鄭萬高鐵向家灣隧道地應力分布特征研究

王毅東 袁 彬 羅 剛

(1.武九客專湖北有限責任公司 武漢 430200； 2.四川省宜賓地質工程勘察院集團有限公司 宜賓 644600；3.西南交通大學地球科學與環境工程學院 成都 611756)

隨著我國高鐵建設的高速發展和長大深埋山嶺隧道占比的不斷提高，隧道工程建設中暴露出的問題也越來越多，影響隧道圍巖穩定和安全施工的因素也越發紛繁復雜，其中地應力作為重要的地質因素，在此中始終扮演著不可替代的角色[1-4]。

早期便有學者提出地應力是影響深部隧道圍巖穩定性的主控因素之一[5]。由于開挖擾動和原巖應力作用的影響，圍巖中會形成彈性應力場和位移場，當彈性應力場滿足破裂條件時，巖體發生破裂，由于位移不連續，便會形成破裂區，給隧道安全造成嚴重影響[6]。學界對此也早已展開了大量研究。薛曉輝[7]、郭小龍[8]、陳子全等[9]采用各類技術手段對高地應力區軟巖隧道變形破壞特征進行了系統分析。研究發現，高地應力區層狀軟巖隧道大變形是高地應力、軟弱圍巖、層理弱面耦合作用的結果。李建興等[10]通過對在建米倉山隧道進行現場調查，對比類似工程及現場記錄提出隧道圍巖失穩的主要原因是高地應力引起的能量超過了巖體的最大承受能力。沙鵬等[11]運用多種技術手段深入分析了蘭渝鐵路研究區特殊非線性大變形的破壞機制，研究表明，隧道開挖后高地應力會誘發低強度圍巖發生迅速而強烈的擠出變形。

由此可見，地應力作為影響隧道圍巖穩定性不可忽略的因素，為了規避施工潛在風險，保證工程安全順利開展，在隧道施工前期查明隧址區初始地應力分布特征就顯得尤為重要。業內通常綜合采用現場水壓致裂法及室內數值模擬驗證的方法開展地應力分布特征研究[12-14]。對于數值模擬，FLAC3D應屬目前最受學者們追捧的模擬軟件[15-17]。如汪波等[18]在對蒼嶺隧道工程區地應力場實測值分析基礎上，選取可靠、具有代表性的實測點作為反演回歸對象，利用三維數值分析手段，結合回歸分析原理，獲得整個工程區的地應力場分布情況。除此之外，多個軟件的綜合應用也是開展此項研究的一個趨勢，如徐正[19]、張敏等[20]通過分析區域構造特征并結合現場實測數據，綜合應用Sufer、ANSYS及FLAC3D軟件進行應力反演，獲取了研究區隧道區域應力分布特征。

綜上所述，查明隧址區地應力分布特征對于保證隧道工程施工的順利進行異常重要，開展此類研究的方法手段也較為豐富。為查明鄭萬高鐵向家灣隧道隧址區全線應力分布特征，本文結合區域工程地質條件，基于區域內峽口隧道實測應力值，綜合采用Rhino 6、COMSOL等軟件開展區域應力反演，基本查明向家灣隧道全段應力分布特征，為后期類似工程相關研究提供有效借鑒。

1 向家灣隧道隧址區地質概況

鄭萬高鐵向家灣隧道位于湖北省宜昌市興山縣南陽鎮境內，向家灣隧道位置見圖1，隧道全長4 663.24 m，走向240°，最大埋深1 025 m，屬深埋長大山嶺隧道。

圖1 向家灣隧道位置圖

隧址區屬秦嶺大巴山體系，為巖溶剝蝕中山地貌。區內地勢北高南低，地勢起伏較大，最高山峰標高1 606 m，最低點為白沙河河谷，標高148 m，地形高差1 458 m，峰谷縱橫，溪溝由北向南深切。構造上位于新華夏系一級隆起帶的第三隆起帶，以及淮陽山字形西翼反射弧和“長江中下游區域東西向構造帶”相匯處。

隧道沿線穿越地層為三疊系中統巴東組(T2b)泥巖、砂巖、泥灰巖，下統嘉陵江組(T1j)、大冶組(T1d)灰巖、白云巖夾鹽溶角礫巖；二疊系上統(P2)灰巖、炭質頁巖夾煤線，下統茅口組(P1m)灰巖，棲霞組(P1q)灰巖、頁巖夾煤線，泥盆系中上統云臺觀組(D2+3y)砂巖夾頁巖，志留系中下統紗帽組(S1-2s)、下統羅惹坪組(S1lr)頁巖夾砂巖，大部分巖質較軟，巖體質量等級為IV～V級，隧道洞身縱斷面見圖2。

圖2 隧道洞身縱斷面

2 向家灣隧道地應力特征

為探明向家灣隧道隧址區應力分布特征，基于區域工程地質條件及臨近滬蓉高速峽口隧道實測應力值[21]，綜合應用Rhino、COMSOL軟件開展研究。

2.1 高程提取及地質信息投影

應用Global Mapper對包括向家灣隧道及峽口隧道在內的矩形區域(40 km×50 km)進行初始高程提取，區域地形地貌見圖3，并結合區域地質圖等比繪制區域地質信息，區域地質地形見圖4。

