川藏鐵路二郎山深埋隧道的地應力場反演分析

唐浩，李天斌，孟陸波，王棟，王敏杰

(1．成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都610059; 2．中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

川藏鐵路二郎山深埋隧道的地應力場反演分析

唐浩1，李天斌1，孟陸波1，王棟2，王敏杰1

(1．成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都610059; 2．中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

二郎山隧道是川藏鐵路的控制性重點工程，隧址區的地應力分析對于鐵路的選線和施工具有重要意義。本文通過工程類比分析和應力計算確定了邊界條件及水平向對稱梯度應力，綜合應用CAD，ANSYS和FLAC3D三種軟件開展了二郎山隧道深埋方案的數值反演，分析了沿隧道軸線的應力變化和分布特征。結果表明:隧址區全長范圍內最大主應力總體上隨埋深增大而逐漸增加;局部應力狀態受地質構造影響較大，在結構面及巖性分界點附近有明顯變化。

二郎山隧道 地應力反演 工程類比 數值模擬

姚顯春等［6］利用初始地應力實測值反演大范圍的巖體構造地應力場分布，通過關鍵點的實測位移修正反演結果，從而得到了較為準確的三維地應力分布。郭運華等［7］利用偏最小二乘回歸法擬合了地應力場并將其精確加載至計算模型以達到提高反演精度目的，解決了邊界應力奇異分布問題。李永松等［8］將模擬退火算法和粒子群算法結合，提出了一種解決地應力場分析時邊界荷載難以確定問題的方法，該方法不僅克服了粒子群算法容易陷入局部最優的缺陷，而且發揮了模擬退火算法擅長全局尋優的特點。陳華根等［9］從機理上分析了模擬退火算法，對退火方式及其擾動等核心技術進行了詳細分析，得到了包含兩個過程的改進快速模擬退火計劃及相應算法，提高了計算效率。石敦敦等［10］通過數值分析的方法探討了應用實數編碼的遺傳算法及BP神經網絡優化反演分析在反演巖體初始應力方面的有效性。夏彬偉等［11］結合渝沙高速共和隧道地應力測量資料，通過調整多種組合的側壓系數，獲得了不同測試段地應力，從而展開了巖體地應力反演分析。

目前，川藏鐵路控制性重點工程二郎山隧道尚處于可研階段，實測資料缺乏。但隧址區附近的地質構造研究較為成熟，附近已有多條公路、鐵路隧道和多個水電站投入使用，如雅康高速二郎山隧道、老國道318線二郎山隧道及大渡河瀘定水電站等，其地應力情況具有高度可借鑒性。此外，二郎山隧道選線過程中具有多個論證方案，根據不同線路的隧道最大埋深擬定了深埋方案(最大埋深2 600 m)、淺埋方案(最大埋深1 600 m)等多套方案。根據選線過程中對地勘資料、施工難度和經濟性等因素的綜合分析，初步認為深埋方案具有較強可行性。因此，本文基于區域構造應力場特征，以“地理位置靠近、地質構造相似、巖性特征相近”為原則，輔以考慮最大主應力方向及量級的相似程度，充分借鑒臨近工程地應力實測資料，利用連續介質力學分析軟件FLAC3D對二郎山隧道深埋方案(以下簡稱“深埋方案”)的地應力分布及影響進行反演，并對反演結果進行分析。

1 工程概況

1.1 工程地質條件及構造特征

二郎山隧道位于四川省雅安市天全縣與甘孜州瀘定縣交界的二郎山高中山區，隧道進口位于天全縣新溝兩路公社，出口位于瀘定縣黃泥村，連接大渡河特大橋，隧道長度約18 116 m。隧道進口高程約1 452.8 m，出口高程約1 301.7 m，為單面下坡隧道，隧道最大埋深約2 070 m，為川藏鐵路控制性重點工程。

隧址區地質構造極為復雜，區域深大斷裂發育，受多期構造作用影響。二郎山隧道處于龍門山NE向構造帶WS端，向東過渡為峨眉山斷塊區的大相嶺菱形地塊，北西側為松潘—甘孜褶皺帶。隧址區處在中國西部著名“Y”字型構造的三岔口交接部位NE側，受NE向龍門山構造帶控制。其中，“Y”字型構造分別為NE向龍門山構造帶、SN向川滇構造帶和NW向鮮水河構造。隧道穿越的區域性斷裂主要有新溝斷裂、?；藬嗔?、二郎山斷裂和瀘定斷裂等，以及一系列次級斷裂構造。同時還存在有大相嶺背斜、龍膽溪背斜等多條褶皺，地質構造情況十分復雜。受區域地質構造控制，隧址區現今主應力方向為NW～NWW向。線路與隧址區主體構造大角度相交，因此將主要受川青塊體和川滇塊體的聯合擠壓作用。其軸線走向為EW向，與老國道318線二郎山公路隧道相距約2～4 km，處于同一區域構造帶內。

