秦嶺輸水隧洞TBM段初始地應(yīng)力場分布特性研究

黨婉寧

(陜西省渭河生態(tài)區(qū)保護(hù)中心，陜西 西安 710000)

0 前言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，越來越多的隧道工程往大埋深方向發(fā)展。在此類隧道施工過程中，容易遇到高地應(yīng)力環(huán)境，圍巖易發(fā)生大變形破壞，造成重大工程事故[1-2]。2016年于5月31日，引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞嶺北TBM施工段，TBM掘進(jìn)過程中，由于高地應(yīng)力的影響，圍巖出現(xiàn)了嚴(yán)重的收斂變形，導(dǎo)致TBM掘進(jìn)至樁號K51+597.6時出現(xiàn)卡機，造成嚴(yán)重的工期滯后以及重大經(jīng)濟(jì)損失。為保障后續(xù)工程建設(shè)順利進(jìn)行，并指導(dǎo)現(xiàn)場施工，有必要開展嶺北軟巖段初始地應(yīng)力場分布特性及規(guī)律研究。

如何準(zhǔn)確反映工程區(qū)的初始地應(yīng)力一直是地下工程面臨的難題，許多學(xué)者在這方面進(jìn)行了不少有益的探索。趙力等[3]基于地應(yīng)力實測資料，分別對引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞有斷層和無斷層段的初始地應(yīng)力場進(jìn)行了三維反演分析；饒運章等[4]基于實測地應(yīng)力資料，利用FLAC3D應(yīng)力邊界組合重構(gòu)了龍門山礦區(qū)初始地應(yīng)力場；王棟等[5]通過地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬分析了折多山隧道隧址區(qū)及洞身的應(yīng)力分布特征；錢娟娟等[6]結(jié)合錦屏二級水電站復(fù)雜的地質(zhì)條件，運用有限元法和BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對研究區(qū)的初始地應(yīng)力場進(jìn)行了反演分析；張勇慧等[7]結(jié)合大崗山水電站地形地貌條件和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，采用反演分析方法獲得了整個工程區(qū)的地應(yīng)力場。

為獲得秦嶺輸水隧洞工程區(qū)TBM軟巖段較為合理的初始應(yīng)力場分布特征。首先，根據(jù)秦嶺隧洞工程區(qū)的斷裂構(gòu)造格局，對研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場優(yōu)勢方位進(jìn)行定性分析；然后，基于秦嶺輸水隧洞越嶺段6個深鉆孔、2個勘探試驗洞的水壓致裂應(yīng)力測試數(shù)據(jù)，分析秦嶺隧洞地應(yīng)力場的特征；然后采用有限元數(shù)值分析方法對工程區(qū)進(jìn)行初始應(yīng)力場回歸分析，進(jìn)一步分析輸水隧洞工程區(qū)應(yīng)力場的分布特征。

1 秦嶺輸水隧洞工程地質(zhì)概況

秦嶺輸水隧洞位于秦嶺西部山區(qū)，工程區(qū)主要包括秦嶺嶺南中低山區(qū)(Ⅰ)、秦嶺嶺脊高中山區(qū)(Ⅱ)、秦嶺嶺北中低山區(qū)(Ш)三個大的地貌單元，見圖1。秦嶺輸水隧洞地層巖性主要為變質(zhì)巖和巖漿巖兩大類。工程區(qū)橫跨秦嶺褶皺系一級構(gòu)造單元區(qū)秦嶺褶皺系(Ⅱ)， 北與華北準(zhǔn)地臺(Ⅰ)接鄰，南與揚子準(zhǔn)地臺(Ⅲ)接鄰，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，見圖2。隧洞區(qū)在大地構(gòu)造單元上屬于秦嶺褶皺系，其地質(zhì)構(gòu)造主要發(fā)育褶皺構(gòu)造及斷裂構(gòu)造。

圖1 秦嶺輸水隧洞地貌分區(qū)圖

圖2 秦嶺輸水隧洞大地構(gòu)造分區(qū)圖

2 秦嶺輸水隧洞區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場特征分析

國內(nèi)一些學(xué)者利用震源機制解、微構(gòu)造數(shù)值分析法等手段對秦嶺隧洞工程區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場分布特征進(jìn)行深入探討。姜家蘭[8]對陜西地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的研究表明，陜南地區(qū)分布有NWW～近EW走向的大斷裂。徐文龍[9]采用滑動矢量擬合法對北秦嶺中段進(jìn)行研究，認(rèn)為該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場以NW-SE向擠壓為主。陳強等[10]通過對西康鐵路秦嶺特長隧道地應(yīng)力場分布特征進(jìn)行研究，認(rèn)為該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場經(jīng)歷了松弛期、NW向擠壓NE向拉伸的構(gòu)造應(yīng)力期、NE向擠壓NW向拉伸的構(gòu)造應(yīng)力期。其中，現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的性質(zhì)是NE-SW或NEE-SWW向的擠壓。

由以上分析可知，工程區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向總體為NEE向或近EW向，北秦嶺中段的構(gòu)造應(yīng)力場以NW-SE向擠壓為主，部分洞段由于受局部地形、地質(zhì)構(gòu)造及參與古構(gòu)造應(yīng)力場的影響，有可能會出現(xiàn)較大的偏差。

