王慶武,巨能攀,杜玲麗,黃健,蔣金陽
(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室,四川成都610059;2.西南交通大學(xué)交通運輸與物流學(xué)院,四川成都610031)
拉林鐵路巴玉深埋隧道地應(yīng)力場反演分析
王慶武1,巨能攀1,杜玲麗2,黃健1,蔣金陽1
(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室,四川成都610059;2.西南交通大學(xué)交通運輸與物流學(xué)院,四川成都610031)
基于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境和實測地應(yīng)力成果,根據(jù)拉薩—林芝鐵路巴玉深埋隧道地形起伏特征將工程區(qū)劃分為3個區(qū)段,利用邊界荷載調(diào)整法對各區(qū)段地應(yīng)力場進(jìn)行了反演分析。結(jié)果表明:除隧道進(jìn)出口段外,地應(yīng)力場均以豎向主應(yīng)力為主,在隧道最大埋深處最大主應(yīng)力值達(dá)到48 MPa;在隧道進(jìn)出口段應(yīng)力值較低,隧道軸線與最大水平主應(yīng)力方向夾角較小,有利于隧道圍巖的穩(wěn)定;在隧道深埋段豎向主應(yīng)力與水平主應(yīng)力值均較高,且隧道軸線與最大水平主應(yīng)力方向近于正交,不利于隧道圍巖的穩(wěn)定。
深埋隧道;地應(yīng)力場;分區(qū);反演分析;邊界荷載調(diào)整法
地應(yīng)力是地下工程重要的工程荷載來源,是圍巖位移分布及破壞形式的控制性因素[1]。實測地應(yīng)力是工程中獲取地應(yīng)力場的可靠途徑,但受客觀條件限制工程中難以開展大規(guī)模的現(xiàn)場實測。學(xué)者們提出了利用數(shù)值方法反演地應(yīng)力場的眾多思路[2-5]。其中邊界荷載調(diào)整法通過調(diào)整在模型邊界施加的荷載(位移)來使有限測點處地應(yīng)力模擬計算值與實測值達(dá)到最佳擬合,由此獲得所需求解的實際地應(yīng)力場。邊界荷載調(diào)整法充分考慮了區(qū)域復(fù)雜的工程地質(zhì)環(huán)境,可獲得較高的計算精度,在我國水利水電行業(yè)中應(yīng)用廣泛,但在鐵路或公路隧道工程中的應(yīng)用仍然較少[6]。
本文以區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境和實測地應(yīng)力成果為基礎(chǔ),利用邊界荷載調(diào)整法完成了巴玉隧道工程區(qū)的地應(yīng)力場反演工作,分析了隧道工程區(qū)地應(yīng)力分布特征,并根據(jù)隧道軸線與主應(yīng)力方向間的夾角對隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行初步評價。
巴玉隧道位于西藏自治區(qū)山南地區(qū),隧道走向為104°,全長13 047 m,最大埋深2 073 m。隧道工程區(qū)巖性單一,大部分為中粒角閃黑云花崗巖,部分區(qū)段夾雜有極少量的偉晶巖脈。區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育輕微,隧道于里程DK200+006左右近垂直穿越藏木斷層,斷層破碎帶寬30~50 m。工程區(qū)地面標(biāo)高3 260~5 500 m,高差近23 00 m,屬于典型的高山峽谷地貌[7]。
2.1構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境
工程區(qū)位于青藏高原東南部,屬于岡底斯-喜馬拉雅地體,該地塊處于印度板塊與歐亞板塊相碰撞的接合部,受印度板塊向北東方向強(qiáng)烈的俯沖推擠作用,該區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力表現(xiàn)為與之相應(yīng)的近北東向的擠壓應(yīng)力[8]。在這一力源機(jī)制的作用下,區(qū)域內(nèi)發(fā)育多組近東西和近南北方向的斷裂構(gòu)造帶。工程區(qū)位置和周邊主要地質(zhì)構(gòu)造示意如圖1。
圖1 工程區(qū)位置和周邊主要地質(zhì)構(gòu)造示意
