寶塔山特長隧道巖體應(yīng)力場(chǎng)特征分析

郭喜峰，張明欣，尹健民，劉元坤

寶塔山特長隧道巖體應(yīng)力場(chǎng)特征分析

郭喜峰1，張明欣2，尹健民1，劉元坤1

（1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，太原 030012）

寶塔山隧道全長10 480 m，最大埋深600 m，屬目前山西省最長的公路隧道。復(fù)雜的地形地貌條件以及地質(zhì)構(gòu)造影響，使得隧道區(qū)地應(yīng)力分布復(fù)雜。為研究隧道區(qū)巖體應(yīng)力場(chǎng)特征，首先介紹了水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試成果，以此為基礎(chǔ)通過有限元分析得到應(yīng)力剖面，最后從地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)力學(xué)角度綜合分析了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。結(jié)果表明，測(cè)試范圍內(nèi)地應(yīng)力大小屬于中等應(yīng)力水平，隧道設(shè)計(jì)高程處最大水平主應(yīng)力方位大部分集中在N42°E～N56°E，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及有限元分析所得地應(yīng)力場(chǎng)與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)相符。

隧道工程；地應(yīng)力測(cè)試；有限元分析；應(yīng)力場(chǎng)特征

1 概 述

近年來，隨著中國交通建設(shè)的快速發(fā)展，尤其是山區(qū)公路的不斷延伸，穿山越嶺長大深埋隧道的建設(shè)不可避免［1］。由于高水平地應(yīng)力作用，往往在軟弱巖層及構(gòu)造破碎帶洞段發(fā)生變形破壞，而在堅(jiān)硬巖層洞段可能發(fā)生巖爆等地質(zhì)災(zāi)害。因此，巖體應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試研究對(duì)于隧道工程的科學(xué)設(shè)計(jì)和安全施工都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前，地應(yīng)力測(cè)試是獲得地應(yīng)力資料最為直接的途徑［2］，但受測(cè)點(diǎn)數(shù)量限制以及地質(zhì)條件和測(cè)試誤差的影響，地應(yīng)力實(shí)測(cè)值存在較大的分散性和局部性。尤其對(duì)于長度大于10 km的特長隧道，因其跨越范圍廣，有必要通過數(shù)值模擬方法分析得到更大范圍的地應(yīng)力場(chǎng)，并結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造條件綜合分析地應(yīng)力場(chǎng)特征，以便于正確認(rèn)識(shí)圍巖地應(yīng)力分布情況，為工程設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

為了分析山西省汾陽至邢臺(tái)高速公路寶塔山特長隧道工程區(qū)巖體應(yīng)力場(chǎng)特征，首先采用水壓致裂法測(cè)試地應(yīng)力，以實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)結(jié)合有限元模型回歸分析得到更大范圍的地應(yīng)力場(chǎng)，并結(jié)合寶塔山隧道的地質(zhì)條件，深入分析了寶塔山隧道的巖體應(yīng)力場(chǎng)特征，為隧道軸線、開挖方式的選擇以及隧道穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 工程地質(zhì)概況

山西汾陽至邢臺(tái)高速公路段內(nèi)平遙－榆社段在平遙縣境內(nèi)東泉鎮(zhèn)－孟山石村之間要穿越寶塔山中部山脈。該山體呈NNE走向，橫向規(guī)模巨大，路線在穿越此山體段的方位與寶塔山總體走向之間近于垂直，選擇穿越方式為特長隧道工程，即寶塔山隧道。該隧道為山嶺隧道，屬目前山西省最長高速公路隧道，全長10 480 m，隧道洞體最大埋深約600 m［1］。

隧道區(qū)屬于太岳山脈北中部的構(gòu)造剝蝕基巖中山區(qū)，沖溝與小山脊發(fā)育，并與主山體走向大體一致，地形起伏變化較大。區(qū)域構(gòu)造上處于呂梁－太行斷塊最大的次級(jí)構(gòu)造單元沁水塊坳的西北部，與晉中新裂陷相鄰，屬于斷塊內(nèi)部2大地質(zhì)構(gòu)造單元相銜接的區(qū)域、普洞－來遠(yuǎn)NEE向褶斷帶的核心部位，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜。

3 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試

3.1 水壓致裂法測(cè)試原理

利用一對(duì)可膨脹的橡膠封隔器，在預(yù)定的測(cè)試深度封隔一段巖石的鉆孔，然后泵入液體對(duì)這段鉆孔施壓，并根據(jù)壓裂過程曲線的壓力特征值計(jì)算鉆孔橫截面上的最大、最小主應(yīng)力值。若鉆孔垂直（如本次測(cè)試），該主應(yīng)力值即為最大、最小水平主應(yīng)力，記為σH，σh。由于二次裂縫一般沿鉆孔軸線及鉆孔橫截面上的最大主應(yīng)力方向起裂與擴(kuò)展，裂縫的方向就是鉆孔橫截面上的最大主應(yīng)力方向。σH，σh按下式計(jì)算［2］：

