鄭萬高鐵向家灣隧道地應(yīng)力分布特征研究

王毅東 袁 彬 羅 剛

(1.武九客專湖北有限責(zé)任公司 武漢 430200； 2.四川省宜賓地質(zhì)工程勘察院集團有限公司 宜賓 644600；3.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 成都 611756)

隨著我國高鐵建設(shè)的高速發(fā)展和長大深埋山嶺隧道占比的不斷提高，隧道工程建設(shè)中暴露出的問題也越來越多，影響隧道圍巖穩(wěn)定和安全施工的因素也越發(fā)紛繁復(fù)雜，其中地應(yīng)力作為重要的地質(zhì)因素，在此中始終扮演著不可替代的角色[1-4]。

早期便有學(xué)者提出地應(yīng)力是影響深部隧道圍巖穩(wěn)定性的主控因素之一[5]。由于開挖擾動和原巖應(yīng)力作用的影響，圍巖中會形成彈性應(yīng)力場和位移場，當(dāng)彈性應(yīng)力場滿足破裂條件時，巖體發(fā)生破裂，由于位移不連續(xù)，便會形成破裂區(qū)，給隧道安全造成嚴(yán)重影響[6]。學(xué)界對此也早已展開了大量研究。薛曉輝[7]、郭小龍[8]、陳子全等[9]采用各類技術(shù)手段對高地應(yīng)力區(qū)軟巖隧道變形破壞特征進行了系統(tǒng)分析。研究發(fā)現(xiàn)，高地應(yīng)力區(qū)層狀軟巖隧道大變形是高地應(yīng)力、軟弱圍巖、層理弱面耦合作用的結(jié)果。李建興等[10]通過對在建米倉山隧道進行現(xiàn)場調(diào)查，對比類似工程及現(xiàn)場記錄提出隧道圍巖失穩(wěn)的主要原因是高地應(yīng)力引起的能量超過了巖體的最大承受能力。沙鵬等[11]運用多種技術(shù)手段深入分析了蘭渝鐵路研究區(qū)特殊非線性大變形的破壞機制，研究表明，隧道開挖后高地應(yīng)力會誘發(fā)低強度圍巖發(fā)生迅速而強烈的擠出變形。

由此可見，地應(yīng)力作為影響隧道圍巖穩(wěn)定性不可忽略的因素，為了規(guī)避施工潛在風(fēng)險，保證工程安全順利開展，在隧道施工前期查明隧址區(qū)初始地應(yīng)力分布特征就顯得尤為重要。業(yè)內(nèi)通常綜合采用現(xiàn)場水壓致裂法及室內(nèi)數(shù)值模擬驗證的方法開展地應(yīng)力分布特征研究[12-14]。對于數(shù)值模擬，F(xiàn)LAC3D應(yīng)屬目前最受學(xué)者們追捧的模擬軟件[15-17]。如汪波等[18]在對蒼嶺隧道工程區(qū)地應(yīng)力場實測值分析基礎(chǔ)上，選取可靠、具有代表性的實測點作為反演回歸對象，利用三維數(shù)值分析手段，結(jié)合回歸分析原理，獲得整個工程區(qū)的地應(yīng)力場分布情況。除此之外，多個軟件的綜合應(yīng)用也是開展此項研究的一個趨勢，如徐正[19]、張敏等[20]通過分析區(qū)域構(gòu)造特征并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，綜合應(yīng)用Sufer、ANSYS及FLAC3D軟件進行應(yīng)力反演，獲取了研究區(qū)隧道區(qū)域應(yīng)力分布特征。

綜上所述，查明隧址區(qū)地應(yīng)力分布特征對于保證隧道工程施工的順利進行異常重要，開展此類研究的方法手段也較為豐富。為查明鄭萬高鐵向家灣隧道隧址區(qū)全線應(yīng)力分布特征，本文結(jié)合區(qū)域工程地質(zhì)條件，基于區(qū)域內(nèi)峽口隧道實測應(yīng)力值，綜合采用Rhino 6、COMSOL等軟件開展區(qū)域應(yīng)力反演，基本查明向家灣隧道全段應(yīng)力分布特征，為后期類似工程相關(guān)研究提供有效借鑒。

1 向家灣隧道隧址區(qū)地質(zhì)概況

鄭萬高鐵向家灣隧道位于湖北省宜昌市興山縣南陽鎮(zhèn)境內(nèi)，向家灣隧道位置見圖1，隧道全長4 663.24 m，走向240°，最大埋深1 025 m，屬深埋長大山嶺隧道。

