寶塔山特長隧道巖體應力場特征分析

郭喜峰，張明欣，尹健民，劉元坤

寶塔山特長隧道巖體應力場特征分析

郭喜峰1，張明欣2，尹健民1，劉元坤1

（1.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2.山西省交通規劃勘察設計院，太原 030012）

寶塔山隧道全長10 480 m，最大埋深600 m，屬目前山西省最長的公路隧道。復雜的地形地貌條件以及地質構造影響，使得隧道區地應力分布復雜。為研究隧道區巖體應力場特征，首先介紹了水壓致裂法地應力測試成果，以此為基礎通過有限元分析得到應力剖面，最后從地形地貌、地質構造、地質力學角度綜合分析了區域構造應力場。結果表明，測試范圍內地應力大小屬于中等應力水平，隧道設計高程處最大水平主應力方位大部分集中在N42°E～N56°E，現場測試及有限元分析所得地應力場與區域構造應力場相符。

隧道工程；地應力測試；有限元分析；應力場特征

1 概 述

近年來，隨著中國交通建設的快速發展，尤其是山區公路的不斷延伸，穿山越嶺長大深埋隧道的建設不可避免［1］。由于高水平地應力作用，往往在軟弱巖層及構造破碎帶洞段發生變形破壞，而在堅硬巖層洞段可能發生巖爆等地質災害。因此，巖體應力場測試研究對于隧道工程的科學設計和安全施工都具有重要的現實意義。當前，地應力測試是獲得地應力資料最為直接的途徑［2］，但受測點數量限制以及地質條件和測試誤差的影響，地應力實測值存在較大的分散性和局部性。尤其對于長度大于10 km的特長隧道，因其跨越范圍廣，有必要通過數值模擬方法分析得到更大范圍的地應力場，并結合地質構造條件綜合分析地應力場特征，以便于正確認識圍巖地應力分布情況，為工程設計提供可靠依據。

為了分析山西省汾陽至邢臺高速公路寶塔山特長隧道工程區巖體應力場特征，首先采用水壓致裂法測試地應力，以實測資料為基礎結合有限元模型回歸分析得到更大范圍的地應力場，并結合寶塔山隧道的地質條件，深入分析了寶塔山隧道的巖體應力場特征，為隧道軸線、開挖方式的選擇以及隧道穩定性分析和支護設計提供依據。

2 工程地質概況

山西汾陽至邢臺高速公路段內平遙－榆社段在平遙縣境內東泉鎮－孟山石村之間要穿越寶塔山中部山脈。該山體呈NNE走向，橫向規模巨大，路線在穿越此山體段的方位與寶塔山總體走向之間近于垂直，選擇穿越方式為特長隧道工程，即寶塔山隧道。該隧道為山嶺隧道，屬目前山西省最長高速公路隧道，全長10 480 m，隧道洞體最大埋深約600 m［1］。

隧道區屬于太岳山脈北中部的構造剝蝕基巖中山區，沖溝與小山脊發育，并與主山體走向大體一致，地形起伏變化較大。區域構造上處于呂梁－太行斷塊最大的次級構造單元沁水塊坳的西北部，與晉中新裂陷相鄰，屬于斷塊內部2大地質構造單元相銜接的區域、普洞－來遠NEE向褶斷帶的核心部位，地質構造十分復雜。

3 水壓致裂法地應力測試

3.1 水壓致裂法測試原理

利用一對可膨脹的橡膠封隔器，在預定的測試深度封隔一段巖石的鉆孔，然后泵入液體對這段鉆孔施壓，并根據壓裂過程曲線的壓力特征值計算鉆孔橫截面上的最大、最小主應力值。若鉆孔垂直（如本次測試），該主應力值即為最大、最小水平主應力，記為σH，σh。由于二次裂縫一般沿鉆孔軸線及鉆孔橫截面上的最大主應力方向起裂與擴展，裂縫的方向就是鉆孔橫截面上的最大主應力方向。σH，σh按下式計算［2］：

式中：Ps為維持裂縫張開的瞬時關閉壓力；Pr為裂縫重張壓力；P0為孔隙水壓力。垂直應力由測點上覆巖石重量計算，壓裂縫方向由定向印模器確定，據此確定最大水平主應力方位。

3.2 測試結果

根據設計要求和鉆孔巖芯察看，在沿隧道中部深鉆孔進行水壓致裂法地應力測試。測試開始前在鉆孔的巖芯完整區盡可能多地選取試驗段［3］，且重點放在孔底（接近隧道設計高程）部位。由于部分測段的實際完整性比巖芯反映的差，使測段透水性太強而達不到水力壓裂所需的高壓。實際上成功進行了13段水壓致裂試驗，主要測試結果見圖1。

圖1 水平主應力隨埋深變化關系圖Fig.1 Vertical variation of horizontal principal stress values

鉆孔測試深度范圍內（120～438 m），最大水平 主 應 力 為 2.3～8.4 MPa，最小水平主應力為1.8～6.9 MPa。壓裂縫的印模結果表明，最大水平主應力為NNENE向。測試成果表明，σv＞σH＞σh，測試區域內的巖體應力場以自重應力場為主，同時也受地形地貌的影響。

