和地幔的岩体弹性模量、泊松比、岩体热膨胀系数以及岩体密度随地壳深度增加而增加的问题，以此为基础分析地应力的状态。对于浅层地壳，Sheorey模型认为水平应力与垂直应力之比k随深度的变化规律如下：

k=0.25+7E(Z)(0.001+1/Z)

(1)

式中:E(Z)为一定深度处岩石的平均弹性模量。但是Sheorey模型是一个理论模型，受岩体结构面以及地质历史的影响，理论值和实测值存在较大的差别，且式(1)仅适用于138.87～33.73km的地壳深度范围(Sheorey，1994)，因此需要考虑岩体的这些信息，对该模型进行修正。Hoek et al.(2006)对岩体变形模量的统计分析得到了岩体变形模量与岩体质量关系如下：

(2)

式中：Erm为原位岩体变形模量；D为岩体扰动指数，取值范围0～1，取决于外界因素对岩体的扰动程度，如爆破、岩体开挖、卸荷等；GSI为地质体强度指标(Hoek et al.，2006)。基于该岩体变形模量与岩体质量关系，王成虎等(2014)对Sheorey模型进行了修正，修正结果如下：

(3)

式中：Z1、Z2为距地表的深度；Erm1、Erm2为Z1、Z2处岩体的弹性模量；k1、k2为Z1、Z2处水平应力与垂直应力的比值。在公式中：Z1、Erm1和k1作为参考，通过改变Z2的值以及对该深度的岩体弹性模量估算，可以预测不同深度的k2值。

修正的Sheorey模型可将离散数据进行归一化处理，可预测不同岩性、不同深度的原地应力状态，同时其考虑了深度Z和岩体弹性模量Erm两个参数，包含了岩性、结构面等信息，能很好地拟合和预测工程区原地应力随深度和位置的变化趋势。

2.2 侧压力系数确定

结合“中国大陆地壳应力环境基础数据库”中香格里拉-德钦地区的实测数据及谢富仁等(2007)的成果，依据研究区的应力数据，通过公式kH=SH/Sv，kh=Sh/Sv和k=(SH+Sh)/(2Sv)计算侧压力系数，并按照Hoek-Brown公式对应力数据进行拟合，如图6所示。

图6 基于修正的Sheorey模型的k值拟合及数据图

埋深较浅时，受地形、地貌、风化程度的影响，侧压力系数较为离散，并且部分数据点在山脉或山谷的斜坡附近获取，这些数据不能代表区域应力状态，因此，在拟合时这些数据不予考虑。当埋深大于200m时，侧压力系数的离散性减小，为得到较为准确的结果，采用500m处的侧压力系数拟合值作为基准对应力量值进行预测，其中500m处的拟合值分别为kH=1.80，kh=1.10和k=1.46。本文结合研究区岩性状况，预测不同深度、不同岩性的地应力量值。

2.3 应力量值估算

结合上述区域应力场特征，依据Hoek-Brown强度准则和RocLab软件并采用修正的Sheorey模型，对岩体变形参数进行估计并预测主应力量值(Hoek et al.，1997；王成虎等，2014)。滇藏铁路香格里拉—邦达段属于羌塘-昌都地层区德钦-维西地层分区，沿线主要分布有灰岩、砂岩、板岩等(宋章等，2019)。依据应力预测的理论，考虑灰岩、泥岩、板岩3种岩性对香格里拉至邦达段进行地应力量值预测。研究区的埋深越大，应力量值越大，以砂岩为例，预测结果和变化规律如图7所示。

图7 砂岩地层应力量值预测结果

砂岩地层应力量值预测结果显示(图7)，埋深400m时，水平最大、最小主应力范围为11.61～19.51MPa和7.09～11.92MPa；埋深1000m时，水平最大、最小主应力范围为24.32～35.74MPa和14.86～21.84MPa；埋深2000m时，水平最大、最小主应力范围为47.54～63.54MPa和29.05～38.83MPa。

灰岩地层埋深1000m时，水平最大、最小主应力范围为24.23～36.43MPa和14.81～22.26MPa；埋深2000m时，水平最大、最小主应力范围为47.29～64.37MPa和28.90～39.34MPa。

板岩地层埋深1000m时，水平最大、最小主应力范围为25.93～37.30MPa和15.85～22.79MPa；埋深2000m时，水平最大、最小主应力范围为50.77～66.69MPa和31.03～40.76MPa。