式中：Ps為維持裂縫張開的瞬時(shí)關(guān)閉壓力；Pr為裂縫重張壓力；P0為孔隙水壓力。垂直應(yīng)力由測(cè)點(diǎn)上覆巖石重量計(jì)算，壓裂縫方向由定向印模器確定，據(jù)此確定最大水平主應(yīng)力方位。

3.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和鉆孔巖芯察看，在沿隧道中部深鉆孔進(jìn)行水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試。測(cè)試開始前在鉆孔的巖芯完整區(qū)盡可能多地選取試驗(yàn)段［3］，且重點(diǎn)放在孔底（接近隧道設(shè)計(jì)高程）部位。由于部分測(cè)段的實(shí)際完整性比巖芯反映的差，使測(cè)段透水性太強(qiáng)而達(dá)不到水力壓裂所需的高壓。實(shí)際上成功進(jìn)行了13段水壓致裂試驗(yàn)，主要測(cè)試結(jié)果見圖1。

圖1 水平主應(yīng)力隨埋深變化關(guān)系圖Fig.1 Vertical variation of horizontal principal stress values

鉆孔測(cè)試深度范圍內(nèi)（120～438 m），最大水平 主 應(yīng) 力 為 2.3～8.4 MPa，最小水平主應(yīng)力為1.8～6.9 MPa。壓裂縫的印模結(jié)果表明，最大水平主應(yīng)力為NNENE向。測(cè)試成果表明，σv＞σH＞σh，測(cè)試區(qū)域內(nèi)的巖體應(yīng)力場(chǎng)以自重應(yīng)力場(chǎng)為主，同時(shí)也受地形地貌的影響。

根據(jù)地質(zhì)資料分析，完整巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc＝70～120 MPa，測(cè)孔底部的最大主應(yīng)力σmax＝11.6 MPa，根 據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》［4］，Rc／σmax＝6.9～10.3，可以認(rèn)為，該區(qū)域地應(yīng)力大小處于中等應(yīng)力水平。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，隧道設(shè)計(jì)高程處最大水平主應(yīng)力方位為N53°E，與隧道總體軸線方位（101°）的夾角為48°，呈較大角度。單從地應(yīng)力角度分析，隧道軸線布置方位對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性相對(duì)不利。鑒于應(yīng)力水平為中等，且隧道設(shè)計(jì)高程處3個(gè)主應(yīng)力值差別僅3.0 MPa左右，所以該不利影響比較?。?］。

4 應(yīng)力場(chǎng)有限元模擬反分析

由于測(cè)量條件和經(jīng)費(fèi)的限制，不可能進(jìn)行大量測(cè)試，這時(shí)，將有限的實(shí)測(cè)資料和已有的理論模型結(jié)合起來，預(yù)測(cè)整個(gè)工程區(qū)域的巖體初始應(yīng)力場(chǎng)就顯得尤為重要。本文采用基于有限元正演分析的多元回歸反演方法進(jìn)行分析［5］。

將計(jì)算域內(nèi)的地應(yīng)力場(chǎng)視為自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的線性疊加，通過模擬不同工況的子應(yīng)力場(chǎng)，使測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力分量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差最小，求得各子應(yīng)力場(chǎng)的影響權(quán)重系數(shù)，最后組合成計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)。

4.1 三維有限元模型

根據(jù)地質(zhì)資料及計(jì)算域內(nèi)的巖層劃分，按照地質(zhì)年代、巖性、圍巖等級(jí)等因素，將計(jì)算模型的基本結(jié)構(gòu)、構(gòu)造進(jìn)行適當(dāng)概化，并對(duì)物理力學(xué)參數(shù)按照厚度加權(quán)取值。最終選取接近測(cè)試鉆孔、埋深較大的3 km范圍作為有限元分析的計(jì)算范圍，三維有限元網(wǎng)格圖見圖2。主要考慮了4條斷層構(gòu)造面f8，f9，f10和 f11，各斷層的影響帶厚度依次取為 1，5，4，8 m，各巖性巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 三維有限元網(wǎng)格圖Fig.2 3D FEM meshes

4.2 工程重點(diǎn)部位地應(yīng)力特征

根據(jù)計(jì)算的地應(yīng)力場(chǎng)，查找計(jì)算區(qū)域內(nèi)工程部位對(duì)應(yīng)的有限單元，就可求得該部位巖體的應(yīng)力狀態(tài)，以供工程設(shè)計(jì)使用。根據(jù)隧道方案的平面布置圖，沿隧道走向在設(shè)計(jì)高程處進(jìn)行插值，可得隧道設(shè)計(jì)高程處的主應(yīng)力值如圖3所示，隧道剖面最大水平主應(yīng)力等值線如圖4所示。

