隧道地應(yīng)力場反演研究

(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)國家重點實驗室 四川 成都 610059)

一、引言

地應(yīng)力通常也稱為原巖應(yīng)力，是指巖土體內(nèi)一點固有的應(yīng)力狀態(tài)。地應(yīng)力是控制隧道圍巖位移分布與破壞形式的關(guān)鍵性因素，也是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)上荷載的主要來源，更是鐵路公路選線和隧道支護(hù)設(shè)計的重要工程問題[1-3]。本文依靠收集的研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境和真三維實測地應(yīng)力數(shù)據(jù)資料，考慮斷裂、斷層以及巖性的影響，利用邊界荷載調(diào)整法使模擬計算值和實測值達(dá)到最佳擬合，得到了隧道工程區(qū)地應(yīng)力場分布規(guī)律，再結(jié)合所獲得的研究區(qū)地應(yīng)力場和地質(zhì)資料綜合分析，有效提高了反演分析結(jié)果的可靠性。此外，結(jié)合監(jiān)測所獲得的已發(fā)生的隧道巖爆現(xiàn)場影像與記錄資料，綜合分析地應(yīng)力場與巖爆發(fā)育分布特征，為以后遇到此類工程問題提供一個參考。

二、區(qū)域地應(yīng)力場分布特征分析

(一)工程概況

隧道設(shè)計進(jìn)口里程為D1K173+650，自然坡度25°～35°；設(shè)計出口里程為D1K190+105，自然坡度45°～75°。隧址區(qū)地面高程3300～5100米，高差最大達(dá)約1900米，為典型的高山峽谷地貌。隧道整體巖性以花崗巖、閃長巖為主。

根據(jù)構(gòu)造斷裂滑動、地殼應(yīng)力數(shù)據(jù)庫和震源機(jī)制解綜合分析可知，該區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力總體上表現(xiàn)為與之相應(yīng)的NNE方向近水平的擠壓應(yīng)力。

應(yīng)力解除測試可得應(yīng)力解除曲線，根據(jù)測試結(jié)果可計算出測試點地應(yīng)力量值。

(二)模型建立

對隧址區(qū)建模時，為了減少邊界效應(yīng)影響，模型計算區(qū)域選擇略大于隧址區(qū)的范圍。模型計算時采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，F(xiàn)LAC3D計算模型及網(wǎng)格劃分見圖1所示。

圖1 隧道地應(yīng)力場反演分析模型

三、隧址區(qū)地應(yīng)力場反演分析

(一)反演結(jié)果分析

讀取各測點處對應(yīng)的模擬計算地應(yīng)力值，計算所得的地應(yīng)力量值與實測地應(yīng)力量值作比較，比較結(jié)果表明：反演計算值和實測值總體上擬合較好，整體變化規(guī)律基本相同。主要以最大主應(yīng)力擬合為主，其擬合度平均達(dá)到98.6%，最少達(dá)到89.2%。反演結(jié)果表明最大主應(yīng)力量值為6.6～60 MPa，在隧道進(jìn)出口段最大主應(yīng)力量值為16.5～29.7MPa。

(二)基于反演結(jié)果的沿隧道軸線地應(yīng)力分布特征

圖2為隧道出口段主應(yīng)力矢量場云圖。由圖可知，對于埋深較淺的出口段，水平主應(yīng)力起主導(dǎo)作用。水平應(yīng)力主要受埋深和河谷相對位置影響，而受斷層與巖體巖性影響較小，所以在同樣埋深較淺的入口段，也是水平應(yīng)力占主導(dǎo)。

圖2 隧道出口段剖面主應(yīng)力矢量場云圖

四、結(jié)論

(1)本文在有限實測點數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)的地應(yīng)力場和地質(zhì)資料等信息，對隧址區(qū)地應(yīng)力場進(jìn)行反演分析計算，得到了合理的地應(yīng)力場分布特征。

(2)沿隧道線路軸線方向，其量值呈現(xiàn)出從最大埋深處到進(jìn)出口端逐漸減小的分布規(guī)律，在隧道進(jìn)出口段最大主應(yīng)力量值為16.5～29.7MPa。除隧道入口段巖體破碎，其余隧道段巖體完整性較好，為Ⅱ、Ⅲ級圍巖處于高地應(yīng)力環(huán)境下，有較大概率發(fā)生巖爆災(zāi)害。