基于COMSOL的隧道地應(yīng)力場(chǎng)反演

楊亞倫,徐正宣,宋 章,歐陽(yáng)吉

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 611756;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川成都 610000)

地應(yīng)力場(chǎng)是衡量地下建筑及工程施工區(qū)圍巖應(yīng)力、位移分布以及開(kāi)挖后破壞形式的一個(gè)重要影響因素，是鐵路公路選線過(guò)程中的重要指標(biāo)。首先，最直觀展示地應(yīng)力的方式為實(shí)測(cè)地應(yīng)力，但由于測(cè)點(diǎn)數(shù)量通常較為有限，往往只能反映出局部應(yīng)力特征。同時(shí)，由于測(cè)試環(huán)境及操作方法等影響，當(dāng)前使用的水壓致裂法會(huì)體現(xiàn)出明顯離散性特征。受此離散性特性影響，此方法往往很難展示出整個(gè)隧道區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分布的整體規(guī)律。為解決這類問(wèn)題，目前通常是結(jié)合區(qū)域工程地質(zhì)條件以及有限實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料，利用三維建模數(shù)值計(jì)算來(lái)進(jìn)行隧址區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)反演分析[1-5]。

本文以某鐵路沿線一隧道作為研究對(duì)象，依托于COMSOL軟件，采用三維模型邊界調(diào)整法反演分析隧道區(qū)域初始應(yīng)力場(chǎng)，隨后分析不同因素對(duì)其分布特征的影響。

1 工程概況

研究區(qū)處于工程地質(zhì)條件復(fù)雜且地質(zhì)活動(dòng)強(qiáng)烈的青藏高原地帶，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力大，對(duì)隧道施工影響明顯。測(cè)區(qū)隧道進(jìn)口段長(zhǎng)期受到周邊各河流的切割作用，屬構(gòu)造侵蝕中高山峽谷地貌，地形陡峻，溝谷深切，目前規(guī)劃中的隧道埋深約為0～1 600 m。

研究區(qū)地層巖性復(fù)雜，擁有較多出露地質(zhì)單元，表層包括(Q4dl+pl)碎石土。下伏基巖主要包括：三疊系砂巖夾頁(yè)巖(T3d)，砂巖(T3a)，灰?guī)r夾泥巖(T3b)，礫巖夾泥巖(T3j)以及玄武巖等。綜上所述，可見(jiàn)隧址區(qū)巖性多為硬巖及較硬巖，在高埋深及較大構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)條件下，極易產(chǎn)生高地應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)而影響工程建設(shè)安全與進(jìn)度。

2 隧址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分析

2.1 模型概況

本文研究的隧道區(qū)域主要組成有砂巖夾礫巖、砂巖夾頁(yè)巖、灰?guī)r、花崗閃長(zhǎng)巖、泥巖、斷層角礫等，各地層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1；依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形起伏、地質(zhì)構(gòu)造等工程地質(zhì)條件進(jìn)行三維建模，計(jì)算模型示意圖如圖1所示。

表1 三維模型物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 隧道計(jì)算模型

2.2 邊界條件

邊界條件是三維模型計(jì)算準(zhǔn)確度的重要指標(biāo)之一，本模型邊界條件的確立首先依托于區(qū)域地形地貌及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力做出定性判斷，隨后結(jié)合使用工程類比法與邊界調(diào)整法確定具體數(shù)值。根據(jù)對(duì)青藏高原區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的現(xiàn)有研究資料，隧址區(qū)區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，且該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為NW向。經(jīng)過(guò)邊界調(diào)整法調(diào)整后，得到基本符合區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)大小及方向的邊界設(shè)置如表2所示。

表2 位移邊界條件設(shè)置

2.3 隧道切面地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

將邊界條件及巖體物理力學(xué)參數(shù)代入COMSOL固體力學(xué)模塊，導(dǎo)出隧道軸線位置切面模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。隧道區(qū)域最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力以及最小主應(yīng)力均可通過(guò)數(shù)值計(jì)算后獲得，三大主應(yīng)力變化規(guī)律近似，均與隧道縱剖面地形起伏呈正比關(guān)系。斜坡表層具有較為明顯的應(yīng)力降低現(xiàn)象，在邊坡局部位置甚至出現(xiàn)了較低的拉應(yīng)力。同時(shí)，地應(yīng)力也在斷層破碎帶區(qū)域出現(xiàn)了明顯下降。

(a)最大主應(yīng)力

(b)中間主應(yīng)力

(c)最小主應(yīng)力圖2 隧道軸線方向主應(yīng)力云圖(單位:MPa)

3 隧道軸線初始地應(yīng)力場(chǎng)分析

使用COMSOL模擬中三維截線功能，將隧道軸線主應(yīng)力數(shù)據(jù)提取出來(lái)以具體分析隧道洞室區(qū)域初始地應(yīng)力，詳情可見(jiàn)圖3。

圖3 隧道洞室軸線主應(yīng)力分布

3.1 隧道軸線最大主應(yīng)力

最大主應(yīng)力最大值為34 MPa，出現(xiàn)于埋深最大點(diǎn)，最小值位于隧道進(jìn)口約為7.8 MPa，整體變化趨勢(shì)與埋深變化趨勢(shì)近似。應(yīng)力分布受巖性影響較小，在斷裂構(gòu)造附近，應(yīng)力值大多出現(xiàn)降低現(xiàn)象，遠(yuǎn)離構(gòu)造斷裂帶后逐漸恢復(fù)原狀。

3.2 隧道軸線中間主應(yīng)力

中間主應(yīng)力變化范圍約為2～17 MPa，全段變化趨勢(shì)與最大主應(yīng)力相似，但起伏程度降低較大，且在少數(shù)埋深增加位置出現(xiàn)應(yīng)力逆勢(shì)下降現(xiàn)象。

3.3 隧道軸線最小主應(yīng)力

相較于最大及中間主應(yīng)力，最小主應(yīng)力更容易受到河谷下切卸荷作用以及斷裂構(gòu)造的影響，于埋深較小部分甚至?xí)霈F(xiàn)輕微拉應(yīng)力。本研究區(qū)隧道軸線區(qū)域最小主應(yīng)力范圍約為0.5～15 MPa。

4 結(jié)論

(1)本文在缺乏實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)查找既有區(qū)域地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)，周邊區(qū)域工程勘察資料并結(jié)合實(shí)地考察，對(duì)研究區(qū)地應(yīng)力現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合定性分析。進(jìn)而使用三維模型數(shù)值反演法獲得了隧址區(qū)合理、可靠的地應(yīng)力場(chǎng)量化分布特征。

(2)通過(guò)模擬分析得到實(shí)測(cè)點(diǎn)附近的地應(yīng)力場(chǎng)總體趨勢(shì)為SH>SV>Sh，影響初始地應(yīng)力場(chǎng)分布的最重要因素為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力大小與方向以及隧道埋深。

(3)研究發(fā)現(xiàn)，隧道開(kāi)挖與河谷演化會(huì)引起圍巖應(yīng)力的二次分布，本文并未將相關(guān)因素的影響納入考慮范圍。今后會(huì)在地應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)模擬成果之上，加入?yún)?shù)賦值更加精準(zhǔn)，網(wǎng)格劃分更加精細(xì)的局部面模型，進(jìn)行深入多次分析反演，從而得到更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。