雪峰山隧道原巖應(yīng)力場(chǎng)和開挖二次應(yīng)力場(chǎng)特征分析

黃戡，彭建國(guó)，劉寶琛，丁國(guó)華，王躍飛，馬德青

（1. 中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；2. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙，410008）

雪峰山隧道原巖應(yīng)力場(chǎng)和開挖二次應(yīng)力場(chǎng)特征分析

黃戡1,2，彭建國(guó)2，劉寶琛1，丁國(guó)華2，王躍飛2，馬德青2

（1. 中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；2. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙，410008）

為了解雪峰山隧道原巖應(yīng)力場(chǎng)和隧道開挖后圍巖的二次應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)，應(yīng)用有限元軟件建立仿真模型，模擬河谷下蝕和隧道開挖過程。為了驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性，對(duì)比分析相應(yīng)位置的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)力和數(shù)值模擬應(yīng)力，并以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試值對(duì)應(yīng)力邊界的應(yīng)力進(jìn)行反演分析。研究結(jié)果表明：應(yīng)力數(shù)值模擬值和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值較接近，說明所建模型可靠；隧道軸線剖面主應(yīng)力可分為應(yīng)力平穩(wěn)帶和淺表生改造影響帶；在應(yīng)力平穩(wěn)帶的硬、軟相間部位或斷層帶附近出現(xiàn)應(yīng)力分異現(xiàn)象；淺表生改造影響帶通常為應(yīng)力降低區(qū)，地形明顯變化處可造成應(yīng)力局部增高；隧道周邊的最大主應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力集中；隨著與隧道周邊的距離增加，最大主應(yīng)力很快降低；隧道周邊未出現(xiàn)拉應(yīng)力，開挖影響范圍為地表至1倍洞徑之間。

隧道工程；原巖應(yīng)力；二次應(yīng)力場(chǎng)

地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)工程穩(wěn)定性尤其是地下工程穩(wěn)定性具有重要的影響。在山區(qū)公路隧道建設(shè)中，了解隧址區(qū)巖體地應(yīng)力場(chǎng)的分布特征以及地應(yīng)力對(duì)隧道工程的設(shè)計(jì)和施工具有非常重要的意義[1?2]。地應(yīng)力是造成隧道、礦山巷道及其他地下工程變形和破壞的根本作用力，地應(yīng)力的大小和方向直接影響到隧道圍巖的穩(wěn)定性。同時(shí)，隧道工程建設(shè)無疑將不同程度地對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，圍巖初始地應(yīng)力受到影響，開挖區(qū)周圍應(yīng)力要產(chǎn)生重新分布形成二次應(yīng)力。對(duì)隧道原巖地應(yīng)力及其開挖下的二次應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究是進(jìn)行隧道圍巖穩(wěn)定性分析以及實(shí)現(xiàn)地下工程開挖設(shè)計(jì)科學(xué)化的必要前提[3?5]。獲取地應(yīng)力的方法主要有實(shí)測(cè)地應(yīng)力法和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析法等[6?7]。地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試受場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)和測(cè)試技術(shù)等諸多因素的影響而不能進(jìn)行大量實(shí)測(cè)，因此，研究者們大多采用數(shù)值模擬分析法來獲取地應(yīng)力。如靳曉光等[8?9]對(duì)深埋長(zhǎng)大隧道地應(yīng)力演化及圍巖應(yīng)力位移進(jìn)行了彈塑性有限元數(shù)值模擬研究；馬亢等[10]對(duì)低地應(yīng)力狀態(tài)下洞室開挖前、后初始應(yīng)力和圍巖二次應(yīng)力及其相應(yīng)特征，進(jìn)行了二維離散元數(shù)值模擬研究；方建勤等[11]結(jié)合復(fù)雜地質(zhì)條件下茶林頂隧道隧址區(qū)的山體演化過程，進(jìn)行了地應(yīng)力場(chǎng)的二維有限元數(shù)值模擬，并獲得其原始地應(yīng)力?？梢姡瑸榱藵M足地下工程設(shè)計(jì)和施工的需要，可以在實(shí)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合工程地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬對(duì)初始地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行反演分析，以獲得地下工程區(qū)域內(nèi)真實(shí)的初始地應(yīng)力場(chǎng)。在此，本文作者通過模擬河谷下切過程來考慮山體成坡的演化過程，并與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，反演應(yīng)力邊界條件下的應(yīng)力，進(jìn)而研究雪峰山隧道原巖應(yīng)力分布規(guī)律和隧道開挖后圍巖二次應(yīng)力的分布形態(tài)。

