地下水环境影响隧道工程论文

【摘要】地铁防水问题是我国乃至世界的工程界关注的重要问题之一，该问题的研究对我国地铁建造具有重要的现实意义。本文首先对城市地下水的特征和对地铁结构的影响着手分析；其次。对不同的防水类型的对地铁周围环境的影响做了充分的解剖，最后认为全防型和防排结合是目前最适合的地铁防水的方式。下面是小编精心推荐的《地下水环境影响隧道工程论文(精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

地下水环境影响隧道工程论文 篇1：

地下水影响下隧道不同开挖方式的数值模拟

摘要：以大连某山体公路大跨度隧道为工程背景，基于流固耦合原理，考虑地下水影响下不同开挖方式对隧道开挖的影响，对涌水量、围岩位移、应力以及围岩稳定系数进行了对比分析。结果表明：导洞法开挖引起的拱顶沉降是最小的，而拱底隆起和横向拱腰位移却是最大的，以自编的强度折减法程序计算出来的围岩稳定系数也是最大的，因此，相比于其他3种开挖形式导洞法更适合于富水条件下的大跨度隧道的开挖，为类似工程的设计和施工提供了一定依据。

关键词：流固耦合；开挖方式；涌水量；稳定系数

0 引言

近年来，人类对交通的需求与日俱增，而随着地上空间开发的逐渐受限，人类把目光投向了地下空间，因此地下空间的应用与开发越来越受到世界各国的关注（钱七虎，1998；刘宝深，1999），在城市里，隧道以对周围环境影响少、污染小和结构比较稳定的优点获得人类的青睐，被广泛应用于城市的地下空间开发。

随着国内经济的快速发展，隧道在城市交通建设方面得到广泛的应用。隧道工程建设位置的工程地质和水文地质环境相当复杂，所穿越的地层既有较硬的裂隙岩体，又有软弱的砂质地层等。无论何种地层，地下水都是需要解决的问题。在富水条件下开挖隧道，围岩物理力学参数会受地下水影响而降低，另一方面，隧道的开挖会导致围岩应力场和渗流场重新分布，从而引起孔隙压力的变化，反过来孔隙压力的变化也会导致应力场的变化，两场之间耦合作用会加剧地层变形（薛新华，2008；李地元等，2007；原华等，2008）。在土质较差的地层，两场的耦合作用将会更强，地下水对隧道上覆土层变形的影响较大，此时若不考虑渗流场与应力场的耦合作用，会给计算结果带来一定的误差。

环境因素决定了隧道开挖的手段，因此，需要基于流固耦合原理考虑地下水的影响；不同开挖方式直接决定了施工的难易，也决定了施工过程的安全，因此，对不同开挖方式的研究也十分重要。笔者以大连某山体公路大跨度隧道为背景，模拟对比了4种隧道开挖方法，寻找在富水条件下最适合的开挖方式。

1 流固耦合原理及隧道开挖方法

1.1 流固耦合原理

本次模拟采用FLAC3D软件实现，该软件采用等效连续介质模型将流固耦合机理运用到岩石中，即将岩体视为多孔介质（Itasca Consulting GroupInc，2003），流体在介质中的流动服从Darcy定律，同时满足Biot方程。该软件使用有限差分法进行流固耦合计算，包括以下几个微分方程（陈育明，徐鼎明，2013；关宝树，2003）。

1.1.1 平衡方程

对于小变形情况，流体质点平衡方程为式中，q_i，j为渗流速度（m·s^-1），q_v为被测体积的流体源强度（s^-1），ζ为单位体积孔隙介质的流体体积变化量，t是时间（s）。

而对于饱水孔隙介质，则有式中，M为比奥模量（N·m^-2），p为孔隙水压力（Pa），α为比奥系数，ε为体积应变，T为温度（℃），β为考虑流体和固体颗粒的热膨胀系数（℃）。

1.1.2 渗流运动方程

流体通常用Darcy定律来表示其运动形式。对于均质介质情况，其渗流运动方程为

q_i=-k[-ρ_fx_ig_i]_i. （3）式中，q_i为渗流量（m³·s^-1），k是介质的渗透系数（m·s^-1），pr为流体密度（kg·m^-3），g_i为重力加速度分量（m·s^-2）。