圖1 向家灣隧道位置圖

隧址區(qū)屬秦嶺大巴山體系，為巖溶剝蝕中山地貌。區(qū)內(nèi)地勢北高南低，地勢起伏較大，最高山峰標(biāo)高1 606 m，最低點為白沙河河谷，標(biāo)高148 m，地形高差1 458 m，峰谷縱橫，溪溝由北向南深切。構(gòu)造上位于新華夏系一級隆起帶的第三隆起帶，以及淮陽山字形西翼反射弧和“長江中下游區(qū)域東西向構(gòu)造帶”相匯處。

隧道沿線穿越地層為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)泥巖、砂巖、泥灰?guī)r，下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)、大冶組(T1d)灰?guī)r、白云巖夾鹽溶角礫巖；二疊系上統(tǒng)(P2)灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖夾煤線，下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r，棲霞組(P1q)灰?guī)r、頁巖夾煤線，泥盆系中上統(tǒng)云臺觀組(D2+3y)砂巖夾頁巖，志留系中下統(tǒng)紗帽組(S1-2s)、下統(tǒng)羅惹坪組(S1lr)頁巖夾砂巖，大部分巖質(zhì)較軟，巖體質(zhì)量等級為IV～V級，隧道洞身縱斷面見圖2。

圖2 隧道洞身縱斷面

2 向家灣隧道地應(yīng)力特征

為探明向家灣隧道隧址區(qū)應(yīng)力分布特征，基于區(qū)域工程地質(zhì)條件及臨近滬蓉高速峽口隧道實測應(yīng)力值[21]，綜合應(yīng)用Rhino、COMSOL軟件開展研究。

2.1 高程提取及地質(zhì)信息投影

應(yīng)用Global Mapper對包括向家灣隧道及峽口隧道在內(nèi)的矩形區(qū)域(40 km×50 km)進行初始高程提取，區(qū)域地形地貌見圖3，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)圖等比繪制區(qū)域地質(zhì)信息，區(qū)域地質(zhì)地形見圖4。

圖3 區(qū)域地形地貌 圖4 區(qū)域地質(zhì)地形

2.2 數(shù)值模擬

2.2.1構(gòu)建三維模型

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)信息，應(yīng)用Rhino 6構(gòu)建出初始三維地質(zhì)模型，初始三維地質(zhì)模型見圖5。

圖5 初始三維地質(zhì)模型

2.2.2劃分網(wǎng)格

將Rhino 6中已構(gòu)建的三維實體模型導(dǎo)入COMSOL數(shù)值模擬軟件中并生成聯(lián)合體。設(shè)置超細化單元進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分見圖6。

圖6 網(wǎng)格劃分示意

于峽口隧道實測地應(yīng)力段布置測線，沿向家灣隧道軸線方向布置測線并繪制三維橫截面。

2.2.3巖石力學(xué)參數(shù)

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)信息，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料并查詢《工程地質(zhì)手冊》[22]得到區(qū)域內(nèi)地層巖性及相關(guān)巖體彈性模量、泊松比和巖石密度等基本參數(shù)。詳細巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

2.2.4邊界條件

設(shè)置重力加速度為1g，上邊界為自由邊界，下邊界固定，調(diào)節(jié)四周邊界荷載使峽口隧道測線位置應(yīng)力條件無限接近于實測應(yīng)力值，最終將前后長邊界邊界荷載施加至40 MPa，左右短邊界邊界荷載施加至82 MPa時，峽口隧道區(qū)實測點處中間主應(yīng)力模擬值為7.6 MPa，與實測值7.18 MPa誤差為5.85%；最小水平主應(yīng)力模擬值為6.7 MPa，與實測值7.14 MPa誤差為-6.16%；最大主應(yīng)力模擬值為15.6 MPa，與實測值13.06 MPa誤差為19.45%，誤差值相對較大，究其原因，可能是該區(qū)域臨近F3斷層，其斷層面深部轉(zhuǎn)折情況不明朗，以至于存在不可控構(gòu)造應(yīng)力及巖石力學(xué)參數(shù)差異等，從而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力分布不均進而出現(xiàn)此類問題。綜合看來，峽口隧道區(qū)實測應(yīng)力點處地應(yīng)力模擬值與實際情況基本吻合，峽口隧道模擬值與實測值對比見表2。

