基于COMSOL的隧道地应力场反演

杨亚伦,徐正宣,宋 章,欧阳吉

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 611756;2.中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都 610000)

地应力场是衡量地下建筑及工程施工区围岩应力、位移分布以及开挖后破坏形式的一个重要影响因素，是铁路公路选线过程中的重要指标。首先，最直观展示地应力的方式为实测地应力，但由于测点数量通常较为有限，往往只能反映出局部应力特征。同时，由于测试环境及操作方法等影响，当前使用的水压致裂法会体现出明显离散性特征。受此离散性特性影响，此方法往往很难展示出整个隧道区域应力场分布的整体规律。为解决这类问题，目前通常是结合区域工程地质条件以及有限实测地应力资料，利用三维建模数值计算来进行隧址区的应力场反演分析[1-5]。

本文以某铁路沿线一隧道作为研究对象，依托于COMSOL软件，采用三维模型边界调整法反演分析隧道区域初始应力场，随后分析不同因素对其分布特征的影响。

1 工程概况

研究区处于工程地质条件复杂且地质活动强烈的青藏高原地带，区域构造应力大，对隧道施工影响明显。测区隧道进口段长期受到周边各河流的切割作用，属构造侵蚀中高山峡谷地貌，地形陡峻，沟谷深切，目前规划中的隧道埋深约为0～1 600 m。

研究区地层岩性复杂，拥有较多出露地质单元，表层包括(Q4dl+pl)碎石土。下伏基岩主要包括：三叠系砂岩夹页岩(T3d)，砂岩(T3a)，灰岩夹泥岩(T3b)，砾岩夹泥岩(T3j)以及玄武岩等。综上所述，可见隧址区岩性多为硬岩及较硬岩，在高埋深及较大构造应力场条件下，极易产生高地应力场，进而影响工程建设安全与进度。

2 隧址区地应力场分析

2.1 模型概况

本文研究的隧道区域主要组成有砂岩夹砾岩、砂岩夹页岩、灰岩、花岗闪长岩、泥岩、断层角砾等，各地层物理力学指标见表1；依据现场地形起伏、地质构造等工程地质条件进行三维建模，计算模型示意图如图1所示。

表1 三维模型物理力学指标

图1 隧道计算模型

2.2 边界条件

边界条件是三维模型计算准确度的重要指标之一，本模型边界条件的确立首先依托于区域地形地貌及区域构造应力做出定性判断，随后结合使用工程类比法与边界调整法确定具体数值。根据对青藏高原区域地应力场的现有研究资料，隧址区区域地应力场以水平构造应力为主，且该区域构造应力场为NW向。经过边界调整法调整后，得到基本符合区域地应力场大小及方向的边界设置如表2所示。

表2 位移边界条件设置

2.3 隧道切面地应力计算结果

将边界条件及岩体物理力学参数代入COMSOL固体力学模块，导出隧道轴线位置切面模拟结果见图2。隧道区域最大主应力、中间主应力以及最小主应力均可通过数值计算后获得，三大主应力变化规律近似，均与隧道纵剖面地形起伏呈正比关系。斜坡表层具有较为明显的应力降低现象，在边坡局部位置甚至出现了较低的拉应力。同时，地应力也在断层破碎带区域出现了明显下降。

(a)最大主应力

(b)中间主应力

(c)最小主应力图2 隧道轴线方向主应力云图(单位:MPa)

3 隧道轴线初始地应力场分析

使用COMSOL模拟中三维截线功能，将隧道轴线主应力数据提取出来以具体分析隧道洞室区域初始地应力，详情可见图3。

图3 隧道洞室轴线主应力分布

3.1 隧道轴线最大主应力

最大主应力最大值为34 MPa，出现于埋深最大点，最小值位于隧道进口约为7.8 MPa，整体变化趋势与埋深变化趋势近似。应力分布受岩性影响较小，在断裂构造附近，应力值大多出现降低现象，远离构造断裂带后逐渐恢复原状。

3.2 隧道轴线中间主应力

中间主应力变化范围约为2～17 MPa，全段变化趋势与最大主应力相似，但起伏程度降低较大，且在少数埋深增加位置出现应力逆势下降现象。

3.3 隧道轴线最小主应力

相较于最大及中间主应力，最小主应力更容易受到河谷下切卸荷作用以及断裂构造的影响，于埋深较小部分甚至会出现轻微拉应力。本研究区隧道轴线区域最小主应力范围约为0.5～15 MPa。

4 结论

(1)本文在缺乏实测地应力资料的基础上，通过查找既有区域地应力数据库，周边区域工程勘察资料并结合实地考察，对研究区地应力现状进行了综合定性分析。进而使用三维模型数值反演法获得了隧址区合理、可靠的地应力场量化分布特征。

(2)通过模拟分析得到实测点附近的地应力场总体趋势为SH>SV>Sh，影响初始地应力场分布的最重要因素为区域构造应力大小与方向以及隧道埋深。

(3)研究发现，隧道开挖与河谷演化会引起围岩应力的二次分布，本文并未将相关因素的影响纳入考虑范围。今后会在地应力场的基础模拟成果之上，加入参数赋值更加精准，网格划分更加精细的局部面模型，进行深入多次分析反演，从而得到更准确的模拟结果。