基于巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的川藏鐵路某深埋硬巖隧道線路方案比選研究

陳仕闊 ，李涵睿 ，周 航,2 ，陳興強(qiáng) ，劉 彤

（1.西南交通大學(xué)地質(zhì)工程系，四川 成都 611756；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都610031；3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

新建川藏鐵路沿線區(qū)域動(dòng)力學(xué)環(huán)境極其活躍，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜多變，深埋硬巖隧道的典型地質(zhì)病害突出，成為影響選線、設(shè)計(jì)、施工的關(guān)鍵問(wèn)題。巖爆災(zāi)害因其突發(fā)性、不確定性和破壞力強(qiáng)，至今仍是困擾地下工程勘察設(shè)計(jì)和安全施工的一個(gè)世界性難題[1-3]。因此，進(jìn)行深埋隧道巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究，對(duì)川藏鐵路的選線設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都具有非常重要的工程實(shí)際價(jià)值。

目前，現(xiàn)行的鐵路選線方法主要有工程選線、環(huán)保選線、地形選線、地質(zhì)選線、減災(zāi)選線等[4]，對(duì)線路的評(píng)價(jià)仍以定性分析為主。綜合多種影響因素進(jìn)行考慮，對(duì)線路進(jìn)行定量的客觀評(píng)價(jià)，特別是把控重大風(fēng)險(xiǎn)，突破關(guān)鍵控制難題，依然是艱險(xiǎn)復(fù)雜山區(qū)鐵路選線的重要研究方向。羅圓等[5]建立了一種基于大地震風(fēng)險(xiǎn)的川藏鐵路線路方案評(píng)價(jià)模型，通過(guò)規(guī)避地震風(fēng)險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行選線。張永雙等[6]以成蘭鐵路隧道穿越活動(dòng)斷裂為例，提出了活動(dòng)斷裂帶工程地質(zhì)選線思路和對(duì)策。楊宗佶等[7]通過(guò)研究滑坡災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境、誘發(fā)條件和災(zāi)害特征，提出了一種山區(qū)鐵路規(guī)劃選線方法。鐘衛(wèi)等[8]根據(jù)崩塌落石對(duì)鐵路工程及運(yùn)營(yíng)的影響研究，指出了針對(duì)崩塌危險(xiǎn)區(qū)域的鐵路選線方法。林奎[9]綜合考慮優(yōu)選指標(biāo)體系與模糊層次評(píng)判模型，建立了一種適用于冰川泥石流地區(qū)鐵路選線的評(píng)價(jià)模型。李雯[10]系統(tǒng)地研究了適用于巖溶區(qū)域的鐵路選線方法。李國(guó)和等[11]根據(jù)實(shí)測(cè)資料詳細(xì)總結(jié)了采空區(qū)鐵路勘察選線設(shè)計(jì)的基本流程，并給出了采空區(qū)鐵路選線安全距離計(jì)算方法、相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)及選線途徑。大量研究表明，線路區(qū)域內(nèi)的典型地質(zhì)病害是影響線路優(yōu)選的主要因素之一，針對(duì)性的選線研究是非常必要的[12]。隨著川藏鐵路等復(fù)雜山區(qū)鐵路工程的規(guī)劃建設(shè)，深埋硬巖隧道數(shù)量越來(lái)越多，且整體埋深較深，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地質(zhì)條件異常復(fù)雜，巖爆等典型地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題也越發(fā)突出，在減災(zāi)選線設(shè)計(jì)中進(jìn)行針對(duì)性的研究也越發(fā)重要。

