川藏鐵路二郎山深埋隧道的地應(yīng)力場(chǎng)反演分析

唐浩，李天斌，孟陸波，王棟，王敏杰

(1．成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059; 2．中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

川藏鐵路二郎山深埋隧道的地應(yīng)力場(chǎng)反演分析

唐浩1，李天斌1，孟陸波1，王棟2，王敏杰1

(1．成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059; 2．中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

二郎山隧道是川藏鐵路的控制性重點(diǎn)工程，隧址區(qū)的地應(yīng)力分析對(duì)于鐵路的選線和施工具有重要意義。本文通過工程類比分析和應(yīng)力計(jì)算確定了邊界條件及水平向?qū)ΨQ梯度應(yīng)力，綜合應(yīng)用CAD，ANSYS和FLAC3D三種軟件開展了二郎山隧道深埋方案的數(shù)值反演，分析了沿隧道軸線的應(yīng)力變化和分布特征。結(jié)果表明:隧址區(qū)全長(zhǎng)范圍內(nèi)最大主應(yīng)力總體上隨埋深增大而逐漸增加;局部應(yīng)力狀態(tài)受地質(zhì)構(gòu)造影響較大，在結(jié)構(gòu)面及巖性分界點(diǎn)附近有明顯變化。

二郎山隧道 地應(yīng)力反演 工程類比 數(shù)值模擬

姚顯春等［6］利用初始地應(yīng)力實(shí)測(cè)值反演大范圍的巖體構(gòu)造地應(yīng)力場(chǎng)分布，通過關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)測(cè)位移修正反演結(jié)果，從而得到了較為準(zhǔn)確的三維地應(yīng)力分布。郭運(yùn)華等［7］利用偏最小二乘回歸法擬合了地應(yīng)力場(chǎng)并將其精確加載至計(jì)算模型以達(dá)到提高反演精度目的，解決了邊界應(yīng)力奇異分布問題。李永松等［8］將模擬退火算法和粒子群算法結(jié)合，提出了一種解決地應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)邊界荷載難以確定問題的方法，該方法不僅克服了粒子群算法容易陷入局部最優(yōu)的缺陷，而且發(fā)揮了模擬退火算法擅長(zhǎng)全局尋優(yōu)的特點(diǎn)。陳華根等［9］從機(jī)理上分析了模擬退火算法，對(duì)退火方式及其擾動(dòng)等核心技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到了包含兩個(gè)過程的改進(jìn)快速模擬退火計(jì)劃及相應(yīng)算法，提高了計(jì)算效率。石敦敦等［10］通過數(shù)值分析的方法探討了應(yīng)用實(shí)數(shù)編碼的遺傳算法及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化反演分析在反演巖體初始應(yīng)力方面的有效性。夏彬偉等［11］結(jié)合渝沙高速共和隧道地應(yīng)力測(cè)量資料，通過調(diào)整多種組合的側(cè)壓系數(shù)，獲得了不同測(cè)試段地應(yīng)力，從而展開了巖體地應(yīng)力反演分析。

目前，川藏鐵路控制性重點(diǎn)工程二郎山隧道尚處于可研階段，實(shí)測(cè)資料缺乏。但隧址區(qū)附近的地質(zhì)構(gòu)造研究較為成熟，附近已有多條公路、鐵路隧道和多個(gè)水電站投入使用，如雅康高速二郎山隧道、老國(guó)道318線二郎山隧道及大渡河瀘定水電站等，其地應(yīng)力情況具有高度可借鑒性。此外，二郎山隧道選線過程中具有多個(gè)論證方案，根據(jù)不同線路的隧道最大埋深擬定了深埋方案(最大埋深2 600 m)、淺埋方案(最大埋深1 600 m)等多套方案。根據(jù)選線過程中對(duì)地勘資料、施工難度和經(jīng)濟(jì)性等因素的綜合分析，初步認(rèn)為深埋方案具有較強(qiáng)可行性。因此，本文基于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征，以“地理位置靠近、地質(zhì)構(gòu)造相似、巖性特征相近”為原則，輔以考慮最大主應(yīng)力方向及量級(jí)的相似程度，充分借鑒臨近工程地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料，利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件FLAC3D對(duì)二郎山隧道深埋方案(以下簡(jiǎn)稱“深埋方案”)的地應(yīng)力分布及影響進(jìn)行反演，并對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件及構(gòu)造特征

