某重載鐵路隧道地應(yīng)力測試與反演分析

孫元春 辛明高 汪 洋 王衍匯

(1.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251； 2.長江科學(xué)院，武漢 430010)

1 概述

地應(yīng)力是指巖體未受工程擾動時所處的原始應(yīng)力狀態(tài)[1]，它是引起隧道圍巖變形和破壞的根本作用力[2]。王成虎對使用較為廣泛的26種地應(yīng)力測試方法進行總結(jié)[3]，其中，水壓致裂法是國際巖石力學(xué)學(xué)會推薦的地應(yīng)力測試方法，也是目前應(yīng)用最為廣泛的測試方法[4-5]。盡管地應(yīng)力現(xiàn)場測試是準(zhǔn)確掌握場地地應(yīng)力條件最有效的手段，但受場地條件、經(jīng)費和工期等因素限制，難以進行大量現(xiàn)場測量[6]。此外，地應(yīng)力測量本身存在一定程度的局限性。首先，地應(yīng)力場的形成受到沉積、剝蝕、構(gòu)造運動等多種因素影響，成因極其復(fù)雜，而單點測量結(jié)果僅代表局部地應(yīng)力環(huán)境；其次，應(yīng)力測量過程中不可避免地存在測量誤差，導(dǎo)致地應(yīng)力測量結(jié)果具有一定離散性[7]。為了更全面掌握地應(yīng)力環(huán)境特征，基于有限的實測地應(yīng)力成果，采用數(shù)值模擬方法對地應(yīng)力場進行反演分析成為可供選擇的有效方法。馮樹榮等對斷層引起應(yīng)力釋放效應(yīng)的變剛度初始地應(yīng)力場反演分析方法進行探索[8]；趙辰等在考慮地層剝蝕作用的基礎(chǔ)上，基于側(cè)壓力系數(shù)對初始地應(yīng)力場進行反演[9]。以下基于前人的研究，采用有限單元法開展隧道三維地應(yīng)力場回歸反演分析。

浩吉鐵路是世界上一次建成里程最長的重載鐵路[10]。如意隧道位于宜川縣東南部黃龍山等中低山區(qū)，隧道為單洞雙線，起訖里程DK466+582.9～DK478+500，長11 917.1 m，最大埋深691.3 m。隧址區(qū)位于銅川-韓城隆起帶，處于一套北傾的復(fù)單斜構(gòu)造中，次級褶皺非常舒緩[11]。洞身段圍巖主要為三疊系中統(tǒng)二馬營組砂巖、粉砂巖和泥巖，巖層產(chǎn)狀為215°∠3°。圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育-很發(fā)育，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面主要有NWW和NNE兩組，其中NWW組結(jié)構(gòu)面走向為N295°～285°W，傾角為83°～88°，節(jié)理間距為5條/m，延伸性好；NNE組結(jié)構(gòu)面走向為N10°～40°E，傾角為85°～88°，節(jié)理間距為3條/m，延伸性較差。

如意隧道施工期間，在DK476+554～DK476+720段發(fā)生初支破壞問題，其中DK476+577～476+640段尤其嚴(yán)重，初支開裂、掉塊、格柵鋼架變形問題突出。隧道出口段工程地質(zhì)縱斷面見圖1，隧道變形破壞情況見圖2。

圖1 如意隧道出口段地質(zhì)縱斷面

圖2 如意隧道拱部變形破壞情況

根據(jù)收集的區(qū)域地質(zhì)資料，結(jié)合該區(qū)工程地質(zhì)勘察成果，認(rèn)為隧道主要受韓城活動斷裂擠壓作用影響，隧道地應(yīng)力場以水平方向構(gòu)造應(yīng)力為主。為準(zhǔn)確評價如意隧道圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)和工程區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律，在隧道正洞開展地應(yīng)力測試工作的基礎(chǔ)上，基于有限單元方法開展三維地應(yīng)力場回歸反演分析。

2 隧道地應(yīng)力測試

水壓致裂法具有對測試設(shè)備和環(huán)境要求較低，測試速度快，數(shù)據(jù)處理簡便等優(yōu)點。需要注意的是，該方法對巖體作了各向同性線彈性體的假設(shè)，并假定鉛直鉆孔軸向應(yīng)力為主應(yīng)力之一，大小等于上覆地層的自重壓力[12]。在浩吉鐵路如意隧道施工過程中，采用水壓致裂測量法分別在DK473+702和DK475+772進行地應(yīng)力測試，具體測試工作按照SL264-2001《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》有關(guān)要求執(zhí)行[13]。

2.1 DK473+702鉆孔測試

DK473+702鉆孔位于如意隧道3號斜井往進口方向DK473+702處，鉆孔附近上覆地層厚約343m，鉆孔深40m。在10.05～36.25 m深度范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力為10.3～12.8 MPa，最小水平主應(yīng)力為6.6～9.0 MPa，豎直應(yīng)力為9.1～9.8 MPa。測試孔水平主應(yīng)力量值隨深度變化關(guān)系見圖3。