3 秦嶺輸水隧洞初始地應(yīng)力測試

國家地震局地殼應(yīng)力所和長江科學(xué)院采用水壓致裂法在隧洞區(qū)域6個測點2試驗洞進(jìn)行應(yīng)力測試，各測孔測試結(jié)果見表1～表3。

表1 水壓致裂測試結(jié)果

表2 3號勘探實驗洞地應(yīng)力測試結(jié)果

表3 6號勘探實驗洞地應(yīng)力測試結(jié)果

由表1可知，秦嶺隧洞地區(qū)地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，各鉆孔呈現(xiàn)出σH>σh>σZ的分布特征，反映較強的現(xiàn)今水平構(gòu)造應(yīng)力作用的特點。隧洞區(qū)內(nèi)現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力的優(yōu)勢作用方向為NW向。

由表2、表3可知，在兩個勘探試驗洞所測結(jié)果規(guī)律比較一致，最大水平主應(yīng)力為20 MPa～30 MPa，最大水平主應(yīng)力方向穩(wěn)定在近EW向。

4 初始地應(yīng)力場數(shù)值反演分析

本文采用有限元多元線性回歸法進(jìn)行地應(yīng)力場反演分析。

選取計算區(qū)域內(nèi)2個鉆孔(CZK-2、CZK-3)的地應(yīng)力測試成果作為研究工程區(qū)初始地應(yīng)力場的依據(jù)，利用FLAC3D對4種工況分別進(jìn)行模擬計算，得到回歸系數(shù)分別為L1=0.93，L2=2.416，L3=5.589，L4=-16.236。復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.956，表明回歸公式的相關(guān)性較好?；貧w殘差平方和S=189.65，顯著度檢驗觀測值F=50.51。因此，可認(rèn)為按實測主應(yīng)力方向換算到計算坐標(biāo)系下的σx、σy、σxy和σz四個應(yīng)力分量的總體效果顯著。各測孔在實測位置的回歸計算結(jié)果與實測值的對比見表4～表5。

表4 CZK-2鉆孔實測值與回歸計算值比較表

表5 CZK-3鉆孔實測值與回歸計算值比較表

由表4、表5分析可知：大部分測點的主應(yīng)力回歸值與實測值在數(shù)值上接近，且應(yīng)力分量絕對誤差大部分不超過2 MPa，測點的誤差總體較小；在主應(yīng)力方向上，各測點的最大水平主應(yīng)力方位角，與實測值吻合較好，應(yīng)力方位角絕對誤差最大約12°。因此，本文反演獲得的秦嶺深埋隧洞工程區(qū)初始地應(yīng)力場是較為合理的。

(a)σXX應(yīng)力等值線圖

(b)σYY應(yīng)力等值線圖

(c)σZZ應(yīng)力等值線圖

隧洞軸線縱剖面應(yīng)力等值線分布見圖3。由圖3可知，隧洞軸線附近的主應(yīng)力方向總體上為NNW～NWW向，與實測應(yīng)力狀態(tài)基本一致，最大主應(yīng)力約52.65 MPa。隧洞高程處的應(yīng)力場總體以水平應(yīng)力為主。斷層帶及鄰近區(qū)域顯示明顯的應(yīng)力釋放特征，最大水平主應(yīng)力方位發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)。總體呈現(xiàn)出巖體鉛直應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力的特征，即σz>σH>σh。斷層兩端，各應(yīng)力分量及主應(yīng)力都有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由此可見，斷層帶對秦嶺輸水隧洞應(yīng)力場的“阻斷”和“擾動”效應(yīng)較為明顯。

5 結(jié)論

本文根據(jù)工程區(qū)域構(gòu)造格局對研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場優(yōu)勢方位進(jìn)行定性分析，然后結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)力實測結(jié)果對秦嶺輸水隧洞應(yīng)力場模擬回歸分析，并對典型軟巖洞段的應(yīng)力場狀態(tài)及可能出現(xiàn)的變形破壞特征進(jìn)行分析評價，主要結(jié)論如下：

(1)綜合地質(zhì)構(gòu)造資料和現(xiàn)場實測結(jié)果可知，秦嶺輸水隧洞區(qū)內(nèi)現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力的優(yōu)勢作用方向為NW向。

(2)有限元反演分析結(jié)果表明，反演回歸應(yīng)力值和實測應(yīng)力值吻合較好，表明回歸得到的地應(yīng)力場較為合理，為進(jìn)一步分析工程地下洞室圍巖的穩(wěn)定性和隧洞設(shè)計與施工提供了合理的三維初始地應(yīng)力場。

(3)隧洞高程處的地應(yīng)力場總體以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，主應(yīng)力方向總體為NNW～NWW向。斷層破碎帶兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，斷層破碎帶對秦嶺輸水隧洞應(yīng)力場的“阻斷”和“擾動”效應(yīng)較為明顯。

(4)對典型軟巖洞段(樁號K51+597)分析結(jié)果表明，該高程附近以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，水平應(yīng)力方位為NW31.4°，最大水平主應(yīng)力32.73 MPa。該里程處，隧道拱頂附近易發(fā)生變形破壞。