1 工程概況

湖南省邵陽至懷化高速公路是國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)的“五縱七橫”國(guó)道主干線中上海至瑞麗高速公路中的一段。雪峰山隧道為邵陽至懷化高速公路上最大的控制性工程，隧道的開通可縮短公路里程約30 km，大大節(jié)約了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

雪峰山隧道位于湖南省邵陽市、懷化市兩市交界處，穿過雪峰山主脈。隧道進(jìn)口位于懷化市洪江鎮(zhèn)塘灣鄉(xiāng)蘭家村，距邵陽市洞口縣江口鎮(zhèn)約3 km；出口位于洪江鎮(zhèn)鐵山鄉(xiāng)小溪村。隧道為上、下行線分離的雙洞隧道，左、右洞長(zhǎng)度分別為6 946 m和6 956 m，平均長(zhǎng)度為6 951 m，屬特長(zhǎng)隧道。兩洞室凈距在洞口段為20 m左右，在洞身深埋段為35 m左右。隧道的最大埋深約840 m，約50%的地段隧道埋深大于450 m。左、右線隧道均設(shè)“人”字坡，進(jìn)口段為+1.14%的上坡，長(zhǎng)約400 m，其余段為?0.95%的下坡。在邵陽端均設(shè)置斜井，在懷化端設(shè)置豎井。隧道建筑限界凈寬9.75 m，建筑限界凈高5.0m。隧道的縱斷面見圖1。

圖1 隧道的縱斷面Fig.1 Vertical section of tunnel

2 隧道原巖應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律分析

2.1 計(jì)算模型的建立

選用有限元計(jì)算軟件來模擬隧道區(qū)巖體應(yīng)力場(chǎng)的形成演化過程。根據(jù)隧道區(qū)工程地質(zhì)條件和工程地質(zhì)剖面圖，建立剖面計(jì)算模型，見圖2（a）。該初始狀態(tài)模型上表面為自由面，底面垂直方向不發(fā)生位移，模型左側(cè)水平方向不發(fā)生位移，右側(cè)則施加自重應(yīng)力衍生的側(cè)向水平應(yīng)力（自重應(yīng)力乘以側(cè)壓力系數(shù)求得）和水平構(gòu)造應(yīng)力（為5 MPa）作為荷載邊界[5]。

根據(jù)隧道分步分臺(tái)階施工法，采用由上至下的四步“開挖”來模擬河谷下蝕過程。其中初始狀態(tài)的計(jì)算模型上表面相當(dāng)于海拔高程1 358 m，基本上與雪峰山主峰高程一致，代表了河谷下切前的最后一級(jí)區(qū)域平面[5]。計(jì)算域?yàn)椋▽挕粮撸? 256 m×1 348 m，單元數(shù)為2 577個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為7 884個(gè)。第1～3次分別下切223，169和242 m；第4次在前面的基礎(chǔ)上再下切206 m至現(xiàn)在的地形，即海拔高程518 m。其最終狀態(tài)的計(jì)算模型單元數(shù)為1 379個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為5 214個(gè)（見圖2（b））。根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)成果，并結(jié)合工程地質(zhì)類比，確定表1所示的有限元模型計(jì)算中介質(zhì)的參數(shù)。

圖2 原巖應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算模型Fig.2 Simulation models of initial rock stress field

2.2 計(jì)算模型的效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算模型能否符合實(shí)際情況，表2給出了現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)鉆孔采用水壓致裂法實(shí)測(cè)點(diǎn)位置的實(shí)測(cè)應(yīng)力與本模型計(jì)算值的對(duì)比情況。從表2可以看出：應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的最大相對(duì)誤差為25.04%，最小相對(duì)誤差為1.44%；應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較接近，說明可以用建立的模型反演雪峰山隧道原巖應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律。

2.3 地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)育分布的基本規(guī)律

通過山體成坡歷史演化過程的有限元模擬，得到隧道區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，如圖3所示。從圖3可見：

（1） 在坡面附近，最大主應(yīng)力σ1的方向與坡面近于平行，且量級(jí)總體較低；而在遠(yuǎn)離坡面的山體內(nèi)部，σ1的方向?yàn)樗椒较?；隨著埋深的加大，σ1和σ2逐漸增大，應(yīng)力場(chǎng)逐漸由自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合作用而成。

