高地應(yīng)力軟硬巖隧道初始應(yīng)力場反演分析

徐 安,全曉娟,汪 波,沈艷芳,譚力豪,謝卓雄

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.杭州圖強工程材料有限公司,杭州 310006； 3.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司,廣州 510507)

目前，隧道主要以NATM為理念進行設(shè)計和施工，為安全高效地施工，需對隧道進行必要的監(jiān)控和量測，如斷面的位移信息[1-2]。大埋深硬巖隧道中，常常也把洞壁二次應(yīng)力作為主要測試項目，如桑珠嶺隧道、蒼嶺隧道、五女峰隧道、鮑村特長隧道等[3-7]。因此，隧道施工中有大量的現(xiàn)場實測信息。由于大埋深隧道受地形地貌限制，通常無法對初始地應(yīng)力場進行實測，而初始應(yīng)力場又是影響長大隧道的主要因素乃至控制性因素。因此，如何有效利用現(xiàn)場實測信息，反演得出初始地應(yīng)力場等重要參數(shù)指標(biāo)，具有極高的研究價值與工程指導(dǎo)意義。

國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識到這一問題，并開展了相關(guān)研究。謝學(xué)斌等[8]依據(jù)沙溪銅礦區(qū)的地質(zhì)資料，采用遺傳單純形算法優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，反演分析出模型區(qū)域的巖體力學(xué)參數(shù)及初始地應(yīng)力場；夏彬偉等[9]結(jié)合渝沙高速共和隧道地應(yīng)力測量資料，通過調(diào)整多種組合的側(cè)壓系數(shù)，獲得了不同測試段地應(yīng)力，從而展開了巖體地應(yīng)力反演分析；喬志斌[10]采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代模型的加速優(yōu)化算法進行地應(yīng)力反演，并預(yù)測隧道開挖后的巖爆等級；裴書鋒等[11]提出了一種考慮地下洞室片幫、鉆孔剝落等巖體應(yīng)力型破壞特征為信息源，通過數(shù)值模擬智能反演方法預(yù)測高應(yīng)力大型地下洞室群圍巖局部應(yīng)力場的新思路；張延新等[12]利用水壓致裂法實測地應(yīng)力場來反演初始地應(yīng)力場；汪波等[13]通過多元回歸分析原理結(jié)合實測地應(yīng)力資料反演初始地應(yīng)力；蒙偉等[14]結(jié)合工程實例反演巖體初始地應(yīng)力場，并分別應(yīng)用p值法檢驗、F檢驗、t檢驗，驗證所采用回歸模型和回歸系數(shù)的顯著性和可靠性；唐浩等[15]利用工程類比分析結(jié)合構(gòu)造應(yīng)力場特征，通過大量試算得到了反演結(jié)果。

分析以上研究可以看出，針對不同巖性隧道如何利用實測信息進行分析，尚無深入研究。鑒于此，擬從軟、硬巖的工程特性出發(fā)，探討不同巖性隧道的初始應(yīng)力場反演分析中現(xiàn)場實測信息與方法的合理選擇。通過迭代計算，根據(jù)相應(yīng)實測指標(biāo)反演出與實測洞壁二次應(yīng)力和位移相符的初始應(yīng)力邊界條件，從而得到依托工程的初始應(yīng)力場分布特征，并在蒙華鐵路軟硬巖隧道工程中得到了廣泛應(yīng)用。

1 不同巖性地下工程中應(yīng)力場反演時實測指標(biāo)的合理性選擇

地下工程中，因地下洞室開挖打破了原有的圍巖地應(yīng)力平衡關(guān)系，洞壁切向應(yīng)力σθ急劇增大，徑向應(yīng)力σr急劇降低(基本為0)(圖1)，此時，洞壁圍巖由原始的三維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S應(yīng)力狀態(tài)，也即徑向約束得到了解除[9]。

圖1 圍巖開挖洞壁應(yīng)力分布

在這種受力狀態(tài)下，當(dāng)巖體強度較高時，隧道周邊圍巖將有可能處于彈性狀態(tài)；當(dāng)巖體強度低時，洞室周邊圍巖進入彈塑性甚至松動狀態(tài)的可能較大。因此，對于軟巖和硬巖隧道而言，雖然洞壁圍巖應(yīng)力狀態(tài)類似，但因周邊圍巖狀態(tài)不同，利用現(xiàn)場實測信息進行初始應(yīng)力場反演分析時，主要控制指標(biāo)也應(yīng)有所差異。