根據地質資料分析，完整巖石單軸抗壓強度Rc＝70～120 MPa，測孔底部的最大主應力σmax＝11.6 MPa，根 據《工程巖體分級標準》［4］，Rc／σmax＝6.9～10.3，可以認為，該區域地應力大小處于中等應力水平。

現場測試結果表明，隧道設計高程處最大水平主應力方位為N53°E，與隧道總體軸線方位（101°）的夾角為48°，呈較大角度。單從地應力角度分析，隧道軸線布置方位對隧道圍巖穩定性相對不利。鑒于應力水平為中等，且隧道設計高程處3個主應力值差別僅3.0 MPa左右，所以該不利影響比較小［2］。

4 應力場有限元模擬反分析

由于測量條件和經費的限制，不可能進行大量測試，這時，將有限的實測資料和已有的理論模型結合起來，預測整個工程區域的巖體初始應力場就顯得尤為重要。本文采用基于有限元正演分析的多元回歸反演方法進行分析［5］。

將計算域內的地應力場視為自重應力場和構造應力場的線性疊加，通過模擬不同工況的子應力場，使測點處的應力分量計算值與實測值誤差最小，求得各子應力場的影響權重系數，最后組合成計算應力場。

4.1 三維有限元模型

根據地質資料及計算域內的巖層劃分，按照地質年代、巖性、圍巖等級等因素，將計算模型的基本結構、構造進行適當概化，并對物理力學參數按照厚度加權取值。最終選取接近測試鉆孔、埋深較大的3 km范圍作為有限元分析的計算范圍，三維有限元網格圖見圖2。主要考慮了4條斷層構造面f8，f9，f10和 f11，各斷層的影響帶厚度依次取為 1，5，4，8 m，各巖性巖體力學參數見表1。

圖2 三維有限元網格圖Fig.2 3D FEM meshes

4.2 工程重點部位地應力特征

根據計算的地應力場，查找計算區域內工程部位對應的有限單元，就可求得該部位巖體的應力狀態，以供工程設計使用。根據隧道方案的平面布置圖，沿隧道走向在設計高程處進行插值，可得隧道設計高程處的主應力值如圖3所示，隧道剖面最大水平主應力等值線如圖4所示。

由圖3可以看出，σZ與地表山體走勢近似，表明σZ與深度的關系非常密切。埋深越大，鉛垂應力越大，而水平應力隨埋深變化的梯度較小。由圖4可以看出，應力等值線在斷層附近出現突變，而在其它地質巖性較好處則比較均勻。該應力剖面能有效彌補實測資料的分散性和局限性，能基本構造剖面內應力量值的分布，為隧道設計及圍巖穩定性分析提供重要依據。

表1 巖體力學參數表Table 1 Mechanical parameters of rock mass

圖3 隧道設計高程處主應力插值結果Fig.3 Principal stress interpolation results at the designed elevation of the tunnel

圖4 隧道剖面最大水平主應力等值線Fig.4 Contour of the maximum horizontal principal stresses in the cross section of the tunnel

隧道設計高程處最大水平主應力σH方位角為23°～61°，大部分集中在 42°～56°，這與測試結果（設計高程處N53°E左右）基本一致。從地應力角度分析，隧道軸線布置方位對隧道圍巖穩定性相對不利。在計算區域內，按照每100m間隔進行插值，結果只有K25＋100處9°和K25＋200處10°與其它插值點明顯不同。經與地質剖面構造對比，這兩點連線恰與計算區域內主要斷層f11平行且相距較近，并都位于微風化泥巖與相對堅硬巖層的分界面處，而有限元計算模型中巖層界面兩側的單元體，為滿足變形連續條件，某些應力分量可能發生局部突變。經驗證，這兩個插值點的剪應力τXY與臨近單元同一分量的符號相反（雖然量值很小），所以最大水平主應力方向明顯突變。

5 地應力方向與地質條件的關系

5.1 工程地質條件對地應力的影響

隧道區位于太岳山脈北中部的構造剝蝕基巖中山區，隧道穿越的寶塔山走向為NNE向，橫向規模巨大。隧道位于普洞～來遠NNE向褶斷帶的核心部位，該褶斷帶構造極為復雜，褶斷帶的主體褶皺表現為一些走向N70°～80°E的開闊背斜和緊閉向斜。這種地形地貌條件會影響最大水平主應力方向偏于NNE向。

隧道區斷層走向主要呈NEE向，部分為NE向，且多為正斷層。根據斷層力學成因模式分析［6］，當σ1直立、σ2和σ3水平時，形成正斷層。也就是說，正斷層的走向與σ2水平平行、與σ3水平垂直、σ1直立狀態。因為在這種構造應力狀態下，當σ1逐漸增大或σ3逐漸減小時，都可以導致正斷層的形成。由此可判斷，該區所在的地質構造環境應為最大水平主應力方向與正斷層走向平行，即NEE～NE向。

