隧道地應力場反演研究

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室 四川 成都 610059)

一、引言

地應力通常也稱為原巖應力，是指巖土體內一點固有的應力狀態。地應力是控制隧道圍巖位移分布與破壞形式的關鍵性因素，也是隧道支護結構上荷載的主要來源，更是鐵路公路選線和隧道支護設計的重要工程問題[1-3]。本文依靠收集的研究區域構造應力環境和真三維實測地應力數據資料，考慮斷裂、斷層以及巖性的影響，利用邊界荷載調整法使模擬計算值和實測值達到最佳擬合，得到了隧道工程區地應力場分布規律，再結合所獲得的研究區地應力場和地質資料綜合分析，有效提高了反演分析結果的可靠性。此外，結合監測所獲得的已發生的隧道巖爆現場影像與記錄資料，綜合分析地應力場與巖爆發育分布特征，為以后遇到此類工程問題提供一個參考。

二、區域地應力場分布特征分析

(一)工程概況

隧道設計進口里程為D1K173+650，自然坡度25°～35°；設計出口里程為D1K190+105，自然坡度45°～75°。隧址區地面高程3300～5100米，高差最大達約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。

根據構造斷裂滑動、地殼應力數據庫和震源機制解綜合分析可知，該區域現代構造應力總體上表現為與之相應的NNE方向近水平的擠壓應力。

應力解除測試可得應力解除曲線，根據測試結果可計算出測試點地應力量值。

(二)模型建立

對隧址區建模時，為了減少邊界效應影響，模型計算區域選擇略大于隧址區的范圍。模型計算時采用摩爾-庫倫本構模型，FLAC3D計算模型及網格劃分見圖1所示。

圖1 隧道地應力場反演分析模型

三、隧址區地應力場反演分析

(一)反演結果分析

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

(二)基于反演結果的沿隧道軸線地應力分布特征

圖2為隧道出口段主應力矢量場云圖。由圖可知，對于埋深較淺的出口段，水平主應力起主導作用。水平應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，也是水平應力占主導。

圖2 隧道出口段剖面主應力矢量場云圖

四、結論

(1)本文在有限實測點數據的基礎上，結合研究區的地應力場和地質資料等信息，對隧址區地應力場進行反演分析計算，得到了合理的地應力場分布特征。

(2)沿隧道線路軸線方向，其量值呈現出從最大埋深處到進出口端逐漸減小的分布規律，在隧道進出口段最大主應力量值為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級圍巖處于高地應力環境下，有較大概率發生巖爆災害。