劉國偉

(山西省交通環(huán)境保護(hù)中心站有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

初始地應(yīng)力場主要由自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場組成，是影響深部工程穩(wěn)定性的重要因素之一[1-2]，目前常用的現(xiàn)場測試方法為水壓致裂法和應(yīng)力解除法[3-4]，但由于現(xiàn)場測試費(fèi)用昂貴，測點(diǎn)數(shù)量有限且具有離散型，對于一些大型工程而言，很難對整個區(qū)域的應(yīng)力場情況進(jìn)行預(yù)測。為了更好的滿足工程需要，許多學(xué)者在實(shí)測地應(yīng)力的基礎(chǔ)上，通過有效的計算方法進(jìn)行區(qū)域地應(yīng)力場反演，并取得了豐碩成果[1, 4-7]。比如，李永松等[3]采用鉆孔孔壁切縫解除地應(yīng)力測試方法數(shù)值模擬研究應(yīng)力場分布規(guī)律；易達(dá)等[6]運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演巖體初始應(yīng)力場；李守巨等[5]研究了基于遺傳算法的巖體初始應(yīng)力場反演。邢軍等[8-12]針對高速公路深埋隧道特點(diǎn)，在實(shí)測地應(yīng)力資料基礎(chǔ)上，采取多種分析方法獲得隧道的初始地應(yīng)力特征。

本文以白龍山大埋深特長公路隧道為例，以實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合多元回歸方法與三維有限元數(shù)值模擬方法，研究隧道區(qū)域初始地應(yīng)力場分布規(guī)律。研究在一定程度上豐富和擴(kuò)展了呂梁山脈初始應(yīng)力場研究內(nèi)容，能夠?yàn)樗淼拦こ痰脑O(shè)計和施工提供決策支持。

1 工程概況

1.1 地形地貌及地層

擬建白龍山特長隧道位于呂梁市嵐縣與興縣交界的呂梁山脈(圖1)，隧址區(qū)地勢總體表現(xiàn)為東低西高、中部高兩側(cè)低的地貌特征，地貌單元屬剝蝕構(gòu)造變質(zhì)巖中低山區(qū)。區(qū)內(nèi)最高主峰海拔高程為2 195 m，洞體最大埋深684.1 m，隧道長度10 374 m。隧道穿越的地層為：第四系全新統(tǒng)松散堆積層，下元古界野雞山群白龍山組斜長角閃巖、下元古界野雞山群青楊樹灣組變質(zhì)礫巖、上太古界呂梁山群赤堅嶺組斜長片麻巖、中太古界界河口群奧家灘組石英片巖及侵入巖(輝長輝綠巖)。洞體圍巖埋深最大部分主要為硬質(zhì)角閃巖。

圖1 擬建白龍山隧道位置Fig.1 Location of Bailongshan Tunnel

1.2 地質(zhì)構(gòu)造與應(yīng)力場特征

擬建隧道位于離石大斷裂西部，該區(qū)經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造作用，區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了阜平運(yùn)動、五臺運(yùn)動、呂梁運(yùn)動、燕山運(yùn)動，形成了以阜平期北東向復(fù)式褶皺帶和呂梁期北北東向復(fù)式褶皺帶為主要的褶皺構(gòu)造、北東向的逆斷層和北西向張扭性斷層的斷裂構(gòu)造以及韌性剪切帶。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡以褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造為主，圖2為隧址區(qū)構(gòu)造綱要圖。隧址處在走向NS方向的白龍山向斜，傾角30°～60°。圖3是根據(jù)節(jié)理裂隙特征繪制的隧址區(qū)巖石傾向玫瑰花圖，從圖中可以看出，巖石中X節(jié)理性產(chǎn)狀為48°∠51°、168°∠73°，且上述兩組節(jié)理產(chǎn)狀形成期相同。通過節(jié)理系赤平投影結(jié)果可知，隧址區(qū)古應(yīng)力場方位為：σ1，108°∠11°、σ2，252°∠85°、σ3，6°∠4°，該結(jié)果和燕山早-中期呂梁山地區(qū)應(yīng)力場特征相吻合。研究區(qū)所處的呂梁山脈具有典型的復(fù)合構(gòu)造體系，主要原因是該區(qū)構(gòu)造運(yùn)動先經(jīng)歷了燕山構(gòu)造運(yùn)動作用，之后又經(jīng)喜山期構(gòu)造運(yùn)動的改造，即本區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的演化先后分別經(jīng)歷了NWW～SEE向壓應(yīng)力場(燕山期)及NWW～SEE向拉應(yīng)力場(喜山期)。

