秦岭输水隧洞TBM段初始地应力场分布特性研究

党婉宁

(陕西省渭河生态区保护中心，陕西 西安 710000)

0 前言

近年来，随着我国基础设施的不断完善，越来越多的隧道工程往大埋深方向发展。在此类隧道施工过程中，容易遇到高地应力环境，围岩易发生大变形破坏，造成重大工程事故[1-2]。2016年于5月31日，引汉济渭工程秦岭输水隧洞岭北TBM施工段，TBM掘进过程中，由于高地应力的影响，围岩出现了严重的收敛变形，导致TBM掘进至桩号K51+597.6时出现卡机，造成严重的工期滞后以及重大经济损失。为保障后续工程建设顺利进行，并指导现场施工，有必要开展岭北软岩段初始地应力场分布特性及规律研究。

如何准确反映工程区的初始地应力一直是地下工程面临的难题，许多学者在这方面进行了不少有益的探索。赵力等[3]基于地应力实测资料，分别对引汉济渭工程秦岭输水隧洞有断层和无断层段的初始地应力场进行了三维反演分析；饶运章等[4]基于实测地应力资料，利用FLAC3D应力边界组合重构了龙门山矿区初始地应力场；王栋等[5]通过地应力测试数据，数值模拟分析了折多山隧道隧址区及洞身的应力分布特征；钱娟娟等[6]结合锦屏二级水电站复杂的地质条件，运用有限元法和BP人工神经网络对研究区的初始地应力场进行了反演分析；张勇慧等[7]结合大岗山水电站地形地貌条件和地质结构特征，采用反演分析方法获得了整个工程区的地应力场。

为获得秦岭输水隧洞工程区TBM软岩段较为合理的初始应力场分布特征。首先，根据秦岭隧洞工程区的断裂构造格局，对研究区构造应力场优势方位进行定性分析；然后，基于秦岭输水隧洞越岭段6个深钻孔、2个勘探试验洞的水压致裂应力测试数据，分析秦岭隧洞地应力场的特征；然后采用有限元数值分析方法对工程区进行初始应力场回归分析，进一步分析输水隧洞工程区应力场的分布特征。

1 秦岭输水隧洞工程地质概况

秦岭输水隧洞位于秦岭西部山区，工程区主要包括秦岭岭南中低山区(Ⅰ)、秦岭岭脊高中山区(Ⅱ)、秦岭岭北中低山区(Ш)三个大的地貌单元，见图1。秦岭输水隧洞地层岩性主要为变质岩和岩浆岩两大类。工程区横跨秦岭褶皱系一级构造单元区秦岭褶皱系(Ⅱ)， 北与华北准地台(Ⅰ)接邻，南与扬子准地台(Ⅲ)接邻，地质构造复杂，见图2。隧洞区在大地构造单元上属于秦岭褶皱系，其地质构造主要发育褶皱构造及断裂构造。

图1 秦岭输水隧洞地貌分区图

图2 秦岭输水隧洞大地构造分区图

2 秦岭输水隧洞区构造应力场特征分析

国内一些学者利用震源机制解、微构造数值分析法等手段对秦岭隧洞工程区域构造应力场分布特征进行深入探讨。姜家兰[8]对陕西地区构造应力场的研究表明，陕南地区分布有NWW～近EW走向的大断裂。徐文龙[9]采用滑动矢量拟合法对北秦岭中段进行研究，认为该区构造应力场以NW-SE向挤压为主。陈强等[10]通过对西康铁路秦岭特长隧道地应力场分布特征进行研究，认为该区域构造应力场经历了松弛期、NW向挤压NE向拉伸的构造应力期、NE向挤压NW向拉伸的构造应力期。其中，现代构造应力场的性质是NE-SW或NEE-SWW向的挤压。

由以上分析可知，工程区现代构造应力场主压应力方向总体为NEE向或近EW向，北秦岭中段的构造应力场以NW-SE向挤压为主，部分洞段由于受局部地形、地质构造及参与古构造应力场的影响，有可能会出现较大的偏差。

