中尼铁路交通廊道现今构造应力场及其工程影响

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2020.104

摘要/Abstract

摘要：

拟建中尼铁路位于印欧板块碰撞推挤的前缘地带,区域深大断裂发育,地震频发,新构造活动强烈,应力状态复杂。基于中尼铁路交通廊道震源机制解及原地应力测量资料,分析中尼铁路沿线区域构造应力场分布特征,进一步讨论现今构造应力场对铁路方案和重要工程设置的潜在影响。研究结果表明,研究区震源深度主压应力优势方向在板块碰撞边界为NEE向,高原内部则表现出明显的非均匀性特征。中国境内日喀则至吉隆段主要处于拉张-剪切应力环境,尼泊尔境内区段处于印欧板块推挤控制的挤压应力环境。在缺少中尼铁路沿线原地应力实测资料的现状下,结合邻区实测数据分析认为,该区地壳浅表层应力结构以逆断型为主,水平最大主压应力优势方向为NE向。基于研究区内主应力方向分布特征将中尼铁路沿线划分为日喀则―萨迦、萨迦―定结、定结―吉隆、聂拉木、吉隆―讷瓦果德和加德满都共6段。根据构造应力场分析结果并基于σ_θmax/R_c理论对铁路隧道工程围岩岩爆可能性进行了讨论,结果表明最大水平主应力方向与隧道轴向夹角较大时对隧道围岩稳定性不利,且隧道埋深越大则围岩岩爆的可能性越大。中尼铁路大多区段轴向与最大水平主应力方向呈大角度相交甚至近垂直,当隧道埋深较大时具有发生岩爆的可能,需重点防护。研究结果可为中尼铁路交通廊道工程勘察选线提供参考。

关键词: 青藏高原, 中尼铁路, 地应力状态, 围岩稳定性

Abstract:

The proposed China-Nepal railway is located in the India-Asia collisional-compressive front, which is characterized by regional active faulting, frequent earthquakes, strong neotectonic activities, and complex stress fields.Characteristics of the present-day stress field in the railway corridor and its effects on tunnel stabi-lities is analyzed based on the focal mechanism solutions and in-situ stress measurements. The results show that the local principal compressive stress at the seismogenic depths is ENE along the plate boundary, compared with the heterogeneous stress field inside the Plateau. The Chinese (Xigaze to Jilong) section is mainly in tensile-shear stress field, while the Nepali section is in compressive stress field controlled by the India-Asia collision. Given that there is no in-situ measurement in the China-Nepal railway corridor, we analyzed the shallow stress field based on the measured data in the neighboring areas. Stress regime in the shallow crust is generally conducive to reverse faulting, and the maximum horizontal principal stress is predominantly NE. Based on the distribution characteristics of principal stress direction, the China-Nepal Railway comprises six sections, and the possibility of the wallrock burst is discussed,considering both stress field analysis and σ_θ_max/R_c theory.We concluded that a larger angle between the maximum horizontal principal stress direction and the axial direction of the tunnel is detrimental to the wall rock stability:The greater the tunnel depth, the greater the rock burst possibility.Most sections of the China-Nepal railway intersect the maximum horizontal principal stress axis at a large angle or even nearly perpendicular. Rock bursts likely occur when the tunnel is deep, and major protection measures are required.This study provides scientific reference for railway engineering survey and routeselection.

Key words: Tibetan Plateau, China-Nepal railway, tectonic stress field, wall rock stability

中图分类号:

P553
P642

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图/表 13

图1 中尼铁路交通廊道构造背景图((a), 断裂构造据文献[28]及遥感影像解译综合汇编; 历史地震数据引自http://data.earthquake.cn)和喜马拉雅造山带中段剖面结构示意图((b), 据文献[18, 21]修编) (a)图中:F1.藏南滑脱拆离系断裂;F2.雅鲁藏布江断裂带;F3.申扎—定结断裂;F4.达吉岭—昂仁—仁布断裂;F5.札达—拉孜—邛多江断裂;F6.参达隐伏断裂;F7.打加错—佩枯错南北向断裂;F8. 喜马拉雅主中央逆冲断裂;F9. 喜马拉雅主边界逆冲断裂;F10. 喜马拉雅主前缘逆冲断裂。(b)图中:STDS. 藏南滑脱拆离系断裂;MCT. 喜马拉雅主中央逆冲断裂;MBT. 喜马拉雅主边界逆冲断裂;MFT. 喜马拉雅主前缘逆冲断裂;MHT. 喜马拉雅主逆冲断裂

Fig.1 Geological sketch of China-Nepal Railway Corridor ((a), modified after ref.[28] and http://data.earthquake.cn) and structure profile of the middle section of the Himalayan orogenic belt ((b), modified from refs.[18, 21])

图2 断层活动类型及对应的应力结构和震源机制解示意图(据文献[30, 34]修改) SH. 最大水平主应力;Sh. 最小水平主应力;Sv. 垂向应力;P、T、B. 震源机制解中的P、T和B轴