近東西方向的斷裂構(gòu)造多屬于走滑、逆沖斷層,規(guī)模較大,距離現(xiàn)今最近的活動在第四紀(jì)。近南北方向的斷裂構(gòu)造主要呈現(xiàn)出帶狀分布的特點,構(gòu)成了SN或NNE向的拉張、剪切斷裂帶,規(guī)模相對較小,在第四紀(jì)晚期活動比較頻繁,工程區(qū)內(nèi)藏木斷層走向為N14°W,屬于剪切斷裂帶。對記錄的新近發(fā)生地震的活動斷層進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),大地震主要分布在走向為近SN或NNE向的斷裂帶上,在南北方向上呈帶狀分布。工程區(qū)現(xiàn)今地質(zhì)構(gòu)造活動主要受近南北向的晚第四紀(jì)活動斷裂帶控制。依據(jù)Anderson斷層力學(xué)理論,符合這一理論特點的斷層,最大主應(yīng)力和斷層面的夾角一般為23°~30°[9],由此可推斷隧道工程區(qū)構(gòu)造應(yīng)力方向可能為N20°W~N40°E,這一方向與隧道工程區(qū)控制性節(jié)理方向呈大角度相交,符合節(jié)理發(fā)育規(guī)律,驗證了構(gòu)造應(yīng)力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
2.2實測地應(yīng)力成果
為查明拉林鐵路桑日—加查段現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài),于2015年在與巴玉隧道緊鄰的桑珠嶺隧道里程DK186+327處完成了DK-SZLSD-2鉆孔的地應(yīng)力現(xiàn)場測試。實測數(shù)據(jù)見表1[10]。
表1 DK-SZLSD-2鉆孔地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)
由表1可見,該孔位處最大水平主應(yīng)力在9.41~17.72 MPa,最小水平主應(yīng)力在5.61~13.1 MPa,豎向主應(yīng)力在5.34~15.13 MPa。在測量深度范圍內(nèi)三向主應(yīng)力均隨埋深的增加而增大,三向主應(yīng)力值的關(guān)系總體為SH>Sv>Sh。該孔位處最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方位為N9°W~N7°E向,與構(gòu)造應(yīng)力分析結(jié)果相吻合,證明了實測地應(yīng)力結(jié)果合理。測點位置與工程區(qū)接近,因此鉆孔DK-SZLSD-2的實測資料能夠較好地反映工程區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)。
實測地應(yīng)力資料較為離散,分析中常用的方法是對地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)作線性回歸擬合。鑒于本次研究實測數(shù)據(jù)較少,筆者收集了工程區(qū)附近50個測點的地應(yīng)力值進(jìn)行擬合。豎向主應(yīng)力Sv值一般按照上覆巖層重度估算,受構(gòu)造作用的影響較小,故僅將最大、最小水平主應(yīng)力按照埋深進(jìn)行擬合,結(jié)果見式(1)。
3.1模型建立及參數(shù)選取
模型底部固定Z向位移,上表面為自由面,側(cè)面通過施加梯度應(yīng)力來模擬東西、南北方向構(gòu)造擠壓作用。計算范圍:沿隧道軸線方向選取15 000 m(X軸),垂直于軸向方向取5 000 m(Y軸),由高程2 700 m的位置豎直向上取至地表(Z軸)。模型巖體主要有2種:①分布于全工程區(qū)的花崗巖;②對隧道開挖施工影響較大的藏木斷層破碎帶。巴玉隧道計算模型見圖2,總計單元數(shù)316 511個,節(jié)點數(shù)57 036個,計算時采用彈性本構(gòu)模型。巖體力學(xué)參數(shù)取值通過工程類比和室內(nèi)試驗結(jié)果確定,見表2。
圖2 巴玉隧道計算模型
表2 巖體力學(xué)參數(shù)
3.2反演方案設(shè)計
為提高反演結(jié)果準(zhǔn)確性,將地質(zhì)模型劃分為3個區(qū)段進(jìn)行反演(參見圖2)。Ⅰ區(qū)位于隧道進(jìn)口端,坐標(biāo)范圍為0<x<3 200 m,段內(nèi)隧道平均埋深為1 100 m,地形陡峭,地表起伏較大。Ⅱ區(qū)范圍為3 200 m<x<9 500 m,段內(nèi)隧道平均埋深為1 800 m,地形為南高北低、坡度基本一致的斜坡。Ⅲ區(qū)范圍為9 500 m<x<15 000 m,隧道平均埋深為1 300 m,區(qū)內(nèi)包含了藏木斷層破碎帶。
