鮮水河構(gòu)造帶某隧道地應(yīng)力反演與分析

索 朗 ，徐正宣 ,2，馮 濤 ，王哲威 ，伊小娟 ，林之恒 ，李 偉

（1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川 成都610031）

在科學(xué)技術(shù)和工程技術(shù)快速進(jìn)步和發(fā)展的大環(huán)境下，人類致力于開發(fā)地表以下更深層的地下空間. 以往常常使用的針對(duì)地表淺層的工程類比法在深層次開挖活動(dòng)中使用就不那么準(zhǔn)確. 經(jīng)過100多年的研究，國(guó)內(nèi)外形成了多種地應(yīng)力場(chǎng)模擬的方法.

朱光儀等[1-2]充分考慮巖體自重與構(gòu)造應(yīng)力的影響，采用三維建模結(jié)合回歸分析的方法對(duì)計(jì)算區(qū)域?qū)崪y(cè)地應(yīng)力進(jìn)行了反演. 郭運(yùn)華等[3]在綜合分析各種方法優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，選擇了多元回歸分析法對(duì)巖體實(shí)測(cè)地應(yīng)力進(jìn)行反演分析. 李金鎖等[4]通過原位地應(yīng)力測(cè)量，確定了隧道區(qū)域的地應(yīng)力狀態(tài)，采用三維有限元方法確定了工程區(qū)的地應(yīng)力分布. 白世偉等[5]利用不斷調(diào)整側(cè)壓力系數(shù)的方法對(duì)隧道圍巖地應(yīng)力進(jìn)行研究，表面區(qū)域的地形地貌條件以及隧道埋深都會(huì)對(duì)隧道軸線各點(diǎn)的地應(yīng)力產(chǎn)生影響. 趙躍堂等[6]結(jié)合動(dòng)力松弛算法和系統(tǒng)阻尼算法分析了大型地下結(jié)構(gòu)初始地應(yīng)力狀態(tài)的可行性. 夏彬偉等[7]結(jié)合渝沙高速公路共和隧道地應(yīng)力量測(cè)資料，獲得每一組側(cè)壓系數(shù)下的測(cè)試段地應(yīng)力，利用橫觀各向同性彈塑性本構(gòu)模型計(jì)算得到隧道軸線方向的初始地應(yīng)力大小和方向. 田勇等[8]利用多約束優(yōu)化方法，通過目標(biāo)區(qū)塊邊界荷載反演，進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)的反演模擬. 劉寧等[9]采用非連續(xù)數(shù)值分析方法建立三維模型，利用褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造在現(xiàn)今構(gòu)造擠壓作用下的響應(yīng)方式揭示了沿線地應(yīng)力存在的分區(qū)現(xiàn)象. 由此可見，地應(yīng)力反演分析是地下工程中較為重要的環(huán)節(jié)，為設(shè)計(jì)錨固支護(hù)提供了前提條件.

本文根據(jù)對(duì)某隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試，通過有限元模擬反演了現(xiàn)場(chǎng)圍巖地應(yīng)力分布規(guī)律，為巖爆和大變形預(yù)測(cè)提供依據(jù)，同時(shí)為施工隧工提供一定的指導(dǎo)作用.

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

1.1 地形地貌

某隧道為越嶺隧道，隧址區(qū)山高坡陡，屬高山、極高山構(gòu)造剝蝕地貌，地表高程2 715～4 225 m，外營(yíng)力以冰水侵蝕作用、凍融作用為主，同時(shí)伴有生物風(fēng)化等作用，為典型高原地貌. 受構(gòu)造及巖性控制明顯，其主體山脈走向與構(gòu)造線延展方向基本一致，呈北北西展布，嶺脊呈S形彎延起伏，河谷多呈V形谷. 隧址地貌如圖1所示.

