山西白龙山隧道地应力场分布规律分析

刘国伟

(山西省交通环境保护中心站有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

初始地应力场主要由自重应力场和构造应力场组成，是影响深部工程稳定性的重要因素之一[1-2]，目前常用的现场测试方法为水压致裂法和应力解除法[3-4]，但由于现场测试费用昂贵，测点数量有限且具有离散型，对于一些大型工程而言，很难对整个区域的应力场情况进行预测。为了更好的满足工程需要，许多学者在实测地应力的基础上，通过有效的计算方法进行区域地应力场反演，并取得了丰硕成果[1, 4-7]。比如，李永松等[3]采用钻孔孔壁切缝解除地应力测试方法数值模拟研究应力场分布规律；易达等[6]运用人工神经网络反演岩体初始应力场；李守巨等[5]研究了基于遗传算法的岩体初始应力场反演。邢军等[8-12]针对高速公路深埋隧道特点，在实测地应力资料基础上，采取多种分析方法获得隧道的初始地应力特征。

本文以白龙山大埋深特长公路隧道为例，以实测地应力数据为基础，结合多元回归方法与三维有限元数值模拟方法，研究隧道区域初始地应力场分布规律。研究在一定程度上丰富和扩展了吕梁山脉初始应力场研究内容，能够为隧道工程的设计和施工提供决策支持。

1 工程概况

1.1 地形地貌及地层

拟建白龙山特长隧道位于吕梁市岚县与兴县交界的吕梁山脉(图1)，隧址区地势总体表现为东低西高、中部高两侧低的地貌特征，地貌单元属剥蚀构造变质岩中低山区。区内最高主峰海拔高程为2 195 m，洞体最大埋深684.1 m，隧道长度10 374 m。隧道穿越的地层为：第四系全新统松散堆积层，下元古界野鸡山群白龙山组斜长角闪岩、下元古界野鸡山群青杨树湾组变质砾岩、上太古界吕梁山群赤坚岭组斜长片麻岩、中太古界界河口群奥家滩组石英片岩及侵入岩(辉长辉绿岩)。洞体围岩埋深最大部分主要为硬质角闪岩。

图1 拟建白龙山隧道位置Fig.1 Location of Bailongshan Tunnel

1.2 地质构造与应力场特征

拟建隧道位于离石大断裂西部，该区经历了复杂的地质构造作用，区内经历了阜平运动、五台运动、吕梁运动、燕山运动，形成了以阜平期北东向复式褶皱带和吕梁期北北东向复式褶皱带为主要的褶皱构造、北东向的逆断层和北西向张扭性断层的断裂构造以及韧性剪切带。区内构造形迹以褶皱构造和断裂构造为主，图2为隧址区构造纲要图。隧址处在走向NS方向的白龙山向斜，倾角30°～60°。图3是根据节理裂隙特征绘制的隧址区岩石倾向玫瑰花图，从图中可以看出，岩石中X节理性产状为48°∠51°、168°∠73°，且上述两组节理产状形成期相同。通过节理系赤平投影结果可知，隧址区古应力场方位为：σ1，108°∠11°、σ2，252°∠85°、σ3，6°∠4°，该结果和燕山早-中期吕梁山地区应力场特征相吻合。研究区所处的吕梁山脉具有典型的复合构造体系，主要原因是该区构造运动先经历了燕山构造运动作用，之后又经喜山期构造运动的改造，即本区构造应力场的演化先后分别经历了NWW～SEE向压应力场(燕山期)及NWW～SEE向拉应力场(喜山期)。

2 初始地应力场实测与分析

2.1 地应力实测结果

针对拟建白龙山隧道的SZK11钻孔，该孔选址上避开了断层及褶皱构造带，地层岩性主要为下元古界角闪岩，灰黑色，变晶结构，层块构造，矿物成分以斜长石，石英，黑云母为主，局部夹坚硬红色花岗岩及质软绿色绿泥石片岩，偶见石英石岩脉，质坚硬，钻进困难，锤击声脆，节理裂隙发育，钻进初200 m范围，岩芯破碎，强风化-中风化、深度超过200 m后岩心完整，呈长柱状，一般节长20～30 cm。选取完整岩体部位进行水压致裂地应力试验。现场测试共取得了10个测试段的地应力结果，测试数据如下表1所示。据在SZK11钻孔测试深度范围内印模器记录的裂纹破裂方向显示，白龙山隧道实测最大水平主应力值为17.25 MPa，最大水平主应力方向为NW58°左右。

