一种确定高地应力硬质岩岩爆区铁路空间线位的方法与流程

1.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硬质岩岩爆分区的确定铁路工程空间线位的方法。


背景技术：

2.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。高地应力硬质岩岩爆区铁路减灾选线是硬质岩岩爆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。
3.高地应力区硬质岩岩爆是在高地应力的岩体中开挖隧洞，围岩应力突然释放，岩块破裂并抛出的动力现象，它是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象，给施工处理和运营安全造成了极大困难。
4.因此，在确定硬质岩岩爆区铁路空间线位时，应合理划分不同岩爆等级的影响范围，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，以降低硬质岩岩爆对铁路工程的风险。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种确定硬质岩岩爆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。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
7.发明一种确定高地应力硬质岩岩爆区铁路空间线位的方法，包括如下步骤：
8.s01.在硬质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；
9.s02.当钻孔洞身段测得的最大水平应力σh≥20mpa，且岩石天然抗压强度r≥30mpa时，说明隧道位于高地应力状态，存在硬质岩岩爆风险，需要进一步判定岩爆临界深度，否则不会发生硬质岩岩爆灾害；
10.s03.硬质岩岩爆按变形程度由弱到强划分为轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆、极强岩爆共四个等级，以临界岩石强度应力比r/σ
max
为主要依据按下表划分：
11.岩爆等级轻微岩爆中等岩爆强烈岩爆极强岩爆岩石强度应力比r/σ
max
3＜r/σ
max
≤42＜r/σ
max
≤31＜r/σ
max
≤2r/σ
max
≤1
12.s04.根据岩石的天然抗压强度r和岩爆等级的临界岩石强度应力比r/σ
max
确定各岩爆等级的临界最大初始地应力：
13.(1)轻微岩爆临界最大初始地应力σ
max
＝r/4；
14.(2)中等岩爆临界最大初始地应力σ
max
＝r/3；
15.(3)强烈岩爆临界最大初始地应力σ
max
＝r/2；
16.(4)极强岩爆临界最大初始地应力σ
max
＝r/1；
17.s05.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，用下式表达深度h和最大水平应力σh之间关系:
18.h＝a
·
σ
max
b
19.式中：a，b为常数；
20.s06.根据岩爆等级、深度h和最大水平应力σh之间关系，确定各岩爆等级的临界深度：
21.(1)轻微岩爆临界深度h1，h1＝a
·
r/4 b；
22.(2)中等岩爆临界深度h2，h2＝a
·
r/3 b；
23.(3)强烈岩爆临界深度h3，h3＝a
·
r/2 b；
24.(4)极强岩爆临界深度h4，h4＝a
·
r/1 b；
25.s07.确定硬质岩岩爆区铁路空间线位，垂直隧道轴线布置控制性岩爆剖面，根据岩爆各等级的临界埋深界线将剖面分为非岩爆区、轻微岩爆区、中等岩爆区、强烈岩爆区及极强岩爆区；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a绕避风险大的强烈岩爆区、极强岩爆区，调整后隧道从风险较小的轻微岩爆区、中等岩爆区通过。
26.本发明的有益效果是，从铁路工程减灾选线的角度出发，将高地应力区硬质岩岩爆划分为轻微、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，最大程度降低岩爆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，确保了高地应力硬质岩岩爆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
27.本说明书包括如下三幅附图：
28.图1是硬质岩岩爆剖面和铁路工程位置关系图；
29.图2是硬质岩岩爆分区和隧道位置关系图；
30.图3是实施例的计算图例。
