CN114707200B - 一种确定高地应力软质岩大变形区铁路空间线位的方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定软质岩大变形区铁路空间线位的方法，以大幅度降低选线成本和节省勘察工期。包括如下步骤：将软质岩大变形按变形程度由弱到强划分为轻微大变形、中等大变形、强烈大变形、极强大变形共四个等级；确定各大变形等级的临界最大初始地应力；确定深度和最大水平应力之间关系；确定各大变形等级的临界深度；确定软质岩大变形区铁路空间线位，垂直隧道轴线布置控制性大变形剖面，根据大变形各等级的临界埋深界线将剖面分为非大变形区、轻微大变形区、中等大变形区、强烈大变形区和及极强大变形区；通过空间线位平面位置调整、空间线位纵断面位置调整的协调配合，使预设隧道绕避风险大的强烈大变形区和及极强大变形区。

Description

一种确定高地应力软质岩大变形区铁路空间线位的方法
技术领域
本发明涉及山区铁路工程减灾选线方法，特别涉及一种基于高地应力 软质岩大变形分区的确定铁路工程空间线位的方法。
背景技术
减灾选线是自然灾害对线路工程全寿命周期作用不确定条件下的一 种风险决策过程。高地应力软质岩大变形区铁路减灾选线是软质岩大变形 对铁路工程全寿命周期作用不确定条件下的线路方案与工程设置风险决 策过程。
高地应力区软质岩大变形是隧道围岩在地应力以及地下水活动等环 境条件下，围岩岩体的一种变形破坏现象，是围岩自承能力的丧失或部分 丧失，变形得不到有效的约束，围岩发生的塑性变形破坏，使围岩支护不 同程度的遭到破坏，一般具有变形量大、变形迅速、变形持续时间长、支 护破坏形式多样、围岩破坏范围大等特点，给施工处理和运营安全造成了 极大困难。
因此，在确定软质岩大变形区铁路空间线位时，应合理划分不同大变 形等级的影响范围，通过合理确定线路高程和走向，选定风险等级相对较 低的位置通过，以降低软质岩大变形对铁路工程的风险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种确定软质岩大变形区铁路空 间线位的方法，以确保铁路工程从灾害风险等级较低的区段通过，大幅度 降低选线成本和节省勘察工期，最大程度实现工程的经济性及合理性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明一种确定高地应力软质岩大变形区铁路空间线位的方法，包括 如下步骤：
S01.在软岩区布置控制性钻孔，采用水压致裂法在钻孔中开展地应力 测量，获得不同深度H的最大水平应力σH和最小水平应力σh，取岩样进 行室内单轴抗压强度试验获取岩石的天然抗压强度R；
S02.当控制性钻孔洞身段测得的最大水平应力σH≥10MPa，且岩石天 然抗压强度R≤30MPa时，隧道位于高地应力状态，存在软质岩大变形风 险，需要进一步判定大变形临界深度；
S03.高地应力软岩区岩体的天然抗压强度Rm主要受地质构造影响， 按下式计算：
Rm＝K·R
式中：K为地质构造影响折减系数，按下表确定；
地质构造影响程度 无影响 较重 严重
折减系数K 0.75 0.54 0.33
S04.软质岩大变形按变形程度由弱到强划分为轻微大变形、中等大变 形、强烈大变形、极强大变形共四个等级，以岩体强度应力比Rm/σmax为 主要依据按下表划分：
Figure BDA0003467899200000021
S05.根据岩体天然抗压强度Rm和大变形等级的临界岩体强度应力比 Rm/σmax确定各大变形等级的临界最大初始地应力σmax：
(1)轻微大变形临界最大初始地应力σmax＝Rm/0.5；
(2)中等大变形临界最大初始地应力σmax＝Rm/0.25；
(3)强烈大变形临界最大初始地应力σmax＝Rm/0.15；
(4)极强大变形临界最大初始地应力σmax＝Rm/0.05；
S06.根据控制性钻孔水压致裂法获得不同深度H的最大水平应力σH和最小水平应力σh，用如下方程表达深度H和最大水平应力σH之间关系：
H＝a·σmax+b
式中：a，b为常数；
S07.根据大变形等级和深度H和最大水平应力σH之间关系，确定各 大变形等级的临界深度：
(1)轻微大变形临界深度：H1＝a·K·R/0.5+b；
(2)中等大变形临界深度：H2＝a·K·R/0.25+b；
(3)强烈大变形临界深度：H3＝a·K·R/0.15+b；
(4)极强大变形临界深度：H4＝a·K·R/0.05+b；
