基于實測位移的深埋工程隧洞地應力反演

王保東，付曉耕，唐志堅

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

隨著地下工程向地球深部進軍，隧道建設朝著超長深埋方向發(fā)展，工程建設中主要面臨高地應力這一特殊的工程地質(zhì)問題，而高地應力常常誘發(fā)巖爆、巷道片幫、塌方等災害，給工程的施工、運行帶來嚴重影響。地應力是評價圍巖和支護結構穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一，關于地應力反演方面前人做了大量研究，研究思路可概括為利用實測地應力資料和采用數(shù)值模擬方法求解兩種。任洋等利用地應力實測值，采用線性回歸法獲得了地應力隨埋深的分布規(guī)律并評估了巖爆發(fā)生風險；汪波等基于蒼嶺隧道實測地應力值，構建了地應力場多元線性回歸計算公式；呂慶等針對深埋特長公路隧道初始地應力場進行了三維有限元反演分析，并在此基礎上開展了綜合多種巖爆判別準則的巖爆等級預測。

然而，不同地質(zhì)條件下地應力受到諸如褶皺、斷層、河谷岸坡等因素的影響，較小區(qū)域內(nèi)地應力特征也可能呈現(xiàn)出一定的差異性，很難使用某一地應力回歸模型對工程區(qū)域的地應力分布規(guī)律準確概括。故本文以某工程隧洞實測斷面為例，使用有限元計算軟件（Phase2）對實測斷面的巖石參數(shù)和地應力做反演計算，驗算隧洞設計參數(shù)取值是否合理，以期計算結果能夠為指導施工提供依據(jù)。

1 工程概況

某水電站工程是一座低閘壩、長隧洞、高水頭引水式電站，工程主要任務是發(fā)電。引水隧洞總長15639.86m，最大埋深1720m，埋深大于1000m 的隧洞長度為3.32km，占隧洞全長的21.2%。隧洞洞口段地層巖性主要為變質(zhì)閃長巖、片麻狀花崗巖，隧洞出口段為斜長角閃板巖、片巖夾大理巖薄層，洞身段圍巖為似斑狀片麻狀花崗巖或花崗片麻巖。隧洞軸線穿越侵入巖地層，隧洞埋深大，在高地應力作用下，堅硬的花崗巖及閃長巖具備發(fā)生巖爆的條件，因此進行隧洞地應力場反演分析十分必要。

2 計算斷面及相關參數(shù)確定

2.1 計算斷面確定及實測位移

本次共布置4 個監(jiān)測斷面，斷面具體位置為：引水洞進口Y1+445 斷面；1#支洞上游Y2+580 斷面；4#支洞上游Y10+135 斷面；4#支洞下游Y12+342 斷面。鑒于4#支洞上游Y10+135 附近洞段有實測地質(zhì)參數(shù)，且埋深較大，故選取4#支洞上游Y10+135 斷面作為計算斷面。

在4#支洞上游Y10+135 斷面拱頂、拱肩和腰線處沿徑向按5m 和2m 埋深分別布置3 組測點，每個測點安裝單點式位移計監(jiān)測巖體變形，共計安裝3 組6 只位移計。5m 埋深時，測點編號依次為M3-1、M3-2、M3-3；2m 埋深時，相應測點編號為M3-4、M3-5、M3-6。根據(jù)監(jiān)測結果：M3-1、M3-2、M3-3 的總位移 為0.095mm、0.112mm、0.156mm；M3-4、M3-5、M3-6 的總位移為0.076mm、0.061mm、0.221mm。

2.2 地應力分布計算

根據(jù)隧洞穿越段地應力測量結果，主應力隨埋深呈線性分布，相應埋深處的最大水平主應力σ、最小水平主應力σ和垂直應力σ由下列公式計算：

式中H 為埋深，單位：m；應力單位：MPa。

2.3 圍巖參數(shù)取值

本文對隧洞圍巖物理力學參數(shù)進行了測定，表1列出了隧洞整體及計算斷面處的圍巖物理力學參數(shù)。由于隧洞軸線穿越花崗巖和閃長巖地層，巖體強度高、脆性強，在該地層中極可能發(fā)生巖爆，故本文對可能發(fā)生的巖爆做了評估，評估結果見圖1。