1.1.3 本构方程

流固耦合作用的实质为有效应力原理，即岩土介质有效应力的变化将导致体积应变的发生，从而引起流体孔隙压力的变化，反之，孔隙压力的变化也会导致有效应力的变化。其本构方程的增量基本形式为

△σ_ij+α△pδ_ij=H_ij（σ_ij，△ε_ij）. （4）式中，△σ_ij为有效应力增量，H_ij为介质力学行为相关的函数，△ε_ij为应变增量。

1.1.4 边界条件

渗流计算边界条件有4种：①给定孔隙水压力；②给定边界外法线方向流速分量；③不透水边界；④透水边界。其中透水边界采用如下形式给出：

q_n=h（p-p_e）. （5）式中，q_n为边界外法线方向流速分量（m·s^-1），h为渗透系数（m³·（N·s^-1）），p_e为渗流出口处的孔隙水压力（Pa）。

1.2 隧道开挖方法

沉管法、矿山法和盾构法为开挖隧道的主要施工方法，其中矿山法是一种传统的施工方法，在地下工程发展史上一直占有重要的地位。矿山法指在修建隧道和开挖地下坑道时使用同一种作业方式的施工方法（董宁，辜文凯，2012），其基本原理是：隧道周围的岩体会在隧道开挖后因受爆破的影响而破裂处于松弛状态，因此随时都有可能坍落。基于这种松弛荷载理论依据，其施工方法是按分部顺序采取分割式一块一块地开挖，要求边挖边撑以求安全。随着喷锚支护的出现，进而发展成新奥法。以下只对矿山法的3种开挖方法做简要阐述。

（1）台阶法

台阶开挖法将结构断面分成两个以上部分分步开挖。根据地层条件和机械配套情况，台阶法又可分为正台阶法和中隔壁台阶法。台阶开挖法适合于土质较好的隧道施工，软弱围岩、第四纪沉积地层隧道。

（2）单侧壁导坑法

单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块，侧壁导坑尺寸应充分利用台阶的支撑作用，并考虑机械设备和施工条件。单侧壁导坑法适用于断面跨度大、地表沉陷难以控制的软弱松散围岩处隧道施工。

（3）双侧壁导坑法

双侧壁导坑法一般是将断面分成4块：左侧壁导坑、右侧壁导坑、上部核心土、下台阶。左侧壁导坑、右侧壁导坑错开的距离，应以开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑为原则。适用于隧道跨度较大、地表沉陷要求严格、围岩条件特别差、单侧壁导坑法难以控制围岩变形时的地层条件。

2 工程实例

2.1 工程概况

大连市的气候属温带季风气候，并具有海洋影响的特点。冬季气温较低、降水少；夏季气温较高、降雨较多且集中。本文以大连某山体隧道工程为研究对象，该工程入口处为分离式双洞，单向三车道，隧道主要包括两车道部分、变宽段部分和三车道部分。拟建隧道埋深2.23～164.00m，山体水位线较高，属于富水条件下开挖。隧道洞身拟采用复合式衬砌混凝土结构。

2.2 模型建立

根据实际工程的地质勘查资料，得出三车道公路隧道在总体上属于Ⅳ级围岩。其物理力学参数为：重度γ=23kN·m^-3，粘聚力C=0.3MPa，内摩擦角φ=32°，弹性模量E=4GPa，泊松比μ=0.333。拱顶埋深D=105m，隧道高H=11.3m，跨度B=16.2m。为减少数值模型中边界约束条件对计算结果的影响，确保计算结果精度，同时尽量提高计算效率，流固耦合计算时，隧道轴线方向取单步开挖步长为2m，计算域在水平方向由隧道轴线向两侧各取60m，在竖直方向由隧道轴线向上、下两侧各取60m。整体模型尺寸为120m×120m×10m，采用摩尔一库仑屈服准则，由于地下水非常丰富，因此水位线取到模型顶端。隧道轴心处孔隙水压力为固定值，两侧及底部边界为不透水边界，不考虑隧道初支的止水作用，在隧道开挖面设置零压力水头边界。模型顶端自由，底部施加三方向位移约束，两侧及沿隧道轴线方向边界水平位移约束，初始应力主要考虑岩层的自重应力。同时为了比较不同开挖方法下同一断面围岩的力学特征变化，分别采用三台阶预留核心土法、导洞法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法建立数值模拟研究，如图1所示，模型中，围岩采用实体单元，锚杆采用了Cable单元进行模拟，其中钢拱架的作用用等效的方法予以考虑。