（2） 隧道軸線剖面最大主應(yīng)力的分布具有明顯的分帶性，大致可分為應(yīng)力平穩(wěn)帶（A）和淺表生改造影響帶（B）。在應(yīng)力平穩(wěn)帶內(nèi)，最大主應(yīng)力的量級(jí)一般介于15～30 MPa；淺表生改造帶影響帶內(nèi)最大主應(yīng)力的量級(jí)一般為10～15 MPa。

（3） 對(duì)于應(yīng)力平穩(wěn)帶（A），地應(yīng)力狀態(tài)形成于山體剝蝕之前，在山體下蝕過程中基本保持原有狀態(tài)；但帶內(nèi)也有應(yīng)力分異，受控于巖體的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)特征，在硬、軟相間部位或斷層帶附近，出現(xiàn)應(yīng)力分異現(xiàn)象（AD），在斷層兩側(cè)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力量級(jí)為15～20 MPa，說明斷層對(duì)應(yīng)力的傳遞有明顯的阻隔作用。在施工過程中，應(yīng)特別注意該區(qū)域可能發(fā)生的塌方和掉塊等災(zāi)害[12?14]。

（4） 對(duì)于淺表生改造影響帶（B），地應(yīng)力狀態(tài)受山體形成過程的影響，通常造成應(yīng)力降低。而在應(yīng)力降低帶內(nèi)側(cè)尤其是地形明顯變化處，可產(chǎn)生應(yīng)力局部增高帶（BIN），最大主應(yīng)力的量級(jí)約為15 MPa。

圖3 隧道主應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律Fig.3 Distribution regular of mail stress of tunnel

表1 計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters

表2 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Table 2 Comparison of calculation stress and measured stress

3 隧道開挖引起的二次應(yīng)力場(chǎng)特征分析

3.1 模型的建立

為了準(zhǔn)確地獲得隧道圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)的分布特征，選取K98+040斷面作為計(jì)算剖面，其隧道斷面凈寬為9.75 m，凈高為5.0 m，建立計(jì)算模型，見圖4。邊界條件為：在左邊界和下邊界施加法向位移約束，在上邊界施加上覆巖體重力相等的均布面力σY，在右邊界施加水平面力σX（包括巖體由自重應(yīng)力σY產(chǎn)生的水平側(cè)壓力σY·μ/（1?μ）和水平構(gòu)造應(yīng)力σX2部分），為一沿高度梯度變化的面力。

圖4 隧道計(jì)算模型Fig.4 Simulation model of tunnel

3.2 應(yīng)力邊界條件反演分析

為使開挖后剖面的測(cè)點(diǎn)部位應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合，應(yīng)結(jié)合實(shí)測(cè)值對(duì)模型中的應(yīng)力邊界進(jìn)行反演。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，在K98+040斷面左、右兩洞的左、右壁上均布置測(cè)點(diǎn)（見圖5）以測(cè)量洞壁應(yīng)力，采用應(yīng)變片實(shí)測(cè)，結(jié)果如表3所示。

按前述邊界條件進(jìn)行應(yīng)力邊界條件反演分析，得到的應(yīng)力邊界條件為：X方向的應(yīng)力σX= 12.90 MPa，Y方向的應(yīng)力σY= 12.54 MPa。

圖5 洞壁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.5 Collocation of stress measuring points of tunnel wall

表3 K98+040斷面洞壁應(yīng)力實(shí)測(cè)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果Table 3 Tunnel wall stress measurement results of K98 +040 section

在該應(yīng)力邊界條件下，洞壁應(yīng)力特征擬合點(diǎn)的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比結(jié)果如表4所示。從表4可以看出：4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力相對(duì)誤差均較小，說明此邊界條件能夠反映隧道巖體的實(shí)際狀況。

表4 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較Table 4 Comparison of calculation stress and measured stress

3.3 隧道圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)主要特征

按照上述施加邊界條件后模擬隧道開挖，得到隧道開挖下的圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，見圖6和圖7。從圖6和圖7可見：

圖6 圍巖最大和最小應(yīng)力分布云圖Fig.6 Contour of maximum and minimum principle rock stress distribution

圖7 隧道拱頂和邊墻的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力隨圍巖深度變化圖Fig.7 Relationship among radial stress and tangential stress and depth of rock in crown and side wall

（1） 隧道周邊的最大主應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，拱頂和拱腳處的最大主應(yīng)力達(dá)到40 MPa左右（應(yīng)力集中系數(shù)約為2），邊墻的最大主應(yīng)力約為30 MPa（應(yīng)力集中系數(shù)約為1.5）；隨著距離隧道周邊的距離增加，最大主應(yīng)力很快降低；在距離隧道周邊1D處（D為洞徑），減小為原巖應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到20 MPa左右，說明隧道開挖影響范圍為從地表至1D之間。