深埋方案在里程C2K222+150處為沉積巖與巖漿巖分界點，整個隧址區軟、硬巖類均有廣泛分布，硬質巖類有灰巖、石英砂巖、粉砂巖、花崗巖、安山巖等，軟質巖類有泥巖、頁巖等。工程區內斷層、斷裂發育，斷裂帶內巖體破碎。由于隧道通過多條斷裂帶，圍巖穩定性差，隧道地質條件非常復雜，因此有必要對該方案進行地應力反演。

RS技術最早發展于上個世紀60年代，起初該技術主要是以航空攝影技術為基礎的一門技術，其最大特點在于大范圍同步觀測。將RS技術應用在建筑工程測量中，對測量數據的有效性、科學性都起著重要作用，而且掌握RS技術，并了解其各項優勢，對于提高建筑工程測量水平，在工程項目中進行全面、大范圍觀測起著重要的實踐意義。

1.2 地應力特征

經臨近工程類比分析，隧址區現今主應力方向主要為N60°～80°W。埋深500 m左右時，最大主應力為15～20 MPa;埋深約1 000 m時，最大主應力為25～35 MPa;埋深約1 500 m時，最大主應力為40～50 MPa;埋深約2 000 m時，最大主應力為50～60 MPa。受其它因素的潛在影響，部分區段地應力值可能偏高。

2 應力分析

巖體初始應力場是由自重應力和水平構造應力組合而成。這種組合關系可表示為

其中:σin為初始地應力，σV為自重應力，σH為水平構造應力，a和b是待定系數。

對于自重應力，巖體的重度可以根據地層巖性在縱剖面上的分布，通過工程類比并參照《公路工程地質勘察規范》(JTG C20—2011)和《工程地質手冊》確定。根據公式q=γH(γ為土的加權平均重度，H為埋深)，計算得到自重應力(即初始地應力鉛直分量)。根據地形條件，采用數值模擬可使自重應力更加精確。

但對于水平構造應力來說，它受彈性模量影響較大，并且與邊界位移和應力具有正相關關系，因此情況較為復雜，應該通過計算并結合實際地質條件施加。

水平構造應力可以通過現今最大水平主應力減去巖體自重應力水平分量求得。根據不同埋深處的自重應力水平分量和最大主應力，分別計算得到水平構造應力。其分布見表1。

表1 水平構造應力分布

3 初始地應力數值反演

3.1 地層巖性

綜合考慮二郎山隧道的地質情況，繪制隧道縱剖面示意圖(如圖1)。其中，粗線代表區域斷裂，細線代表地層分界線，橫向線段代表隧道軸線。

3.2 數值模擬流程

在CAD中確定坐標中心后將二郎山隧道軸線的縱斷面圖通過Cross插件轉換為txt文檔數據，導入ANSYS，并在ANSYS中進行巖層劃分等前期處理工作，包括定義單元類型、材料參數、分組、劃分網格等。再將得到的數據輸出并調入FLAC3D建模，通過編寫命令流實現初始條件設置和邊界條件約束，并施加底面位移約束和水平向對稱梯度應力，從而模擬二郎山隧道的初始地應力。

3.3 模型邊界條件及應力場模擬

采用FLAC3D軟件建立模型模擬深埋方案地應力場的形成與分布。初始狀態模型上表面為自由表面，底部約束垂直方向位移;在模型內部分段施加反演的二郎山地區的水平構造應力及自重應力水平分量;在全斷面范圍內根據地形和地層巖性的分布施加自重應力。為減少應力集中造成的影響，在隧道進口側加長1 500 m，出口側加長1 500 m，隧道底部加厚1 000 m，最終計算范圍為21 118 m×3 043 m(寬×高)，單元數為209 634個，節點數為43 110個。

按埋深將隧道沿縱剖面分為4段，在每段的左右邊界施加計算得到的X和Z兩個水平方向的水平構造應力(如表2)。

將通過應力試算法得到的計算值作為初始構造應力。結合區域構造應力，在模型左右邊界施加合適的邊界應力約束得到最終的構造應力場。根據工程類比得知，隧址區現今主應力方向主要為N60°～80°W，隧道軸線方向與正東方向夾角大約為23°，因此主應力方向與隧道軸向夾角大約為43°。根據三角函數關系，將水平構造應力換算到隧道X軸和Z軸兩個水平方向上，得到了X和Z兩個方向的構造應力計算結果，如表3。

表3 X和Z方向的構造應力計算結果MPa

4 模擬結果與分析

4.1 應力變化特征

在數值模擬過程中，沿隧道軸線方向每隔200 m記錄一次垂直應力、水平應力和最大主應力數據，在此基礎上繪制二郎山隧道深埋方案不同位置的最大主應力圖及垂直、水平方向應力圖，結果如圖2。圖中左側表示進口方向，右側表示出口方向。