圖1 隧道地貌Fig. 1 Tunnel topography map

1.2 地層巖性

隧址區(qū)地表零星分布第四系，下伏基巖主要為侵入巖和變質(zhì)巖. 變質(zhì)巖主要為三疊系砂板巖，侵入巖主要為花崗閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖等，深大斷裂附近擠壓強(qiáng)烈變質(zhì)形成糜棱巖.

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧區(qū)在一級(jí)構(gòu)造上所在區(qū)域地處揚(yáng)子陸塊與松潘—甘孜造山帶銜接處西側(cè)，東鄰龍門山構(gòu)造帶，如圖2所示. 區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂比較發(fā)育，印支、喜山運(yùn)動(dòng)使蓋層發(fā)生褶皺，并奠定了現(xiàn)今的構(gòu)造輪廓，形成以北西向?yàn)橹鞯臉?gòu)造線. 在二級(jí)構(gòu)造上處于鮮水河構(gòu)造帶內(nèi)，隧區(qū)主要構(gòu)造形跡走向?yàn)镹W向.

地質(zhì)構(gòu)造背景極為復(fù)雜，斷裂發(fā)育，主要發(fā)育有鮮水河斷裂分支雅拉河斷裂帶、色拉哈—康定斷裂帶、三道橋等3條區(qū)域性深大斷裂以及F4-4、F10-1 、F10-2等一系列次級(jí)斷裂構(gòu)造，見圖3 （隧道全長(zhǎng)17730 m）. 圖中，DZ開頭的都為測(cè)孔編號(hào)

圖3 隧道縱剖面及地應(yīng)力測(cè)孔Fig. 3 Tunnel profile and borehole map for in-situ stress measurement

1.4 區(qū)域地應(yīng)力特征

區(qū)域應(yīng)力主要來自青藏高原物質(zhì)的向南東方向逃逸所產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力，主要受鮮水河斷裂帶左行走滑作用控制. 隧址區(qū)現(xiàn)今主應(yīng)力方向?yàn)镹WNWW向，主應(yīng)力方向與隧址區(qū)主體構(gòu)造小角度相交，隧道大致走向?yàn)镹E向SW行進(jìn)，區(qū)域地應(yīng)力和隧道軸線呈大角度相交. 整個(gè)測(cè)區(qū)屬于應(yīng)力集中區(qū)域，高地應(yīng)力將是深埋長(zhǎng)大隧道面臨的主要工程地質(zhì)問題，硬巖可能發(fā)生巖爆，軟巖和斷層帶可能發(fā)生大變形.

2 現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及分析

水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量是目前國(guó)際上能較好地直接進(jìn)行深孔地應(yīng)力測(cè)量的先進(jìn)方法. 該方法無需知道巖石的力學(xué)參數(shù)就可獲得地層中現(xiàn)今地應(yīng)力的多種參量，并具有操作簡(jiǎn)便、可在任意深度進(jìn)行連續(xù)或重復(fù)測(cè)試、測(cè)量速度快、測(cè)值穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn). 缺點(diǎn)是只宜用鉛垂孔進(jìn)行測(cè)量，且必須假定鉛垂方向?yàn)橐粋€(gè)主應(yīng)力方向，不適合于地形變化大的淺部. 本項(xiàng)研究結(jié)合該方法優(yōu)點(diǎn)，采用數(shù)值模擬來彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，即兩種方法相互補(bǔ)充、對(duì)照和印證，從而提高了研究結(jié)果的可信度.

地應(yīng)力測(cè)試的目的是測(cè)量地層原位地應(yīng)力的大小和方向. 通過原地應(yīng)力測(cè)量，確定隧道圍巖的現(xiàn)今地殼應(yīng)力狀態(tài)，即原地應(yīng)力的大小和方向，小型水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量是一種能夠可靠而有效測(cè)量地殼深部應(yīng)力的方法. 水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)量是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，通過小體積、高壓的流體注入，小型壓裂測(cè)試在測(cè)試層位產(chǎn)生一條張性裂縫并將破裂擴(kuò)展到遠(yuǎn)離井筒影響范圍的原始地層中.

