宝塔山特长隧道岩体应力场特征分析

郭喜峰，张明欣，尹健民，刘元坤

宝塔山特长隧道岩体应力场特征分析

郭喜峰1，张明欣2，尹健民1，刘元坤1

（1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.山西省交通规划勘察设计院，太原 030012）

宝塔山隧道全长10 480 m，最大埋深600 m，属目前山西省最长的公路隧道。复杂的地形地貌条件以及地质构造影响，使得隧道区地应力分布复杂。为研究隧道区岩体应力场特征，首先介绍了水压致裂法地应力测试成果，以此为基础通过有限元分析得到应力剖面，最后从地形地貌、地质构造、地质力学角度综合分析了区域构造应力场。结果表明，测试范围内地应力大小属于中等应力水平，隧道设计高程处最大水平主应力方位大部分集中在N42°E～N56°E，现场测试及有限元分析所得地应力场与区域构造应力场相符。

隧道工程；地应力测试；有限元分析；应力场特征

1 概 述

近年来，随着中国交通建设的快速发展，尤其是山区公路的不断延伸，穿山越岭长大深埋隧道的建设不可避免［1］。由于高水平地应力作用，往往在软弱岩层及构造破碎带洞段发生变形破坏，而在坚硬岩层洞段可能发生岩爆等地质灾害。因此，岩体应力场测试研究对于隧道工程的科学设计和安全施工都具有重要的现实意义。当前，地应力测试是获得地应力资料最为直接的途径［2］，但受测点数量限制以及地质条件和测试误差的影响，地应力实测值存在较大的分散性和局部性。尤其对于长度大于10 km的特长隧道，因其跨越范围广，有必要通过数值模拟方法分析得到更大范围的地应力场，并结合地质构造条件综合分析地应力场特征，以便于正确认识围岩地应力分布情况，为工程设计提供可靠依据。

为了分析山西省汾阳至邢台高速公路宝塔山特长隧道工程区岩体应力场特征，首先采用水压致裂法测试地应力，以实测资料为基础结合有限元模型回归分析得到更大范围的地应力场，并结合宝塔山隧道的地质条件，深入分析了宝塔山隧道的岩体应力场特征，为隧道轴线、开挖方式的选择以及隧道稳定性分析和支护设计提供依据。

2 工程地质概况

山西汾阳至邢台高速公路段内平遥－榆社段在平遥县境内东泉镇－孟山石村之间要穿越宝塔山中部山脉。该山体呈NNE走向，横向规模巨大，路线在穿越此山体段的方位与宝塔山总体走向之间近于垂直，选择穿越方式为特长隧道工程，即宝塔山隧道。该隧道为山岭隧道，属目前山西省最长高速公路隧道，全长10 480 m，隧道洞体最大埋深约600 m［1］。

隧道区属于太岳山脉北中部的构造剥蚀基岩中山区，冲沟与小山脊发育，并与主山体走向大体一致，地形起伏变化较大。区域构造上处于吕梁－太行断块最大的次级构造单元沁水块坳的西北部，与晋中新裂陷相邻，属于断块内部2大地质构造单元相衔接的区域、普洞－来远NEE向褶断带的核心部位，地质构造十分复杂。

3 水压致裂法地应力测试

3.1 水压致裂法测试原理

利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度封隔一段岩石的钻孔，然后泵入液体对这段钻孔施压，并根据压裂过程曲线的压力特征值计算钻孔横截面上的最大、最小主应力值。若钻孔垂直（如本次测试），该主应力值即为最大、最小水平主应力，记为σH，σh。由于二次裂缝一般沿钻孔轴线及钻孔横截面上的最大主应力方向起裂与扩展，裂缝的方向就是钻孔横截面上的最大主应力方向。σH，σh按下式计算［2］：

式中：Ps为维持裂缝张开的瞬时关闭压力；Pr为裂缝重张压力；P0为孔隙水压力。垂直应力由测点上覆岩石重量计算，压裂缝方向由定向印模器确定，据此确定最大水平主应力方位。

3.2 测试结果

根据设计要求和钻孔岩芯察看，在沿隧道中部深钻孔进行水压致裂法地应力测试。测试开始前在钻孔的岩芯完整区尽可能多地选取试验段［3］，且重点放在孔底（接近隧道设计高程）部位。由于部分测段的实际完整性比岩芯反映的差，使测段透水性太强而达不到水力压裂所需的高压。实际上成功进行了13段水压致裂试验，主要测试结果见图1。

图1 水平主应力随埋深变化关系图Fig.1 Vertical variation of horizontal principal stress values

钻孔测试深度范围内（120～438 m），最大水平 主 应 力 为 2.3～8.4 MPa，最小水平主应力为1.8～6.9 MPa。压裂缝的印模结果表明，最大水平主应力为NNENE向。测试成果表明，σv＞σH＞σh，测试区域内的岩体应力场以自重应力场为主，同时也受地形地貌的影响。

