拉林鐵路巴玉深埋隧道地應力場反演分析

王慶武，巨能攀，杜玲麗，黃健，蔣金陽

（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.西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都610031）

拉林鐵路巴玉深埋隧道地應力場反演分析

王慶武1，巨能攀1，杜玲麗2，黃健1，蔣金陽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.西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都610031）

基于區域構造應力環境和實測地應力成果，根據拉薩—林芝鐵路巴玉深埋隧道地形起伏特征將工程區劃分為3個區段，利用邊界荷載調整法對各區段地應力場進行了反演分析。結果表明:除隧道進出口段外，地應力場均以豎向主應力為主，在隧道最大埋深處最大主應力值達到48 MPa；在隧道進出口段應力值較低，隧道軸線與最大水平主應力方向夾角較小，有利于隧道圍巖的穩定；在隧道深埋段豎向主應力與水平主應力值均較高，且隧道軸線與最大水平主應力方向近于正交，不利于隧道圍巖的穩定。

深埋隧道；地應力場；分區；反演分析；邊界荷載調整法

地應力是地下工程重要的工程荷載來源，是圍巖位移分布及破壞形式的控制性因素［1］。實測地應力是工程中獲取地應力場的可靠途徑，但受客觀條件限制工程中難以開展大規模的現場實測。學者們提出了利用數值方法反演地應力場的眾多思路［2-5］。其中邊界荷載調整法通過調整在模型邊界施加的荷載（位移）來使有限測點處地應力模擬計算值與實測值達到最佳擬合，由此獲得所需求解的實際地應力場。邊界荷載調整法充分考慮了區域復雜的工程地質環境，可獲得較高的計算精度，在我國水利水電行業中應用廣泛，但在鐵路或公路隧道工程中的應用仍然較少［6］。

本文以區域構造應力環境和實測地應力成果為基礎，利用邊界荷載調整法完成了巴玉隧道工程區的地應力場反演工作，分析了隧道工程區地應力分布特征，并根據隧道軸線與主應力方向間的夾角對隧道圍巖穩定性進行初步評價。

1　工程概況

巴玉隧道位于西藏自治區山南地區，隧道走向為104°，全長13 047 m，最大埋深2 073 m。隧道工程區巖性單一，大部分為中粒角閃黑云花崗巖，部分區段夾雜有極少量的偉晶巖脈。區內構造發育輕微，隧道于里程DK200+006左右近垂直穿越藏木斷層，斷層破碎帶寬30～50 m。工程區地面標高3 260～5 500 m，高差近23 00 m，屬于典型的高山峽谷地貌［7］。

2　地應力場特征綜合分析

2.1構造應力環境

工程區位于青藏高原東南部，屬于岡底斯-喜馬拉雅地體，該地塊處于印度板塊與歐亞板塊相碰撞的接合部，受印度板塊向北東方向強烈的俯沖推擠作用，該區域現代構造應力表現為與之相應的近北東向的擠壓應力［8］。在這一力源機制的作用下，區域內發育多組近東西和近南北方向的斷裂構造帶。工程區位置和周邊主要地質構造示意如圖1。

圖1　工程區位置和周邊主要地質構造示意

近東西方向的斷裂構造多屬于走滑、逆沖斷層，規模較大，距離現今最近的活動在第四紀。近南北方向的斷裂構造主要呈現出帶狀分布的特點，構成了SN或NNE向的拉張、剪切斷裂帶，規模相對較小，在第四紀晚期活動比較頻繁，工程區內藏木斷層走向為N14°W，屬于剪切斷裂帶。對記錄的新近發生地震的活動斷層進行統計發現，大地震主要分布在走向為近SN或NNE向的斷裂帶上，在南北方向上呈帶狀分布。工程區現今地質構造活動主要受近南北向的晚第四紀活動斷裂帶控制。依據Anderson斷層力學理論，符合這一理論特點的斷層，最大主應力和斷層面的夾角一般為23°～30°［9］，由此可推斷隧道工程區構造應力方向可能為N20°W～N40°E，這一方向與隧道工程區控制性節理方向呈大角度相交，符合節理發育規律，驗證了構造應力分析結果的準確性。

2.2實測地應力成果

為查明拉林鐵路桑日—加查段現今地應力狀態，于2015年在與巴玉隧道緊鄰的桑珠嶺隧道里程DK186+327處完成了DK-SZLSD-2鉆孔的地應力現場測試。實測數據見表1［10］。