（2） 隧道周邊最小主應(yīng)力為0 MPa。隨著距離隧道周邊距離的增加，最小主應(yīng)力也增大，圍巖沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。

（3） 拱頂處切向應(yīng)力最高，達(dá)到42 MPa，其次為拱腳和墻角位置，達(dá)到38 MPa，左、右兩邊墻上為22 MPa。隨距離隧道周邊距離的增加，切向應(yīng)力逐漸降低，深度達(dá)到1D以后，切向應(yīng)力達(dá)到原巖應(yīng)力。

（4） 隧道周邊的徑向應(yīng)力為0 MPa，向圍巖深部迅速增大，在深度1 m處邊墻和拱頂均為5～6 MPa；再向深部，徑向應(yīng)力的增高梯度又迅速降低，大致到1倍洞徑深處趨于穩(wěn)定，亦可視為進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)。

（5） 洞壁附近的最大主應(yīng)力方向平行于洞壁即切向應(yīng)力方向；而最小主應(yīng)力就是切向應(yīng)力，所以，最大、最小主應(yīng)力分布與隧道周邊拱頂及拱腰的切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力分布規(guī)律相對(duì)應(yīng)。

4 結(jié)論

（1） 通過數(shù)值模型獲得的原巖應(yīng)力和二次應(yīng)力與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果相近，表明所建的模型合理，能夠反映雪峰山隧道地應(yīng)力的變化；同時(shí)，可以用“開挖”來模擬河谷下蝕和形成雪峰山的過程。

（2） 隧道軸線剖面最大主應(yīng)力的分布具有明顯的分帶性，大致可分為應(yīng)力平穩(wěn)帶和淺表生改造影響帶；應(yīng)力平穩(wěn)帶的地應(yīng)力基本狀況形成于山體剝蝕之前，在斷層兩側(cè)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,說明斷層對(duì)應(yīng)力的傳遞有明顯的阻隔作用，導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力分異現(xiàn)象；淺表生改造影響帶的地應(yīng)力狀態(tài)受山體形成過程的影響，通常造成應(yīng)力降低，在地形明顯變化處可形成應(yīng)力局部增高帶。

（3） 隧道周邊的最大主應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)約為2，且隨著與隧道周邊的距離增加，最大主應(yīng)力很快降低，在距離隧道周邊1倍洞徑處，減小為原巖應(yīng)力狀態(tài)；隧道周邊最小主應(yīng)力為0 MPa，且隨著與隧道周邊距離的增加，最小主應(yīng)力很快增加；在距離隧道周邊1倍洞徑處，達(dá)到原巖應(yīng)力狀態(tài)；隧道周邊未出現(xiàn)拉應(yīng)力，開挖影響的范圍為從地表至1倍洞徑之間。

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（編輯 陳燦華）

Analysis of initial rock stress field and secondary rock stress field of Xuefengshan tunnel

HUANG Kan1,2, PENG Jian-guo2, LIU Bao-chen1, DING Guo-hua2, WANG Yue-fei2, MA De-qing2
（1. School of Civil Engineering and Architecture, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Hunan Provincial Communication Planning Survey and Design Institute, Changsha 410008, China）

To understand initial rock stress field and secondary rock stress field due to excavation in Xuefengshan tunnel, finite element software was used to establish numerical model to simulate the valley incision and tunneling process. In order to verify the reliability of the numerical model, comparison of stress numerical values and monitoring values in field tests was conducted, and the stress boundary was done. The results show that the model is reliable because numerical simulation stress is close to that of the field test. The spread of stress can be divided into two bands, i.e., the equable stress band and the effected band of epigentic-surface reformation. Around fracture in the equable stress band, there are stress varied phenomena and local high stress bands in the effected band, especially at the position of apparent landform chance. Stress concentration is serious around the tunnel. With the increase of the distance from the tunnel, the maximum principal stress decreases rapidly. Tensile stress does not appear around the tunnel, and the excavation influence band is from 0 to 1 times of the hole diameter.

tunnel engineering; initial stress field; secondary stress field

U459.2

A

1672?7207（2011）05?1454?07

2010?06?10；

2010?08?28

西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（20033179802）；國(guó)家博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20090461021）

黃戡（1979?），男，湖南永州人，博士研究生，工程師，從事隧道和巖土工程勘察設(shè)計(jì)與科研工作；電話：13875801586；E-mail： hk_616@sina.com