3 4种开挖方式的对比

开挖方式的不同必定会对隧道围岩的位移、应力以及稳定性产生影响，以下对4种开挖方式的具体影响进行分析。

3.1 涌水量分析

涌水及地下水超量排放引起的环境问题是隧道及地下工程施工常见的灾害之一，隧道涌水是隧道设计和施工所面临的挑战之一（高虎军，2012）。笔者给出单侧壁导坑法、导洞法、双侧壁导坑法及台阶法4种开挖方式的涌水量（表示隧道每天每延米涌水量，单位m³/d/m），分别为13.25、14.56、14.07及12.74。由此可以看出：导洞法的涌水量最大，台阶法最小，由涌水量数据可以反映出，在支护结构都一样的前提下，导洞法这种开挖方法本身的防水效果较差，台阶法最好。

3.2 位移场分析

将4种开挖方式开挖完成后引起的隧道围岩位移的大小进行总结，如表1所示，图2只给出导洞法的竖向和横向位移云图。由图2a可以看出：竖向位移在拱顶和拱底处达到最大，由图2b可以看出：水平位移在拱肩上部和拱脚下端以及拱腰处达到最大。

由表1可得出：4种开挖方式中台阶法的竖向拱顶位移最大，为1.90cm，导洞法的竖向拱顶位移最小，为1.66cm，而拱底位移则相反，导洞法拱底位移最大，为1.55cm，台阶法拱底位移最小，为1.25cm，由竖向位移可以得知，断面开挖分块较多的开挖方法比较稳定，引起的拱顶沉降比较小。由涌水量数据可以得出：导洞法涌水量最大，台阶法最小，这是由于地下水的渗流引起了周围岩土体的变动，加剧了拱底的隆起，因此导洞法拱底位移最大，台阶法最小，所以说拱底是富水条件下开挖隧道的一个薄弱环节（路平，2012）。对于拱腰横向位移，4种开挖方式中导洞法的拱腰横向位移最大，为0.45cm，台阶法的最小，为0.37cm，这同样是因为地下水的渗流效果引起了岩土体的变动。

3.3 应力场分析

笔者只给出导洞法的竖向和横向应力云图，如图3所示，其余开挖方式的应力云图图形都相差不大，只是应力大小上的改变。从图3中可以看出：隧道开挖后，洞口出现应力集中现象。4种开挖方式的应力值列于表2。

由表2可以得出：4种开挖方式产生的应力都集中于隧洞洞口附近（徐孟林，2014），台阶法的应力相比于其他3种开挖方式是最大的，而导洞法开挖周围围岩应力是最小的，这是因为台阶法工艺的自身防水性能在4种开挖方式中是最好的，而导洞法最差，涌水量过多，导致围岩内部的孔隙水压力减少，从而导致了隧洞洞口周围应力的减少。

3.4 稳定性分析

FLAC3D软件自带自动搜索安全系数的命令solve fos，而此命令仅适用于Mohr-Coulomb模型。通过对围岩的粘聚力C和内摩擦角φ进行不断折减，直到围岩处于临界破坏状态，从而确定安全系数（Ugai，1989），这种方法的实质就是强度折减法，此程序是利用内插逼近的方法确定安全系数。

