川藏铁路二郎山深埋隧道的地应力场反演分析

唐浩，李天斌，孟陆波，王栋，王敏杰

(1．成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059; 2．中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

川藏铁路二郎山深埋隧道的地应力场反演分析

唐浩1，李天斌1，孟陆波1，王栋2，王敏杰1

(1．成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059; 2．中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

二郎山隧道是川藏铁路的控制性重点工程，隧址区的地应力分析对于铁路的选线和施工具有重要意义。本文通过工程类比分析和应力计算确定了边界条件及水平向对称梯度应力，综合应用CAD，ANSYS和FLAC3D三种软件开展了二郎山隧道深埋方案的数值反演，分析了沿隧道轴线的应力变化和分布特征。结果表明:隧址区全长范围内最大主应力总体上随埋深增大而逐渐增加;局部应力状态受地质构造影响较大，在结构面及岩性分界点附近有明显变化。

二郎山隧道 地应力反演 工程类比 数值模拟

姚显春等［6］利用初始地应力实测值反演大范围的岩体构造地应力场分布，通过关键点的实测位移修正反演结果，从而得到了较为准确的三维地应力分布。郭运华等［7］利用偏最小二乘回归法拟合了地应力场并将其精确加载至计算模型以达到提高反演精度目的，解决了边界应力奇异分布问题。李永松等［8］将模拟退火算法和粒子群算法结合，提出了一种解决地应力场分析时边界荷载难以确定问题的方法，该方法不仅克服了粒子群算法容易陷入局部最优的缺陷，而且发挥了模拟退火算法擅长全局寻优的特点。陈华根等［9］从机理上分析了模拟退火算法，对退火方式及其扰动等核心技术进行了详细分析，得到了包含两个过程的改进快速模拟退火计划及相应算法，提高了计算效率。石敦敦等［10］通过数值分析的方法探讨了应用实数编码的遗传算法及BP神经网络优化反演分析在反演岩体初始应力方面的有效性。夏彬伟等［11］结合渝沙高速共和隧道地应力测量资料，通过调整多种组合的侧压系数，获得了不同测试段地应力，从而展开了岩体地应力反演分析。

目前，川藏铁路控制性重点工程二郎山隧道尚处于可研阶段，实测资料缺乏。但隧址区附近的地质构造研究较为成熟，附近已有多条公路、铁路隧道和多个水电站投入使用，如雅康高速二郎山隧道、老国道318线二郎山隧道及大渡河泸定水电站等，其地应力情况具有高度可借鉴性。此外，二郎山隧道选线过程中具有多个论证方案，根据不同线路的隧道最大埋深拟定了深埋方案(最大埋深2 600 m)、浅埋方案(最大埋深1 600 m)等多套方案。根据选线过程中对地勘资料、施工难度和经济性等因素的综合分析，初步认为深埋方案具有较强可行性。因此，本文基于区域构造应力场特征，以“地理位置靠近、地质构造相似、岩性特征相近”为原则，辅以考虑最大主应力方向及量级的相似程度，充分借鉴临近工程地应力实测资料，利用连续介质力学分析软件FLAC3D对二郎山隧道深埋方案(以下简称“深埋方案”)的地应力分布及影响进行反演，并对反演结果进行分析。

1 工程概况

1.1 工程地质条件及构造特征

二郎山隧道位于四川省雅安市天全县与甘孜州泸定县交界的二郎山高中山区，隧道进口位于天全县新沟两路公社，出口位于泸定县黄泥村，连接大渡河特大桥，隧道长度约18 116 m。隧道进口高程约1 452.8 m，出口高程约1 301.7 m，为单面下坡隧道，隧道最大埋深约2 070 m，为川藏铁路控制性重点工程。