5.2 區域構造應力場特征

根據山西省地質志資料，該省地質構造活動最主要的是東部相對向北，西部相對向南的直線扭動作用，省內東西構造帶比較薄弱，南北向構造帶比較明顯，NE向、NNE向構造最為顯著。

利用地震波的初動及波形反演得到的震源機制解能夠得知震源斷層參數和應力狀態，大量解析結果可以反映區域應力場和構造運動特征，是目前研究地殼應力場與構造運動區域特征的一個重要途徑，已有研究表明山西地區總體受NNE～NEE向的區域主壓應力控制［7］。

現今地應力場的最大主應力方向主要取決于現今構造應力場，它與地質史上曾經出現過的構造應力場之間并不存在直接聯系。只有在現今地應力場繼承先前應力場而發展或與歷史上某次構造應力場的方向耦合時，現今應力場的方向才可能與歷史上的地質構造要素之間發生聯系［8］。

已有一些文獻對山西地區以及更大范圍的區域現今構造應力場進行了研究［9］，李欽祖等分析了華北地區48個地震震源機制解，認為華北塊體處于統一的地殼應力場作用下，其最大壓應力主軸為NEE向，且接近水平。謝新生等［10］通過深入研究晉中南地區褶皺和斷裂的關系及其形成演化過程，結果表明，晉中南中生代末存在NEE向的太岳山背斜和背斜上的縱、橫張破裂、張剪切共扼破裂。在南北向的剖面上呈南北深中間淺的“隆起”，該“隆起”的上下地殼在新生代阻礙了霍山～羅云山斷裂的右旋活動而形成應力集中，并產生了共扼破裂，由這對共軛破裂計算的晉中南地區地殼應力場主壓應力方向為N55°E。中國巖石圈動力學地圖集（1991）根據地震地質資料也得出該區受NE～NEE向擠壓控制的結論。王秀文［11］利用山西斷裂帶布設的GPS監測資料分析了山西斷陷帶水平運動特征，結果表明，該區域主壓應力場的方位角為72°。

山西各煤礦區160多個測點的實測資料［7］和引黃入晉工程的地應力測試結果均表明［12］，寶塔山周圍最大水平主應力方向大多為NNE向。

綜合以上區域構造環境、震源機制解、已有地應力測試結果，表明大范圍地質環境下，隧道所處區域現今構造運動總體上表現為NE向擠壓、NW向拉張的應力場作用下的運動，最大水平主應力方向應在NNE～NEE范圍內。

現場實測和回歸分析所得最大水平主應力方向恰好在此范圍內，表明最大水平主應力方向與區域構造應力場特征相符。

6 結 語

（1）測試鉆孔范圍內，最大水平主應力為2.3～8.4 MPa，最小水平主應力為1.8～6.9 MPa，最大水平主應力為NNE～NE向。

（2）隧道設計高程處最大水平主應力σH方位大部分集中在N42°E～N56°E，但在主要斷層附近層以及軟硬巖分界處應力會發生突變。從地應力角度分析，隧道軸線布置方位對圍巖穩定性相對不利。

（3）現場測試和有限元分析所得最大水平主應力方位與區域構造應力場特征相符。

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Characteristics of In-situ Stress Field in Baotashan Extra-long Tunnel

GUO Xi-feng1，ZHANG Ming-xin2，YIN Jian-min1，LIU Yuan-kun1
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Shanxi Provincial Communications Planning，Survey and Design Institute，Taiyuan 030012，China）

Baotashan tunnel is the longest highway tunnel in Shanxi province with a full length of 10 480 m and a maximum burial depth of 600 m.The complex topography and geomorphology and geological structures give rise to a complicated in-situ stress distribution in the tunnel area.To study the characteristics of rock in-situ stress field in the tunnel area，this paper firstly present the measured results of geostress by hydro-fracturing method，based on which the stress profile along the tunnel is obtained by FEM analysis，and finally the regional tectonic stress field is comprehensively analyzed from perspectives of topography and geomorphology，geologic structure，and geomechanics.The research manifested that in-situ stress in the test area can be defined as middle level stress，and the maximum horizontal principal stress in the tunnel design elevation is mainly concentrated in N42°E～N56°E，and regional tectonic stress field is consistent with in-situ stress field achieved by site test and numerical simulation.

tunnel engineering；stress measurement；finite element analysis；stress field characteristic

U459.2

A

1001－5485（2011）06－0055－04

2011-01-06

“十一五”國家科技支撐計劃項目（2008BAB29B01）；水利部公益性行業科研專項項目（201001009）；國家重點基礎研究發展計劃（973）項目（2011CB710603）；中央級公益性科研院所基金項目 （CKSF2010020）

郭喜峰（1984-），男，湖北黃岡人，碩士，主要從事巖石力學試驗與工程應用方面的研究工作，（電話）13883327341（電子信箱）xifeng1984＠126.com。

（編輯：姜小蘭）