楊亞倫,徐正宣,宋 章,歐陽吉

(1.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川成都 611756;2.中鐵二院工程集團有限責任公司,四川成都 610000)

地應力場是衡量地下建筑及工程施工區(qū)圍巖應力、位移分布以及開挖后破壞形式的一個重要影響因素，是鐵路公路選線過程中的重要指標。首先，最直觀展示地應力的方式為實測地應力，但由于測點數量通常較為有限，往往只能反映出局部應力特征。同時，由于測試環(huán)境及操作方法等影響，當前使用的水壓致裂法會體現出明顯離散性特征。受此離散性特性影響，此方法往往很難展示出整個隧道區(qū)域應力場分布的整體規(guī)律。為解決這類問題，目前通常是結合區(qū)域工程地質條件以及有限實測地應力資料，利用三維建模數值計算來進行隧址區(qū)的應力場反演分析[1-5]。

本文以某鐵路沿線一隧道作為研究對象，依托于COMSOL軟件，采用三維模型邊界調整法反演分析隧道區(qū)域初始應力場，隨后分析不同因素對其分布特征的影響。

1 工程概況

研究區(qū)處于工程地質條件復雜且地質活動強烈的青藏高原地帶，區(qū)域構造應力大，對隧道施工影響明顯。測區(qū)隧道進口段長期受到周邊各河流的切割作用，屬構造侵蝕中高山峽谷地貌，地形陡峻，溝谷深切，目前規(guī)劃中的隧道埋深約為0～1 600 m。

研究區(qū)地層巖性復雜，擁有較多出露地質單元，表層包括(Q4dl+pl)碎石土。下伏基巖主要包括：三疊系砂巖夾頁巖(T3d)，砂巖(T3a)，灰?guī)r夾泥巖(T3b)，礫巖夾泥巖(T3j)以及玄武巖等。綜上所述，可見隧址區(qū)巖性多為硬巖及較硬巖，在高埋深及較大構造應力場條件下，極易產生高地應力場，進而影響工程建設安全與進度。

2 隧址區(qū)地應力場分析

2.1 模型概況

本文研究的隧道區(qū)域主要組成有砂巖夾礫巖、砂巖夾頁巖、灰?guī)r、花崗閃長巖、泥巖、斷層角礫等，各地層物理力學指標見表1；依據現場地形起伏、地質構造等工程地質條件進行三維建模，計算模型示意圖如圖1所示。

表1 三維模型物理力學指標

圖1 隧道計算模型

2.2 邊界條件

邊界條件是三維模型計算準確度的重要指標之一，本模型邊界條件的確立首先依托于區(qū)域地形地貌及區(qū)域構造應力做出定性判斷，隨后結合使用工程類比法與邊界調整法確定具體數值。根據對青藏高原區(qū)域地應力場的現有研究資料，隧址區(qū)區(qū)域地應力場以水平構造應力為主，且該區(qū)域構造應力場為NW向。經過邊界調整法調整后，得到基本符合區(qū)域地應力場大小及方向的邊界設置如表2所示。

表2 位移邊界條件設置

2.3 隧道切面地應力計算結果

將邊界條件及巖體物理力學參數代入COMSOL固體力學模塊，導出隧道軸線位置切面模擬結果見圖2。隧道區(qū)域最大主應力、中間主應力以及最小主應力均可通過數值計算后獲得，三大主應力變化規(guī)律近似，均與隧道縱剖面地形起伏呈正比關系。斜坡表層具有較為明顯的應力降低現象，在邊坡局部位置甚至出現了較低的拉應力。同時，地應力也在斷層破碎帶區(qū)域出現了明顯下降。

(a)最大主應力

(b)中間主應力

(c)最小主應力圖2 隧道軸線方向主應力云圖(單位:MPa)

3 隧道軸線初始地應力場分析

使用COMSOL模擬中三維截線功能，將隧道軸線主應力數據提取出來以具體分析隧道洞室區(qū)域初始地應力，詳情可見圖3。

圖3 隧道洞室軸線主應力分布

3.1 隧道軸線最大主應力

最大主應力最大值為34 MPa，出現于埋深最大點，最小值位于隧道進口約為7.8 MPa，整體變化趨勢與埋深變化趨勢近似。應力分布受巖性影響較小，在斷裂構造附近，應力值大多出現降低現象，遠離構造斷裂帶后逐漸恢復原狀。

3.2 隧道軸線中間主應力

中間主應力變化范圍約為2～17 MPa，全段變化趨勢與最大主應力相似，但起伏程度降低較大，且在少數埋深增加位置出現應力逆勢下降現象。

3.3 隧道軸線最小主應力

相較于最大及中間主應力，最小主應力更容易受到河谷下切卸荷作用以及斷裂構造的影響，于埋深較小部分甚至會出現輕微拉應力。本研究區(qū)隧道軸線區(qū)域最小主應力范圍約為0.5～15 MPa。

4 結論

(1)本文在缺乏實測地應力資料的基礎上，通過查找既有區(qū)域地應力數據庫，周邊區(qū)域工程勘察資料并結合實地考察，對研究區(qū)地應力現狀進行了綜合定性分析。進而使用三維模型數值反演法獲得了隧址區(qū)合理、可靠的地應力場量化分布特征。

(2)通過模擬分析得到實測點附近的地應力場總體趨勢為SH>SV>Sh，影響初始地應力場分布的最重要因素為區(qū)域構造應力大小與方向以及隧道埋深。

(3)研究發(fā)現，隧道開挖與河谷演化會引起圍巖應力的二次分布，本文并未將相關因素的影響納入考慮范圍。今后會在地應力場的基礎模擬成果之上，加入參數賦值更加精準，網格劃分更加精細的局部面模型，進行深入多次分析反演，從而得到更準確的模擬結果。