隧址区地质构造极为复杂，区域深大断裂发育，受多期构造作用影响。二郎山隧道处于龙门山NE向构造带WS端，向东过渡为峨眉山断块区的大相岭菱形地块，北西侧为松潘—甘孜褶皱带。隧址区处在中国西部著名“Y”字型构造的三岔口交接部位NE侧，受NE向龙门山构造带控制。其中，“Y”字型构造分别为NE向龙门山构造带、SN向川滇构造带和NW向鲜水河构造。隧道穿越的区域性断裂主要有新沟断裂、保凰断裂、二郎山断裂和泸定断裂等，以及一系列次级断裂构造。同时还存在有大相岭背斜、龙胆溪背斜等多条褶皱，地质构造情况十分复杂。受区域地质构造控制，隧址区现今主应力方向为NW～NWW向。线路与隧址区主体构造大角度相交，因此将主要受川青块体和川滇块体的联合挤压作用。其轴线走向为EW向，与老国道318线二郎山公路隧道相距约2～4 km，处于同一区域构造带内。

深埋方案在里程C2K222+150处为沉积岩与岩浆岩分界点，整个隧址区软、硬岩类均有广泛分布，硬质岩类有灰岩、石英砂岩、粉砂岩、花岗岩、安山岩等，软质岩类有泥岩、页岩等。工程区内断层、断裂发育，断裂带内岩体破碎。由于隧道通过多条断裂带，围岩稳定性差，隧道地质条件非常复杂，因此有必要对该方案进行地应力反演。

RS技术最早发展于上个世纪60年代，起初该技术主要是以航空摄影技术为基础的一门技术，其最大特点在于大范围同步观测。将RS技术应用在建筑工程测量中，对测量数据的有效性、科学性都起着重要作用，而且掌握RS技术，并了解其各项优势，对于提高建筑工程测量水平，在工程项目中进行全面、大范围观测起着重要的实践意义。

1.2 地应力特征

经临近工程类比分析，隧址区现今主应力方向主要为N60°～80°W。埋深500 m左右时，最大主应力为15～20 MPa;埋深约1 000 m时，最大主应力为25～35 MPa;埋深约1 500 m时，最大主应力为40～50 MPa;埋深约2 000 m时，最大主应力为50～60 MPa。受其它因素的潜在影响，部分区段地应力值可能偏高。

2 应力分析

岩体初始应力场是由自重应力和水平构造应力组合而成。这种组合关系可表示为

其中:σin为初始地应力，σV为自重应力，σH为水平构造应力，a和b是待定系数。

对于自重应力，岩体的重度可以根据地层岩性在纵剖面上的分布，通过工程类比并参照《公路工程地质勘察规范》(JTG C20—2011)和《工程地质手册》确定。根据公式q=γH(γ为土的加权平均重度，H为埋深)，计算得到自重应力(即初始地应力铅直分量)。根据地形条件，采用数值模拟可使自重应力更加精确。

但对于水平构造应力来说，它受弹性模量影响较大，并且与边界位移和应力具有正相关关系，因此情况较为复杂，应该通过计算并结合实际地质条件施加。

水平构造应力可以通过现今最大水平主应力减去岩体自重应力水平分量求得。根据不同埋深处的自重应力水平分量和最大主应力，分别计算得到水平构造应力。其分布见表1。

表1 水平构造应力分布

3 初始地应力数值反演

3.1 地层岩性

综合考虑二郎山隧道的地质情况，绘制隧道纵剖面示意图(如图1)。其中，粗线代表区域断裂，细线代表地层分界线，横向线段代表隧道轴线。

3.2 数值模拟流程

在CAD中确定坐标中心后将二郎山隧道轴线的纵断面图通过Cross插件转换为txt文档数据，导入ANSYS，并在ANSYS中进行岩层划分等前期处理工作，包括定义单元类型、材料参数、分组、划分网格等。再将得到的数据输出并调入FLAC3D建模，通过编写命令流实现初始条件设置和边界条件约束，并施加底面位移约束和水平向对称梯度应力，从而模拟二郎山隧道的初始地应力。

