基于實(shí)測(cè)位移的深埋工程隧洞地應(yīng)力反演

王保東，付曉耕，唐志堅(jiān)

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

隨著地下工程向地球深部進(jìn)軍，隧道建設(shè)朝著超長(zhǎng)深埋方向發(fā)展，工程建設(shè)中主要面臨高地應(yīng)力這一特殊的工程地質(zhì)問(wèn)題，而高地應(yīng)力常常誘發(fā)巖爆、巷道片幫、塌方等災(zāi)害，給工程的施工、運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響。地應(yīng)力是評(píng)價(jià)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一，關(guān)于地應(yīng)力反演方面前人做了大量研究，研究思路可概括為利用實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料和采用數(shù)值模擬方法求解兩種。任洋等利用地應(yīng)力實(shí)測(cè)值，采用線(xiàn)性回歸法獲得了地應(yīng)力隨埋深的分布規(guī)律并評(píng)估了巖爆發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)；汪波等基于蒼嶺隧道實(shí)測(cè)地應(yīng)力值，構(gòu)建了地應(yīng)力場(chǎng)多元線(xiàn)性回歸計(jì)算公式；呂慶等針對(duì)深埋特長(zhǎng)公路隧道初始地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了三維有限元反演分析，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了綜合多種巖爆判別準(zhǔn)則的巖爆等級(jí)預(yù)測(cè)。

然而，不同地質(zhì)條件下地應(yīng)力受到諸如褶皺、斷層、河谷岸坡等因素的影響，較小區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力特征也可能呈現(xiàn)出一定的差異性，很難使用某一地應(yīng)力回歸模型對(duì)工程區(qū)域的地應(yīng)力分布規(guī)律準(zhǔn)確概括。故本文以某工程隧洞實(shí)測(cè)斷面為例，使用有限元計(jì)算軟件（Phase2）對(duì)實(shí)測(cè)斷面的巖石參數(shù)和地應(yīng)力做反演計(jì)算，驗(yàn)算隧洞設(shè)計(jì)參數(shù)取值是否合理，以期計(jì)算結(jié)果能夠?yàn)橹笇?dǎo)施工提供依據(jù)。

1 工程概況

某水電站工程是一座低閘壩、長(zhǎng)隧洞、高水頭引水式電站，工程主要任務(wù)是發(fā)電。引水隧洞總長(zhǎng)15639.86m，最大埋深1720m，埋深大于1000m 的隧洞長(zhǎng)度為3.32km，占隧洞全長(zhǎng)的21.2%。隧洞洞口段地層巖性主要為變質(zhì)閃長(zhǎng)巖、片麻狀花崗巖，隧洞出口段為斜長(zhǎng)角閃板巖、片巖夾大理巖薄層，洞身段圍巖為似斑狀片麻狀花崗巖或花崗片麻巖。隧洞軸線(xiàn)穿越侵入巖地層，隧洞埋深大，在高地應(yīng)力作用下，堅(jiān)硬的花崗巖及閃長(zhǎng)巖具備發(fā)生巖爆的條件，因此進(jìn)行隧洞地應(yīng)力場(chǎng)反演分析十分必要。

2 計(jì)算斷面及相關(guān)參數(shù)確定

2.1 計(jì)算斷面確定及實(shí)測(cè)位移

本次共布置4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，斷面具體位置為：引水洞進(jìn)口Y1+445 斷面；1#支洞上游Y2+580 斷面；4#支洞上游Y10+135 斷面；4#支洞下游Y12+342 斷面。鑒于4#支洞上游Y10+135 附近洞段有實(shí)測(cè)地質(zhì)參數(shù)，且埋深較大，故選取4#支洞上游Y10+135 斷面作為計(jì)算斷面。

在4#支洞上游Y10+135 斷面拱頂、拱肩和腰線(xiàn)處沿徑向按5m 和2m 埋深分別布置3 組測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝單點(diǎn)式位移計(jì)監(jiān)測(cè)巖體變形，共計(jì)安裝3 組6 只位移計(jì)。5m 埋深時(shí)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)依次為M3-1、M3-2、M3-3；2m 埋深時(shí)，相應(yīng)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為M3-4、M3-5、M3-6。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果：M3-1、M3-2、M3-3 的總位移 為0.095mm、0.112mm、0.156mm；M3-4、M3-5、M3-6 的總位移為0.076mm、0.061mm、0.221mm。

2.2 地應(yīng)力分布計(jì)算

根據(jù)隧洞穿越段地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，主應(yīng)力隨埋深呈線(xiàn)性分布，相應(yīng)埋深處的最大水平主應(yīng)力σ、最小水平主應(yīng)力σ和垂直應(yīng)力σ由下列公式計(jì)算：

式中H 為埋深，單位：m；應(yīng)力單位：MPa。

2.3 圍巖參數(shù)取值

本文對(duì)隧洞圍巖物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，表1列出了隧洞整體及計(jì)算斷面處的圍巖物理力學(xué)參數(shù)。由于隧洞軸線(xiàn)穿越花崗巖和閃長(zhǎng)巖地層，巖體強(qiáng)度高、脆性強(qiáng)，在該地層中極可能發(fā)生巖爆，故本文對(duì)可能發(fā)生的巖爆做了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果見(jiàn)圖1。