圖2 隧道的應力變化曲線

由圖2(a)可見:深埋方案的最大主應力值高達60 MPa;C2K222+150處為沉積巖與巖漿巖分界點(進口方向為沉積巖，出口方向為巖漿巖)，沉積巖段最大主應力達到50 MPa，巖漿巖段最大主應力近60 MPa。由圖2(b)可見:水平應力的變化比較規律，呈先增大后減小趨勢;在巖性分界點附近達到最大，約38 MPa。由圖2(c)可見:垂直應力變化較為復雜，發生局部應力降低和集中現象的位置主要集中在主要斷層帶附近和巖性分界點附近;斷層帶內應力陡降，在其兩側形成應力局部增高帶;垂直應力最大達到60 MPa。

綜上所述，隧址區的高地應力是在較高的水平應力和垂直應力的共同作用下形成的，受到了構造應力和不同巖性形成的自重應力的綜合影響，因此成因較為復雜。

4.2 應力分布特征

隧道天全縣進口端高程1 452.8 m，瀘定縣出口端高程1 301.7 m，隧道全長18 116 m，平均坡度約1%。隧道軸線附近典型縱剖面應力分布云圖見圖3。根據圖3(a)，將隧址區按高程分為4段:①天全縣進口端至C2K214+380，最大主應力為10～30 MPa;②C2K214+380—C2K221+120，最大主應力為30～45 MPa;③C2K221+120—C2K224+580，最大主應力達到了45～60 MPa;④C2K224+580至瀘定縣出口端，最大主應力為15～30 MPa。顯然，在二郎山東支斷裂(簡稱F東)至F1斷裂之間處于高地應力狀態，且該深埋方案全長范圍內最大主應力隨埋深增大而逐漸增加，在隧道埋深最大處(約2 070 m)達到最大值60 MPa。從圖3(b)來看，在最大埋深位置附近水平應力達到了40 MPa，且隧址區水平應力值普遍較高。根據圖3(c)，沿隧道軸線的應力值變化較大，這與隧址區埋深和巖性變化有關;最大垂直應力位于最大埋深處附近，約60 MPa，總體上隨埋深增加而增大。

圖3 隧道軸線附近典型縱剖面應力分布云圖

5 結論及建議

1)通過綜合考慮區域構造應力場特征、鄰近工程部分實測點數據，利用類比分析得到現今主應力方向和量級，并根據計算結果和利用相似原理得到的數據在模型上施加水平構造應力，通過大量試算取得了模擬結果。

2)數值模擬及臨近工程地應力實測結果顯示，隧址區全長范圍內最大主應力隨埋深增大而逐漸增加，最高達到60 MPa。在二郎山東支斷裂至F1斷裂之間處于高地應力狀態。其中，C2K221+120—C2K224+ 580最大主應力達到了45～60 MPa。

3)隧址區地應力與隧道埋深有較大關系，但局部地方由于受斷層和結構面影響而出現不規則變化，將會導致應力降低、增高和集中。

4)因隧道洞身穿越了近10條區域大斷裂，斷裂構造必然對隧道部分段落的應力場分布及其量級產生較大影響。建議施工期間采取超前探測和現場實測等手段對應力場的預測結果進行動態驗證，為高地應力及巖爆、大變形預測提供基礎數據。

5)本次數值模擬綜合應用了CAD，ANSYS和FLAC3D三種軟件，通過三種軟件的優勢組合實現了快速、簡潔建模。

需要指出的是，由于川藏鐵路二郎山隧道處于可研階段，實測資料嚴重匱乏。本文以臨近工程實測數據為依據，按照工程類比原則得到的地應力方向和量值，以及通過數值模擬分析得到的地應力分布情況均有待更多實測數據驗證。

［1］徐正，李天斌，孟陸波，等．鷓鴣山隧道地應力反演模型與三維地應力［J］．成都理工大學學報(自然科學版)，2014， 41(2):243-250．

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Back analysis of ground-stress field for Erlangshan deep buried tunnel on Sichuan-Tibet railway

TANG Hao1，LI Tianbin1，MENG Lubo1，WANG Dong2，WANG Minjie1
(1．State Key Laboratory of Geohazard Prevention＆Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China;2．China Railway Eryuan Engineering Group Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610031，China)

Erlang mountain tunnel is the controlling key project of Sichuan-T ibet railway．Ground stress analysis of the tunnel site area has important significance to the railway route selection and construction．T his paper determined the boundary conditions and the horizontal symmetry gradient stress by engineering analogy analysis and ground stress calculation，developed numerical inversion model for deep buried scheme of Erlang mountain tunnel by combining with CAD，ANSYS and FLAC3D，analyzed stress change and distribution characteristics along the tunnel axis．T he results showed that the maximum principle stress gradually increases with the growth of the cover depth in tunnel site area，local stress state is mainly affected by geological structure，which obviously changes nearby the structural plane and lithology boundary point．

Erlang mountain tunnel;Ground stress inversion model;Engineering analogy;Numerical simulation

TU452

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．19

1003-1995(2015)03-0065-05

(責任審編葛全紅)

2014-06-26;

2015-01-14

國家自然科學基金資助項目(41172279，41230635);交通運輸部西部交通建設科技項目(20113188051090)

唐浩(1989─)，男，四川成都人，碩士研究生。