根据地质资料分析，完整岩石单轴抗压强度Rc＝70～120 MPa，测孔底部的最大主应力σmax＝11.6 MPa，根 据《工程岩体分级标准》［4］，Rc／σmax＝6.9～10.3，可以认为，该区域地应力大小处于中等应力水平。

现场测试结果表明，隧道设计高程处最大水平主应力方位为N53°E，与隧道总体轴线方位（101°）的夹角为48°，呈较大角度。单从地应力角度分析，隧道轴线布置方位对隧道围岩稳定性相对不利。鉴于应力水平为中等，且隧道设计高程处3个主应力值差别仅3.0 MPa左右，所以该不利影响比较小［2］。

4 应力场有限元模拟反分析

由于测量条件和经费的限制，不可能进行大量测试，这时，将有限的实测资料和已有的理论模型结合起来，预测整个工程区域的岩体初始应力场就显得尤为重要。本文采用基于有限元正演分析的多元回归反演方法进行分析［5］。

将计算域内的地应力场视为自重应力场和构造应力场的线性叠加，通过模拟不同工况的子应力场，使测点处的应力分量计算值与实测值误差最小，求得各子应力场的影响权重系数，最后组合成计算应力场。

4.1 三维有限元模型

根据地质资料及计算域内的岩层划分，按照地质年代、岩性、围岩等级等因素，将计算模型的基本结构、构造进行适当概化，并对物理力学参数按照厚度加权取值。最终选取接近测试钻孔、埋深较大的3 km范围作为有限元分析的计算范围，三维有限元网格图见图2。主要考虑了4条断层构造面f8，f9，f10和 f11，各断层的影响带厚度依次取为 1，5，4，8 m，各岩性岩体力学参数见表1。

图2 三维有限元网格图Fig.2 3D FEM meshes

4.2 工程重点部位地应力特征

根据计算的地应力场，查找计算区域内工程部位对应的有限单元，就可求得该部位岩体的应力状态，以供工程设计使用。根据隧道方案的平面布置图，沿隧道走向在设计高程处进行插值，可得隧道设计高程处的主应力值如图3所示，隧道剖面最大水平主应力等值线如图4所示。

由图3可以看出，σZ与地表山体走势近似，表明σZ与深度的关系非常密切。埋深越大，铅垂应力越大，而水平应力随埋深变化的梯度较小。由图4可以看出，应力等值线在断层附近出现突变，而在其它地质岩性较好处则比较均匀。该应力剖面能有效弥补实测资料的分散性和局限性，能基本构造剖面内应力量值的分布，为隧道设计及围岩稳定性分析提供重要依据。

表1 岩体力学参数表Table 1 Mechanical parameters of rock mass

图3 隧道设计高程处主应力插值结果Fig.3 Principal stress interpolation results at the designed elevation of the tunnel

图4 隧道剖面最大水平主应力等值线Fig.4 Contour of the maximum horizontal principal stresses in the cross section of the tunnel

隧道设计高程处最大水平主应力σH方位角为23°～61°，大部分集中在 42°～56°，这与测试结果（设计高程处N53°E左右）基本一致。从地应力角度分析，隧道轴线布置方位对隧道围岩稳定性相对不利。在计算区域内，按照每100m间隔进行插值，结果只有K25＋100处9°和K25＋200处10°与其它插值点明显不同。经与地质剖面构造对比，这两点连线恰与计算区域内主要断层f11平行且相距较近，并都位于微风化泥岩与相对坚硬岩层的分界面处，而有限元计算模型中岩层界面两侧的单元体，为满足变形连续条件，某些应力分量可能发生局部突变。经验证，这两个插值点的剪应力τXY与临近单元同一分量的符号相反（虽然量值很小），所以最大水平主应力方向明显突变。

5 地应力方向与地质条件的关系

5.1 工程地质条件对地应力的影响

隧道区位于太岳山脉北中部的构造剥蚀基岩中山区，隧道穿越的宝塔山走向为NNE向，横向规模巨大。隧道位于普洞～来远NNE向褶断带的核心部位，该褶断带构造极为复杂，褶断带的主体褶皱表现为一些走向N70°～80°E的开阔背斜和紧闭向斜。这种地形地貌条件会影响最大水平主应力方向偏于NNE向。

隧道区断层走向主要呈NEE向，部分为NE向，且多为正断层。根据断层力学成因模式分析［6］，当σ1直立、σ2和σ3水平时，形成正断层。也就是说，正断层的走向与σ2水平平行、与σ3水平垂直、σ1直立状态。因为在这种构造应力状态下，当σ1逐渐增大或σ3逐渐减小时，都可以导致正断层的形成。由此可判断，该区所在的地质构造环境应为最大水平主应力方向与正断层走向平行，即NEE～NE向。

