秦嶺輸水隧洞TBM段初始地應力場分布特性研究

黨婉寧

(陜西省渭河生態區保護中心，陜西 西安 710000)

0 前言

近年來，隨著我國基礎設施的不斷完善，越來越多的隧道工程往大埋深方向發展。在此類隧道施工過程中，容易遇到高地應力環境，圍巖易發生大變形破壞，造成重大工程事故[1-2]。2016年于5月31日，引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞嶺北TBM施工段，TBM掘進過程中，由于高地應力的影響，圍巖出現了嚴重的收斂變形，導致TBM掘進至樁號K51+597.6時出現卡機，造成嚴重的工期滯后以及重大經濟損失。為保障后續工程建設順利進行，并指導現場施工，有必要開展嶺北軟巖段初始地應力場分布特性及規律研究。

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

為獲得秦嶺輸水隧洞工程區TBM軟巖段較為合理的初始應力場分布特征。首先，根據秦嶺隧洞工程區的斷裂構造格局，對研究區構造應力場優勢方位進行定性分析；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力測試數據，分析秦嶺隧洞地應力場的特征；然后采用有限元數值分析方法對工程區進行初始應力場回歸分析，進一步分析輸水隧洞工程區應力場的分布特征。

1 秦嶺輸水隧洞工程地質概況

秦嶺輸水隧洞位于秦嶺西部山區，工程區主要包括秦嶺嶺南中低山區(Ⅰ)、秦嶺嶺脊高中山區(Ⅱ)、秦嶺嶺北中低山區(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巖和巖漿巖兩大類。工程區橫跨秦嶺褶皺系一級構造單元區秦嶺褶皺系(Ⅱ)， 北與華北準地臺(Ⅰ)接鄰，南與揚子準地臺(Ⅲ)接鄰，地質構造復雜，見圖2。隧洞區在大地構造單元上屬于秦嶺褶皺系，其地質構造主要發育褶皺構造及斷裂構造。

圖1 秦嶺輸水隧洞地貌分區圖

圖2 秦嶺輸水隧洞大地構造分區圖

2 秦嶺輸水隧洞區構造應力場特征分析

國內一些學者利用震源機制解、微構造數值分析法等手段對秦嶺隧洞工程區域構造應力場分布特征進行深入探討。姜家蘭[8]對陜西地區構造應力場的研究表明，陜南地區分布有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行研究，認為該區構造應力場以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力場分布特征進行研究，認為該區域構造應力場經歷了松弛期、NW向擠壓NE向拉伸的構造應力期、NE向擠壓NW向拉伸的構造應力期。其中，現代構造應力場的性質是NE-SW或NEE-SWW向的擠壓。

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

3 秦嶺輸水隧洞初始地應力測試

國家地震局地殼應力所和長江科學院采用水壓致裂法在隧洞區域6個測點2試驗洞進行應力測試，各測孔測試結果見表1～表3。

表1 水壓致裂測試結果

表2 3號勘探實驗洞地應力測試結果

表3 6號勘探實驗洞地應力測試結果

由表1可知，秦嶺隧洞地區地應力以水平構造應力為主，各鉆孔呈現出σH>σh>σZ的分布特征，反映較強的現今水平構造應力作用的特點。隧洞區內現今最大水平主應力的優勢作用方向為NW向。

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

4 初始地應力場數值反演分析

本文采用有限元多元線性回歸法進行地應力場反演分析。

選取計算區域內2個鉆孔(CZK-2、CZK-3)的地應力測試成果作為研究工程區初始地應力場的依據，利用FLAC3D對4種工況分別進行模擬計算，得到回歸系數分別為L1=0.93，L2=2.416，L3=5.589，L4=-16.236。復相關系數為0.956，表明回歸公式的相關性較好。回歸殘差平方和S=189.65，顯著度檢驗觀測值F=50.51。因此，可認為按實測主應力方向換算到計算坐標系下的σx、σy、σxy和σz四個應力分量的總體效果顯著。各測孔在實測位置的回歸計算結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：大部分測點的主應力回歸值與實測值在數值上接近，且應力分量絕對誤差大部分不超過2 MPa，測點的誤差總體較小；在主應力方向上，各測點的最大水平主應力方位角，與實測值吻合較好，應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初始地應力場是較為合理的。

(a)σXX應力等值線圖

(b)σYY應力等值線圖

(c)σZZ應力等值線圖

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

5 結論

本文根據工程區域構造格局對研究區構造應力場優勢方位進行定性分析，然后結合現場應力實測結果對秦嶺輸水隧洞應力場模擬回歸分析，并對典型軟巖洞段的應力場狀態及可能出現的變形破壞特征進行分析評價，主要結論如下：

(1)綜合地質構造資料和現場實測結果可知，秦嶺輸水隧洞區內現今最大水平主應力的優勢作用方向為NW向。

(2)有限元反演分析結果表明，反演回歸應力值和實測應力值吻合較好，表明回歸得到的地應力場較為合理，為進一步分析工程地下洞室圍巖的穩定性和隧洞設計與施工提供了合理的三維初始地應力場。

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

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