由圖3可以看出，σZ與地表山體走勢(shì)近似，表明σZ與深度的關(guān)系非常密切。埋深越大，鉛垂應(yīng)力越大，而水平應(yīng)力隨埋深變化的梯度較小。由圖4可以看出，應(yīng)力等值線在斷層附近出現(xiàn)突變，而在其它地質(zhì)巖性較好處則比較均勻。該應(yīng)力剖面能有效彌補(bǔ)實(shí)測(cè)資料的分散性和局限性，能基本構(gòu)造剖面內(nèi)應(yīng)力量值的分布，為隧道設(shè)計(jì)及圍巖穩(wěn)定性分析提供重要依據(jù)。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of rock mass

圖3 隧道設(shè)計(jì)高程處主應(yīng)力插值結(jié)果Fig.3 Principal stress interpolation results at the designed elevation of the tunnel

圖4 隧道剖面最大水平主應(yīng)力等值線Fig.4 Contour of the maximum horizontal principal stresses in the cross section of the tunnel

隧道設(shè)計(jì)高程處最大水平主應(yīng)力σH方位角為23°～61°，大部分集中在 42°～56°，這與測(cè)試結(jié)果（設(shè)計(jì)高程處N53°E左右）基本一致。從地應(yīng)力角度分析，隧道軸線布置方位對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性相對(duì)不利。在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，按照每100m間隔進(jìn)行插值，結(jié)果只有K25＋100處9°和K25＋200處10°與其它插值點(diǎn)明顯不同。經(jīng)與地質(zhì)剖面構(gòu)造對(duì)比，這兩點(diǎn)連線恰與計(jì)算區(qū)域內(nèi)主要斷層f11平行且相距較近，并都位于微風(fēng)化泥巖與相對(duì)堅(jiān)硬巖層的分界面處，而有限元計(jì)算模型中巖層界面兩側(cè)的單元體，為滿足變形連續(xù)條件，某些應(yīng)力分量可能發(fā)生局部突變。經(jīng)驗(yàn)證，這兩個(gè)插值點(diǎn)的剪應(yīng)力τXY與臨近單元同一分量的符號(hào)相反（雖然量值很小），所以最大水平主應(yīng)力方向明顯突變。

5 地應(yīng)力方向與地質(zhì)條件的關(guān)系

5.1 工程地質(zhì)條件對(duì)地應(yīng)力的影響

隧道區(qū)位于太岳山脈北中部的構(gòu)造剝蝕基巖中山區(qū)，隧道穿越的寶塔山走向?yàn)镹NE向，橫向規(guī)模巨大。隧道位于普洞～來遠(yuǎn)NNE向褶斷帶的核心部位，該褶斷帶構(gòu)造極為復(fù)雜，褶斷帶的主體褶皺表現(xiàn)為一些走向N70°～80°E的開闊背斜和緊閉向斜。這種地形地貌條件會(huì)影響最大水平主應(yīng)力方向偏于NNE向。

隧道區(qū)斷層走向主要呈NEE向，部分為NE向，且多為正斷層。根據(jù)斷層力學(xué)成因模式分析［6］，當(dāng)σ1直立、σ2和σ3水平時(shí)，形成正斷層。也就是說，正斷層的走向與σ2水平平行、與σ3水平垂直、σ1直立狀態(tài)。因?yàn)樵谶@種構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)σ1逐漸增大或σ3逐漸減小時(shí)，都可以導(dǎo)致正斷層的形成。由此可判斷，該區(qū)所在的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境應(yīng)為最大水平主應(yīng)力方向與正斷層走向平行，即NEE～NE向。

5.2 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征

根據(jù)山西省地質(zhì)志資料，該省地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)最主要的是東部相對(duì)向北，西部相對(duì)向南的直線扭動(dòng)作用，省內(nèi)東西構(gòu)造帶比較薄弱，南北向構(gòu)造帶比較明顯，NE向、NNE向構(gòu)造最為顯著。

利用地震波的初動(dòng)及波形反演得到的震源機(jī)制解能夠得知震源斷層參數(shù)和應(yīng)力狀態(tài)，大量解析結(jié)果可以反映區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征，是目前研究地殼應(yīng)力場(chǎng)與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)區(qū)域特征的一個(gè)重要途徑，已有研究表明山西地區(qū)總體受NNE～NEE向的區(qū)域主壓應(yīng)力控制［7］。