由该方法计算出来的单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、导洞法及台阶法4种开挖方式的强度折减系数分别是1.615、1.653、1.699及1.496。从安全系数可以看出：导洞法和双侧壁导坑法相对于另外两种开挖方式围岩的稳定性更加稳定，而导洞法要比双侧壁导坑法略好一点。因此通过围岩安全系数的对比可知：导洞法更加适合大跨度富水条件隧道的开挖。

通过对比4种开挖方法，可知导洞法相比于其他3种开挖方法，更适合于这种大跨度的隧道开挖，虽然其本身的防水性能不是很好，但可以通过后续施工去弥补，因此在富水条件下的大跨度隧道开挖，导洞法更适合。

4 结论

基于流固耦合理论，考虑地下水影响下4种开挖方式对隧道开挖的影响，从而得出：4种开挖方式中台阶法自身防水性能最好，其次依次是单侧壁，双侧壁导坑法和导洞法；对于位移，导洞法开挖引起的拱顶沉降是最小的，而拱底隆起和横向拱腰位移却是最大的，而台阶法则是相反；对于应力，导洞法开挖围岩周围的竖向、水平应力和大主应力都是最小的，台阶法则最大。

对于围岩的安全系数，采用自编强度折减法程序，对4种开挖方式进行计算，可以得出：导洞法的安全系数最大，依次是双侧壁、单侧壁导坑法和台阶法，由此得出对于大跨度隧道在富水条件下开挖，导洞法相比于其他3种开挖形式更适合的结论。

作者：吴开荣　王桂萱　赵杰

地下水环境影响隧道工程论文 篇2：

地铁工程中地下水问题防护探讨

【摘 要】 地铁防水问题是我国乃至世界的工程界关注的重要问题之一，该问题的研究对我国地铁建造具有重要的现实意义。本文首先对城市地下水的特征和对地铁结构的影响着手分析；其次。对不同的防水类型的对地铁周围环境的影响做了充分的解剖，最后认为全防型和防排结合是目前最适合的地铁防水的方式。

【关键词】 地铁结构 影响 对策

一、城市地下水的特征和城市环境对地下水的影响

（一）城市环境下地下水的特性

大多城市的地理位于平原地带，而城市的高层建筑密集，人口密度大，交通比较拥挤。城市的地面大部分被混凝土地面和土块所覆盖，大大降低了城市的可绿化区域，降低了下雨对地下水补给的作用；湖泊多遭受认为的改造，要么被迫引流，要么被填湖平地；而在大型的工程建筑中，工业生产用水进一步降低了地下水位，而地下建筑的修建也在一定程度上，阻碍了地下水的自然流动。城市的地下水收到了诸多因素的影响，长期发展会使城市地下水形成独特的特点，因此研究城市地下水的特点，可以有效的进行地铁防水措施。

（二）城市环境对地下水的影响

城市地下水可以分为上层滞水、潜水和承压水，上层滞水是三者中分布最不均匀，水位变化幅度大的部分，它主要靠雨水、大气降水、污水的直接渗漏；地下潜水又受到了城市地下地形结构的影响；承压性是地下水最重要的部分，它主要进行侧向径流和越流补给，由于受到城市地下隔水板的制约，这部分相对比较稳定。

城市件环境对地下水的影响主要包括以下几个部分：

1、建筑密度大，地面被混凝土结构覆盖，降水不能有效的补充地下水，而由于城市绿化设施多为人造，地面积水也不能有效的对地下水进行补给。

2、城市地下建筑的需要，进一步降低了城市地下水的水位；随着城市及城市周边地区经济的发展，加大了对地下水的需求，不节制的开采地下水也导致地下水位持续的降低。

3、城市环境的恶化，人们生活污水、工业残渣等随着渗漏，严重恶化了地下水的水质，损害地下结构。

二、地下水对地铁工程的影响

（一）地下水对围岩的不良影响

地下水的存在可能会影响围岩发生溶解、腐蚀、软化等一系列问题，引起围岩的发生物理变化和化学变化，降低围岩的强度和稳定性。

1、地下水对于不稳定的围岩的作用

地下水对软弱围岩的影响效果比较显著，软岩在地下水的流过和渗入以后，会慢慢的被软化，大大的降低了围岩的强度，极大了丧失了岩石的稳定性，容易造成塌方的危险；对于破碎的围岩结构来说，围岩的缝隙充入更多的地下水，增加了自身的压力，加大了破碎围岩塌方的危险性，对地铁施工影响非常大。