眾多學(xué)者對(duì)巖爆的影響因素、判據(jù)開(kāi)展了一系列研究探討。影響因素方面，徐林生等[13]對(duì)多個(gè)地下工程資料進(jìn)行整理研究，發(fā)現(xiàn)高地應(yīng)力條件是巖爆產(chǎn)生的能量來(lái)源，巖體結(jié)構(gòu)及其性能、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等決定了產(chǎn)生巖爆的能量積蓄和釋放能力、巖爆方式等。何川等[14]通過(guò)對(duì)蒼嶺隧道的巖爆特征與影響因素的相關(guān)性分析，認(rèn)為巖性與應(yīng)力條件對(duì)巖爆的發(fā)生起著控制作用。判據(jù)方面，張鏡劍等[15]將陶振宇判據(jù)和谷明成判據(jù)結(jié)合起來(lái)，提出修改后的谷-陶判據(jù)。還有一些學(xué)者致力于巖爆預(yù)測(cè)方面，邱道宏等[16]基于超前地質(zhì)探測(cè)和地應(yīng)力反演數(shù)據(jù)對(duì)江邊水電站掌子面前方范圍內(nèi)的巖爆強(qiáng)度進(jìn)行精細(xì)預(yù)測(cè)。邢軍等[17]基于地應(yīng)力和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合水文地質(zhì)條件，綜合分析該隧道發(fā)生巖爆的危險(xiǎn)性等級(jí)。徐俊帥等[18]研究發(fā)現(xiàn)廣義Hoek-Brown計(jì)算的巖體強(qiáng)度可以綜合考慮巖石類型和強(qiáng)度、施工情況、巖體結(jié)構(gòu)特征，提出用巖體強(qiáng)度代替巖石強(qiáng)度進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)。這些研究成果都充分認(rèn)識(shí)到了地應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境及巖體力學(xué)性質(zhì)對(duì)巖爆評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，但是受限于隧道工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，目前普遍存在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不完善及指標(biāo)相關(guān)性不明確等問(wèn)題。因此，構(gòu)建完善的巖爆評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定指標(biāo)的客觀權(quán)重，采用多指標(biāo)的綜合預(yù)測(cè)方法是解決該問(wèn)題的有效途徑之一。

巖爆綜合預(yù)測(cè)是通過(guò)構(gòu)建合適的數(shù)學(xué)模型或經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系，對(duì)地下工程的潛在巖爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)[19-20]。筆者基于熵權(quán)-理想點(diǎn)法和地應(yīng)力場(chǎng)反演分析構(gòu)建了一種巖爆預(yù)測(cè)模型，并在川藏鐵路拉林段桑珠嶺隧道巖爆預(yù)測(cè)中得到較好的驗(yàn)證[21]。在此基礎(chǔ)上，本文立足于我國(guó)西部復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路工程隧道建設(shè)，將前述巖爆預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于新建川藏鐵路某深埋長(zhǎng)大硬巖隧道，從巖爆問(wèn)題著手進(jìn)行線路方案比選研究，以期為類似工程地質(zhì)條件下的深埋長(zhǎng)大硬巖隧道選線研究提供解決方案。

1 巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型

1.1 巖爆評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

通過(guò)對(duì)以往發(fā)生巖爆的深埋隧道典型案例資料進(jìn)行收集和整理，總結(jié)發(fā)現(xiàn)巖爆的發(fā)生主要與地應(yīng)力狀態(tài)、圍巖性質(zhì)以及巖體本身力學(xué)性質(zhì)有關(guān)[22]。Zhou等[21]通過(guò)歸納總結(jié)巖爆案例的破壞特征及發(fā)生規(guī)律，基于熵權(quán)法的屬性約簡(jiǎn)研究分析了巖爆的關(guān)鍵影響因素，從11項(xiàng)指標(biāo)中選取巖石單軸抗壓強(qiáng)度與洞壁最大主應(yīng)力比（σc/σmax）、洞壁最大切向應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度比（σθ/σc）、巖石強(qiáng)度脆性系數(shù)（σc/σt）、巖石彈性能指數(shù)（Wet）及巖體完整性系數(shù)（Kv）作為巖爆評(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合熵權(quán)-理想點(diǎn)法和地應(yīng)力場(chǎng)反演構(gòu)建了巖爆危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)模型。因此，本文選取上述5項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建巖爆評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，這些評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合反映了具有巖爆傾向的圍巖性質(zhì)、巖石力學(xué)性能和高地應(yīng)力環(huán)境，保證了所選評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于巖爆綜合評(píng)價(jià)的有效性以及體系的完備性[13,15,21-22]。為便于后續(xù)巖爆評(píng)價(jià)指標(biāo)的歸一化處理及權(quán)重計(jì)算，本文對(duì)強(qiáng)度應(yīng)力比法的原始比值范圍進(jìn)行統(tǒng)一處理。在保證安全合理基礎(chǔ)上，將強(qiáng)度應(yīng)力比法中的極強(qiáng)巖爆歸入強(qiáng)烈?guī)r爆中，即當(dāng)σc/σmax＜2時(shí)，屬于強(qiáng)烈?guī)r爆。巖爆與各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系如表1所示[15,20-22]。