二郎山隧道位于四川省雅安市天全縣與甘孜州瀘定縣交界的二郎山高中山區(qū)，隧道進(jìn)口位于天全縣新溝兩路公社，出口位于瀘定縣黃泥村，連接大渡河特大橋，隧道長(zhǎng)度約18 116 m。隧道進(jìn)口高程約1 452.8 m，出口高程約1 301.7 m，為單面下坡隧道，隧道最大埋深約2 070 m，為川藏鐵路控制性重點(diǎn)工程。

隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，區(qū)域深大斷裂發(fā)育，受多期構(gòu)造作用影響。二郎山隧道處于龍門山NE向構(gòu)造帶WS端，向東過渡為峨眉山斷塊區(qū)的大相嶺菱形地塊，北西側(cè)為松潘—甘孜褶皺帶。隧址區(qū)處在中國(guó)西部著名“Y”字型構(gòu)造的三岔口交接部位NE側(cè)，受NE向龍門山構(gòu)造帶控制。其中，“Y”字型構(gòu)造分別為NE向龍門山構(gòu)造帶、SN向川滇構(gòu)造帶和NW向鮮水河構(gòu)造。隧道穿越的區(qū)域性斷裂主要有新溝斷裂、?；藬嗔?、二郎山斷裂和瀘定斷裂等，以及一系列次級(jí)斷裂構(gòu)造。同時(shí)還存在有大相嶺背斜、龍膽溪背斜等多條褶皺，地質(zhì)構(gòu)造情況十分復(fù)雜。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制，隧址區(qū)現(xiàn)今主應(yīng)力方向?yàn)镹W～NWW向。線路與隧址區(qū)主體構(gòu)造大角度相交，因此將主要受川青塊體和川滇塊體的聯(lián)合擠壓作用。其軸線走向?yàn)镋W向，與老國(guó)道318線二郎山公路隧道相距約2～4 km，處于同一區(qū)域構(gòu)造帶內(nèi)。

深埋方案在里程C2K222+150處為沉積巖與巖漿巖分界點(diǎn)，整個(gè)隧址區(qū)軟、硬巖類均有廣泛分布，硬質(zhì)巖類有灰?guī)r、石英砂巖、粉砂巖、花崗巖、安山巖等，軟質(zhì)巖類有泥巖、頁巖等。工程區(qū)內(nèi)斷層、斷裂發(fā)育，斷裂帶內(nèi)巖體破碎。由于隧道通過多條斷裂帶，圍巖穩(wěn)定性差，隧道地質(zhì)條件非常復(fù)雜，因此有必要對(duì)該方案進(jìn)行地應(yīng)力反演。

RS技術(shù)最早發(fā)展于上個(gè)世紀(jì)60年代，起初該技術(shù)主要是以航空攝影技術(shù)為基礎(chǔ)的一門技術(shù)，其最大特點(diǎn)在于大范圍同步觀測(cè)。將RS技術(shù)應(yīng)用在建筑工程測(cè)量中，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性、科學(xué)性都起著重要作用，而且掌握RS技術(shù)，并了解其各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提高建筑工程測(cè)量水平，在工程項(xiàng)目中進(jìn)行全面、大范圍觀測(cè)起著重要的實(shí)踐意義。

1.2 地應(yīng)力特征

經(jīng)臨近工程類比分析，隧址區(qū)現(xiàn)今主應(yīng)力方向主要為N60°～80°W。埋深500 m左右時(shí)，最大主應(yīng)力為15～20 MPa;埋深約1 000 m時(shí)，最大主應(yīng)力為25～35 MPa;埋深約1 500 m時(shí)，最大主應(yīng)力為40～50 MPa;埋深約2 000 m時(shí)，最大主應(yīng)力為50～60 MPa。受其它因素的潛在影響，部分區(qū)段地應(yīng)力值可能偏高。