在工程區(qū)采用鉆孔水壓致裂法進(jìn)行了深孔地應(yīng)力測(cè)試，并假定：1） 測(cè)試孔是豎直的，即巖層中的豎向主應(yīng)力平行于孔軸；2） 測(cè)試孔在測(cè)試段內(nèi)為圓形且測(cè)試孔相對(duì)地層是無限小的，這個(gè)假定確保了彈性力學(xué)解的實(shí)用性；3） 巖層中的孔隙壓力為凈水壓力；4） 巖石的滲透率較低，即在小型壓裂過程中，測(cè)試孔內(nèi)的流體壓力不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)影響巖石的孔隙壓力. 根據(jù)水壓致裂法測(cè)試結(jié)果得到DZ-04號(hào)測(cè)孔地應(yīng)力分布如圖4與表1所示. 圖中：H為埋深.表1中：P0為自重壓力；Pb為破裂壓力；Pr為重張壓力；Ps為瞬時(shí)關(guān)閉壓力；以上壓力值為地表監(jiān)測(cè)儀器顯示量值與水柱壓力相加所得；T為巖石抗拉強(qiáng)度.

表1 DZ-04號(hào)測(cè)孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Tab. 1 Measurement results of ground stress caused by water pressure in borehole DZ-04

圖4 DZ-04號(hào)測(cè)孔地應(yīng)力沿深度分布規(guī)律Fig. 4 Distribution law of ground stress along depth in dZ-04 measuring hole

通過DZ-04號(hào)測(cè)孔應(yīng)力測(cè)量結(jié)果可以分析得出：主應(yīng)力值隨地層深度增加而增加，在380～685 m測(cè)試深度范圍內(nèi)，豎向應(yīng)力為9.88～17.81 MPa，最大水平主應(yīng)力為10.99～20.28 MPa，最小水平主應(yīng)力為8.94～15.98 MPa. 側(cè)壓系數(shù)為1.111～1.138，表明地應(yīng)力以水平應(yīng)力占主導(dǎo)，方向?yàn)镹49°～N57°，和區(qū)域地應(yīng)力一致.

通過擬合計(jì)算可得：最大和最小主應(yīng)力的線性擬合系數(shù)分別為0.990 2和0.995 4，顯示主應(yīng)力隨深度變化趨勢(shì)的線性度較好，說明了本次水壓致裂測(cè)量結(jié)果的可靠性和代表性.

根據(jù)相同的方法，對(duì)其余各孔地應(yīng)力分布進(jìn)行線性擬合，所得結(jié)果如表2所示.

表2 不同鉆孔地應(yīng)力擬合結(jié)果Tab. 2 In-situ stress fitting results of different boreholes

3 某隧道地應(yīng)力場(chǎng)模擬

采用邊界荷載法，施加合適的邊界條件，對(duì)水壓致裂法測(cè)量得到的原地應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行擬合，開展隧道地應(yīng)力反演，獲得地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果.

3.1 模型建立

通過綜合勘察繪制隧道縱斷面，使用ANSYS軟件建立隧道縱斷面的二維模型，模型包含隧道長(zhǎng)為17 730 m，模型厚度為1 000 m. 模型中包含隧道沿線的各個(gè)地層及斷層，共有12個(gè)組和164萬個(gè)網(wǎng)格單元，如圖5所示.

圖5 模型計(jì)算示意Fig. 5 Model calculation diagram

通過對(duì)隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，其構(gòu)造應(yīng)力主要來源于NW向，因而模型的邊界設(shè)置為：底邊界和兩個(gè)側(cè)邊界采用位移邊界條件，兩個(gè)側(cè)邊界采用應(yīng)力邊界，如圖6所示. 圖中：W為豎向應(yīng)力；F為不同方向的水平應(yīng)力.