根據(jù)2017年度北京、上海、湖北等7個試點城市碳排放交易中心平均成交價格22.33元·t-1計算,洱海流域碳儲量經(jīng)折算為森林吸收二氧化碳14841.14萬t,其碳儲量價值為3.314億元,占洱海流域大理市和洱源縣2016年度國內(nèi)生產(chǎn)總值的0.8%。根據(jù)森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查結(jié)果中各優(yōu)勢樹種年凈生長量計算的年碳儲量為145987 t,其年儲碳量價值1195.29萬元。
分析表明,最大水平主應(yīng)力方向為N20°W~N40°E,數(shù)值模擬時取中間值N10°E,隧道走向為104°,最大水平主應(yīng)力方向近似為Y軸方向,因此在模型側(cè)面對稱施加沿X向、Y向的擠壓應(yīng)力來模擬構(gòu)造應(yīng)力場。調(diào)整邊界條件使反演結(jié)果與實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果達(dá)到最佳擬合。此時邊界條件見表3。
表3 邊界條件MPa
3.3反演結(jié)果分析
3.3.1地應(yīng)力與埋深的關(guān)系
將表3中的應(yīng)力邊界條件載入FLAC3D中進(jìn)行計算。結(jié)果表明:①最大水平主應(yīng)力方向在N28°W~N42°E,和NE向的構(gòu)造應(yīng)力方向一致。②對數(shù)值模型中埋深<600 m部位的應(yīng)力計算值進(jìn)行統(tǒng)計,取平均值。當(dāng)埋深為100 m時,最大水平主應(yīng)力為8.0 MPa,最小水平主應(yīng)力為3.9 MPa;當(dāng)埋深為300 m時,最大水平主應(yīng)力為14.5 MPa,最小水平主應(yīng)力為8.1 MPa;當(dāng)埋深為600 m時,最大水平主應(yīng)力為23.0 MPa,最小水平主應(yīng)力為14.8 MPa。上述結(jié)果與按照式(1)計算的結(jié)果和鉆孔實測結(jié)果高度吻合。可認(rèn)為反演得到的工程區(qū)地應(yīng)力場是合理的。
3.3.2地應(yīng)力分布特征
隧道設(shè)計線路縱剖面應(yīng)力分布云圖見圖3。由圖可知:X軸方向主應(yīng)力σx最大值達(dá)22.4 MPa,分布于隧道出口端河谷底部區(qū)域,在山頂及山谷的淺層巖體中局部出現(xiàn)拉應(yīng)力;Y軸方向主應(yīng)力σy在最大埋深處達(dá)到最大值28.7 MPa;Z軸方向主應(yīng)力σz同樣在最大埋深處達(dá)到最大值60.9 MPa。σy,σz隨地形起伏應(yīng)力云圖變化梯度清晰,應(yīng)力值在斷層破碎帶附近發(fā)生突降,形成應(yīng)力松弛區(qū)。從數(shù)值上看,由于隧道埋深較大,隧道軸線位置巖體應(yīng)力狀態(tài)主要以Z軸方向主應(yīng)力為主。
圖3 隧道設(shè)計線路縱剖面應(yīng)力分布云圖
巴玉隧道設(shè)計線路海拔標(biāo)高為3 400 m。圖4為研究區(qū)域海拔標(biāo)高3 400 m處主應(yīng)力分布云圖。可以看出:沿隧道軸線方向,最大主應(yīng)力由最大埋深處向進(jìn)出口端逐漸減小,在隧道最大埋深處最大主應(yīng)力值達(dá)43.8 MPa,在隧道進(jìn)出口段最大主應(yīng)力值為15.5~20.5 MPa,藏木斷層破碎帶附近最大主應(yīng)力值降至17 MPa左右;中間主應(yīng)力在最大埋深處達(dá)到最大值21.6 MPa,隧道進(jìn)出口段降至10.3~12.5 MPa;最小主應(yīng)力值較小,在近河谷段為2.5~4.8 MPa,藏木斷層附近約為5.5 MPa,其他段分布穩(wěn)定,其值為8.3~11.6 MPa。
圖4 研究區(qū)域海拔標(biāo)高3 400 m處主應(yīng)力分布云圖
從主應(yīng)力方向與隧道軸線間的夾角來看:在隧道進(jìn)出口段水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用,隧道軸線與最大水平主應(yīng)力方向夾角為15°~40°,且隧道埋深較小,主應(yīng)力值偏低,有利于隧道圍巖的穩(wěn)定;在隧道深埋段,巖體應(yīng)力場包含2個近水平向主應(yīng)力,1個近豎向主應(yīng)力,其中豎向主應(yīng)力為最大主應(yīng)力,量值較高,與上覆巖層自重相當(dāng),且隧道軸線與最大水平主應(yīng)力方向近于正交,洞室圍巖多處易發(fā)生失穩(wěn)破壞。