3.3 模型边界条件及应力场模拟

采用FLAC3D软件建立模型模拟深埋方案地应力场的形成与分布。初始状态模型上表面为自由表面，底部约束垂直方向位移;在模型内部分段施加反演的二郎山地区的水平构造应力及自重应力水平分量;在全断面范围内根据地形和地层岩性的分布施加自重应力。为减少应力集中造成的影响，在隧道进口侧加长1 500 m，出口侧加长1 500 m，隧道底部加厚1 000 m，最终计算范围为21 118 m×3 043 m(宽×高)，单元数为209 634个，节点数为43 110个。

按埋深将隧道沿纵剖面分为4段，在每段的左右边界施加计算得到的X和Z两个水平方向的水平构造应力(如表2)。

将通过应力试算法得到的计算值作为初始构造应力。结合区域构造应力，在模型左右边界施加合适的边界应力约束得到最终的构造应力场。根据工程类比得知，隧址区现今主应力方向主要为N60°～80°W，隧道轴线方向与正东方向夹角大约为23°，因此主应力方向与隧道轴向夹角大约为43°。根据三角函数关系，将水平构造应力换算到隧道X轴和Z轴两个水平方向上，得到了X和Z两个方向的构造应力计算结果，如表3。

表3 X和Z方向的构造应力计算结果MPa

4 模拟结果与分析

4.1 应力变化特征

在数值模拟过程中，沿隧道轴线方向每隔200 m记录一次垂直应力、水平应力和最大主应力数据，在此基础上绘制二郎山隧道深埋方案不同位置的最大主应力图及垂直、水平方向应力图，结果如图2。图中左侧表示进口方向，右侧表示出口方向。

图2 隧道的应力变化曲线

由图2(a)可见:深埋方案的最大主应力值高达60 MPa;C2K222+150处为沉积岩与岩浆岩分界点(进口方向为沉积岩，出口方向为岩浆岩)，沉积岩段最大主应力达到50 MPa，岩浆岩段最大主应力近60 MPa。由图2(b)可见:水平应力的变化比较规律，呈先增大后减小趋势;在岩性分界点附近达到最大，约38 MPa。由图2(c)可见:垂直应力变化较为复杂，发生局部应力降低和集中现象的位置主要集中在主要断层带附近和岩性分界点附近;断层带内应力陡降，在其两侧形成应力局部增高带;垂直应力最大达到60 MPa。

综上所述，隧址区的高地应力是在较高的水平应力和垂直应力的共同作用下形成的，受到了构造应力和不同岩性形成的自重应力的综合影响，因此成因较为复杂。

4.2 应力分布特征

隧道天全县进口端高程1 452.8 m，泸定县出口端高程1 301.7 m，隧道全长18 116 m，平均坡度约1%。隧道轴线附近典型纵剖面应力分布云图见图3。根据图3(a)，将隧址区按高程分为4段:①天全县进口端至C2K214+380，最大主应力为10～30 MPa;②C2K214+380—C2K221+120，最大主应力为30～45 MPa;③C2K221+120—C2K224+580，最大主应力达到了45～60 MPa;④C2K224+580至泸定县出口端，最大主应力为15～30 MPa。显然，在二郎山东支断裂(简称F东)至F1断裂之间处于高地应力状态，且该深埋方案全长范围内最大主应力随埋深增大而逐渐增加，在隧道埋深最大处(约2 070 m)达到最大值60 MPa。从图3(b)来看，在最大埋深位置附近水平应力达到了40 MPa，且隧址区水平应力值普遍较高。根据图3(c)，沿隧道轴线的应力值变化较大，这与隧址区埋深和岩性变化有关;最大垂直应力位于最大埋深处附近，约60 MPa，总体上随埋深增加而增大。

图3 隧道轴线附近典型纵剖面应力分布云图

5 结论及建议

1)通过综合考虑区域构造应力场特征、邻近工程部分实测点数据，利用类比分析得到现今主应力方向和量级，并根据计算结果和利用相似原理得到的数据在模型上施加水平构造应力，通过大量试算取得了模拟结果。

2)数值模拟及临近工程地应力实测结果显示，隧址区全长范围内最大主应力随埋深增大而逐渐增加，最高达到60 MPa。在二郎山东支断裂至F1断裂之间处于高地应力状态。其中，C2K221+120—C2K224+ 580最大主应力达到了45～60 MPa。