2、地下水对膨胀性的围岩的影响

膨胀性的围岩具有鲜明的特点：膨胀速度快、破坏性大。膨胀岩石如遇到地下水的影响、冲击，会带来以下的后果：膨胀围岩风干脱水导致围岩破裂；膨胀围岩的大量吸水膨胀，造成强度和稳定性减弱，造成地铁隧道的支架结构不稳定；隧道周围的膨胀围岩，更会直接对地铁隧道支架造成直接的破坏；隧道底部的膨胀围岩由于吸水，强度骤减，导致隧道底部出现膨胀的现象，直接对地铁运行带来了重大的安全问题。

3、地下水对软弱机构的印象概念股

围岩软弱结构的强度，直接决定着围岩整体结构的强度，围岩软化会带来：地下水将软弱结构物质松软化，使得结构的摩擦阻力和内在的凝聚力等大大减小；存在裂缝压力的软岩结构，地下水的作用大大的抵消了它的力道，直接导致内在摩擦阻力变小，增大围岩出现滑动的可能性；

（二）地铁结构承受的地下水压的问题

地铁结构属于浅层地下结构，深度在10-30米左右，而城市地区的地下水结构正好也在这个范围内，地址、地质的复杂性和不可预测性，使得地铁结构能否承受住地下水压力问题在整个工程领域的关注。

1、防水型地铁结构

该结构的是一种严格意义上的不透水结构，地铁机构的在底下的深度浅，上层的地表较容易遭受到环境的影响，地下水对围岩的渗透性比较显著，水压力对地铁机构的影响也比较显著，假若采取全防型的设计，将又使经济成本骤增，体现工程造价管理的不合理性。

2、限制性排水结构

这种结构有它自身的优劣性，能够有效的把地下水的渗透量控制在一个合理的空间内，并且可以及时的把结构里面的水排出来；但排水系统不足以及时排出渗入二衬背后的地下水时，二衬将承受一定的水压力，对地铁结构造成一定的风险。

（三）侵蚀性地下水对地铁结构的影响

侵蚀性地下水对地铁结构的影响指的是地下水对隧道机构的强度和稳定性造成影响的腐蚀活动，这种侵蚀是对地铁结构的严峻考验，也是地铁施工前必须考虑的因素之一。

地下水和渗漏下来的残渣中腐蚀成分很多，它们每一种对地下地铁结构的腐蚀功能都完全不一样，按照地下水中化学成分的不同，对地铁隧道的腐蚀效果也不一样，下面我们综合地下的地形结构、施工的具体特点分类别的讲述它对地铁结构的危害。

硫化物型主要是地下水与地下围岩中的硫化物的综合体，他可以和隧道结构的混凝土和钢筋混凝土中的物质发生反应，产生膨胀性的物质；硫酸盐型与地下围岩结构构成硫酸盐型的化合物，可以分别对水泥和硬石膏岩层进行破坏，最终都会对混凝土的结构造成腐蚀作用，最终破坏其稳定性；氯化物型也是通过几种途径加速对钢筋混凝土的锈蚀和腐蚀作用，破坏钢筋混凝土的耐久性。

（四）地下水水位变迁和流动对地铁结构的影响

地下水的结构被城市修筑地下建筑所打破，原有的平衡被打破，就会导致地铁的部分水位升高，造成了地下水的流动情况发生了变动，进而直接影响了地铁结构负载的变化。地铁的修建对周围地下环境的非常之重，一点点小的因素都有可能对全程造成不可估计的影响。我们假设在地铁结构下继续修建地下建筑，那么此处的地下水的水位会继续下降，最终导致地基下沉，地铁结构受力不均匀，容易造成安全隐患，我们可以得出地铁结构渗漏水是导致地下水变动个地面结构变化的重要原因之一。