3 秦岭输水隧洞初始地应力测试

国家地震局地壳应力所和长江科学院采用水压致裂法在隧洞区域6个测点2试验洞进行应力测试，各测孔测试结果见表1～表3。

表1 水压致裂测试结果

表2 3号勘探实验洞地应力测试结果

表3 6号勘探实验洞地应力测试结果

由表1可知，秦岭隧洞地区地应力以水平构造应力为主，各钻孔呈现出σH>σh>σZ的分布特征，反映较强的现今水平构造应力作用的特点。隧洞区内现今最大水平主应力的优势作用方向为NW向。

由表2、表3可知，在两个勘探试验洞所测结果规律比较一致，最大水平主应力为20 MPa～30 MPa，最大水平主应力方向稳定在近EW向。

4 初始地应力场数值反演分析

本文采用有限元多元线性回归法进行地应力场反演分析。

选取计算区域内2个钻孔(CZK-2、CZK-3)的地应力测试成果作为研究工程区初始地应力场的依据，利用FLAC3D对4种工况分别进行模拟计算，得到回归系数分别为L1=0.93，L2=2.416，L3=5.589，L4=-16.236。复相关系数为0.956，表明回归公式的相关性较好。回归残差平方和S=189.65，显著度检验观测值F=50.51。因此，可认为按实测主应力方向换算到计算坐标系下的σx、σy、σxy和σz四个应力分量的总体效果显著。各测孔在实测位置的回归计算结果与实测值的对比见表4～表5。

表4 CZK-2钻孔实测值与回归计算值比较表

表5 CZK-3钻孔实测值与回归计算值比较表

由表4、表5分析可知：大部分测点的主应力回归值与实测值在数值上接近，且应力分量绝对误差大部分不超过2 MPa，测点的误差总体较小；在主应力方向上，各测点的最大水平主应力方位角，与实测值吻合较好，应力方位角绝对误差最大约12°。因此，本文反演获得的秦岭深埋隧洞工程区初始地应力场是较为合理的。

(a)σXX应力等值线图

(b)σYY应力等值线图

(c)σZZ应力等值线图

隧洞轴线纵剖面应力等值线分布见图3。由图3可知，隧洞轴线附近的主应力方向总体上为NNW～NWW向，与实测应力状态基本一致，最大主应力约52.65 MPa。隧洞高程处的应力场总体以水平应力为主。断层带及邻近区域显示明显的应力释放特征，最大水平主应力方位发生一定偏转。总体呈现出岩体铅直应力大于最大水平主应力的特征，即σz>σH>σh。断层两端，各应力分量及主应力都有明显的应力集中现象。由此可见，断层带对秦岭输水隧洞应力场的“阻断”和“扰动”效应较为明显。

5 结论

本文根据工程区域构造格局对研究区构造应力场优势方位进行定性分析，然后结合现场应力实测结果对秦岭输水隧洞应力场模拟回归分析，并对典型软岩洞段的应力场状态及可能出现的变形破坏特征进行分析评价，主要结论如下：

(1)综合地质构造资料和现场实测结果可知，秦岭输水隧洞区内现今最大水平主应力的优势作用方向为NW向。

(2)有限元反演分析结果表明，反演回归应力值和实测应力值吻合较好，表明回归得到的地应力场较为合理，为进一步分析工程地下洞室围岩的稳定性和隧洞设计与施工提供了合理的三维初始地应力场。

(3)隧洞高程处的地应力场总体以水平构造应力为主，主应力方向总体为NNW～NWW向。断层破碎带两侧出现应力集中现象，断层破碎带对秦岭输水隧洞应力场的“阻断”和“扰动”效应较为明显。

(4)对典型软岩洞段(桩号K51+597)分析结果表明，该高程附近以水平构造应力为主，水平应力方位为NW31.4°，最大水平主应力32.73 MPa。该里程处，隧道拱顶附近易发生变形破坏。