2 應(yīng)力分析

巖體初始應(yīng)力場(chǎng)是由自重應(yīng)力和水平構(gòu)造應(yīng)力組合而成。這種組合關(guān)系可表示為

其中:σin為初始地應(yīng)力，σV為自重應(yīng)力，σH為水平構(gòu)造應(yīng)力，a和b是待定系數(shù)。

對(duì)于自重應(yīng)力，巖體的重度可以根據(jù)地層巖性在縱剖面上的分布，通過工程類比并參照《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2011)和《工程地質(zhì)手冊(cè)》確定。根據(jù)公式q=γH(γ為土的加權(quán)平均重度，H為埋深)，計(jì)算得到自重應(yīng)力(即初始地應(yīng)力鉛直分量)。根據(jù)地形條件，采用數(shù)值模擬可使自重應(yīng)力更加精確。

但對(duì)于水平構(gòu)造應(yīng)力來說，它受彈性模量影響較大，并且與邊界位移和應(yīng)力具有正相關(guān)關(guān)系，因此情況較為復(fù)雜，應(yīng)該通過計(jì)算并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件施加。

水平構(gòu)造應(yīng)力可以通過現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力減去巖體自重應(yīng)力水平分量求得。根據(jù)不同埋深處的自重應(yīng)力水平分量和最大主應(yīng)力，分別計(jì)算得到水平構(gòu)造應(yīng)力。其分布見表1。

表1 水平構(gòu)造應(yīng)力分布

3 初始地應(yīng)力數(shù)值反演

3.1 地層巖性

綜合考慮二郎山隧道的地質(zhì)情況，繪制隧道縱剖面示意圖(如圖1)。其中，粗線代表區(qū)域斷裂，細(xì)線代表地層分界線，橫向線段代表隧道軸線。

3.2 數(shù)值模擬流程

在CAD中確定坐標(biāo)中心后將二郎山隧道軸線的縱斷面圖通過Cross插件轉(zhuǎn)換為txt文檔數(shù)據(jù)，導(dǎo)入ANSYS，并在ANSYS中進(jìn)行巖層劃分等前期處理工作，包括定義單元類型、材料參數(shù)、分組、劃分網(wǎng)格等。再將得到的數(shù)據(jù)輸出并調(diào)入FLAC3D建模，通過編寫命令流實(shí)現(xiàn)初始條件設(shè)置和邊界條件約束，并施加底面位移約束和水平向?qū)ΨQ梯度應(yīng)力，從而模擬二郎山隧道的初始地應(yīng)力。

3.3 模型邊界條件及應(yīng)力場(chǎng)模擬

采用FLAC3D軟件建立模型模擬深埋方案地應(yīng)力場(chǎng)的形成與分布。初始狀態(tài)模型上表面為自由表面，底部約束垂直方向位移;在模型內(nèi)部分段施加反演的二郎山地區(qū)的水平構(gòu)造應(yīng)力及自重應(yīng)力水平分量;在全斷面范圍內(nèi)根據(jù)地形和地層巖性的分布施加自重應(yīng)力。為減少應(yīng)力集中造成的影響，在隧道進(jìn)口側(cè)加長(zhǎng)1 500 m，出口側(cè)加長(zhǎng)1 500 m，隧道底部加厚1 000 m，最終計(jì)算范圍為21 118 m×3 043 m(寬×高)，單元數(shù)為209 634個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為43 110個(gè)。

按埋深將隧道沿縱剖面分為4段，在每段的左右邊界施加計(jì)算得到的X和Z兩個(gè)水平方向的水平構(gòu)造應(yīng)力(如表2)。

將通過應(yīng)力試算法得到的計(jì)算值作為初始構(gòu)造應(yīng)力。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力，在模型左右邊界施加合適的邊界應(yīng)力約束得到最終的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)工程類比得知，隧址區(qū)現(xiàn)今主應(yīng)力方向主要為N60°～80°W，隧道軸線方向與正東方向夾角大約為23°，因此主應(yīng)力方向與隧道軸向夾角大約為43°。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，將水平構(gòu)造應(yīng)力換算到隧道X軸和Z軸兩個(gè)水平方向上，得到了X和Z兩個(gè)方向的構(gòu)造應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，如表3。