1.1 硬巖地下工程中實測指標(biāo)選擇

硬巖地下工程中因巖體強度較高、巖性較好，隧道開挖后，洞周位移很小，顯性表征差，難以通過位移準(zhǔn)確反演分析出初始應(yīng)力場的情況，因此，不能以位移為主進行分析。但硬巖隧道開挖后有一顯著特征，那就是圍巖產(chǎn)生的彈性變形，也即硬巖隧道開挖后圍巖一般處于彈性狀態(tài)，可根據(jù)彈性理論公式得到較為準(zhǔn)確的洞壁二次應(yīng)力值。此時，實測的洞壁二次應(yīng)力值更具代表性，以洞壁二次應(yīng)力值為基礎(chǔ)反演得出的初始應(yīng)力場分布特征更為科學(xué)、合理[16]，因此，硬巖隧道中建議以洞壁二次應(yīng)力值作為進行初始應(yīng)力場反演分析的主控指標(biāo)。

1.2 軟巖地下工程中實測指標(biāo)選擇

軟巖隧道相比硬巖隧道而言，隧道開挖后，除產(chǎn)生彈性變形外，洞室周邊還將產(chǎn)生一定的塑性變形，在此狀態(tài)下洞周將產(chǎn)生較大位移，位移的顯性表征明顯，即在軟巖地下工程中產(chǎn)生彈塑性變形條件下，現(xiàn)場監(jiān)測的位移更具代表性。據(jù)此，針對軟巖地下洞室的初始應(yīng)力場反演分析，應(yīng)以現(xiàn)場監(jiān)測的拱頂沉降值和拱腰收斂值為主控指標(biāo)[17]，以現(xiàn)場實測的洞壁二次應(yīng)力為輔助指標(biāo)進行。

軟、硬巖隧道分化反演流程如圖2所示。

圖2 初始應(yīng)力場迭代反演流程

2 不同巖性地下工程中初始應(yīng)力場反演分析

浩吉鐵路是國內(nèi)最長運煤專線—蒙西到華中煤運鐵路，北起內(nèi)蒙古浩勒報吉站，終至江西省吉安市，線路全長1 837 km。鐵路沿線有九嶺山隧道、崤山隧道等多條以大埋深硬巖為主的隧道和桐木隧道、條山隧道等多條以大埋深軟巖為主的隧道，其中，硬巖隧道圍巖大部分以花崗巖為主，軟巖隧道圍巖主要是千枚巖，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度較高?，F(xiàn)以蒙華鐵路九嶺山隧道 DK1686+240～DK1687+930段(硬巖隧道段)及桐木隧道DK1705+810～DK1706+448段(軟巖隧道段)為例進行工程應(yīng)用分析。

2.1 硬巖隧道中初始應(yīng)力場反演分析

浩吉鐵路九嶺山隧道DK1686+240～ DK1687+930段為花崗巖、花崗閃長巖地層，弱風(fēng)化，巖質(zhì)堅硬，巖體較完整，地下水弱發(fā)育。埋深約為505 m，總體變化范圍不大，并未發(fā)現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力場。

考慮在該埋深條件下存在高地應(yīng)力的可能性較大，故在此區(qū)段靠近中間位置布設(shè)1個地應(yīng)力測點，測點里程DK1687+240，如圖3所示。采用洞壁二次應(yīng)力解除法，在左邊墻處進行應(yīng)力量測。測點位于左邊墻表面處垂直位置，即切向Y方向豎直，如圖4所示。

圖3 DK1686+240～DK1687+930縱斷面

圖4 現(xiàn)場測試示意

現(xiàn)場應(yīng)力解除法獲取了測點洞壁圍巖約束解除后的應(yīng)變增量情況，如表1所示。

表1 應(yīng)力解除法測得應(yīng)變增量 με

由現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，經(jīng)彈性理論公式[11]計算得到洞壁處二次應(yīng)力，如表2所示。

表2 DK1687+240斷面的洞壁二次應(yīng)力 MPa

圖5 硬巖隧道反演計算模型及約束施加方式

根據(jù)浩吉鐵路九嶺山隧道的實際輪廓建立數(shù)值分析模型，如圖5所示。通過對表2中洞壁二次應(yīng)力量值分析可知，σx<σy。由于在無構(gòu)造應(yīng)力場情況下，初始應(yīng)力場類似水壓應(yīng)力場，垂直洞壁的水平徑向r方向與軸向x是相同的，即σr<σy，故初步判斷初始應(yīng)力場的側(cè)壓力系數(shù)“λ<1”。據(jù)此，依據(jù)彈性力學(xué)平面問題的小孔應(yīng)力公式[18]，得出第一次反演時假定的初始應(yīng)力邊界值[19]，如表3所示。