圖3 DK473+702鉆孔橫截面上主應(yīng)力測值隨深度的變化關(guān)系

由圖3可以看出，在測試范圍內(nèi)主應(yīng)力量值主要表現(xiàn)為σH>σz>σh。該區(qū)地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力方向的側(cè)壓力系數(shù)1.1～1.4。壓裂縫方向表明，最大水平主應(yīng)力方向穩(wěn)定在N71°E～N79°E，平均為N75°E，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向基本一致。

2.2 DK475+772鉆孔測試

DK475+772鉆孔位于如意隧道3號斜井往出口方向DK475+772處，鉆孔附近上覆地層厚約115 m，鉆孔深40 m。在9.48～34.28 m測試深度范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力為4.1～6.5 MPa，最小水平主應(yīng)力為2.3～4.9 MPa，豎直應(yīng)力為3.2～3.8 MPa。測試孔水平主應(yīng)力量值隨深度變化關(guān)系見圖4。

圖4 DK475+772鉆孔橫截面上主應(yīng)力測值隨深度的變化關(guān)系

由圖4可以看出，在測試范圍內(nèi)，在埋深20 m處，主應(yīng)力量值存在分區(qū)現(xiàn)象，即小于20 m時，主應(yīng)力量值主要表現(xiàn)為σH>σz>σh；反之為σH>σh>σz。地應(yīng)力場以水平方向構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力方向的側(cè)壓力系數(shù)1.3～1.8。壓裂縫方向表明最大水平主應(yīng)力方向穩(wěn)定在N67°E～N75°E，平均為N71°E，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向基本一致。

3 隧道地應(yīng)力場反演分析

為進一步掌握如意隧道圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)和工程區(qū)地應(yīng)力分布特征，從而為隧道設(shè)計和施工方案優(yōu)化提供依據(jù)。在隧道內(nèi)進行水壓致裂地應(yīng)力測試的基礎(chǔ)上，基于有限單元法開展了隧道三維地應(yīng)力場回歸反演分析。模擬計算隧道所處地層自重應(yīng)力場和主要斷層對地應(yīng)力場的影響，并將模擬計算結(jié)果用于地應(yīng)力實測值的回歸反演分析。

3.1 地應(yīng)力場回歸反演原理

多元線性回歸法是地應(yīng)力反演分析中的常用方法之一[14]。地應(yīng)力場一般可分為豎向自重應(yīng)力場和水平構(gòu)造應(yīng)力場[15]。在對地應(yīng)力場建立數(shù)學(xué)模型進行計算分析時，可以利用有限元法分別對豎向自重應(yīng)力場與水平構(gòu)造應(yīng)力場進行計算，然后基于多元回歸分析方法，將上述兩部分模擬結(jié)果用于測試結(jié)果的擬合分析。主要根據(jù)地應(yīng)力實測結(jié)果和地形地質(zhì)構(gòu)造條件，采取基于三維有限元模擬的邊界荷載調(diào)整法，對地應(yīng)力場進行回歸反演分析。

3.2 計算模型及參數(shù)

合理的計算模型依賴于可靠的地質(zhì)模型，而對研究區(qū)工程地質(zhì)條件的充分認(rèn)識和科學(xué)概化處理是確保所建立地質(zhì)模型可靠的重要前提[16]。根據(jù)上述原則，建立如意隧道地應(yīng)力場三維有限元分析模型時，對模型中的巖體結(jié)構(gòu)、主要斷層構(gòu)造進行了必要的概化處理。采用ANSYS軟件創(chuàng)建有限元分析模型，模型范圍為=5 000 m(X)×13 000 m(Y)，模型底面高程取-2 000 m，計算模型見圖5。

圖5 如意隧道有限元計算模型

如圖5所示，計算模型共有118 590個節(jié)點，677 937個單元，一般區(qū)域網(wǎng)格單元邊長75 m，斷層帶網(wǎng)格單元邊長為25 m，單元類型為Solid185。模型范圍內(nèi)地層巖性主要為緩傾狀砂巖、泥巖互層，單一巖性最大層厚約10 m，考慮模型整體規(guī)模較大，若按實際情況劃分巖層，地層結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，在此對整個模型按等效巖性進行簡化。

根據(jù)地應(yīng)力場巖體各向同性線彈性體的假定條件，采用線彈性材料本構(gòu)模型。為便于計算，根據(jù)已有地質(zhì)勘察資料對地層巖性、圍巖參數(shù)等進行概化處理，巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 地應(yīng)力場反演效果分析