表1 巖爆與各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系Table 1 Relationship between rock burst and various evaluation indexes

1.2 熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

熵權(quán)法的基本思路是根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，能夠克服專家打分法、平均法等主觀性強(qiáng)的缺陷，得到的指標(biāo)權(quán)重更加合理可靠[22]。本文利用其對(duì)巖爆評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行客觀賦權(quán)，其評(píng)價(jià)指標(biāo)分為“效益型”和“成本型”兩種，經(jīng)量綱歸一化處理后，計(jì)算可得巖爆評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

1.3 理想點(diǎn)法確定巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

理想點(diǎn)法是多屬性決策中常用的一種解決多因素問(wèn)題的方法，能集中反映總體情況并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其核心是計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象到理想點(diǎn)的距離大小并將其作為判斷歸屬的依據(jù)。距離越小，說(shuō)明評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解越接近。本文采用閔可夫斯基距離函數(shù)[21]計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與理想點(diǎn)的距離D：

其中，fi（x）、fi*（+）、fi*u和fi*l依次為第i個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值、理想值、上限值和下限值。

H為閔可夫斯基距離，當(dāng)H取1，2和∞時(shí)分別代表曼哈頓距離、歐氏距離和切比雪夫距離。根據(jù)Zhou等[21]對(duì)川藏鐵路桑珠嶺隧道巖爆評(píng)價(jià)研究，選擇H=2（歐氏距離）在巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的精度達(dá)到94.1%。在后續(xù)隧道線路比選研究中，選擇H=2進(jìn)行巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

2 工程概況及線路比選方案

2.1 大高差的地貌特征

川藏鐵路某隧道地處藏東南三江流域高山峽谷地區(qū)，工程區(qū)地貌形態(tài)主要受青藏高原地貌隆升的影響，山脈總體走向?yàn)闁|西向，山勢(shì)雄偉，群峰高聳，地面高程為3 720～4 900 m，是典型的“V”形高山峽谷地貌。

2.2 復(fù)雜活躍的地質(zhì)構(gòu)造特征

川藏鐵路地處印度洋板塊與亞歐板塊擠壓碰撞形成的造山帶，屬于強(qiáng)烈擠壓區(qū)[23]。在構(gòu)造分區(qū)圖上（圖1），研究區(qū)主體位于華南板塊（Ⅲ） 及滇藏板塊（Ⅳ） 內(nèi)[24]。川藏鐵路所經(jīng)過(guò)的川西及藏東南地區(qū)處于印度板塊北移的壓應(yīng)力場(chǎng)之中，構(gòu)造活動(dòng)帶表現(xiàn)出多期性，這些構(gòu)造運(yùn)動(dòng)更多地表現(xiàn)在一系列強(qiáng)烈活動(dòng)的斷裂構(gòu)造帶上，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造異常復(fù)雜[25-26]，加之隧道埋深大、圍巖強(qiáng)度高，使得高地應(yīng)力條件下的硬巖巖爆災(zāi)害問(wèn)題尤為突出，對(duì)鐵路選線設(shè)計(jì)，尤其是地質(zhì)選線工作提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

圖1 新建川藏鐵路沿線構(gòu)造綱要[24]Fig.1 Geotectonic outline of the new Sichuan-Tibet Railway[24]

2.3 主要的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

川藏鐵路某隧道最大埋深超過(guò)1 320 m，巖性多為花崗閃長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)花崗巖等硬巖，塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬[27]，隧道典型地質(zhì)剖面（B線路）如圖2所示。結(jié)合工程區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征及實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)，該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力處于較高水平。經(jīng)過(guò)初步調(diào)查，影響該隧道工程選線的主要地質(zhì)災(zāi)害為巖爆，其余類型的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)本隧道影響相對(duì)較小，本文暫不考慮，僅探討基于巖爆危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的隧道關(guān)鍵控制段比選方案。

圖2 新建川藏鐵路某隧道典型地質(zhì)剖面Fig.2 Typical geological section of a tunnel on the new Sichuan-Tibet Railway