图3 研究区倾向节理玫瑰花图Fig.3 Tendency rose diagram of joint in study area

2.2 地应力场的构成与分析

采用最小二乘法回归得到白龙山隧道SZK11钻孔地应力随埋深的变化关系如图4所示，图中显示，随着埋深的增加，最大水平主应力、最小主应力及垂直应力呈线性增大的相关性较好，说明隧道埋深越大，地应力越大。图5为各测试段侧压系数λ(实测最大水平主应力与垂直向应力比值)随深度的关系曲线，图中可以看出，白龙山隧道SZK11钻孔测试深度范围内，各测段侧压系数均λ均大于1，表明工程场区存在一定程度的水平构造应力。同时，在浅部较大，随着埋深增加、侧压力系数λ逐渐减小，深部(>500 m)侧压力系数均值仅为1.22，最大水平主应力值略大于岩层的自重应力。因此，白龙山隧道所处的岩体应力场应属于正常的应力场区，测试表明该区不存在明显偏高的构造应力场。

表1 白龙山隧道SZK11钻孔地应力测试成果表

注：自重应力按岩石的上覆重量计算，其岩石容重取为27.0 kN/m3。

图4 地应力随深度变化曲线Fig.4 In-situ geo-stress varies with depth

图5 侧压系数随深度变化曲线Fig.5 Lateral pressure coefficient varies with depth

3 初始地应力场数值模拟与分析

3.1 三维计算模型

为削弱边界效应的影响，模型建立的计算范围适当扩大。根据研究区地形地貌特征和地质构造因素建立计算模型，岩石力学参数应用室内岩石物理力学参数测试结果。为方便建立模型研究，将研究区工程地质类型简化为5个工程地质岩组并赋予其岩石物理力学参数表2所示。5个工程地质岩组分别为石英片岩组(中太古界)、石英片麻岩组(上太古界)、变质砾岩组(下元古界)、角闪岩组(下元古界)及断层带岩组。计算模型如图6所示，将隧道轴线走向定为x轴，方向角度约100°。计算模型取隧道轴线静乐-黑峪口方向为x轴(约100°)，建立研究区三维计算模型如图6所示。计算模型边界施加应力大小和方向基于实测地应力资料数据，区域最大水平构造应力方向取NW 58°。将实测水平应力分解到研究区的X和Y两个水平对称方向，并根据2.2节中的深度(Z轴)和构造应力的线性关系在4个边界上施加梯度水平应力。选用弹塑性本构关系，匹配摩尔-库仑准则进行计算。

表2 模型岩石力学参数

图6 研究区三维有限元计算模型(网格图)Fig.6 The 3-D finite element model of study area

3.2 模拟结果分析

图7 最大水平主应力分布云图Fig.7 Maximum horizontal principal stress distribution

图8 最小水平主应力分布云图Fig.8 Minimum horizontal principal stress distribution

图9 垂直应力分布云图Fig.9 Vertical stress distribution

根据Comsol multiphysics 有限元数值模拟软件模拟隧址区初始地应力场特征。图7、图8、图9为取隧道轴线方向的应力分布剖面切片图，根据色标可知，蓝色到红色代表应力大小逐渐增大。图7～9中显示地应力值随深度增加而增大，岩石的性质对地应力场特征具有重要的影响，地应力在硬岩层中的表现值应力大于较软的岩石。断层的存在对其临近岩层区应力具有消散作用，断层内部岩石较破碎形成一个应力低值区，断层两侧完整岩层应力值相比于断层内部大，从而表现出断层对应力场具有一定的阻隔作用。

剔除异常区域对地应力场的影响，提取正常区域模拟计算地应力值和实测地应力对比，如表3所示。总体上模拟计算值与实测值吻合度基本在0.9以上，模拟计算得到的初始地应力场分布规律与实测结果基本一致，因此数值模拟得到的隧址区初始应力场分布特征可靠。

拟建隧道位于下元古界角闪岩地层，岩层完整，偶有断层分布，但规模较小，因此断层对该区域影响较弱。由于隧道埋深最大达685 m，该深度范围内隧道长度约3 150 m，因此在该段区域内隧址岩层处在相对高的应力状态。根据数值模拟结果可知，σH=22.88 MPa，方向为NWW-SEE；σh=15.8 MPa，方向为NNE-SSW；σv=22.84 MPa。根据上述结果可知，隧道轴线方向与最大水平主应力方向呈一致状态，有利于开挖时隧洞的岩层的稳定。

表3 模拟计算应力与实测应力对比

4 结论

(1)白龙山隧道实测最大水平主应力值为17.25 MPa，最大水平主应力方向为NW 58°左右。采用最小二乘法回归计算分析得出最大水平主应力值略大于岩层的自重应力。

(2)结合实测数据采用三维有限元数值模拟的方法反演研究区初始地应力场，反演结果较好地反映了地形、地貌及地质条件对初始地应力场的影响，且反演结果与实测结果吻合度较好。

(3)反演分析结果表明，在隧道轴线以上，最大水平主应力均大于垂直应力，说明本区地应力场以构造应力为主导。拟建隧道洞体在该区最大埋深685 m，最大水平主应力，σH=22.88 MPa。