雪峰山隧道原巖應力場和開挖二次應力場特征分析

黃戡，彭建國，劉寶琛，丁國華，王躍飛，馬德青

（1. 中南大學 土木建筑學院，湖南 長沙，410075；2. 湖南省交通規劃勘察設計院，湖南 長沙，410008）

雪峰山隧道原巖應力場和開挖二次應力場特征分析

黃戡1,2，彭建國2，劉寶琛1，丁國華2，王躍飛2，馬德青2

（1. 中南大學 土木建筑學院，湖南 長沙，410075；2. 湖南省交通規劃勘察設計院，湖南 長沙，410008）

為了解雪峰山隧道原巖應力場和隧道開挖后圍巖的二次應力場分布特點，應用有限元軟件建立仿真模型，模擬河谷下蝕和隧道開挖過程。為了驗證數值模型的可靠性，對比分析相應位置的現場測試應力和數值模擬應力，并以現場應力測試值對應力邊界的應力進行反演分析。研究結果表明：應力數值模擬值和現場測試值較接近，說明所建模型可靠；隧道軸線剖面主應力可分為應力平穩帶和淺表生改造影響帶；在應力平穩帶的硬、軟相間部位或斷層帶附近出現應力分異現象；淺表生改造影響帶通常為應力降低區，地形明顯變化處可造成應力局部增高；隧道周邊的最大主應力出現應力集中；隨著與隧道周邊的距離增加，最大主應力很快降低；隧道周邊未出現拉應力，開挖影響范圍為地表至1倍洞徑之間。

隧道工程；原巖應力；二次應力場

地應力狀態對工程穩定性尤其是地下工程穩定性具有重要的影響。在山區公路隧道建設中，了解隧址區巖體地應力場的分布特征以及地應力對隧道工程的設計和施工具有非常重要的意義[1?2]。地應力是造成隧道、礦山巷道及其他地下工程變形和破壞的根本作用力，地應力的大小和方向直接影響到隧道圍巖的穩定性。同時，隧道工程建設無疑將不同程度地對圍巖產生擾動，圍巖初始地應力受到影響，開挖區周圍應力要產生重新分布形成二次應力。對隧道原巖地應力及其開挖下的二次應力分布特征進行研究是進行隧道圍巖穩定性分析以及實現地下工程開挖設計科學化的必要前提[3?5]。獲取地應力的方法主要有實測地應力法和計算機數值模擬分析法等[6?7]。地應力現場測試受場地、經費和測試技術等諸多因素的影響而不能進行大量實測，因此，研究者們大多采用數值模擬分析法來獲取地應力。如靳曉光等[8?9]對深埋長大隧道地應力演化及圍巖應力位移進行了彈塑性有限元數值模擬研究；馬亢等[10]對低地應力狀態下洞室開挖前、后初始應力和圍巖二次應力及其相應特征，進行了二維離散元數值模擬研究；方建勤等[11]結合復雜地質條件下茶林頂隧道隧址區的山體演化過程，進行了地應力場的二維有限元數值模擬，并獲得其原始地應力。可見，為了滿足地下工程設計和施工的需要，可以在實測結果的基礎上結合工程地質條件，通過數值模擬對初始地應力場進行反演分析，以獲得地下工程區域內真實的初始地應力場。在此，本文作者通過模擬河谷下切過程來考慮山體成坡的演化過程，并與現場應力測試結果進行對比驗證，反演應力邊界條件下的應力，進而研究雪峰山隧道原巖應力分布規律和隧道開挖后圍巖二次應力的分布形態。

1 工程概況

湖南省邵陽至懷化高速公路是國家重點建設的“五縱七橫”國道主干線中上海至瑞麗高速公路中的一段。雪峰山隧道為邵陽至懷化高速公路上最大的控制性工程，隧道的開通可縮短公路里程約30 km，大大節約了運營費用。

雪峰山隧道位于湖南省邵陽市、懷化市兩市交界處，穿過雪峰山主脈。隧道進口位于懷化市洪江鎮塘灣鄉蘭家村，距邵陽市洞口縣江口鎮約3 km；出口位于洪江鎮鐵山鄉小溪村。隧道為上、下行線分離的雙洞隧道，左、右洞長度分別為6 946 m和6 956 m，平均長度為6 951 m，屬特長隧道。兩洞室凈距在洞口段為20 m左右，在洞身深埋段為35 m左右。隧道的最大埋深約840 m，約50%的地段隧道埋深大于450 m。左、右線隧道均設“人”字坡，進口段為+1.14%的上坡，長約400 m，其余段為?0.95%的下坡。在邵陽端均設置斜井，在懷化端設置豎井。隧道建筑限界凈寬9.75 m，建筑限界凈高5.0m。隧道的縱斷面見圖1。