1)巴玉隧道沿線最大水平主應(yīng)力方向以NE向為主。除隧道進(jìn)出口段外,地應(yīng)力場均以豎向主應(yīng)力為主,在隧道最大埋深處最大主應(yīng)力值達(dá)43.8 MPa,隧道施工過程中易發(fā)生高地應(yīng)力災(zāi)害。
2)在隧道進(jìn)出口段,應(yīng)力值較低,隧道軸線與最大水平主應(yīng)力方向夾角較小,有利于隧道圍巖的穩(wěn)定。在隧道深埋段,豎向主應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力值均較高,且隧道軸線與最大水平主應(yīng)力方向近正交,不利于隧道圍巖穩(wěn)定。建議對隧道線路走向作進(jìn)一步優(yōu)化。
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(責(zé)任審編葛全紅)
Inverse Analysis of Geostress Field in Bayu Deep-buried Tunnel on Lhasa-Linzhi Railway
WANG Qingwu1,JU Nengpan1,DU Lingli2,HUANG Jian1,JIANG jinyang1
(1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu Sichuan 610059,China;2.School of Transportation and Logistics,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China)
W ith regional tectonic force environment and actual measured geostress,the project area was divided into 3 sections according to the characteristics of topography of deep-buried tunnel on the Lhasa-linzhi railway.A inverse analysis was conducted on the geostress field with boundary load adjustment method.T he results indicate that the vertical principle stress is the dominant geostress in the tunnel except for entrances and exits.T he maximum principle stress goes up to 48 M Pa at the deepest area in the tunnel.T he geostress is low at entrances and exits,and the intersection angle between the tunnel axis and the maximum horizontal principle stress is small,leading to a more stable surrounding rock.By comparison,the vertical and horizontal principle stress are higher at the deeper part of the tunnel,and the tunnel axis is approximately perpendicular to the maximum horizontal principle stress,causing a stability problem of the surrounding rock.
Deep-buried tunnel;Geostress field;Sub-region;Inverse analysis;Boundary load adjustment method
TU452
A
10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.16
1003-1995(2016)10-0059-04
2016-03-10;
2016-07-20
王慶武(1991—),男,碩士研究生。