在既有鉆孔DK473+702與DK475+772的測試數(shù)據(jù)和三維應(yīng)力場有限元模擬成果的基礎(chǔ)上，利用基于最小二乘法的多元回歸分析手段，可求得研究區(qū)計算模型的邊界條件。得到對應(yīng)自重應(yīng)力、X軸向構(gòu)造應(yīng)力、Y軸向構(gòu)造應(yīng)力和水平面內(nèi)剪切應(yīng)力自變量的4個回歸系數(shù)，分別為L1=1.01、L2=0.41、L3=0.18、L4=-0.051。根據(jù)回歸分析，求得的模型邊界條件，通過正演計算可得到研究區(qū)地層初始地應(yīng)力分布狀態(tài)。如意隧道地應(yīng)力實測鉆孔位置回歸計算值與實測值的比較見表2、表3。

表2 DK473+702鉆孔實測值與計算值比較

表3 DK475+772鉆孔實測值與計算值比較

分析以上2個鉆孔實測值與回歸計算值的對比結(jié)果，大部分實測值與回歸計算值較為接近，相對誤差總體上控制在20%以內(nèi)，且變化趨勢和總體規(guī)律一致，故認(rèn)為回歸得到的計算區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力場與實際情況較為接近。

3.4 隧道剖面地應(yīng)力特征分析

為研究沿隧道軸線剖面的地應(yīng)力分布規(guī)律，依據(jù)隧道里程號沿剖面線對計算結(jié)果進行插值，插值范圍為DK466+582.9～DK478+500 m，由于線路較長，為更清晰地表現(xiàn)隧道剖面地應(yīng)力特征，對研究范圍進行逐段分析。

(1)最大水平主應(yīng)力σH

最大水平主應(yīng)力等值線分布見圖6。

圖6 最大水平主應(yīng)力等值線(單位：MPa)

(2)最小水平主應(yīng)力σh

最小水平主應(yīng)力等值線分布見圖7。

圖7 最小水平主應(yīng)力等值線(單位:MPa)

(3)豎直向應(yīng)力σZ

豎直向應(yīng)力等值線分布見圖8。

圖8 鉛直向應(yīng)力等值線(單位:MPa)

由圖6～圖8可知，隧道沿線初始地應(yīng)力主要受埋深影響，隨著埋深的增加，地應(yīng)力也相應(yīng)增大。此外，地應(yīng)力受斷層的影響也較為明顯，主要是這類破碎地質(zhì)體的力學(xué)性質(zhì)較差，應(yīng)力場變化劇烈，地應(yīng)力量值明顯低于鄰近原巖區(qū)，而且主應(yīng)力方向也發(fā)生了一定程度的偏轉(zhuǎn)，最大水平主應(yīng)力方向往往平行于斷層走向。斷層兩端地應(yīng)力場的變化主要與斷層的物理、幾何形態(tài)，斷層與區(qū)域主地應(yīng)力方向之間的關(guān)系等有關(guān)，而且其應(yīng)力變化的大小與斷層的規(guī)模關(guān)系密切。

4 結(jié)論

(1)水壓致裂法地應(yīng)力實測結(jié)果表明，研究區(qū)地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。DK473+702鉆孔實測最大水平主應(yīng)力為10.3～12.8 MPa，最小水平主應(yīng)力為6.6～9.0 MPa，鉛直應(yīng)力為9.1～9.8 MPa，最大水平主應(yīng)力方向為N71°E～N79°E，平均為N75°E。DK475+772鉆孔實測最大水平主應(yīng)力為4.1～6.5 MPa，最小水平主應(yīng)力為2.3～4.9 MPa，鉛直應(yīng)力為3.2～3.8 MPa，最大水平主應(yīng)力方向為N67°E～N75°E，平均為N71°E。

(2)三維地應(yīng)力場回歸反演結(jié)果表明，隧道DK466+600～DK478+500 m范圍的最大水平主應(yīng)力為0.70～21.43 MPa，最小水平主應(yīng)力為0.25～13.70 MPa，豎直向應(yīng)力為0.27～17.93 MPa。隧道最大水平主應(yīng)力的方向為59°～91°，整體上為NEE～EW向。最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)在1.15～2.94之間，最小水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)為0.71～1.74。

(3) 如意隧道初支變形破壞段落圍巖以粉砂巖和泥巖為主，裂隙發(fā)育，且有地下水呈線狀滲出，巖體質(zhì)量較差，圍巖以Ⅳ、Ⅴ級為主。盡管該處實測地應(yīng)力絕對值不高，但由于圍巖軟弱，且開挖斷面大，初支變形持續(xù)時間長，變形收斂一般需要40～60d，變形量也較大，通常在5～15 cm之間，導(dǎo)致初支開裂，格柵扭曲問題嚴(yán)重。上述現(xiàn)象表明如意隧道該段為典型的軟弱圍巖擠壓變形段，需采取有針對性的擠壓變形防治措施。