圖1 隧道的縱斷面Fig.1 Vertical section of tunnel

2 隧道原巖應力場演化規律分析

2.1 計算模型的建立

選用有限元計算軟件來模擬隧道區巖體應力場的形成演化過程。根據隧道區工程地質條件和工程地質剖面圖，建立剖面計算模型，見圖2（a）。該初始狀態模型上表面為自由面，底面垂直方向不發生位移，模型左側水平方向不發生位移，右側則施加自重應力衍生的側向水平應力（自重應力乘以側壓力系數求得）和水平構造應力（為5 MPa）作為荷載邊界[5]。

根據隧道分步分臺階施工法，采用由上至下的四步“開挖”來模擬河谷下蝕過程。其中初始狀態的計算模型上表面相當于海拔高程1 358 m，基本上與雪峰山主峰高程一致，代表了河谷下切前的最后一級區域平面[5]。計算域為（寬×高）為8 256 m×1 348 m，單元數為2 577個，節點數為7 884個。第1～3次分別下切223，169和242 m；第4次在前面的基礎上再下切206 m至現在的地形，即海拔高程518 m。其最終狀態的計算模型單元數為1 379個，節點數為5 214個（見圖2（b））。根據巖石力學試驗成果，并結合工程地質類比，確定表1所示的有限元模型計算中介質的參數。

圖2 原巖應力場計算模型Fig.2 Simulation models of initial rock stress field

2.2 計算模型的效果驗證

為驗證計算模型能否符合實際情況，表2給出了現場3個鉆孔采用水壓致裂法實測點位置的實測應力與本模型計算值的對比情況。從表2可以看出：應力計算值與實測值的最大相對誤差為25.04%，最小相對誤差為1.44%；應力計算值與實測值比較接近，說明可以用建立的模型反演雪峰山隧道原巖應力場的分布規律。

2.3 地應力場發育分布的基本規律

通過山體成坡歷史演化過程的有限元模擬，得到隧道區現今應力場的分布規律，如圖3所示。從圖3可見：

（1） 在坡面附近，最大主應力σ1的方向與坡面近于平行，且量級總體較低；而在遠離坡面的山體內部，σ1的方向為水平方向；隨著埋深的加大，σ1和σ2逐漸增大，應力場逐漸由自重應力場和構造應力場聯合作用而成。

（2） 隧道軸線剖面最大主應力的分布具有明顯的分帶性，大致可分為應力平穩帶（A）和淺表生改造影響帶（B）。在應力平穩帶內，最大主應力的量級一般介于15～30 MPa；淺表生改造帶影響帶內最大主應力的量級一般為10～15 MPa。

（3） 對于應力平穩帶（A），地應力狀態形成于山體剝蝕之前，在山體下蝕過程中基本保持原有狀態；但帶內也有應力分異，受控于巖體的力學性能與結構特征，在硬、軟相間部位或斷層帶附近，出現應力分異現象（AD），在斷層兩側出現明顯的應力集中現象，最大主應力量級為15～20 MPa，說明斷層對應力的傳遞有明顯的阻隔作用。在施工過程中，應特別注意該區域可能發生的塌方和掉塊等災害[12?14]。

（4） 對于淺表生改造影響帶（B），地應力狀態受山體形成過程的影響，通常造成應力降低。而在應力降低帶內側尤其是地形明顯變化處，可產生應力局部增高帶（BIN），最大主應力的量級約為15 MPa。

圖3 隧道主應力場分布規律Fig.3 Distribution regular of mail stress of tunnel

表1 計算參數Table 1 Calculation parameters

表2 計算值與實測值對比Table 2 Comparison of calculation stress and measured stress

3 隧道開挖引起的二次應力場特征分析

3.1 模型的建立

為了準確地獲得隧道圍巖二次應力場的分布特征，選取K98+040斷面作為計算剖面，其隧道斷面凈寬為9.75 m，凈高為5.0 m，建立計算模型，見圖4。邊界條件為：在左邊界和下邊界施加法向位移約束，在上邊界施加上覆巖體重力相等的均布面力σY，在右邊界施加水平面力σX（包括巖體由自重應力σY產生的水平側壓力σY·μ/（1?μ）和水平構造應力σX2部分），為一沿高度梯度變化的面力。

圖4 隧道計算模型Fig.4 Simulation model of tunnel

3.2 應力邊界條件反演分析

為使開挖后剖面的測點部位應力狀態與實測結果相吻合，應結合實測值對模型中的應力邊界進行反演。在實際監測中，在K98+040斷面左、右兩洞的左、右壁上均布置測點（見圖5）以測量洞壁應力，采用應變片實測，結果如表3所示。

按前述邊界條件進行應力邊界條件反演分析，得到的應力邊界條件為：X方向的應力σX= 12.90 MPa，Y方向的應力σY= 12.54 MPa。

圖5 洞壁應力測點布置示意圖Fig.5 Collocation of stress measuring points of tunnel wall

表3 K98+040斷面洞壁應力實測點測量結果Table 3 Tunnel wall stress measurement results of K98 +040 section

在該應力邊界條件下，洞壁應力特征擬合點的實測值和計算值對比結果如表4所示。從表4可以看出：4個測點的應力相對誤差均較小，說明此邊界條件能夠反映隧道巖體的實際狀況。