三、地铁机构地下水技术防护对策

地下水对地铁结构对的影响主要体现在腐蚀、改变地铁结构的围岩层，通过改变围岩的结构、水压力等对地铁结构的安全造成影响，针对地下水对地铁工程的影响，我们必须采取有效的措施减少影响：

（一）针对城市环境要求严格控制对外排水的影响、大量的排水会对地表、水理、生态环境影响显著；排水对地面表层以及周边的环境造成影响；地下水具备强烈的腐蚀性等情况，地铁工程建设中需要采取严格的防水型设计，有效的预防地铁结构遭到地下水的腐蚀和渗透，使地铁结构免受腐蚀和损害，有效的降低地铁工程的施工成本。

明挖敞口的结构应积极的采取混凝土自防水和全外包柔性防水双道复合防水形式，保证混凝土结构具有良好的密实性；结構迎水面应设置全外包柔性防水层，在底板垫混凝土平面部位的卷材宜采用空铺法或点粘法，这样就可以有效的控制围岩层结构的腐蚀和破坏了。

（二）对防排结合型地铁隧道，如地下水位较高、存在对混凝土有害的酸性地下水、水压力较大时，需要防止包括路基在内的全周漏水的场合，结构加以防护的场合，降低或消除衬砌外水压力。

保证了对地下水排放量的控制，又要防止地下水的过度流失，通过对隧道周圈围岩进行预注浆，堵塞围岩裂隙，填充围岩孔隙，从而达到减少围岩孔隙率和渗透系数的目的，开挖前实施前，在围岩外围形成注浆圈，建立地铁整体防水的设计观点，围岩注浆圈+初期支护+防水层+二次衬砌一整个防水体系。

参考文献

[1] 朱冬青.我国防水技术与市场现状和展望.吉林建材，2002，第4期

[2] 王建宇.地下水对衬砌结构的力学作用.复杂山区铁路隧道修建技术交流会.成都：2004，12

[3] 赵勇，客运专线隧道的设计与施工.西南交通大学学术报告会，2004，12

[4] 王建宇.在谈隧道衬砌水压力.现代隧道技术，2003，第6期

作者：段志宇

地下水环境影响隧道工程论文 篇3：

基于变维分形的公路隧道围岩空间分布特征探讨

摘要：公路隧道围岩是由地质环境的多种因素共同作用的结果，且因子之间往往存在叠加效应与耦合作用，它们共同推动了隧道围岩的演化与发展，进而控制着不同围岩级别的空间分布。文章以滇西保泸高速公路老营特长隧道为例，基于分形理论，运用变维分形方法，对隧道围岩与地质环境影响因子的关系进行了量化分析。研究结果表明：隧道围岩分布与断层、水系、地层岩性的因子间均呈现变维分形特征，且均呈2阶累计和分形分布;断层与Ⅴ类围岩的分维值最大，D2=1.4996，断层对隧道Ⅴ类围岩分布的控制最为复杂，影响程度最大;Ⅳ类围岩分布对水系特征最敏感，D2=1.4923;地层岩性对Ⅲ类围岩分布的贡献最大，D2=1.4644。总之，累计和变换分形的阶数及分维值的大小，能够从分形角度反映出不同围岩级别对地质环境各影响因素的敏感程度，为深入研究隧道围岩的空间分布特征提供了思路。

关键詞：公路隧道;隧道围岩分级;隧道地质环境;变维分形理论;GIS

0 引言

隧道围岩级别是由多种因子共同作用的结果，其中的关系错综复杂，且因子之间往往存在叠加效应与耦合作用。例如，地质构造在一定程度上控制着地下水网的分布和边界，同时影响着地层岩性的物理力学性质。而地下水动力场特征，在部分程度上，也同时受到当地水网分布制约，化学场效应亦受到流经地层岩性的影响。此外，隧道工程的外水应力场分布特征，总体由地质构造及岩体完整程度等综合影响。众多因子是在相互联系和作用的过程中共同推动了隧道围岩的演化与发展，进而控制着不同围岩级别的空间分布。