2.4 線路比選方案

本文以新建川藏鐵路某隧道作為研究對(duì)象，基于對(duì)潛在的巖爆危害進(jìn)行定量評(píng)估，開(kāi)展3條線路方案的比選研究（圖3）。線路均位于怒江高山峽谷向伯舒拉嶺山區(qū)的過(guò)渡區(qū)域[27]。

圖3 線路方案Fig.3 Route scheme

根據(jù)圖4可知，3條線路的埋深超過(guò)1 000 m的段落較少，其中A線路平均埋深超過(guò)1 000 m路段占比最大，達(dá)到5.8%；B線路占比最小，為5.2%。隧道圍巖的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)決定了巖爆發(fā)生時(shí)能量積聚和釋放的能力大小，巖爆多發(fā)生在I、II、III級(jí)圍巖中。根據(jù)圖5，C線路Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖占比最多，為81.3%，A線路較C路線稍少，為74.4%；B線路Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖占比最少，為56.4%。

圖4 線路埋深分布Fig.4 Distribution of buried depth

圖5 線路圍巖級(jí)別占比Fig.5 Percentage of surrounding rock grades

3 基于巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的減災(zāi)選線評(píng)價(jià)

3.1 工程區(qū)巖石力學(xué)試驗(yàn)

川藏鐵路某隧道的巖性以二長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖等硬巖為主，按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì) （ISRM）的規(guī)定，將巖樣加工成標(biāo)準(zhǔn)巖石試件。先通過(guò)RSMSY6聲波儀測(cè)量巖石試件的橫波和縱波速度，計(jì)算得到巖石試件的動(dòng)彈性模量和動(dòng)泊松比。隨后，在RMT-150C型電液伺服控制剛性壓力機(jī)上對(duì)二長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖等巖石試件分別開(kāi)展單軸壓縮變形試驗(yàn)和巴西圓盤劈裂試驗(yàn)，測(cè)試得到兩種巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、靜彈性模量和靜泊松比。圖6為巖石全過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，川藏鐵路某隧道巖石力學(xué)基本參數(shù)如表2所示。

圖6 巖石全過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 The complete stress-strain curve

表2 巖石物理力學(xué)參數(shù)一覽表Table 2 Physical and mechanical parameters of rocks

3.2 巖爆傾向性評(píng)價(jià)

巖爆傾向性評(píng)價(jià)主要考慮巖石的強(qiáng)度和變形，以及巖性方面進(jìn)行巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究。結(jié)合前人對(duì)巖石的巖爆傾向性指標(biāo)分析研究[1,16,22]，選擇最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能指標(biāo)和巖石強(qiáng)度脆性系數(shù)對(duì)該工程區(qū)可能發(fā)生巖爆的硬質(zhì)巖（主要為二長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖）的巖爆傾向性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。在巖爆傾向性評(píng)價(jià)中，巖石力學(xué)參數(shù)均取其平均值。

巖石硬脆程度可以用強(qiáng)度脆性系數(shù)B來(lái)表示：

式中：σc—巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度/MPa；

σt—巖石單軸抗拉強(qiáng)度/MPa。

最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能指標(biāo)可用下式計(jì)算：

式中：Es—最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能指標(biāo)/（MJ·m-3）;

E—巖石彈性模量/GPa。

根據(jù)式（2）和（3），結(jié)合表2，計(jì)算可得二長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖的強(qiáng)度脆性系數(shù)分別為19.74，19.92，最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能分別為0.22 ，0.31 MJ/m3，并繪制二長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖的巖爆傾向性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果分析圖，如圖7所示。由于二者的強(qiáng)度脆性系數(shù)和最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能均處于同一水平區(qū)間且相差不大，可認(rèn)為兩種巖性對(duì)巖爆的影響程度無(wú)較大的差異。故該隧道兩種巖性的巖爆傾向性均在輕微-中等巖爆之間。

圖7 巖爆傾向性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果分析圖Fig.7 Test results and evaluation criteria of rock burst proneness