表2 峽口隧道模擬值與實測值對比表

2.3 應(yīng)力分布特征分析

根據(jù)上述步驟計算得出包括峽口隧道和向家灣隧道在內(nèi)的區(qū)域三向應(yīng)力云圖見圖7，圖中白色線為縱斷面位置。通過云圖發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，但由于其距離2個隧道位置均較遠，對施工影響較小，所以暫不做過多分析。

導(dǎo)出向家灣隧道縱斷面三向主應(yīng)力云圖見圖8，向家灣隧道隧址區(qū)縱斷面方向在豎直方向基本呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，及該區(qū)域主要受上覆巖層自重應(yīng)力影響。局部出現(xiàn)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，如隧道出口端深部第二主應(yīng)力云圖和第三主應(yīng)力云圖便出現(xiàn)局部異常，究其原因，應(yīng)為區(qū)域內(nèi)F1斷層引起的局部構(gòu)造應(yīng)力所致，但由于位于地殼深部，對施工影響較小。

向家灣隧道三向應(yīng)力均呈現(xiàn)出“中間大，兩頭小”的變化規(guī)律，應(yīng)力最大值主要集中于D2K583+560-D2K583+710里程段。其中第一主應(yīng)力最大值為18.82 MPa，第二主應(yīng)力最大值為14.28 MPa，第三主應(yīng)力最大值為5.73 MPa，隧道軸向三向應(yīng)力曲線見圖9。

圖9 隧道軸向三向應(yīng)力曲線

隧道縱斷面應(yīng)力方向示意見圖10，由圖可見在向家灣隧道淺埋段，即隧道進出口段，第二主應(yīng)力近于豎直方向，而第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力近于水平。而隨著埋深的增加，第一主應(yīng)力和第二主應(yīng)力均逐漸開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)，變?yōu)榈谝恢鲬?yīng)力豎直，第二主應(yīng)力近水平。

圖10 隧道縱斷面應(yīng)力方向示意

通過整理并結(jié)合前期巖體力學(xué)試驗成果獲得向家灣隧道地應(yīng)力分布特征表。隧址區(qū)內(nèi)，最大水平主應(yīng)力方向范圍在251°～284°之間，平均方向角為269°，與隧道軸線交角較小，有利于施工過程中圍巖的穩(wěn)定。向家灣隧道全隧段以高地應(yīng)力為主，分布于里程范圍D2K582+760-D2K583+210，D2K583+360-D2K583+560及D2K583+860-D2K585+760，占到了總里程長度的54.68%；一般地應(yīng)力區(qū)主要分布在隧道進出口淺埋段，分布于里程范圍D2K581+760-D2K582+760、D2K585+760-D2K586+423.24，占到了總里程長度的35.67%；局部段出現(xiàn)了極高地應(yīng)力，主要分布于里程段D2K583+210-D2K583+360及D2K583+560-D2K583+860范圍內(nèi)，占總里程長度的9.65%，向家灣隧道地應(yīng)力等級分區(qū)圖見圖11。由圖11可知，應(yīng)力等級與圍巖等級及巖性等無明顯相關(guān)關(guān)系。

圖11 向家灣隧道地應(yīng)力等級分區(qū)圖

3 結(jié)論

1) 向家灣隧道隧址區(qū)初始地應(yīng)力分布主要受上覆巖層自重應(yīng)力所制約，洞身段應(yīng)力分布正常，未見明顯構(gòu)造應(yīng)力分布。

2) 向家灣隧道軸向應(yīng)力呈“中間大，兩頭小”的分布規(guī)律，應(yīng)力最大值主要集中于D2K583+560-D2K583+710里程段。其中第一主應(yīng)力最大值為18.82 MPa，第二主應(yīng)力最大值為14.28 MPa，第三主應(yīng)力最大值為5.73 MPa。最大水平主應(yīng)力與隧道軸線交角較小，利于隧道施工進程中的圍巖穩(wěn)定性。

3) 向家灣隧道全隧段以高地應(yīng)力分布為主，一般地應(yīng)力分布范圍次之。局部段分布有極高地應(yīng)力，應(yīng)加強該區(qū)段施工過程中的安全管理，預(yù)防巖爆、軟巖大變形等高地應(yīng)力區(qū)常見風(fēng)險。