表1 巖體主要物理力學(xué)參數(shù)值表

根據(jù)規(guī)范，按照圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比R/σ范圍（飽和單軸抗壓強(qiáng)度R，最大主應(yīng)力σ=σ）可將巖爆等級(jí)進(jìn)行劃分。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于整個(gè)隧洞而言，變質(zhì)閃長(zhǎng)巖與片麻狀花崗巖發(fā)生巖爆的可能性和等級(jí)相近，隨埋深增大，發(fā)生巖爆的等級(jí)增加。對(duì)于計(jì)算斷面而言，由于該處巖體強(qiáng)度較隧洞圍巖整體強(qiáng)度低，在同一埋深條件下，相應(yīng)的強(qiáng)度應(yīng)力比較小，導(dǎo)致發(fā)生巖爆的可能性更高、巖爆等級(jí)更大。由此可知選擇4#支洞上游Y10+135 斷面作為計(jì)算斷面其結(jié)果對(duì)指導(dǎo)施工更安全，進(jìn)一步說(shuō)明了計(jì)算斷面選取的合理性。

圖1 隧洞圍巖巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3 監(jiān)測(cè)斷面地應(yīng)力反演

3.1 隧洞模型及其邊界條件

本文采用有限元計(jì)算程序Phase2 進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)工程實(shí)際情況，隧洞模型設(shè)為城門(mén)型，為避免周邊約束對(duì)隧洞計(jì)算結(jié)果的影響，隧洞四周取為3 倍洞徑的正方形。模型左右兩測(cè)約束水平位移，上下兩測(cè)約束垂直位移。

計(jì)算荷載僅考慮地應(yīng)力，根據(jù)前述主應(yīng)力計(jì)算公式(1)、(2)及(3)，計(jì)算斷面處埋深為1047.7m，相應(yīng)的垂向應(yīng)力為24.65MPa，最大水平主應(yīng)力為34.63MPa，最小水平主應(yīng)力為15.96MPa。假定巖石為均質(zhì)巖體，巖體參數(shù)按前述計(jì)算斷面處巖體參數(shù)大小賦值。

3.2 監(jiān)測(cè)斷面計(jì)算結(jié)果

本文按不同的地應(yīng)力釋放水平進(jìn)行隧洞特征點(diǎn)的位移計(jì)算，共設(shè)計(jì)了1%、2%、5%、10%、20%、50%和100%七個(gè)地應(yīng)力釋放水平，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)3 個(gè)特征點(diǎn)的圍巖位移變化規(guī)律：拱頂處M1，拱肩處M2，腰線(xiàn)處M3，3 個(gè)特征點(diǎn)分別與斷面實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)M3-1 和M3-4、M3-2 和M3-5、M3-3 和M3-6 對(duì)應(yīng)。圖2展示了部分地應(yīng)力釋放水平下隧洞圍巖位移計(jì)算結(jié)果，圖3繪制了不同地應(yīng)力釋放水平下特征點(diǎn)位移的變化。

圖2 不同地應(yīng)力釋放水平下圍巖位移等值線(xiàn)圖

圖3 不同地應(yīng)力釋放水平下特征點(diǎn)位移變化

3.3 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果比較

圖4為計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果的比較。可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際監(jiān)測(cè)位移比計(jì)算位移小很多(小于計(jì)算值的3%)，原因是該洞段開(kāi)挖后應(yīng)力釋放速度較快，待監(jiān)測(cè)開(kāi)始時(shí)地應(yīng)力已經(jīng)基本釋放，導(dǎo)致后期監(jiān)測(cè)到位移所占總位移的比例很小，但是從位移的頂、底、側(cè)位移分布比例來(lái)分析，計(jì)算位移值和實(shí)測(cè)基本符合，也符合現(xiàn)有的地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)給定的規(guī)律。

圖4 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果比較

4 結(jié)論

（1）由于隧洞埋深大且穿越高強(qiáng)度高脆性巖體，發(fā)生巖爆可能性大，本文評(píng)估了隧洞整體和4#支洞上游Y10+135 斷面處發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果顯示后者發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)更大、等級(jí)更高，使用該處的計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)施工更安全，故使用4#支洞上游Y10+135 斷面處巖體物理力學(xué)參數(shù)作為地應(yīng)力反演分析的巖體參數(shù)。

（2）以4#支洞上游Y10+135 斷面為例，設(shè)計(jì)了不同的地應(yīng)力釋放水平，使用有限元計(jì)算軟件對(duì)該斷面圍巖位移進(jìn)行反演，并與實(shí)測(cè)位移進(jìn)行了比較。結(jié)果表明實(shí)際監(jiān)測(cè)位移比計(jì)算位移小很多，但從位移的頂、底、側(cè)位移分布比例來(lái)分析，計(jì)算位移值和實(shí)測(cè)位移基本符合，也符合現(xiàn)有的地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)給定的規(guī)律。