S08.确定软质岩大变形区铁路空间线位，垂直隧道轴线布置控制性大 变形剖面，根据大变形各等级的临界埋深界线将剖面分为非大变形区、轻 微大变形区、中等大变形区、强烈大变形区和及极强大变形区；通过空间 线位平面位置调整、空间线位纵断面位置调整的协调配合，使预设隧道绕 避风险大的强烈大变形区和及极强大变形区，调整后隧道从风险较小的轻 微大变形区、中等大变形区通过。
本发明的有益效果是，从铁路工程减灾选线的角度出发，将高地应力 区软质岩大变形划分为轻微、中等、强烈、极强共四个区域，通过空间线 位平面、纵断面的协调配合，最大程度降低大变形区对铁路工程产生的危 害，避免造成重大人员伤亡、生命财产损失、生态环境破坏的问题。大幅 度降低了选线成本和节省了勘察工期，确保了高地应力软质岩大变形区铁 路工程从灾害风险较低的区段通过，最大程度实现了工程的经济性及合理 性。
附图说明
本说明书包括如下三幅附图：
图1是软质岩大变形剖面和铁路工程位置关系图；
图2是软质岩大变形分区和隧道位置关系图；
图3示出的是埋深(H)和最大水平应力(σH)之间的关系。
图中示出部位名称及所对应的标记：河流1、隧道轴线2、地面3、 轻微大变形临界界线4、中等大变形临界界线5、强烈大变形临界界线6、 极强大变形临界界线7、无大变形区8、轻微大变形区9、中等大变形区 10、强烈大变形区11、极强大变形区12、临界深度13、控制性钻孔14、 预设隧道A、调整隧道B、控制性大变形剖面D。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参照图1和图2，本一种确定高地应力软质岩大变形区铁路空间线位 的方法，包括如下步骤：
一种确定高地应力软质岩大变形区铁路空间线位的方法，包括如下步 骤：
S01.在软岩区布置控制性钻孔14，采用水压致裂法在钻孔中开展地 应力测量，获得不同深度H的最大水平应力σH和最小水平应力σh，取岩 样进行室内单轴抗压强度试验获取岩石的天然抗压强度R；
S02.当控制性钻孔14洞身段测得的最大水平应力σH≥10MPa，且岩 石天然抗压强度R≤30MPa时，隧道位于高地应力状态，存在软质岩大变 形风险，需要进一步判定大变形临界深度；
S03.高地应力软岩区岩体的天然抗压强度Rm主要受地质构造影响， 按下式计算：
Rm＝K·R
式中：K为地质构造影响折减系数，按下表确定；
地质构造影响程度 无影响 较重 严重
折减系数K 0.75 0.54 0.33
S04.软质岩大变形按变形程度由弱到强划分为轻微大变形、中等大变 形、强烈大变形、极强大变形共四个等级，以岩体强度应力比Rm/σmax为 主要依据按下表划分：
Figure BDA0003467899200000051
S05.根据岩体天然抗压强度Rm和大变形等级的临界岩体强度应力比 Rm/σmax确定各大变形等级的临界最大初始地应力σmax：
(1)轻微大变形临界最大初始地应力σmax＝Rm/0.5；
(2)中等大变形临界最大初始地应力σmax＝Rm/0.25；
(3)强烈大变形临界最大初始地应力σmax＝Rm/0.15；
(4)极强大变形临界最大初始地应力σmax＝Rm/0.05；
S06.根据控制性钻孔14水压致裂法获得不同深度H的最大水平应力 σH和最小水平应力σh，用如下方程表达深度H和最大水平应力σH之间关 系：
H＝a·σmax+b
式中：a，b为常数；
S07.根据大变形等级和深度H和最大水平应力σH之间关系，确定各 大变形等级的临界深度：
(1)轻微大变形临界深度：H1＝a·K·R/0.5+b；
(2)中等大变形临界深度：H2＝a·K·R/0.25+b；
(3)强烈大变形临界深度：H3＝a·K·R/0.15+b；
(4)极强大变形临界深度：H4＝a·K·R/0.05+b；
S08.确定软质岩大变形区铁路空间线位，垂直隧道轴线2布置控制性 大变形剖面D，根据大变形各等级的临界埋深界线将剖面分为非大变形区 8、轻微大变形区9、中等大变形区10、强烈大变形区11和及极强大变形 区12；通过空间线位平面位置调整、空间线位纵断面位置调整的协调配 合，使预设隧道A绕避风险大的强烈大变形区11和及极强大变形区12， 调整后隧道B从风险较小的轻微大变形区9、中等大变形区10通过。
实施例：某高速铁路隧道穿过老尖山高地应力软质岩大变形区铁路空 间线位的确定。
参照图1和图2，某高速铁路隧道穿过四川盆地南缘与云贵高原之间 的斜坡过渡带的老尖山，隧道洞身段通过志留系(S)深灰色泥岩、砂岩 及页岩，隧址区发育箐门背斜和大关口断层，属高地应力软岩区。
为合理确定隧道通过老尖山高地应力软质岩大变形区的合理位置，在 老尖山山顶布置一个1100m的深孔开展勘探测试工作，测得洞身段最大 水平应力σH约为34.06MPa≥10MPa，取8组泥岩样开展室内单轴抗压强 度试验，获得泥岩天然抗压强度Rm标准值为8.7MPa≤30MPa，说明隧道 位于高地应力状态，存在软质岩大变形风险，需要进一步判定大变形临界 深度。