31.图中示出部位名称及所对应的标记：河流1、铁路工程2、地面3、轻微岩爆临界界线4、中等岩爆临界界线5、强烈岩爆临界界线6、极强岩爆临界界线7、无岩爆区8、轻微岩爆区9、中等岩爆区10、强烈岩爆区11、极强岩爆区12、临界深度13、控制性钻孔14、预设隧道a、调整隧道b、控制性岩爆剖面d。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
33.参照图1和图2，本发明1.一种确定高地应力硬质岩岩爆区铁路空间线位的方法，包括如下步骤：
34.s01.在硬质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；
35.s02.当钻孔洞身段测得的最大水平应力σh≥20mpa，且岩石天然抗压强度r≥30mpa时，说明隧道位于高地应力状态，存在硬质岩岩爆风险，需要进一步判定岩爆临界深度，否则不会发生硬质岩岩爆灾害；
36.s03.硬质岩岩爆按变形程度由弱到强划分为轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆、极强岩爆共四个等级，以临界岩石强度应力比r/σ
max
为主要依据按下表划分：
37.岩爆等级轻微岩爆中等岩爆强烈岩爆极强岩爆岩石强度应力比r/σ
max
3＜r/σ
max
≤42＜r/σ
max
≤31＜r/σ
max
≤2r/σ
max
≤1
38.s04.根据岩石的天然抗压强度r和岩爆等级的临界岩石强度应力比r/σ
max
确定各岩爆等级的临界最大初始地应力：
39.(1)轻微岩爆临界最大初始地应力σ
max
＝r/4；
40.(2)中等岩爆临界最大初始地应力σ
max
＝r/3；
41.(3)强烈岩爆临界最大初始地应力σ
max
＝r/2；
42.(4)极强岩爆临界最大初始地应力σ
max
＝r/1；
43.s05.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，用下式表达深度h和最大水平应力σh之间关系:
44.h＝a
·
σ
max
b
45.式中：a，b为常数；
46.s06.根据岩爆等级、深度h和最大水平应力σh之间关系，确定各岩爆等级的临界深度：
47.(1)轻微岩爆临界深度h1，h1＝a
·
r/4 b；
48.(2)中等岩爆临界深度h2，h2＝a
·
r/3 b；
49.(3)强烈岩爆临界深度h3，h3＝a
·
r/2 b；
50.(4)极强岩爆临界深度h4，h4＝a
·
r/1 b；
51.s07.确定硬质岩岩爆区铁路空间线位，垂直隧道轴线2布置控制性岩爆剖面d，根据岩爆各等级的临界埋深界线将剖面分为非岩爆区8、轻微岩爆区9、中等岩爆区10、强烈岩爆区11及极强岩爆区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绕避风险大的强烈岩爆区11、极强岩爆区12，调整后隧道b从风险较小的轻微岩爆区9、中等岩爆区10通过。
52.实施例：某高速铁路隧道穿过老尖山高地应力硬质岩岩爆区铁路空间线位的确定。
53.参照图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，隧道洞身段通过二叠系(p)、石炭系(c)灰岩、硅质灰岩，隧址区发育箐门背斜和大关口断层，属高地应力硬岩区。
54.为合理确定隧道通过老尖山高地应力硬质岩岩爆区的合理位置，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≥20mpa，取12组灰岩样开展室内单轴抗压强度试验，获得灰岩天然抗压强度标准值为42.5mpa≥30mpa，说明隧道位于高地应力状态，存在硬质岩岩爆风险，需要进一步判定岩爆临界深度。
55.在深孔内开展地应力测试，地应力测量成果如下表所示。
56.钻孔水压致裂地应力测量成果一览表
[0057][0058]
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。
[0059]
根据岩爆等级的岩石强度应力比，确定各岩爆等级的临界深度：
[0060]
(1)轻微岩爆临界深度：h＝a
·
r/4 b＝23.518*42.5/4 13.102＝263.0m；
[0061]
(2)中等岩爆临界深度:：h＝a
·
r/3 b＝23.518*42.5/3 13.102＝346.3m；
[0062]
(3)强烈岩爆临界深度：h＝a
·
r/2 b＝23.518*42.5/2 13.102＝512.9m；
[0063]
(4)极强岩爆临界深度：h＝a
·
r/1 b＝23.518*42.5/1 13.102＝1012.6m。
[0064]
该高速铁路隧道全长15.4km，根据各岩爆等级的临界深度和隧道埋深对比分析，埋深大于强烈岩爆临界深度512.9m的硬质岩主要位于ck384 925～ck385 595m段，长度约670m，最大埋深820m，隧道洞身位于强烈岩爆区段，岩爆严重，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，绕避强烈岩爆区，从源头上规避了高地应力岩爆风险。