表1　DK-SZLSD-2鉆孔地應力實測數據

由表1可見，該孔位處最大水平主應力在9.41～17.72 MPa，最小水平主應力在5.61～13.1 MPa，豎向主應力在5.34～15.13 MPa。在測量深度范圍內三向主應力均隨埋深的增加而增大，三向主應力值的關系總體為SH＞Sv＞Sh。該孔位處最大水平主應力優勢方位為N9°W～N7°E向，與構造應力分析結果相吻合，證明了實測地應力結果合理。測點位置與工程區接近，因此鉆孔DK-SZLSD-2的實測資料能夠較好地反映工程區的地應力狀態。

實測地應力資料較為離散，分析中常用的方法是對地應力實測數據作線性回歸擬合。鑒于本次研究實測數據較少，筆者收集了工程區附近50個測點的地應力值進行擬合。豎向主應力Sv值一般按照上覆巖層重度估算，受構造作用的影響較小，故僅將最大、最小水平主應力按照埋深進行擬合，結果見式（1）。

3　隧道工程區地應力場三維反演

3.1模型建立及參數選取

模型底部固定Z向位移，上表面為自由面，側面通過施加梯度應力來模擬東西、南北方向構造擠壓作用。計算范圍：沿隧道軸線方向選取15 000 m（X軸），垂直于軸向方向取5 000 m（Y軸），由高程2 700 m的位置豎直向上取至地表（Z軸）。模型巖體主要有2種：①分布于全工程區的花崗巖；②對隧道開挖施工影響較大的藏木斷層破碎帶。巴玉隧道計算模型見圖2，總計單元數316 511個，節點數57 036個，計算時采用彈性本構模型。巖體力學參數取值通過工程類比和室內試驗結果確定，見表2。

圖2　巴玉隧道計算模型

表2　巖體力學參數

3.2反演方案設計

為提高反演結果準確性，將地質模型劃分為3個區段進行反演（參見圖2）。Ⅰ區位于隧道進口端，坐標范圍為0＜x＜3 200 m，段內隧道平均埋深為1 100 m，地形陡峭，地表起伏較大。Ⅱ區范圍為3 200 m＜x＜9 500 m，段內隧道平均埋深為1 800 m，地形為南高北低、坡度基本一致的斜坡。Ⅲ區范圍為9 500 m＜x＜15 000 m，隧道平均埋深為1 300 m，區內包含了藏木斷層破碎帶。

根據2017年度北京、上海、湖北等7個試點城市碳排放交易中心平均成交價格22.33元·t-1計算，洱海流域碳儲量經折算為森林吸收二氧化碳14841.14萬t，其碳儲量價值為3.314億元，占洱海流域大理市和洱源縣2016年度國內生產總值的0.8%。根據森林資源規劃設計調查結果中各優勢樹種年凈生長量計算的年碳儲量為145987 t，其年儲碳量價值1195.29萬元。

分析表明，最大水平主應力方向為N20°W～N40°E，數值模擬時取中間值N10°E，隧道走向為104°，最大水平主應力方向近似為Y軸方向，因此在模型側面對稱施加沿X向、Y向的擠壓應力來模擬構造應力場。調整邊界條件使反演結果與實測數據統計分析結果達到最佳擬合。此時邊界條件見表3。

表3　邊界條件MPa

3.3反演結果分析

3.3.1地應力與埋深的關系

將表3中的應力邊界條件載入FLAC3D中進行計算。結果表明：①最大水平主應力方向在N28°W～N42°E，和NE向的構造應力方向一致。②對數值模型中埋深＜600 m部位的應力計算值進行統計，取平均值。當埋深為100 m時，最大水平主應力為8.0 MPa，最小水平主應力為3.9 MPa；當埋深為300 m時，最大水平主應力為14.5 MPa，最小水平主應力為8.1 MPa；當埋深為600 m時，最大水平主應力為23.0 MPa，最小水平主應力為14.8 MPa。上述結果與按照式（1）計算的結果和鉆孔實測結果高度吻合?？烧J為反演得到的工程區地應力場是合理的。

3.3.2地應力分布特征

隧道設計線路縱剖面應力分布云圖見圖3。由圖可知：X軸方向主應力σx最大值達22.4 MPa，分布于隧道出口端河谷底部區域，在山頂及山谷的淺層巖體中局部出現拉應力；Y軸方向主應力σy在最大埋深處達到最大值28.7 MPa；Z軸方向主應力σz同樣在最大埋深處達到最大值60.9 MPa。σy，σz隨地形起伏應力云圖變化梯度清晰，應力值在斷層破碎帶附近發生突降，形成應力松弛區。從數值上看，由于隧道埋深較大，隧道軸線位置巖體應力狀態主要以Z軸方向主應力為主。