圖6 邊界條件示意Fig. 6 Schematic diagram of boundary conditions

地應(yīng)力反演計(jì)算時(shí)巖體采用彈性本構(gòu)模型，計(jì)算參數(shù)如表1所示. 根據(jù)不同鉆孔水壓致裂測(cè)得的地應(yīng)力結(jié)果可以看出：隧址區(qū)的最大水平主應(yīng)力在深度方向的遞增梯度約為0.385 MPa/km，最小水平主應(yīng)力在深度方向的遞增梯度約為0.257 MPa/km.根據(jù)隧道鉆孔取樣試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第五版）相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值，取隧道主要圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表3、4所示.

表3 隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)Tab. 3 Physical and mechanical parameters of tunnel surrounding rock

表4 隧道斷層破碎帶力學(xué)參數(shù)Tab. 4 Mechanical parameters of tunnel fault fracture zone

3.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值反演結(jié)果的有效性，將計(jì)算結(jié)果與鉆孔實(shí)測(cè)地應(yīng)力進(jìn)行比較，限于篇幅，僅將DZ-04與DZ-07號(hào)鉆孔與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表5、6所示.

表5 DZ-04應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)應(yīng)力值對(duì)比Tab. 5 Comparison between calculated and measured results of dZ-04 horizontal principal stress

通過對(duì)比可得：數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果與地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果大致相當(dāng)，擬合度均接近于1，表明數(shù)值計(jì)算的擬合精度較高，其計(jì)算結(jié)果真實(shí)可信.

表6 DZ-07應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)應(yīng)力值對(duì)比Tab. 6 Comparison between calculated and measured results of dZ-07 maximum horizontal principal stress

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 最大主應(yīng)力

根據(jù)隧道數(shù)值模擬結(jié)果，提取模型最大主應(yīng)力云圖與最大主應(yīng)力折線圖如圖7所示.

圖7 隧道最大主應(yīng)力云圖及數(shù)值折線圖Fig. 7 Cloud diagram and numerical broken-line diagram of maximum principal stress of tunnel

從云圖及折線圖可以看出，隧道沿線最大地應(yīng)力隨埋深、巖性、斷裂構(gòu)造的變化而有所變化，將其分段描述如下：

1） CK260 + 150～CK263 + 960最大主應(yīng)力值為3.80～17.48 MPa，無斷層的位置最大主應(yīng)力為6.86～22.48 MPa，在斷層F1、F2發(fā)育位置，最大主應(yīng)力值則急劇減小，最小值在F1（CK261）位置，為3.80 MPa.

2） CK263 + 960～CK265 + 892最大主應(yīng)力值為9.47～26.62 MPa，在斷層F4位置（CK263 +960），最大主應(yīng)力值則急劇減小，為9.47 MPa.

3） 由于隧道在里程段CK265 + 892～CK272 +488埋深最大，且其巖性為花崗閃長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)花崗巖，重度較大，其最大主應(yīng)力值在整個(gè)隧道軸線中是最大的，為22.94～32.14 MPa.

4）由于 CK272 + 488～CK277 + 880地形變化，隧道埋深逐漸減小，最大主應(yīng)力值緩慢變小，其值為1.49～21.40 MPa，同樣存在斷層位置減小，斷層兩端增大的規(guī)律.

5） 由于在CK263 + 942處地形變化大，所以地應(yīng)力也急劇增加. 在該里程段中存在5個(gè)巖性分界面，分別位于CK263 + 960、CK265 + 892、CK266 +717、CK267 + 726、CK275 + 954，在這些位置最大主應(yīng)力值均有所增加.