表4 各測點應力實測值與計算值的比較Table 4 Comparison of calculation stress and measured stress

3.3 隧道圍巖二次應力場主要特征

按照上述施加邊界條件后模擬隧道開挖，得到隧道開挖下的圍巖二次應力場的分布規律，見圖6和圖7。從圖6和圖7可見：

圖6 圍巖最大和最小應力分布云圖Fig.6 Contour of maximum and minimum principle rock stress distribution

圖7 隧道拱頂和邊墻的徑向應力和切向應力隨圍巖深度變化圖Fig.7 Relationship among radial stress and tangential stress and depth of rock in crown and side wall

（1） 隧道周邊的最大主應力出現應力集中現象，拱頂和拱腳處的最大主應力達到40 MPa左右（應力集中系數約為2），邊墻的最大主應力約為30 MPa（應力集中系數約為1.5）；隨著距離隧道周邊的距離增加，最大主應力很快降低；在距離隧道周邊1D處（D為洞徑），減小為原巖應力狀態，達到20 MPa左右，說明隧道開挖影響范圍為從地表至1D之間。

（2） 隧道周邊最小主應力為0 MPa。隨著距離隧道周邊距離的增加，最小主應力也增大，圍巖沒有出現拉應力。

（3） 拱頂處切向應力最高，達到42 MPa，其次為拱腳和墻角位置，達到38 MPa，左、右兩邊墻上為22 MPa。隨距離隧道周邊距離的增加，切向應力逐漸降低，深度達到1D以后，切向應力達到原巖應力。

（4） 隧道周邊的徑向應力為0 MPa，向圍巖深部迅速增大，在深度1 m處邊墻和拱頂均為5～6 MPa；再向深部，徑向應力的增高梯度又迅速降低，大致到1倍洞徑深處趨于穩定，亦可視為進入原巖應力區。

（5） 洞壁附近的最大主應力方向平行于洞壁即切向應力方向；而最小主應力就是切向應力，所以，最大、最小主應力分布與隧道周邊拱頂及拱腰的切向應力、徑向應力分布規律相對應。

4 結論

（1） 通過數值模型獲得的原巖應力和二次應力與現場應力測試結果相近，表明所建的模型合理，能夠反映雪峰山隧道地應力的變化；同時，可以用“開挖”來模擬河谷下蝕和形成雪峰山的過程。

（2） 隧道軸線剖面最大主應力的分布具有明顯的分帶性，大致可分為應力平穩帶和淺表生改造影響帶；應力平穩帶的地應力基本狀況形成于山體剝蝕之前，在斷層兩側出現了明顯的應力集中現象,說明斷層對應力的傳遞有明顯的阻隔作用，導致出現應力分異現象；淺表生改造影響帶的地應力狀態受山體形成過程的影響，通常造成應力降低，在地形明顯變化處可形成應力局部增高帶。

（3） 隧道周邊的最大主應力出現應力集中現象，應力集中系數約為2，且隨著與隧道周邊的距離增加，最大主應力很快降低，在距離隧道周邊1倍洞徑處，減小為原巖應力狀態；隧道周邊最小主應力為0 MPa，且隨著與隧道周邊距離的增加，最小主應力很快增加；在距離隧道周邊1倍洞徑處，達到原巖應力狀態；隧道周邊未出現拉應力，開挖影響的范圍為從地表至1倍洞徑之間。

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（編輯 陳燦華）

Analysis of initial rock stress field and secondary rock stress field of Xuefengshan tunnel

HUANG Kan1,2, PENG Jian-guo2, LIU Bao-chen1, DING Guo-hua2, WANG Yue-fei2, MA De-qing2
（1. School of Civil Engineering and Architecture, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Hunan Provincial Communication Planning Survey and Design Institute, Changsha 410008, China）

To understand initial rock stress field and secondary rock stress field due to excavation in Xuefengshan tunnel, finite element software was used to establish numerical model to simulate the valley incision and tunneling process. In order to verify the reliability of the numerical model, comparison of stress numerical values and monitoring values in field tests was conducted, and the stress boundary was done. The results show that the model is reliable because numerical simulation stress is close to that of the field test. The spread of stress can be divided into two bands, i.e., the equable stress band and the effected band of epigentic-surface reformation. Around fracture in the equable stress band, there are stress varied phenomena and local high stress bands in the effected band, especially at the position of apparent landform chance. Stress concentration is serious around the tunnel. With the increase of the distance from the tunnel, the maximum principal stress decreases rapidly. Tensile stress does not appear around the tunnel, and the excavation influence band is from 0 to 1 times of the hole diameter.

tunnel engineering; initial stress field; secondary stress field

U459.2

A

1672?7207（2011）05?1454?07

2010?06?10；

2010?08?28

西部交通建設科技項目（20033179802）；國家博士后科學基金資助項目（20090461021）

黃戡（1979?），男，湖南永州人，博士研究生，工程師，從事隧道和巖土工程勘察設計與科研工作；電話：13875801586；E-mail： hk_616@sina.com