3.3 地應(yīng)力測(cè)試及初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析

川藏鐵路某隧道采用水壓致裂法進(jìn)行了原位地應(yīng)力測(cè)試，CD-1#鉆孔實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)如表3所示。由實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料可知，鉆孔實(shí)測(cè)最大埋深622 m，最大水平主應(yīng)力SH范圍為6.25～17.55 MPa，最小水平主應(yīng)力Sh范圍為4.66～16.20 MPa，垂向主應(yīng)力Sv范圍為5.32～13.35 MPa。三向主應(yīng)力的大小關(guān)系在淺部滿足：SH＞Sh＞Sv，反映了在地殼淺層有著較強(qiáng)的水平構(gòu)造應(yīng)力作用的特點(diǎn)；埋深超過(guò)400 m的部分表現(xiàn)為：SH＞Sv＞Sh，說(shuō)明隨著埋深的增大，自重應(yīng)力影響逐漸增大，但最大水平主應(yīng)力依然占據(jù)主導(dǎo)地位。

表3 實(shí)測(cè)鉆孔地應(yīng)力數(shù)據(jù)Table 3 Measured borehole stress data

根據(jù)工程地質(zhì)資料，結(jié)合DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，選取20 000 m×10 000 m的區(qū)域作為計(jì)算對(duì)象，保證3條比選線路均處于模型中央。通過(guò)擬合三維地形曲面并建立三維模型并剖分地層后，導(dǎo)入COMSOL Multiphysics中生成計(jì)算模型。本次計(jì)算采用邊界荷載調(diào)整法[22]，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料對(duì)隧址區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行反演分析，該隧道最大水平主應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 工程區(qū)最大水平主應(yīng)力云圖Fig.8 Maximum horizontal principal stress of the engineering area

根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料以及初始地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果可知，該隧道沿線73%的區(qū)域都處于高到極高地應(yīng)力狀態(tài)，具備巖爆發(fā)生的高地應(yīng)力條件。從圖8（b）可知，隧道軸線上最大水平主應(yīng)力的量值普遍較高，有90.41%的區(qū)段應(yīng)力值大于20 MPa，反映了該區(qū)域較強(qiáng)的水平構(gòu)造應(yīng)力作用特征。受篇幅限制，表4僅列出該隧道3條線路12個(gè)里程段的應(yīng)力資料（每段里程100 m）。

表4 線路部分里程的應(yīng)力資料Table 4 Stress data of route partial mileage

新建川藏鐵路某隧道擬采取全斷面掘進(jìn)法開(kāi)挖，即開(kāi)挖斷面為圓形，洞壁最大切向力σθ計(jì)算方式見(jiàn)文獻(xiàn)[21]。根據(jù)上文所述，確定該隧道各里程段的巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度（σc）、最大主應(yīng)力（σmax），并計(jì)算洞壁最大切向力（σθ），該隧道3條比選線路部分里程的巖爆分析資料如表5所示。在本文巖爆危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)中，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度取其平均值。

表5 線路部分里程的巖爆分析資料Table 5 Rock burst analysis data of route partial mileage

根據(jù)圖9實(shí)測(cè)鉆孔地應(yīng)力值與模擬值對(duì)比可知，實(shí)測(cè)值與模擬值整體結(jié)果較吻合，最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂向主應(yīng)力基本上均隨埋深的增大而逐漸增大，且三向主應(yīng)力的平均誤差分別為9.9%、11.3%和2.0%。根據(jù)初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析求得鉆孔各測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力的平均方位為N48°E，與實(shí)測(cè)方位N42°—52°E相吻合，與現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力場(chǎng)方向也基本相符。因此，初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析的結(jié)果能夠反映該隧道所在區(qū)域?qū)嶋H地應(yīng)力情況，可以作為巖爆危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)的參考依據(jù)。

圖9 實(shí)測(cè)鉆孔地應(yīng)力值與模擬值對(duì)比Fig.9 Comparison of the measured borehole value and simulated value

3.4 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)值

川藏鐵路某隧道各個(gè)里程段的巖石彈性能指數(shù)Wet由室內(nèi)試驗(yàn)和工程類比法綜合確定。根據(jù)國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50218—1994）[28]中的巖體BQ值以及隧道圍巖基本質(zhì)量級(jí)別、巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度、地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、天然應(yīng)力等地質(zhì)勘察資料，反推隧道各里程段的巖體完整性系數(shù)Kv。最后，結(jié)合表3和表4，得到隧道各評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體數(shù)值，如表6所示。