Fig.2 Schematic diagrams of fault types and corresponding stress regimes and focal mechanism solutions (modified from refs. [30,34])

图3 研究区内Mw≥4.7级地震(1976―2019)震源机制解空间分布示意图(震源机制解数据取自GCMT; 断裂构造据文献[28]及遥感影像解译综合汇编)

Fig.3 Focal mechanism solutions from the GCMT catalogue (Mw≥4.7, 1976-2019) in the study area (modified after ref.[28])

图4 研究区最大水平主应力方向分布(断裂构造据文献[28]及遥感影像解译综合汇编)

Fig.4 Distribution of the maximum horizontal principal stress derived from the focal mechanism solutions and in-situ stress measurements(modified after ref.[28])

表1 中尼铁路交通廊道邻区实测地应力结果

Table 1 Results of in-situ stress measurements along/around the China-Nepal Railway Corridor

编号	测试深度/m	S_H/ MPa	S_h/ MPa	S_H 方位	参考文献
YBJ-p-1	13	10.4	8.4	N70°E	[50]
YBJ-p-2	12	5.7	2.8	N81°E
YBJ-p-3	12	6.6	4.6	N45°E
YBJ-p-4	11	3.3	2.5	N45°E
PYL	21.93	27.4	15.4	N35°E	[51]
	25.18	24.9	14.7
	27.13	24.7	14.6
YBJ-h	60	4.62	3.82		[52]
	85	4.30	3.82	N55°E
	113	6.02	4.82
	139	7.92	6.14
	165	6.75	6.16	N46°E
	209	10.67	8.39
	222	9.77	8.10
	243	11.06	9.20
	261	12.88	10.80	N65°E
	286	11.34	10.20	N53°E
QS	73.8	11.73	8.54		[52]
	115.8	14.36	9.03	N47°W
	122.3	14.15	8.63	N40°W
	134.8	12.07	7.65
LS	133	9.51	5.75		[53]
	170	13.01	6.80
	241	18.12	10.90
	283	17.53	10.31
	296	13.59	9.08
ND	117.0	5.45	3.42		[39]
	131.2	6.37	4.20
	146.5	9.25	6.00
	178.3	5.22	3.76
	190.8	6.83	4.48
	216.8	11.85	6.94	N12°E
	226.3	14.90	8.67
	247.2	14.02	8.50	N28°E
	273.3	12.97	7.83	N14°W
	295.8	9.53	6.15	N28°E
	370.0	23.40	14.52
	396.3	30.30	16.69
	463.7	28.84	16.25

图5 中尼铁路交通廊道邻区实测水平主应力值随深度变化 (a)最大水平主应力; (b)最小水平主应力;应力测量点位置见图4;上覆岩层密度取2.65 g/cm3;应力数据据文献[39,50-53]

Fig.5 Stress magnitude plots along/around the China-Nepal Railway Corridor

图6 中尼铁路交通廊道邻区实测最大水平主应力方向随深度变化

Fig.6 Variation in the orientations of the maximum horizontal stresses with depth along/around the China-Nepa Railway Corridor

图7 研究区Mw≥4.7以上地震震源深度分布

Fig.7 Hypocenter distribution with depth of earthquakes (Mw≥4.7) in the study area

表2 主要岩爆判别法

Table 2 Major discriminating methods of rockbrust

Russenes判别法^[71,72]			Hoek判别法^[71,72]			综合判别法^[70]
$σ θ max$ /R_c	结果		$σ θ max$ /R_c	结果		$σ θ max$ /R_c		结果
<0.20	无岩爆	0.34		少量片帮	<0.30		无岩爆
0.20(含)~0.30	弱岩爆	0.42		严重片帮	0.30(含)~0.50		弱岩爆
0.30(含)~0.55	中岩爆	0.56		需重型支护	0.50(含)~0.70(含)		中等岩爆
≥0.55	强岩爆	0.70		有严重岩爆	>0.70		强烈岩爆

表2 主要岩爆判别法

Table 2 Major discriminating methods of rockbrust

Russenes判别法^[71,72]			Hoek判别法^[71,72]			综合判别法^[70]
$σ θ max$ /R_c	结果		$σ θ max$ /R_c	结果		$σ θ max$ /R_c		结果
<0.20	无岩爆	0.34		少量片帮	<0.30		无岩爆
0.20(含)~0.30	弱岩爆	0.42		严重片帮	0.30(含)~0.50		弱岩爆
0.30(含)~0.55	中岩爆	0.56		需重型支护	0.50(含)~0.70(含)		中等岩爆
≥0.55	强岩爆	0.70		有严重岩爆	>0.70		强烈岩爆

表3 中尼铁路交通廊道分段及主应力方向

Table 3 Sections and corresponding orientations of the maximum principal stress of the China-Nepal Railway Corridor