表3 X和Z方向的構(gòu)造應(yīng)力計(jì)算結(jié)果MPa

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 應(yīng)力變化特征

在數(shù)值模擬過程中，沿隧道軸線方向每隔200 m記錄一次垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和最大主應(yīng)力數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上繪制二郎山隧道深埋方案不同位置的最大主應(yīng)力圖及垂直、水平方向應(yīng)力圖，結(jié)果如圖2。圖中左側(cè)表示進(jìn)口方向，右側(cè)表示出口方向。

圖2 隧道的應(yīng)力變化曲線

由圖2(a)可見:深埋方案的最大主應(yīng)力值高達(dá)60 MPa;C2K222+150處為沉積巖與巖漿巖分界點(diǎn)(進(jìn)口方向?yàn)槌练e巖，出口方向?yàn)閹r漿巖)，沉積巖段最大主應(yīng)力達(dá)到50 MPa，巖漿巖段最大主應(yīng)力近60 MPa。由圖2(b)可見:水平應(yīng)力的變化比較規(guī)律，呈先增大后減小趨勢(shì);在巖性分界點(diǎn)附近達(dá)到最大，約38 MPa。由圖2(c)可見:垂直應(yīng)力變化較為復(fù)雜，發(fā)生局部應(yīng)力降低和集中現(xiàn)象的位置主要集中在主要斷層帶附近和巖性分界點(diǎn)附近;斷層帶內(nèi)應(yīng)力陡降，在其兩側(cè)形成應(yīng)力局部增高帶;垂直應(yīng)力最大達(dá)到60 MPa。

綜上所述，隧址區(qū)的高地應(yīng)力是在較高的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的共同作用下形成的，受到了構(gòu)造應(yīng)力和不同巖性形成的自重應(yīng)力的綜合影響，因此成因較為復(fù)雜。

4.2 應(yīng)力分布特征

隧道天全縣進(jìn)口端高程1 452.8 m，瀘定縣出口端高程1 301.7 m，隧道全長(zhǎng)18 116 m，平均坡度約1%。隧道軸線附近典型縱剖面應(yīng)力分布云圖見圖3。根據(jù)圖3(a)，將隧址區(qū)按高程分為4段:①天全縣進(jìn)口端至C2K214+380，最大主應(yīng)力為10～30 MPa;②C2K214+380—C2K221+120，最大主應(yīng)力為30～45 MPa;③C2K221+120—C2K224+580，最大主應(yīng)力達(dá)到了45～60 MPa;④C2K224+580至瀘定縣出口端，最大主應(yīng)力為15～30 MPa。顯然，在二郎山東支斷裂(簡(jiǎn)稱F東)至F1斷裂之間處于高地應(yīng)力狀態(tài)，且該深埋方案全長(zhǎng)范圍內(nèi)最大主應(yīng)力隨埋深增大而逐漸增加，在隧道埋深最大處(約2 070 m)達(dá)到最大值60 MPa。從圖3(b)來看，在最大埋深位置附近水平應(yīng)力達(dá)到了40 MPa，且隧址區(qū)水平應(yīng)力值普遍較高。根據(jù)圖3(c)，沿隧道軸線的應(yīng)力值變化較大，這與隧址區(qū)埋深和巖性變化有關(guān);最大垂直應(yīng)力位于最大埋深處附近，約60 MPa，總體上隨埋深增加而增大。

圖3 隧道軸線附近典型縱剖面應(yīng)力分布云圖

5 結(jié)論及建議

1)通過綜合考慮區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征、鄰近工程部分實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用類比分析得到現(xiàn)今主應(yīng)力方向和量級(jí)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果和利用相似原理得到的數(shù)據(jù)在模型上施加水平構(gòu)造應(yīng)力，通過大量試算取得了模擬結(jié)果。

2)數(shù)值模擬及臨近工程地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，隧址區(qū)全長(zhǎng)范圍內(nèi)最大主應(yīng)力隨埋深增大而逐漸增加，最高達(dá)到60 MPa。在二郎山東支斷裂至F1斷裂之間處于高地應(yīng)力狀態(tài)。其中，C2K221+120—C2K224+ 580最大主應(yīng)力達(dá)到了45～60 MPa。