3 应力状态评价与影响分析

3.1 高地应力状态评价

滇藏铁路香格里拉—邦达段处于初期阶段，相关研究以及实测数据相对较少，为初步了解工程概况，需要对研究区岩体强度参数进行估算，并对地应力状态进行宏观评价。Hoek et al.(1997)提出了岩体整体强度估算公式：

(4)

式中：σcm为原位岩体整体强度；mb为经验参数；s、a为与岩体特征有关的常数；σci为岩石单轴抗压强度。σcm、mb、s、a和σci的具体计算方法和取值参见Hoek(2002)和周亚东等(2019)的介绍与讨论。由于研究区正处建设初期，相关研究和数据相对较少，故结合Hoek的取值建议，并结合相关实验文献对σci取参考值，分析研究区的岩爆风险，为研究区的工程效应提供初步参考(Hoek，2002；王成虎等，2009；周航等，2020)。

利用Hoek-Brown准则修正的岩体强度应力比法可以评价地应力状态(王成虎等，2009)，以砂岩地层为例进行分析，图8为应力评价结果。

图8 砂岩Ⅱ～Ⅴ级围岩应力评价

当σcm/SH小于2时表现为高地应力状态，由图8可知，砂岩地层在埋深大于500m处，就可能出现高地应力状态。对于灰岩和板岩地层，则在埋深400m处就可能出现高地应力状态。然而，实际工程围岩是否为高应力状态，还需要结合破坏特征进行综合评判。

3.2 线路布设分析

研究区工程地质条件差，呈现为地形高差大、地灾规模大、构造活动强等特点，铁路沿线隧道工程众多，隧道轴线与水平最大主应力方向的夹角(α)影响隧道围岩的稳定性(余莉等，2015；蒋钰峰等，2019)，当SH>Sh>Sv时，α=0°最有利于隧道围岩的稳定；当Sv>SH>Sh时，α=90°最有利于隧道围岩的稳定；当SH>Sv>Sh时，最有利的夹角(α)为：

(5)

依据中国大陆地壳应力环境数据库1970年以来的震源机制解数据经统计分析可知，香邦铁路沿线走滑型断层(SH>Sv>Sh)约占51.82%，正断层(Sv>SH>Sh)约占22.73%。钱晓东等(2011)通过对云南现代构造应力场的研究，认为滇西北的地震类型以走滑型为主，约占62%。吴富峣等(2019)研究发现德钦-中甸断裂奔子栏段具有典型的走滑断层运动特征。由此可知，沿线以走滑型断层为主。依据式(2)计算，隧道轴线与最大主应力方位的夹角(α)范围为6.6°～60°，香格里拉-德钦应力区水平最大主应力方向为NNW向，平均方位角为N20°W，因此隧道轴线方位设置为N80°W～N40°E有利于围岩稳定；芒康-邦达应力区水平最大主应力方向为NEE向，平均方位角为N70°E，因此隧道轴线方位设置为N10°E～N130°E有利于围岩稳定。在香格里拉-德钦应力区中香格里拉地区存在有正断型断层，应力结构为Sv>SH>Sh，隧道轴线与最大主应力的夹角α=90°有利于围岩的稳定。

3.3 硬岩岩爆分析

滇藏铁路香格里拉—邦达段沿线表现出高海拔、大高差、大埋深的特点，在高地应力的作用下，隧道围岩可能发生岩爆或围岩大变形现象。

岩爆是指在外力扰动或隧道工程活动下，岩体突然释放其变形势能的过程，围岩产生爆裂、弹射等的动力现象，这种现象在Ⅱ、Ⅲ级硬质围岩中尤为明显。岩体的峰值强度和脆性破坏特征明显影响岩爆的发生，岩体的峰值强度越高，储能越好，就越易发生岩爆；岩体的脆性越强，也越易发生岩爆(冯夏庭等，2019)。由于滇藏铁路香格里拉—邦达铁路正处于可行性研究阶段，工程活动尚未进行，岩体结构条件、岩体力学性质未能全面准确获取。为初步了解研究区的岩爆特征，采用应力强度比的方法来预测和评价硬质岩发生岩爆的可能性。应力强度比有两种指标(表1)：地下空间周边切向最大应力与岩石单轴抗压强度之比σθmax/σci或最大主应力与岩石单轴抗压强度之比σ1/σci，发生岩爆的临界条件为σθmax/σci=0.4±0.1或者σ1/σci=0.15±0.05(王成虎等，2012；杨汝华等，2019)。如图9所示为灰岩地层的应力强度比随深度的变化规律。