2 初始地應(yīng)力場實(shí)測與分析

2.1 地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果

針對擬建白龍山隧道的SZK11鉆孔，該孔選址上避開了斷層及褶皺構(gòu)造帶，地層巖性主要為下元古界角閃巖，灰黑色，變晶結(jié)構(gòu)，層塊構(gòu)造，礦物成分以斜長石，石英，黑云母為主，局部夾堅硬紅色花崗巖及質(zhì)軟綠色綠泥石片巖，偶見石英石巖脈，質(zhì)堅硬，鉆進(jìn)困難，錘擊聲脆，節(jié)理裂隙發(fā)育，鉆進(jìn)初200 m范圍，巖芯破碎，強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化、深度超過200 m后巖心完整，呈長柱狀，一般節(jié)長20～30 cm。選取完整巖體部位進(jìn)行水壓致裂地應(yīng)力試驗(yàn)。現(xiàn)場測試共取得了10個測試段的地應(yīng)力結(jié)果，測試數(shù)據(jù)如下表1所示。據(jù)在SZK11鉆孔測試深度范圍內(nèi)印模器記錄的裂紋破裂方向顯示，白龍山隧道實(shí)測最大水平主應(yīng)力值為17.25 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W58°左右。

圖3 研究區(qū)傾向節(jié)理玫瑰花圖Fig.3 Tendency rose diagram of joint in study area

2.2 地應(yīng)力場的構(gòu)成與分析

采用最小二乘法回歸得到白龍山隧道SZK11鉆孔地應(yīng)力隨埋深的變化關(guān)系如圖4所示，圖中顯示，隨著埋深的增加，最大水平主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及垂直應(yīng)力呈線性增大的相關(guān)性較好，說明隧道埋深越大，地應(yīng)力越大。圖5為各測試段側(cè)壓系數(shù)λ(實(shí)測最大水平主應(yīng)力與垂直向應(yīng)力比值)隨深度的關(guān)系曲線，圖中可以看出，白龍山隧道SZK11鉆孔測試深度范圍內(nèi)，各測段側(cè)壓系數(shù)均λ均大于1，表明工程場區(qū)存在一定程度的水平構(gòu)造應(yīng)力。同時，在淺部較大，隨著埋深增加、側(cè)壓力系數(shù)λ逐漸減小，深部(>500 m)側(cè)壓力系數(shù)均值僅為1.22，最大水平主應(yīng)力值略大于巖層的自重應(yīng)力。因此，白龍山隧道所處的巖體應(yīng)力場應(yīng)屬于正常的應(yīng)力場區(qū)，測試表明該區(qū)不存在明顯偏高的構(gòu)造應(yīng)力場。

表1 白龍山隧道SZK11鉆孔地應(yīng)力測試成果表

注：自重應(yīng)力按巖石的上覆重量計算，其巖石容重取為27.0 kN/m3。

圖4 地應(yīng)力隨深度變化曲線Fig.4 In-situ geo-stress varies with depth

圖5 側(cè)壓系數(shù)隨深度變化曲線Fig.5 Lateral pressure coefficient varies with depth

3 初始地應(yīng)力場數(shù)值模擬與分析

3.1 三維計算模型

為削弱邊界效應(yīng)的影響，模型建立的計算范圍適當(dāng)擴(kuò)大。根據(jù)研究區(qū)地形地貌特征和地質(zhì)構(gòu)造因素建立計算模型，巖石力學(xué)參數(shù)應(yīng)用室內(nèi)巖石物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果。為方便建立模型研究，將研究區(qū)工程地質(zhì)類型簡化為5個工程地質(zhì)巖組并賦予其巖石物理力學(xué)參數(shù)表2所示。5個工程地質(zhì)巖組分別為石英片巖組(中太古界)、石英片麻巖組(上太古界)、變質(zhì)礫巖組(下元古界)、角閃巖組(下元古界)及斷層帶巖組。計算模型如圖6所示，將隧道軸線走向定為x軸，方向角度約100°。計算模型取隧道軸線靜樂-黑峪口方向?yàn)閤軸(約100°)，建立研究區(qū)三維計算模型如圖6所示。計算模型邊界施加應(yīng)力大小和方向基于實(shí)測地應(yīng)力資料數(shù)據(jù)，區(qū)域最大水平構(gòu)造應(yīng)力方向取NW 58°。將實(shí)測水平應(yīng)力分解到研究區(qū)的X和Y兩個水平對稱方向，并根據(jù)2.2節(jié)中的深度(Z軸)和構(gòu)造應(yīng)力的線性關(guān)系在4個邊界上施加梯度水平應(yīng)力。選用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，匹配摩爾-庫侖準(zhǔn)則進(jìn)行計算。

