隧道地应力场反演研究

(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)

一、引言

地应力通常也称为原岩应力，是指岩土体内一点固有的应力状态。地应力是控制隧道围岩位移分布与破坏形式的关键性因素，也是隧道支护结构上荷载的主要来源，更是铁路公路选线和隧道支护设计的重要工程问题[1-3]。本文依靠收集的研究区域构造应力环境和真三维实测地应力数据资料，考虑断裂、断层以及岩性的影响，利用边界荷载调整法使模拟计算值和实测值达到最佳拟合，得到了隧道工程区地应力场分布规律，再结合所获得的研究区地应力场和地质资料综合分析，有效提高了反演分析结果的可靠性。此外，结合监测所获得的已发生的隧道岩爆现场影像与记录资料，综合分析地应力场与岩爆发育分布特征，为以后遇到此类工程问题提供一个参考。

二、区域地应力场分布特征分析

(一)工程概况

隧道设计进口里程为D1K173+650，自然坡度25°～35°；设计出口里程为D1K190+105，自然坡度45°～75°。隧址区地面高程3300～5100米，高差最大达约1900米，为典型的高山峡谷地貌。隧道整体岩性以花岗岩、闪长岩为主。

根据构造断裂滑动、地壳应力数据库和震源机制解综合分析可知，该区域现代构造应力总体上表现为与之相应的NNE方向近水平的挤压应力。

应力解除测试可得应力解除曲线，根据测试结果可计算出测试点地应力量值。

(二)模型建立

对隧址区建模时，为了减少边界效应影响，模型计算区域选择略大于隧址区的范围。模型计算时采用摩尔-库伦本构模型，FLAC3D计算模型及网格划分见图1所示。

图1 隧道地应力场反演分析模型

三、隧址区地应力场反演分析

(一)反演结果分析

读取各测点处对应的模拟计算地应力值，计算所得的地应力量值与实测地应力量值作比较，比较结果表明：反演计算值和实测值总体上拟合较好，整体变化规律基本相同。主要以最大主应力拟合为主，其拟合度平均达到98.6%，最少达到89.2%。反演结果表明最大主应力量值为6.6～60 MPa，在隧道进出口段最大主应力量值为16.5～29.7MPa。

(二)基于反演结果的沿隧道轴线地应力分布特征

图2为隧道出口段主应力矢量场云图。由图可知，对于埋深较浅的出口段，水平主应力起主导作用。水平应力主要受埋深和河谷相对位置影响，而受断层与岩体岩性影响较小，所以在同样埋深较浅的入口段，也是水平应力占主导。

图2 隧道出口段剖面主应力矢量场云图

四、结论

(1)本文在有限实测点数据的基础上，结合研究区的地应力场和地质资料等信息，对隧址区地应力场进行反演分析计算，得到了合理的地应力场分布特征。

(2)沿隧道线路轴线方向，其量值呈现出从最大埋深处到进出口端逐渐减小的分布规律，在隧道进出口段最大主应力量值为16.5～29.7MPa。除隧道入口段岩体破碎，其余隧道段岩体完整性较好，为Ⅱ、Ⅲ级围岩处于高地应力环境下，有较大概率发生岩爆灾害。