运用传统方法较难揭示出众多影响因子中的主控因子，亦无法区分各因子对隧道围岩的敏感程度及贡献大小。付昱华[1]、薛天放等[2]、侯威等[3]、菊春燕等[4]、邱海军等[5]、李珊珊等[6]应用各阶累计方法将原始数据进行变换，使得无法用常维分形处理的原始数据，变换成为可用常维分形方法进行处理。本文以滇西保泸高速公路老营特长隧道为例，基于分形理论，运用变维分形方法，对隧道围岩与地质环境影响因子的关系进行了量化分析，为深入研究隧道围岩的空间分布特征提供了思路。

1 研究实例

保泸高速公路起于保山市老营，接已建杭瑞高速公路，止于怒江州泸水县六库小沙坝，

全长85.132km。项目地处横断山脉中段，澜沧江与怒江之间，地势基本呈北高南低，区域内大多山高坡陡，山脉走向及河流流向多受构造控制呈北北西向。

老营特长隧道位于保山市境内，是保山至泸水高速公路的重大控制工程，穿越横断山脉南端的保山坝“西山梁子”，设计为分离式隧道，右幅隧道长11515m，最大埋深1255m，为山区越岭特长隧道。隧址区地质构造复杂，穿越多条区域性断裂带，区域稳定性较差，主要受东侧北北西向李子园～瓦窑断裂和西侧南北向怒江断裂（区内称泸水断裂）控制。其中，老营隧道（右幅）各级别围岩所占比例为：Ⅴ级围岩占单幅全长19%、Ⅳ级围岩占60%、Ⅲ级围岩占21%[7]。

2 隧址区地质环境主要影响因子

2.1 水系

设置隧道轴线两侧各3km为研究边界（以下类同），提取隧址区水系缓冲区，对边界内水系进行200m、400m、600m、800m、1000m的缓冲，建立<200m、200～400m、400～600m、600～800m、800～1000m和>1000m共6个缓冲区间，如图1所示。

2.2 断层

对隧址区内断层迹线作缓冲，获得6个缓冲区间，分别为<200m、200～400m、400～600m、600～800m、800～1000m和>1000m，如图2所示。

2.3 地层岩性

隧址区区域地层分布广泛，主要有新生界第四系（Q），中生界侏罗系（J）、三叠系（T），古生界二叠系下统（P）、石炭系（C）、泥盆系（D）、志留系（S）、奥陶系（O）、寒武系（∈），元古界高黎贡山群（Ptgl）等地层。

老营隧道穿越的主要地层为第四系（Q）、石炭系（C）、泥盆系（D）、志留系（S）、奥陶系（O）、寒武系（∈）。根据隧道穿越地层实际情况，将部分地层年代合并，如图3所示。[KH-*1]

4 隧道围岩分布与地质环境因子的变维分形

4.1 围岩分布与水系之间的分段变维特征

计算出隧址区水系的不同缓冲区间内的不同围岩分布长度N（r），并将其按照从大到小降序排序，重新按r=1，2，3，…，6编排序号，如表1所示。分别在双对数坐标中绘制不同水系缓冲区间内的原始围岩分布长度N（r）与缓冲区间所指示序号r的关系曲线。可见，在未进行变换前，在双对数坐标上N（r）—r呈现出非线性关系，无法用常维分形加以分析，因此需要对其进行一阶累计和变换，变换后的曲线如图4所示，经拟合其相关系数R2=0.9183（Ⅳ类围岩），效果不好。因此，继续在此基础上再对其进行二阶累计和变换，得到最终的曲线图，如图4所示。经分析拟合成直线关系，且相关系数R2=0.9998，接近于1，拟合度极高，可得出结论：隧道围岩分布与水系具有二阶累计和变维分形关系，分维值D2=1.4923（Ⅳ类围岩）。

4.2 围岩分布与断层之间的分段变维特征

将隧道不同围岩与断层缓冲区图进行叠加，可得到断层各个缓冲区间的不同围岩分布长度。采用累计和变换分形方法，得出相应的分维序列图（见图5）。限于篇幅，表2汇总了Ⅲ类围岩分布长度与断层的分段累计和变维分形计算结果。