圖3 區域地形地貌 圖4 區域地質地形

2.2 數值模擬

2.2.1構建三維模型

結合區域地質信息，應用Rhino 6構建出初始三維地質模型，初始三維地質模型見圖5。

圖5 初始三維地質模型

2.2.2劃分網格

將Rhino 6中已構建的三維實體模型導入COMSOL數值模擬軟件中并生成聯合體。設置超細化單元進行網格劃分，網格劃分見圖6。

圖6 網格劃分示意

于峽口隧道實測地應力段布置測線，沿向家灣隧道軸線方向布置測線并繪制三維橫截面。

2.2.3巖石力學參數

根據區域地質信息，結合區域地質資料并查詢《工程地質手冊》[22]得到區域內地層巖性及相關巖體彈性模量、泊松比和巖石密度等基本參數。詳細巖石力學參數見表1。

表1 巖石力學參數表

2.2.4邊界條件

設置重力加速度為1g，上邊界為自由邊界，下邊界固定，調節四周邊界荷載使峽口隧道測線位置應力條件無限接近于實測應力值，最終將前后長邊界邊界荷載施加至40 MPa，左右短邊界邊界荷載施加至82 MPa時，峽口隧道區實測點處中間主應力模擬值為7.6 MPa，與實測值7.18 MPa誤差為5.85%；最小水平主應力模擬值為6.7 MPa，與實測值7.14 MPa誤差為-6.16%；最大主應力模擬值為15.6 MPa，與實測值13.06 MPa誤差為19.45%，誤差值相對較大，究其原因，可能是該區域臨近F3斷層，其斷層面深部轉折情況不明朗，以至于存在不可控構造應力及巖石力學參數差異等，從而導致區域內的地應力分布不均進而出現此類問題。綜合看來，峽口隧道區實測應力點處地應力模擬值與實際情況基本吻合，峽口隧道模擬值與實測值對比見表2。

表2 峽口隧道模擬值與實測值對比表

2.3 應力分布特征分析

根據上述步驟計算得出包括峽口隧道和向家灣隧道在內的區域三向應力云圖見圖7，圖中白色線為縱斷面位置。通過云圖發現，區域內出現了局部應力集中現象，但由于其距離2個隧道位置均較遠，對施工影響較小，所以暫不做過多分析。

導出向家灣隧道縱斷面三向主應力云圖見圖8，向家灣隧道隧址區縱斷面方向在豎直方向基本呈現出逐漸增大的趨勢，及該區域主要受上覆巖層自重應力影響。局部出現有應力集中現象，如隧道出口端深部第二主應力云圖和第三主應力云圖便出現局部異常，究其原因，應為區域內F1斷層引起的局部構造應力所致，但由于位于地殼深部，對施工影響較小。

向家灣隧道三向應力均呈現出“中間大，兩頭小”的變化規律，應力最大值主要集中于D2K583+560-D2K583+710里程段。其中第一主應力最大值為18.82 MPa，第二主應力最大值為14.28 MPa，第三主應力最大值為5.73 MPa，隧道軸向三向應力曲線見圖9。

圖9 隧道軸向三向應力曲線

隧道縱斷面應力方向示意見圖10，由圖可見在向家灣隧道淺埋段，即隧道進出口段，第二主應力近于豎直方向，而第一主應力和第三主應力近于水平。而隨著埋深的增加，第一主應力和第二主應力均逐漸開始發生偏轉，變為第一主應力豎直，第二主應力近水平。

圖10 隧道縱斷面應力方向示意

通過整理并結合前期巖體力學試驗成果獲得向家灣隧道地應力分布特征表。隧址區內，最大水平主應力方向范圍在251°～284°之間，平均方向角為269°，與隧道軸線交角較小，有利于施工過程中圍巖的穩定。向家灣隧道全隧段以高地應力為主，分布于里程范圍D2K582+760-D2K583+210，D2K583+360-D2K583+560及D2K583+860-D2K585+760，占到了總里程長度的54.68%；一般地應力區主要分布在隧道進出口淺埋段，分布于里程范圍D2K581+760-D2K582+760、D2K585+760-D2K586+423.24，占到了總里程長度的35.67%；局部段出現了極高地應力，主要分布于里程段D2K583+210-D2K583+360及D2K583+560-D2K583+860范圍內，占總里程長度的9.65%，向家灣隧道地應力等級分區圖見圖11。由圖11可知，應力等級與圍巖等級及巖性等無明顯相關關系。

圖11 向家灣隧道地應力等級分區圖

3 結論

1) 向家灣隧道隧址區初始地應力分布主要受上覆巖層自重應力所制約，洞身段應力分布正常，未見明顯構造應力分布。

2) 向家灣隧道軸向應力呈“中間大，兩頭小”的分布規律，應力最大值主要集中于D2K583+560-D2K583+710里程段。其中第一主應力最大值為18.82 MPa，第二主應力最大值為14.28 MPa，第三主應力最大值為5.73 MPa。最大水平主應力與隧道軸線交角較小，利于隧道施工進程中的圍巖穩定性。

3) 向家灣隧道全隧段以高地應力分布為主，一般地應力分布范圍次之。局部段分布有極高地應力，應加強該區段施工過程中的安全管理，預防巖爆、軟巖大變形等高地應力區常見風險。