圖3　隧道設計線路縱剖面應力分布云圖

巴玉隧道設計線路海拔標高為3 400 m。圖4為研究區域海拔標高3 400 m處主應力分布云圖。可以看出：沿隧道軸線方向，最大主應力由最大埋深處向進出口端逐漸減小，在隧道最大埋深處最大主應力值達43.8 MPa，在隧道進出口段最大主應力值為15.5～20.5 MPa，藏木斷層破碎帶附近最大主應力值降至17 MPa左右；中間主應力在最大埋深處達到最大值21.6 MPa，隧道進出口段降至10.3～12.5 MPa；最小主應力值較小，在近河谷段為2.5～4.8 MPa，藏木斷層附近約為5.5 MPa，其他段分布穩定，其值為8.3～11.6 MPa。

圖4　研究區域海拔標高3 400 m處主應力分布云圖

從主應力方向與隧道軸線間的夾角來看：在隧道進出口段水平應力起主導作用，隧道軸線與最大水平主應力方向夾角為15°～40°，且隧道埋深較小，主應力值偏低，有利于隧道圍巖的穩定；在隧道深埋段，巖體應力場包含2個近水平向主應力，1個近豎向主應力，其中豎向主應力為最大主應力，量值較高，與上覆巖層自重相當，且隧道軸線與最大水平主應力方向近于正交，洞室圍巖多處易發生失穩破壞。

4　結論

1）巴玉隧道沿線最大水平主應力方向以NE向為主。除隧道進出口段外，地應力場均以豎向主應力為主，在隧道最大埋深處最大主應力值達43.8 MPa，隧道施工過程中易發生高地應力災害。

2）在隧道進出口段，應力值較低，隧道軸線與最大水平主應力方向夾角較小，有利于隧道圍巖的穩定。在隧道深埋段，豎向主應力與最大水平主應力值均較高，且隧道軸線與最大水平主應力方向近正交，不利于隧道圍巖穩定。建議對隧道線路走向作進一步優化。

［1］汪波，何川，吳德興，等.蒼嶺特長公路隧道地應力場反演分析［J］.巖土力學，2012，33（2）：628-634.

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［5］王成虎，邢博瑞，陳永前.長大深埋隧道工程區地應力狀態預測與實例分析［J］.巖土工程學報，2014，36（5）：955-960.

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［7］中鐵二院工程集團有限責任公司.川藏鐵路拉薩—林芝段巴玉隧道施工圖設計［R］.成都：中鐵二院工程集團有限責任公司，2014.

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［10］王成虎，王顯軍，許俊閃，等.拉薩到林芝鐵路桑珠嶺隧道DK-SZLSD-2鉆孔地應力測試報告［R］.北京：中國地震局地殼應力研究所，2015.

（責任審編葛全紅）

Inverse Analysis of Geostress Field in Bayu Deep-buried Tunnel on Lhasa－Linzhi Railway

WANG Qingwu1，JU Nengpan1，DU Lingli2，HUANG Jian1，JIANG jinyang1
（1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China；2.School of Transportation and Logistics，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

W ith regional tectonic force environment and actual measured geostress，the project area was divided into 3 sections according to the characteristics of topography of deep-buried tunnel on the Lhasa-linzhi railway.A inverse analysis was conducted on the geostress field with boundary load adjustment method.T he results indicate that the vertical principle stress is the dominant geostress in the tunnel except for entrances and exits.T he maximum principle stress goes up to 48 M Pa at the deepest area in the tunnel.T he geostress is low at entrances and exits，and the intersection angle between the tunnel axis and the maximum horizontal principle stress is small，leading to a more stable surrounding rock.By comparison，the vertical and horizontal principle stress are higher at the deeper part of the tunnel，and the tunnel axis is approximately perpendicular to the maximum horizontal principle stress，causing a stability problem of the surrounding rock.

Deep-buried tunnel；Geostress field；Sub-region；Inverse analysis；Boundary load adjustment method

TU452

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.16

1003-1995（2016）10-0059-04

2016-03-10；

2016-07-20

王慶武（1991—），男，碩士研究生。