表1 巖體主要物理力學參數(shù)值表

根據(jù)規(guī)范，按照圍巖強度應力比R/σ范圍（飽和單軸抗壓強度R，最大主應力σ=σ）可將巖爆等級進行劃分。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，對于整個隧洞而言，變質(zhì)閃長巖與片麻狀花崗巖發(fā)生巖爆的可能性和等級相近，隨埋深增大，發(fā)生巖爆的等級增加。對于計算斷面而言，由于該處巖體強度較隧洞圍巖整體強度低，在同一埋深條件下，相應的強度應力比較小，導致發(fā)生巖爆的可能性更高、巖爆等級更大。由此可知選擇4#支洞上游Y10+135 斷面作為計算斷面其結果對指導施工更安全，進一步說明了計算斷面選取的合理性。

圖1 隧洞圍巖巖爆風險評估

3 監(jiān)測斷面地應力反演

3.1 隧洞模型及其邊界條件

本文采用有限元計算程序Phase2 進行分析計算。根據(jù)工程實際情況，隧洞模型設為城門型，為避免周邊約束對隧洞計算結果的影響，隧洞四周取為3 倍洞徑的正方形。模型左右兩測約束水平位移，上下兩測約束垂直位移。

計算荷載僅考慮地應力，根據(jù)前述主應力計算公式(1)、(2)及(3)，計算斷面處埋深為1047.7m，相應的垂向應力為24.65MPa，最大水平主應力為34.63MPa，最小水平主應力為15.96MPa。假定巖石為均質(zhì)巖體，巖體參數(shù)按前述計算斷面處巖體參數(shù)大小賦值。

3.2 監(jiān)測斷面計算結果

本文按不同的地應力釋放水平進行隧洞特征點的位移計算，共設計了1%、2%、5%、10%、20%、50%和100%七個地應力釋放水平，重點監(jiān)測3 個特征點的圍巖位移變化規(guī)律：拱頂處M1，拱肩處M2，腰線處M3，3 個特征點分別與斷面實際監(jiān)測點M3-1 和M3-4、M3-2 和M3-5、M3-3 和M3-6 對應。圖2展示了部分地應力釋放水平下隧洞圍巖位移計算結果，圖3繪制了不同地應力釋放水平下特征點位移的變化。

圖2 不同地應力釋放水平下圍巖位移等值線圖

圖3 不同地應力釋放水平下特征點位移變化

3.3 計算結果與監(jiān)測結果比較

圖4為計算結果與監(jiān)測結果的比較?？梢园l(fā)現(xiàn)，實際監(jiān)測位移比計算位移小很多(小于計算值的3%)，原因是該洞段開挖后應力釋放速度較快，待監(jiān)測開始時地應力已經(jīng)基本釋放，導致后期監(jiān)測到位移所占總位移的比例很小，但是從位移的頂、底、側(cè)位移分布比例來分析，計算位移值和實測基本符合，也符合現(xiàn)有的地應力側(cè)壓力系數(shù)給定的規(guī)律。

圖4 計算結果與監(jiān)測結果比較

4 結論

（1）由于隧洞埋深大且穿越高強度高脆性巖體，發(fā)生巖爆可能性大，本文評估了隧洞整體和4#支洞上游Y10+135 斷面處發(fā)生巖爆的風險，結果顯示后者發(fā)生巖爆的風險更大、等級更高，使用該處的計算結果指導施工更安全，故使用4#支洞上游Y10+135 斷面處巖體物理力學參數(shù)作為地應力反演分析的巖體參數(shù)。

（2）以4#支洞上游Y10+135 斷面為例，設計了不同的地應力釋放水平，使用有限元計算軟件對該斷面圍巖位移進行反演，并與實測位移進行了比較。結果表明實際監(jiān)測位移比計算位移小很多，但從位移的頂、底、側(cè)位移分布比例來分析，計算位移值和實測位移基本符合，也符合現(xiàn)有的地應力側(cè)壓力系數(shù)給定的規(guī)律。