隧址区发育箐门背斜和大关口断层，地质构造较发育，岩体受地质构 造影响程度为较重，取地质构造影响折减系数K为0.54。
在深孔内开展地应力测试，地应力测量成果如下表所示。
钻孔水压致裂地应力测量成果一览表
Figure BDA0003467899200000061
上表中,σv是根据上覆岩石埋深计算的垂向主应力。
用二元一次方程建立深度H和最大水平应力σH之间的关系如图3所 示，求得a为23.518，b为13.102。
根据大变形等级的岩体强度应力比，确定各大变形等级的临界深度 13如下：
(1)轻微大变形临界深度：
H＝a·K·R/0.5+b＝23.518*0.54*8.7/0.5+13.102＝234.1m；
(2)中等大变形临界深度：
H＝a·K·R/0.25+b＝23.518*0.54*8.7/0.25+13.102＝455.1m；
(3)强烈大变形临界深度：
H＝a·K·R/0.15+b＝23.518*0.54*8.7/0.15+13.102＝749.7m；
(4)极强大变形临界深度：
H＝a·K·R/0.05+b＝23.518*0.54*8.7/0.05+13.102＝2222.9m。
该高速铁路隧道全长15.4km，根据各大变形等级的临界深度和隧道 埋深对比分析，埋深大于强烈大变形临界深度749.7m的软质岩主要位于 CK376+500～CK376+850m段，长度约350m，最大埋深990m，隧道洞身 位于强烈大变形区段，大变形严重，防控难度大，严重影响高速铁路安全 高效运营，由于线路前后受桥位和车站控制，平面位置无法调整，通过抬 高纵断面线路标高的方法，绕避强烈大变形区，从源头上规避了高地应力 大变形风险。

Claims (1)

1.一种确定高地应力软质岩大变形区铁路空间线位的方法，包括如下步骤：
S01.在软岩区布置控制性钻孔(14)，采用水压致裂法在钻孔中开展地应力测量，获得不同深度H的最大水平应力σH和最小水平应力σh，取岩样进行室内单轴抗压强度试验获取岩石的天然抗压强度R；
S02.当控制性钻孔(14)洞身段测得的最大水平应力σH≥10MPa，且岩石天然抗压强度R≤30MPa时，隧道位于高地应力状态，存在软质岩大变形风险，需要进一步判定大变形临界深度；
S03.高地应力软岩区岩体的天然抗压强度Rm主要受地质构造影响，按下式计算：
Rm＝K·R
式中：K为地质构造影响折减系数，按下表确定；
地质构造影响程度 无影响 较重 严重 折减系数K 0.75 0.54 0.33
S04.软质岩大变形按变形程度由弱到强划分为轻微大变形、中等大变形、强烈大变形、极强大变形共四个等级，以岩体强度应力比Rm/σmax为主要依据按下表划分：
Figure FDA0003467899190000011
S05.根据岩体天然抗压强度Rm和大变形等级的临界岩体强度应力比Rm/σmax确定各大变形等级的临界最大初始地应力σmax：
(1)轻微大变形临界最大初始地应力σmax＝Rm/0.5；
(2)中等大变形临界最大初始地应力σmax＝Rm/0.25；
(3)强烈大变形临界最大初始地应力σmax＝Rm/0.15；
(4)极强大变形临界最大初始地应力σmax＝Rm/0.05；
S06.根据控制性钻孔(14)水压致裂法获得不同深度H的最大水平应力σH和最小水平应力σh，用如下方程表达深度H和最大水平应力σH之间关系：
H＝a·σmax+b
式中：a，b为常数；
S07.根据大变形等级和深度H和最大水平应力σH之间关系，确定各大变形等级的临界深度：
(1)轻微大变形临界深度：H1＝a·K·R/0.5+b；
(2)中等大变形临界深度：H2＝a·K·R/0.25+b；
(3)强烈大变形临界深度：H3＝a·K·R/0.15+b；
(4)极强大变形临界深度：H4＝a·K·R/0.05+b；
S08.确定软质岩大变形区铁路空间线位，垂直隧道轴线(2)布置控制性大变形剖面(D)，根据大变形各等级的临界埋深界线将剖面分为非大变形区(8)、轻微大变形区(9)、中等大变形区(10)、强烈大变形区(11)和及极强大变形区(12)；通过空间线位平面位置调整、空间线位纵断面位置调整的协调配合，使预设隧道(A)绕避风险大的强烈大变形区(11)和及极强大变形区(12)，调整后隧道(B)从风险较小的轻微大变形区(9)、中等大变形区(10)通过。
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