3)隧址区地应力与隧道埋深有较大关系，但局部地方由于受断层和结构面影响而出现不规则变化，将会导致应力降低、增高和集中。

4)因隧道洞身穿越了近10条区域大断裂，断裂构造必然对隧道部分段落的应力场分布及其量级产生较大影响。建议施工期间采取超前探测和现场实测等手段对应力场的预测结果进行动态验证，为高地应力及岩爆、大变形预测提供基础数据。

5)本次数值模拟综合应用了CAD，ANSYS和FLAC3D三种软件，通过三种软件的优势组合实现了快速、简洁建模。

需要指出的是，由于川藏铁路二郎山隧道处于可研阶段，实测资料严重匮乏。本文以临近工程实测数据为依据，按照工程类比原则得到的地应力方向和量值，以及通过数值模拟分析得到的地应力分布情况均有待更多实测数据验证。

［1］徐正，李天斌，孟陆波，等．鹧鸪山隧道地应力反演模型与三维地应力［J］．成都理工大学学报(自然科学版)，2014， 41(2):243-250．

［2］王连捷，潘立宙．地应力测量及其在工程中的应用［M］．北京:地震出版社，1991．

［3］李青麟．初始应力的回归与三维拟合［J］．岩土工程学报，1998，20(5):68-71．

［4］张良刚，吴立，徐昌茂，等．高速铁路大断面隧道地应力测试与分析［J］．铁道建筑，2012(9):50-53．

［5］汪波，何川，吴德兴，等．苍岭特长公路隧道地应力场反演分析［J］．岩土力学，2012，33(2):629-634．

［6］姚显春，李宁，曲星，等．拉西瓦水电站地下厂房三维高地应力反演分析［J］．岩土力学，2010，31(1):246-252．

［7］郭运华，朱维申，李新平，等．基于FLAC3D改进的初始地应力场回归方法［J］．岩土工程学报，2014，32(5):1-7．

［8］李永松，尹健民，陈建平，等．基于模拟退火和粒子群混合算法的地应力场分析［J］．人民长江，2011，42(23):65-67．

［9］陈华根，吴健生，王家林，等．模拟退火算法机理研究［J］．同济大学学报(自然科学版)，2004，32(6):802-805．

［10］石敦敦，傅永华，朱暾，等．人工神经网络结合遗传算法反演岩体初始地应力的研究［J］．武汉大学学报(工学版)，2005，38(2):73-76．

［11］夏彬伟，李晓红，韩昌瑞，等．深埋隧道层状岩体地应力反演研究［J］．水文地质工程地质，2009(4):75-79．

Back analysis of ground-stress field for Erlangshan deep buried tunnel on Sichuan-Tibet railway

TANG Hao1，LI Tianbin1，MENG Lubo1，WANG Dong2，WANG Minjie1
(1．State Key Laboratory of Geohazard Prevention＆Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China;2．China Railway Eryuan Engineering Group Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610031，China)

Erlang mountain tunnel is the controlling key project of Sichuan-T ibet railway．Ground stress analysis of the tunnel site area has important significance to the railway route selection and construction．T his paper determined the boundary conditions and the horizontal symmetry gradient stress by engineering analogy analysis and ground stress calculation，developed numerical inversion model for deep buried scheme of Erlang mountain tunnel by combining with CAD，ANSYS and FLAC3D，analyzed stress change and distribution characteristics along the tunnel axis．T he results showed that the maximum principle stress gradually increases with the growth of the cover depth in tunnel site area，local stress state is mainly affected by geological structure，which obviously changes nearby the structural plane and lithology boundary point．

Erlang mountain tunnel;Ground stress inversion model;Engineering analogy;Numerical simulation

TU452

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．19

1003-1995(2015)03-0065-05

(责任审编葛全红)

2014-06-26;

2015-01-14

国家自然科学基金资助项目(41172279，41230635);交通运输部西部交通建设科技项目(20113188051090)

唐浩(1989─)，男，四川成都人，硕士研究生。