5.2 区域构造应力场特征

根据山西省地质志资料，该省地质构造活动最主要的是东部相对向北，西部相对向南的直线扭动作用，省内东西构造带比较薄弱，南北向构造带比较明显，NE向、NNE向构造最为显著。

利用地震波的初动及波形反演得到的震源机制解能够得知震源断层参数和应力状态，大量解析结果可以反映区域应力场和构造运动特征，是目前研究地壳应力场与构造运动区域特征的一个重要途径，已有研究表明山西地区总体受NNE～NEE向的区域主压应力控制［7］。

现今地应力场的最大主应力方向主要取决于现今构造应力场，它与地质史上曾经出现过的构造应力场之间并不存在直接联系。只有在现今地应力场继承先前应力场而发展或与历史上某次构造应力场的方向耦合时，现今应力场的方向才可能与历史上的地质构造要素之间发生联系［8］。

已有一些文献对山西地区以及更大范围的区域现今构造应力场进行了研究［9］，李钦祖等分析了华北地区48个地震震源机制解，认为华北块体处于统一的地壳应力场作用下，其最大压应力主轴为NEE向，且接近水平。谢新生等［10］通过深入研究晋中南地区褶皱和断裂的关系及其形成演化过程，结果表明，晋中南中生代末存在NEE向的太岳山背斜和背斜上的纵、横张破裂、张剪切共扼破裂。在南北向的剖面上呈南北深中间浅的“隆起”，该“隆起”的上下地壳在新生代阻碍了霍山～罗云山断裂的右旋活动而形成应力集中，并产生了共扼破裂，由这对共轭破裂计算的晋中南地区地壳应力场主压应力方向为N55°E。中国岩石圈动力学地图集（1991）根据地震地质资料也得出该区受NE～NEE向挤压控制的结论。王秀文［11］利用山西断裂带布设的GPS监测资料分析了山西断陷带水平运动特征，结果表明，该区域主压应力场的方位角为72°。

山西各煤矿区160多个测点的实测资料［7］和引黄入晋工程的地应力测试结果均表明［12］，宝塔山周围最大水平主应力方向大多为NNE向。

综合以上区域构造环境、震源机制解、已有地应力测试结果，表明大范围地质环境下，隧道所处区域现今构造运动总体上表现为NE向挤压、NW向拉张的应力场作用下的运动，最大水平主应力方向应在NNE～NEE范围内。

现场实测和回归分析所得最大水平主应力方向恰好在此范围内，表明最大水平主应力方向与区域构造应力场特征相符。

6 结 语

（1）测试钻孔范围内，最大水平主应力为2.3～8.4 MPa，最小水平主应力为1.8～6.9 MPa，最大水平主应力为NNE～NE向。

（2）隧道设计高程处最大水平主应力σH方位大部分集中在N42°E～N56°E，但在主要断层附近层以及软硬岩分界处应力会发生突变。从地应力角度分析，隧道轴线布置方位对围岩稳定性相对不利。

（3）现场测试和有限元分析所得最大水平主应力方位与区域构造应力场特征相符。

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Characteristics of In-situ Stress Field in Baotashan Extra-long Tunnel

GUO Xi-feng1，ZHANG Ming-xin2，YIN Jian-min1，LIU Yuan-kun1
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Shanxi Provincial Communications Planning，Survey and Design Institute，Taiyuan 030012，China）

Baotashan tunnel is the longest highway tunnel in Shanxi province with a full length of 10 480 m and a maximum burial depth of 600 m.The complex topography and geomorphology and geological structures give rise to a complicated in-situ stress distribution in the tunnel area.To study the characteristics of rock in-situ stress field in the tunnel area，this paper firstly present the measured results of geostress by hydro-fracturing method，based on which the stress profile along the tunnel is obtained by FEM analysis，and finally the regional tectonic stress field is comprehensively analyzed from perspectives of topography and geomorphology，geologic structure，and geomechanics.The research manifested that in-situ stress in the test area can be defined as middle level stress，and the maximum horizontal principal stress in the tunnel design elevation is mainly concentrated in N42°E～N56°E，and regional tectonic stress field is consistent with in-situ stress field achieved by site test and numerical simulation.

tunnel engineering；stress measurement；finite element analysis；stress field characteristic

U459.2

A

1001－5485（2011）06－0055－04

2011-01-06

“十一五”国家科技支撑计划项目（2008BAB29B01）；水利部公益性行业科研专项项目（201001009）；国家重点基础研究发展计划（973）项目（2011CB710603）；中央级公益性科研院所基金项目 （CKSF2010020）

郭喜峰（1984-），男，湖北黄冈人，硕士，主要从事岩石力学试验与工程应用方面的研究工作，（电话）13883327341（电子信箱）xifeng1984＠126.com。

（编辑：姜小兰）