隧道各里程段最大主應(yīng)力值如表7所示：

綜合最大主應(yīng)力云圖、折線圖以及表7可以看出：最大主應(yīng)力值主要受到埋深、巖石重度以及構(gòu)造應(yīng)力的影響，在構(gòu)造應(yīng)力一定的條件下，埋深越大，巖石重度越大，則最大主應(yīng)力的值越大. 而在斷層位置，由于巖石破裂使應(yīng)力得到釋放，所以最大主應(yīng)力值比同深度的完整巖體較低；在巖性分界面以及斷裂附近的上盤，則會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)應(yīng)力增高的現(xiàn)象.

表7 隧道各里程段最大主應(yīng)力值Tab. 7 Maximum principal stress in each mileage section of tunnel

3.3.2 中間主應(yīng)力

根據(jù)隧道數(shù)值模擬結(jié)果，提取模型中間主應(yīng)力云圖如圖8所示.

由圖8可知：隧道中間主應(yīng)力值在0～30.21 MPa，與最大主應(yīng)力有相似的規(guī)律，隨埋深變化明顯，在斷層部位有所下降，而在斷層的兩端圍巖中則發(fā)生了應(yīng)力集中，隧道軸線沿線中間主應(yīng)力值約在0～13.00 MPa.

圖8 隧道中間主應(yīng)力云圖Fig. 8 Cloud diagram of principal stress in the middle of tunnel

3.3.3 最小主應(yīng)力

模型最小主應(yīng)力云圖如圖9所示. 由圖9可知：隧道最小主應(yīng)力值在0～29.84 MPa，與最大主應(yīng)力有相似的規(guī)律，隨埋深變化明顯，在斷層部位有所下降，而在斷層的兩端圍巖中則發(fā)生了應(yīng)力集中，隧道軸線沿線最小主應(yīng)力值在0～6.00 MPa.

圖9 隧道最小主應(yīng)力云圖Fig. 9 Cloud diagram of minimum principal stress of tunnel

綜上所述：隧道沿線最大主應(yīng)力值主要受埋深的影響，隧道埋深越大，其圍巖最大主應(yīng)力越大；斷裂與完整巖體交匯處最大主應(yīng)力差值較大，巖性分界面處則存在應(yīng)力集中，隧道開挖會(huì)擾亂這些位置的應(yīng)力狀況，形成應(yīng)力釋放條件，產(chǎn)生巖爆.

4 結(jié) 論

1） 本文結(jié)合水壓致裂法獲取8個(gè)測(cè)孔實(shí)測(cè)地應(yīng)力進(jìn)行了地應(yīng)力反演計(jì)算，獲得洞軸線各個(gè)里程段落任一點(diǎn)地應(yīng)力值，并獲取其分布規(guī)律，為巖爆和大變形合理預(yù)測(cè)、針對(duì)性設(shè)計(jì)以及綜合防控奠定了基礎(chǔ).

2） 隧道縱斷面水平最大主應(yīng)力為32.14 MPa，最小主應(yīng)力為29.84 MPa，側(cè)壓力系數(shù)為1.363～1.438，最大水平主應(yīng)力在深度方向的遞增梯度約為0.385 MPa/km，最小水平主應(yīng)力在深度方向的遞增梯度約為0.257 MPa/km. 實(shí)測(cè)圍巖地應(yīng)力方向?yàn)镹W—NWW向，和區(qū)域地應(yīng)力方向基本一致，圍巖地應(yīng)力水平高，具備發(fā)生巖爆和大變形的條件.

3） 地應(yīng)力在斷層部位得到了一定程度的釋放，地應(yīng)力較小，斷層兩側(cè)的完整巖體應(yīng)力存在一定程度的集中，應(yīng)力值較高. 在斷層段設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)充分考慮應(yīng)力的釋放和局部集中因素.

4） 由于巖石物理力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)偏少且離散性較大，地應(yīng)力反演模型參數(shù)取值不夠準(zhǔn)確，地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可能會(huì)存在一定誤差.

致謝：感謝中鐵二院院控科研項(xiàng)目基金（KYY2019004）對(duì)本論文的支持.測(cè)試及反演研究[J].