4.3 围岩分布与地层之间的分段变维特征

将隧道不同围岩与地层分布图进行叠加，可得到各个不同地层范围的不同围岩分布长度。采用累计和变换分形方法，得出相应的分维序列图（见图6）。限于篇幅，表3汇总了Ⅴ类围岩分布长度与地层的分段累计和变维分形计算结果。5 隧道围岩与地质环境因子分维值的相关性

分维值是表征隧道围岩自相似性的良好参数，通过分维值，可以反映出隧道围岩与各个影响因子之间复杂关联性，从而揭示隧道围岩在空间分布上的变维分形特征。为便于比较，将上述基于累计变换的变维分形结果汇总，如表4所示。

当某个因子呈现高阶累计和变换时，指示出该因子与隧道围岩的关系较为复杂，对围岩空间分布的贡献也较大;反之，则显示与隧道围岩的关系相对简单，贡献亦较小。而对于同阶变换的因子而言，分维数D越大，表示与隧道围岩的关系相对复杂，对围岩空间分布的贡献也较大;分维数D较小，则表征与隧道围岩的关系相对简单，贡献亦较小。通过对比隧道围岩分形结果，获得以下认识：

（1）隧道围岩分布与断层、水系、地层岩性的地质环境影响因子间均呈现变维分形特征，均呈2阶累计和分形分布，这些因子在一定程度上控制着隧道围岩级别的空间分布。

（2）断层与Ⅴ类围岩的分维数最大，D2=1.4996，表明断层对隧道Ⅴ类围岩分布的控制最为复杂，影响程度最大;水系与Ⅳ类围岩的分维数最大，D2=1.4923，表明Ⅳ类围岩分布对水系特征最敏感;地层岩性与Ⅲ类围岩的分维数最大，D2=1.4644，表明地层岩性对Ⅲ类围岩分布的贡献最大。

（3）本文得出分维值的大小，从分形角度反映出不同围岩级别对地质环境各影响因素的敏感程度，即地质环境各因子对隧道围岩划分的相对贡献大小。根据累计变换次数和分维值的大小，可知地质环境各因子对老营隧址区的隧道围岩分布贡献大小排序依次是：对于Ⅴ类围岩，断层>地层岩性>水系;对于Ⅳ类围岩，水系>断层>地层岩性;对于Ⅲ类围岩，地层岩性>水系>断层。

6 结语

累计和变换分形的阶数及分维值的大小，能够从分形角度反映出公路隧道不同圍岩级别对地质环境影响因素的敏感程度，即隧址区的地质环境因子对隧道围岩分级的相对贡献大小。在山区复杂艰险地质条件下，在工可及初设阶段，基于分形理论，对长大深埋隧道围岩半定量化快速评判以及越岭段隧道方案比选，是进一步讨论的方向。

参考文献：

[1]付昱华.变换形成的分形与海洋环境数据分析预测[J].海洋通报，2000，19（1）：79-88.

[2]薛天放，杨 庆，栾茂田.基于GIS技术的滑坡空间分布的分形特征研究[J].岩土力学，2007，28（2）：347-350.

[3]侯 威，张 茜，楼蓉蓉，等.基于变维分形理论的滑坡空间分布特征研究[J].安全与环境工程，2012，19（4）：17-21.

[4]菊春燕，贾永刚，潘玉英，等.基于分形理论的旅游景区地质灾害危险性评估——以青岛崂山为例[J].自然灾害学报，2013，22（6）：85-95.

[5]邱海军，曹明明，刘 闻，等.区域滑坡空间分布的变维分形特征研究[J].2014，28（2）：443-448.

[6]李珊珊，李军杰，杨 龙，等.基于分形理论的滑坡空间分布特征研究[J].灾害学，2014，29（1）：214-220.

[7]国家高速公路网G5613云南保山至泸水高速公路S1—S4标段工程地质勘察报告[R].昆明：云南省交通规划设计研究院，2017.

作者：蓝宇骋 袁荷娟 吴铸 锁沛斯