表2 模型巖石力學(xué)參數(shù)

圖6 研究區(qū)三維有限元計算模型(網(wǎng)格圖)Fig.6 The 3-D finite element model of study area

3.2 模擬結(jié)果分析

圖7 最大水平主應(yīng)力分布云圖Fig.7 Maximum horizontal principal stress distribution

圖8 最小水平主應(yīng)力分布云圖Fig.8 Minimum horizontal principal stress distribution

圖9 垂直應(yīng)力分布云圖Fig.9 Vertical stress distribution

根據(jù)Comsol multiphysics 有限元數(shù)值模擬軟件模擬隧址區(qū)初始地應(yīng)力場特征。圖7、圖8、圖9為取隧道軸線方向的應(yīng)力分布剖面切片圖，根據(jù)色標(biāo)可知，藍(lán)色到紅色代表應(yīng)力大小逐漸增大。圖7～9中顯示地應(yīng)力值隨深度增加而增大，巖石的性質(zhì)對地應(yīng)力場特征具有重要的影響，地應(yīng)力在硬巖層中的表現(xiàn)值應(yīng)力大于較軟的巖石。斷層的存在對其臨近巖層區(qū)應(yīng)力具有消散作用，斷層內(nèi)部巖石較破碎形成一個應(yīng)力低值區(qū)，斷層兩側(cè)完整巖層應(yīng)力值相比于斷層內(nèi)部大，從而表現(xiàn)出斷層對應(yīng)力場具有一定的阻隔作用。

剔除異常區(qū)域?qū)Φ貞?yīng)力場的影響，提取正常區(qū)域模擬計算地應(yīng)力值和實(shí)測地應(yīng)力對比，如表3所示?？傮w上模擬計算值與實(shí)測值吻合度基本在0.9以上，模擬計算得到的初始地應(yīng)力場分布規(guī)律與實(shí)測結(jié)果基本一致，因此數(shù)值模擬得到的隧址區(qū)初始應(yīng)力場分布特征可靠。

擬建隧道位于下元古界角閃巖地層，巖層完整，偶有斷層分布，但規(guī)模較小，因此斷層對該區(qū)域影響較弱。由于隧道埋深最大達(dá)685 m，該深度范圍內(nèi)隧道長度約3 150 m，因此在該段區(qū)域內(nèi)隧址巖層處在相對高的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，σH=22.88 MPa，方向?yàn)镹WW-SEE；σh=15.8 MPa，方向?yàn)镹NE-SSW；σv=22.84 MPa。根據(jù)上述結(jié)果可知，隧道軸線方向與最大水平主應(yīng)力方向呈一致狀態(tài)，有利于開挖時隧洞的巖層的穩(wěn)定。

表3 模擬計算應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力對比

4 結(jié)論

(1)白龍山隧道實(shí)測最大水平主應(yīng)力值為17.25 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W 58°左右。采用最小二乘法回歸計算分析得出最大水平主應(yīng)力值略大于巖層的自重應(yīng)力。

(2)結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)采用三維有限元數(shù)值模擬的方法反演研究區(qū)初始地應(yīng)力場，反演結(jié)果較好地反映了地形、地貌及地質(zhì)條件對初始地應(yīng)力場的影響，且反演結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合度較好。

(3)反演分析結(jié)果表明，在隧道軸線以上，最大水平主應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，說明本區(qū)地應(yīng)力場以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)。擬建隧道洞體在該區(qū)最大埋深685 m，最大水平主應(yīng)力，σH=22.88 MPa。