分段编号	分段	最大主应力方向
A	日喀则―萨迦	NS
B	萨迦―定结	N4°W
C	定结―吉隆	N1°W
D	聂拉木县段	N5°W
E	吉隆―讷瓦果德段	N8°E
F	加德满都段	N12°E

图8 中尼铁路沿线最大水平主应力分布及铁路分段情况

Fig.8 Maximum horizontal principal stress along the China-Nepal Railway Corridor and railway segmentations based on the stress characteristics

表4 埋深500 m围岩岩爆分析结果

Table 4 Results of wallrock burst at 500 m burial depth

铁路区段	S_H方位	铁路轴向	S_H与铁路轴向法线夹角/(°)	σ_n/MPa	$σ θ max$ /MPa	$σ θ max$ /R_c
铁路区段	S_H方位	铁路轴向	S_H与铁路轴向法线夹角/(°)	σ_n/MPa	$σ θ max$ /MPa	R_c=60 MPa	岩爆预判	R_c=100 MPa	岩爆预判
A	NS	EW	0	27.28	68.59	1.14	强烈	0.69	中等
B	N4°W	N30°E	56	19.75	46.01	0.77	强烈	0.46	轻微
C	N1°W	N85°W	6	27.16	68.23	1.14	强烈	0.68	中等
D	N5°W	N40°W	25	25.32	62.72	1.05	强烈	0.63	中等
E	N8°E	N10°W	72	17.38	38.88	0.65	中等	0.39	轻微
F	N12°E	N30°E	72	17.38	38.88	0.65	中等	0.39	轻微

表4 埋深500 m围岩岩爆分析结果

Table 4 Results of wallrock burst at 500 m burial depth

铁路区段	S_H方位	铁路轴向	S_H与铁路轴向法线夹角/(°)	σ_n/MPa	$σ θ max$ /MPa	$σ θ max$ /R_c
铁路区段	S_H方位	铁路轴向	S_H与铁路轴向法线夹角/(°)	σ_n/MPa	$σ θ max$ /MPa	R_c=60 MPa	岩爆预判	R_c=100 MPa	岩爆预判
A	NS	EW	0	27.28	68.59	1.14	强烈	0.69	中等
B	N4°W	N30°E	56	19.75	46.01	0.77	强烈	0.46	轻微
C	N1°W	N85°W	6	27.16	68.23	1.14	强烈	0.68	中等
D	N5°W	N40°W	25	25.32	62.72	1.05	强烈	0.63	中等
E	N8°E	N10°W	72	17.38	38.88	0.65	中等	0.39	轻微
F	N12°E	N30°E	72	17.38	38.88	0.65	中等	0.39	轻微

表5 埋深1 000 m围岩岩爆分析结果

Table 5 Results of wallrock burst at 1,000 m burial depth

铁路区段	S_H方位	铁路轴向	S_H与铁路轴向法线夹角/(°)	σ_n/MPa	$σ θ max$ /MPa	$σ θ max$ /R_c
铁路区段	S_H方位	铁路轴向	S_H与铁路轴向法线夹角/(°)	σ_n/MPa	$σ θ max$ /MPa	R_c=60 MPa	岩爆预判	R_c=100 MPa	岩爆预判
A	NS	EW	0	53.08	132.74	2.21	强烈	1.33	强烈
B	N4°W	N30°E	56	37.58	86.24	1.44	强烈	0.86	强烈
C	N1°W	N85°W	6	52.83	132.00	2.20	强烈	1.32	强烈
D	N5°W	N40°W	25	49.05	120.66	2.01	强烈	1.21	强烈
E	N8°E	N10°W	72	32.68	71.55	1.19	强烈	0.72	强烈
F	N12°E	N30°E	72	32.68	71.55	1.19	强烈	0.72	强烈

表5 埋深1 000 m围岩岩爆分析结果

Table 5 Results of wallrock burst at 1,000 m burial depth

铁路区段	S_H方位	铁路轴向	S_H与铁路轴向法线夹角/(°)	σ_n/MPa	$σ θ max$ /MPa	$σ θ max$ /R_c
铁路区段	S_H方位	铁路轴向	S_H与铁路轴向法线夹角/(°)	σ_n/MPa	$σ θ max$ /MPa	R_c=60 MPa	岩爆预判	R_c=100 MPa	岩爆预判
A	NS	EW	0	53.08	132.74	2.21	强烈	1.33	强烈
B	N4°W	N30°E	56	37.58	86.24	1.44	强烈	0.86	强烈
C	N1°W	N85°W	6	52.83	132.00	2.20	强烈	1.32	强烈
D	N5°W	N40°W	25	49.05	120.66	2.01	强烈	1.21	强烈
E	N8°E	N10°W	72	32.68	71.55	1.19	强烈	0.72	强烈
F	N12°E	N30°E	72	32.68	71.55	1.19	强烈	0.72	强烈

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