現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力方向主要取決于現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，它與地質(zhì)史上曾經(jīng)出現(xiàn)過的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)之間并不存在直接聯(lián)系。只有在現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)繼承先前應(yīng)力場(chǎng)而發(fā)展或與歷史上某次構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方向耦合時(shí)，現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)的方向才可能與歷史上的地質(zhì)構(gòu)造要素之間發(fā)生聯(lián)系［8］。

已有一些文獻(xiàn)對(duì)山西地區(qū)以及更大范圍的區(qū)域現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了研究［9］，李欽祖等分析了華北地區(qū)48個(gè)地震震源機(jī)制解，認(rèn)為華北塊體處于統(tǒng)一的地殼應(yīng)力場(chǎng)作用下，其最大壓應(yīng)力主軸為NEE向，且接近水平。謝新生等［10］通過深入研究晉中南地區(qū)褶皺和斷裂的關(guān)系及其形成演化過程，結(jié)果表明，晉中南中生代末存在NEE向的太岳山背斜和背斜上的縱、橫張破裂、張剪切共扼破裂。在南北向的剖面上呈南北深中間淺的“隆起”，該“隆起”的上下地殼在新生代阻礙了霍山～羅云山斷裂的右旋活動(dòng)而形成應(yīng)力集中，并產(chǎn)生了共扼破裂，由這對(duì)共軛破裂計(jì)算的晉中南地區(qū)地殼應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力方向?yàn)镹55°E。中國巖石圈動(dòng)力學(xué)地圖集（1991）根據(jù)地震地質(zhì)資料也得出該區(qū)受NE～NEE向擠壓控制的結(jié)論。王秀文［11］利用山西斷裂帶布設(shè)的GPS監(jiān)測(cè)資料分析了山西斷陷帶水平運(yùn)動(dòng)特征，結(jié)果表明，該區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)的方位角為72°。

山西各煤礦區(qū)160多個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)資料［7］和引黃入晉工程的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果均表明［12］，寶塔山周圍最大水平主應(yīng)力方向大多為NNE向。

綜合以上區(qū)域構(gòu)造環(huán)境、震源機(jī)制解、已有地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，表明大范圍地質(zhì)環(huán)境下，隧道所處區(qū)域現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)總體上表現(xiàn)為NE向擠壓、NW向拉張的應(yīng)力場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)，最大水平主應(yīng)力方向應(yīng)在NNE～NEE范圍內(nèi)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和回歸分析所得最大水平主應(yīng)力方向恰好在此范圍內(nèi)，表明最大水平主應(yīng)力方向與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征相符。

6 結(jié) 語

（1）測(cè)試鉆孔范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力為2.3～8.4 MPa，最小水平主應(yīng)力為1.8～6.9 MPa，最大水平主應(yīng)力為NNE～NE向。

（2）隧道設(shè)計(jì)高程處最大水平主應(yīng)力σH方位大部分集中在N42°E～N56°E，但在主要斷層附近層以及軟硬巖分界處應(yīng)力會(huì)發(fā)生突變。從地應(yīng)力角度分析，隧道軸線布置方位對(duì)圍巖穩(wěn)定性相對(duì)不利。

（3）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和有限元分析所得最大水平主應(yīng)力方位與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征相符。

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Characteristics of In-situ Stress Field in Baotashan Extra-long Tunnel

GUO Xi-feng1，ZHANG Ming-xin2，YIN Jian-min1，LIU Yuan-kun1
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Shanxi Provincial Communications Planning，Survey and Design Institute，Taiyuan 030012，China）

Baotashan tunnel is the longest highway tunnel in Shanxi province with a full length of 10 480 m and a maximum burial depth of 600 m.The complex topography and geomorphology and geological structures give rise to a complicated in-situ stress distribution in the tunnel area.To study the characteristics of rock in-situ stress field in the tunnel area，this paper firstly present the measured results of geostress by hydro-fracturing method，based on which the stress profile along the tunnel is obtained by FEM analysis，and finally the regional tectonic stress field is comprehensively analyzed from perspectives of topography and geomorphology，geologic structure，and geomechanics.The research manifested that in-situ stress in the test area can be defined as middle level stress，and the maximum horizontal principal stress in the tunnel design elevation is mainly concentrated in N42°E～N56°E，and regional tectonic stress field is consistent with in-situ stress field achieved by site test and numerical simulation.

tunnel engineering；stress measurement；finite element analysis；stress field characteristic

U459.2

A

1001－5485（2011）06－0055－04

2011-01-06

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2008BAB29B01）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201001009）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2011CB710603）；中央級(jí)公益性科研院所基金項(xiàng)目 （CKSF2010020）

郭喜峰（1984-），男，湖北黃岡人，碩士，主要從事巖石力學(xué)試驗(yàn)與工程應(yīng)用方面的研究工作，（電話）13883327341（電子信箱）xifeng1984＠126.com。

（編輯：姜小蘭）