3)隧址區(qū)地應(yīng)力與隧道埋深有較大關(guān)系，但局部地方由于受斷層和結(jié)構(gòu)面影響而出現(xiàn)不規(guī)則變化，將會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力降低、增高和集中。

4)因隧道洞身穿越了近10條區(qū)域大斷裂，斷裂構(gòu)造必然對(duì)隧道部分段落的應(yīng)力場(chǎng)分布及其量級(jí)產(chǎn)生較大影響。建議施工期間采取超前探測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，為高地應(yīng)力及巖爆、大變形預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5)本次數(shù)值模擬綜合應(yīng)用了CAD，ANSYS和FLAC3D三種軟件，通過三種軟件的優(yōu)勢(shì)組合實(shí)現(xiàn)了快速、簡(jiǎn)潔建模。

需要指出的是，由于川藏鐵路二郎山隧道處于可研階段，實(shí)測(cè)資料嚴(yán)重匱乏。本文以臨近工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，按照工程類比原則得到的地應(yīng)力方向和量值，以及通過數(shù)值模擬分析得到的地應(yīng)力分布情況均有待更多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

［1］徐正，李天斌，孟陸波，等．鷓鴣山隧道地應(yīng)力反演模型與三維地應(yīng)力［J］．成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014， 41(2):243-250．

［2］王連捷，潘立宙．地應(yīng)力測(cè)量及其在工程中的應(yīng)用［M］．北京:地震出版社，1991．

［3］李青麟．初始應(yīng)力的回歸與三維擬合［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(5):68-71．

［4］張良剛，吳立，徐昌茂，等．高速鐵路大斷面隧道地應(yīng)力測(cè)試與分析［J］．鐵道建筑，2012(9):50-53．

［5］汪波，何川，吳德興，等．蒼嶺特長(zhǎng)公路隧道地應(yīng)力場(chǎng)反演分析［J］．巖土力學(xué)，2012，33(2):629-634．

［6］姚顯春，李寧，曲星，等．拉西瓦水電站地下廠房三維高地應(yīng)力反演分析［J］．巖土力學(xué)，2010，31(1):246-252．

［7］郭運(yùn)華，朱維申，李新平，等．基于FLAC3D改進(jìn)的初始地應(yīng)力場(chǎng)回歸方法［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2014，32(5):1-7．

［8］李永松，尹健民，陳建平，等．基于模擬退火和粒子群混合算法的地應(yīng)力場(chǎng)分析［J］．人民長(zhǎng)江，2011，42(23):65-67．

［9］陳華根，吳健生，王家林，等．模擬退火算法機(jī)理研究［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，32(6):802-805．

［10］石敦敦，傅永華，朱暾，等．人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法反演巖體初始地應(yīng)力的研究［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2005，38(2):73-76．

［11］夏彬偉，李曉紅，韓昌瑞，等．深埋隧道層狀巖體地應(yīng)力反演研究［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009(4):75-79．

Back analysis of ground-stress field for Erlangshan deep buried tunnel on Sichuan-Tibet railway

TANG Hao1，LI Tianbin1，MENG Lubo1，WANG Dong2，WANG Minjie1
(1．State Key Laboratory of Geohazard Prevention＆Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China;2．China Railway Eryuan Engineering Group Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610031，China)

Erlang mountain tunnel is the controlling key project of Sichuan-T ibet railway．Ground stress analysis of the tunnel site area has important significance to the railway route selection and construction．T his paper determined the boundary conditions and the horizontal symmetry gradient stress by engineering analogy analysis and ground stress calculation，developed numerical inversion model for deep buried scheme of Erlang mountain tunnel by combining with CAD，ANSYS and FLAC3D，analyzed stress change and distribution characteristics along the tunnel axis．T he results showed that the maximum principle stress gradually increases with the growth of the cover depth in tunnel site area，local stress state is mainly affected by geological structure，which obviously changes nearby the structural plane and lithology boundary point．

Erlang mountain tunnel;Ground stress inversion model;Engineering analogy;Numerical simulation

TU452

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．19

1003-1995(2015)03-0065-05

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-06-26;

2015-01-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41172279，41230635);交通運(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(20113188051090)

唐浩(1989─)，男，四川成都人，碩士研究生。