图9 灰岩地层应力强度比随深度的变化规律

表1 岩爆评价指标

σθmax=3σ1-σ3灰岩地层埋深小于700m时无岩爆，埋深大于700m时，围岩可能出现中等脆性破坏或岩爆等高地应力破坏现象，当埋深大于1200m时，围岩可能出现较强的脆性破坏或岩爆现象。郭长宝(2011)在大瑞铁路高黎贡山越岭段重大工程地质问题的研究中发现，研究区域深度700m处隧道施工过程中存在中等岩爆现象，与本文的研究结果一致。

3.4 软岩大变形分析

在高地应力作用下，软质岩的基本特性主要表现为强度低、易风化、孔隙比大、渗水性强等特点，容易发生显著塑性变形(孙洋等，2013)，这种现象在Ⅳ、Ⅴ级围岩中尤为明显。大变形往往持续时间长，形变量相对较大，严重影响隧道工程的稳定性。

采用Hoek的变形预测公式(Hoek，2001；胡元芳等，2011)来预测和评价软质岩发生围岩大变形的可能性，其公式为：

(6)

式中：εt为隧道径向位移；Pi为隧道支护压力，无支护时取为0；P0为原岩应力，此处取3σ1-σ3(Malan et al.，1998)，σ1和σ3分别为最大和最小主应力。

Hoek也给出了岩体挤压变形的判定范围，如图10所示。

图10 岩体挤压变形分级图(Hoek，2001)

依据Hoek的变形预测公式，计算出砂岩和板岩地层围岩下的变形量，预测结果见图11～图12。

图11 砂岩变形预测结果

图12 板岩变形预测结果

砂岩地层埋深小于1400m时，相对变形量小于1%，支护问题较小，埋深大于1400m时，相对变形量超过1%，可能发生轻微的变形，埋深超过2400m时，相对变形量超过2.5%，可能发生中等大变形现象。整体上砂岩地层的稳定性较好，不易发生软岩大变形破坏现象；板岩地层埋深小于800m时，相对变形量小于1%，支护问题较小，埋深大于800m时可能发生轻微变形，埋深大于1400m时，可能发生中等大变形破坏，埋深大于2200m可能发生严重的大变形破坏。

4 结 论

本文通过对滇藏铁路香格里拉—邦达段的地质构造状况、主应力方向分析、主应力量值预测、高地应力分析以及工程效应问题的研究，得到以下结论：

(1)滇藏铁路香格里拉-德钦应力区的水平最大主应力方向为NNW向，优势方位为N0°W～N40°W；芒康-邦达应力区的水平最大主应力方向为NEE向，优势方位为N60°E～N80°E。

(2)滇藏铁路香格里拉—邦达段埋深400m处，水平最大、最小主应力为11.61～20.14MPa和7.09～12.31MPa，埋深1000m处，水平最大、最小主应力为24.23～37.30MPa和14.81～22.79MPa；埋深2000m处，水平最大、最小主应力为47.29～66.69MPa和28.90～40.76MPa；埋深2500m处，水平最大、最小主应力为58.89～82.19MPa和35.99～50.22MPa。

(3)香格里拉-德钦应力区隧道轴线方位设置为N80°W～N40°E有利于围岩稳定；芒康-邦达应力区隧道轴线方位设置为N10°E～S50°E有利于围岩稳定；香格里拉正断型断层地区隧道轴线与最大主应力的夹角α=90°有利于围岩的稳定。

(4)铁路沿线高地应力作用显著，埋深大于400m就可能表现为高地应力；结合围岩高地应力破坏现象预测结果，对于Ⅱ、Ⅲ级围岩埋深大于700m以中等岩爆现象为主，埋深大于1200m将可能存在强烈岩爆现象；对于Ⅳ、Ⅴ级围岩埋深大于1400m以中等大变形为主，埋深大于2200m将可能存在严重大变形现象。

本文基于构造行迹、震源机制解和实测数据的多元综合分析法对研究区应力方向进行了分析。然而，目前由于对滇藏铁路香格里拉—邦达段的研究相对较少，存在实测数据有限且区域构造运动强烈可能导致相邻区域差异性较大等问题，通过实测数据分析得到的结果可能存在一定的偏差；修正的Sheorey理论虽然可以开展研究区地应力状态的预测，但是实测数据的数量也直接影响预测结果，同时针对复杂多变地层，不同岩性、不同深度岩体弹性模量差异较大，预测结果也会受到很大影响。针对滇藏铁路沿线的工程地质问题，有必要不断加大实测研究，不断补充和完善沿线应力数据，同时理论上还需进一步的改进优化，增强其适用性，更好地为工程施工以及科学研究领域提供参考。