表6 各評(píng)價(jià)指標(biāo)值Table 6 Each evaluation index values

3.5 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)熵權(quán)法的基本理論及計(jì)算規(guī)則，利用其對(duì)巖爆評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行客觀賦權(quán)，輸入該工程區(qū)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值，經(jīng)量綱歸一化處理后，計(jì)算可得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。由表7可知，σθ/σc對(duì)某隧道巖爆的影響較大，其次是Wet，而σc/σmax、Kv和σc/σt對(duì)巖爆的影響相對(duì)較小。其中，巖爆各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的大小與某隧道工程的樣本組成和數(shù)量有關(guān)，樣本越多，代表性越強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果越可靠。

表7 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)Table 7 Entropy weight of each evaluation index

3.6 巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)筆者在前期工作中提出的熵權(quán)-理想點(diǎn)法和地應(yīng)力場(chǎng)反演方法[21]，構(gòu)建的深埋硬巖隧道巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型來(lái)綜合評(píng)估理想點(diǎn)距離與巖爆等級(jí)的關(guān)系，川藏鐵路某隧道3條線路的巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果示例如表8所示。根據(jù)所選12個(gè)里程段的巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果可知，B線路的巖爆危害影響相對(duì)較小。

表8 巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果示例Table 8 Examples of rock burst risk assessment results

3.7 線路綜合比選及推薦方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料、室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)、初始地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果以及工程類比法等，將3條比選方案各個(gè)里程段的巖爆評(píng)價(jià)指標(biāo)值代入巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型中，得到評(píng)價(jià)結(jié)果如圖10所示。結(jié)果表明，A線路總巖爆段落占比32.5%，B線路總巖爆段落占比24.9%，C線路總巖爆段落占比26.7%，從總巖爆段落占比來(lái)看，A線路巖爆發(fā)生的可能性最大，B線路巖爆發(fā)生的可能性最小。中等和強(qiáng)烈?guī)r爆的防控是設(shè)計(jì)及施工中的棘手問(wèn)題，有較強(qiáng)的不可控性，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)研究。A線路中不可控巖爆（中等巖爆和強(qiáng)烈?guī)r爆）段落占比為17.4%，B線路中不可控巖爆段落占比13.4%，C線路中不可控巖爆段落占比17.5%。A線路和C線路中不可控巖爆段落占比相當(dāng)，分別比B線路高4.0%和4.1%。綜合對(duì)比可知，B線路可初步作為優(yōu)選方案。此外，還應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘察深度、進(jìn)行更多的實(shí)測(cè)地應(yīng)力鉆孔測(cè)試以及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合更加精細(xì)化表征的地應(yīng)力反演模型，并借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)，綜合確定巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)所依據(jù)的指標(biāo)及其權(quán)重，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確和可靠。

圖10 巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.10 Rock burst risk assessment results

4 結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力以及初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析結(jié)果可知，川藏鐵路某隧道沿線多段具備發(fā)生巖爆的高地應(yīng)力條件。對(duì)該工程區(qū)可能發(fā)生巖爆的二長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖進(jìn)行巖爆傾向性評(píng)價(jià)可知，兩種巖性的巖爆傾向性均在輕微—中等巖爆之間。

（2）基于熵權(quán)-理想點(diǎn)法和地應(yīng)力場(chǎng)反演的巖爆危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)川藏鐵路某隧道3條線路的巖爆災(zāi)害進(jìn)行定量評(píng)價(jià)可知：A線路的巖爆災(zāi)害影響程度最高，B線路的巖爆災(zāi)害影響程度最低，并且B線路中不可控巖爆（中等巖爆和強(qiáng)烈?guī)r爆）段落占比最小，巖爆災(zāi)害影響最小，為最優(yōu)線路方案。

（3）本文通過(guò)定量分析巖爆災(zāi)害的影響程度來(lái)指導(dǎo)新建川藏鐵路深埋硬巖隧道選線，規(guī)避巖爆潛在風(fēng)險(xiǎn)的影響，為最終的鐵路選線決策提供技術(shù)支撐。由于鐵路選線是一個(gè)復(fù)雜的工程地質(zhì)問(wèn)題，還需進(jìn)一步結(jié)合其它影響因素綜合研究確定。