表3 DK1687+240斷面初始反演時應(yīng)力邊界值

根據(jù)《九嶺山隧道工程地質(zhì)勘察報告》，結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[20]，確定地應(yīng)力測試段巖體的物理力學(xué)指標(biāo)，如表4所示。

表4 測試段巖體物理力學(xué)指標(biāo)

依據(jù)硬巖隧道初始應(yīng)力場反演分析流程，得到初始應(yīng)力邊界值下的洞壁切向應(yīng)力云圖，如圖6所示。

圖6 初始應(yīng)力邊界下洞壁切向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

從圖6可以看出：隧道開挖后，洞壁邊墻位置以受壓為主，拱腳處小部分區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，與現(xiàn)場測試點位置相一致的洞壁處切向應(yīng)力為41.982 MPa，與實測應(yīng)力41.360 MPa相比，二者相差約0.622 MPa，差值較小，說明初始反演時擬定的應(yīng)力邊界值較為合理，但仍需作進一步調(diào)整。由于切向應(yīng)力反演值略大于實測值，故逐步減小豎向初始應(yīng)力值，采用步距為0.05 MPa的等迭代。

按照圖2所示迭代反演流程，擬定出后續(xù)數(shù)值仿真過程，采用等步距迭代，調(diào)整迭代計算中相應(yīng)的豎向及水平初始應(yīng)力值。迭代反演得到洞壁切向應(yīng)力仿真計算值，以及與實測值間的差值百分比，如表5所示。

表5 DK1687+240斷面迭代反演過程

綜合比較分析，迭代步5的反演應(yīng)力值與現(xiàn)場實測值誤差縮小到允許范圍內(nèi)。因此，可近似認(rèn)為迭代步5下的應(yīng)力邊界條件即為初始應(yīng)力場。

據(jù)此得到隧道DK1687+240斷面的初始應(yīng)力場豎向應(yīng)力σx=20.35 MPa，水平應(yīng)力σy=17.908 MPa，側(cè)壓力系數(shù)λ=0.88。即得到DK1686+240～DK1687+930段的初始應(yīng)力場分布情況。

結(jié)合我國工程巖體分級基準(zhǔn)中的高地應(yīng)力分級標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)段面巖石強度應(yīng)力比σc/σ1=5.23(σc為巖石單軸抗壓強度，該區(qū)段σc=106.38 MPa)，判別屬于高地應(yīng)力區(qū)。以盧森判據(jù)、王元漢及王蘭生判據(jù)為基礎(chǔ)[21]，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及應(yīng)力判據(jù)，DK1686+240～DK1687+930段有可能發(fā)生巖爆，等級為輕微巖爆。

2.2 軟巖隧道中初始應(yīng)力場反演分析

桐木隧道DK1705+810～DK1706+448段(圖7)為千枚巖地層，巖體強度低，巖質(zhì)較軟，屬較軟巖地層。埋深約230 m，總體變化范圍不大。因該區(qū)段隧道斷面較小，故未設(shè)仰拱。

圖7 DK1705+810～DK1706+448縱斷面

現(xiàn)場應(yīng)力解除法(同上)測試所得應(yīng)變增量，如表6所示，利用彈塑性理論公式[22]計算得到洞壁二次應(yīng)力，如表7所示。

表6 應(yīng)力解除法測得應(yīng)變增量 με

表7 DK1706+180斷面的洞壁二次應(yīng)力 MPa

如前文所述，軟巖隧道的反演分析應(yīng)以位移為主，根據(jù)現(xiàn)場的實測信息獲取圍巖變形全過程位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，如表8所示。

表8 圍巖變形監(jiān)測位移數(shù)據(jù) mm

根據(jù)軟巖隧道的洞室輪廓建立數(shù)值分析模型，如圖8所示，并初步判斷初始應(yīng)力場側(cè)壓力系數(shù)λ≈0.86。根據(jù)小孔應(yīng)力公式初步得到初始應(yīng)力邊界值，如表9所示。

圖8 軟巖隧道反演計算模型及約束施加方式

表9 DK1706+180 斷面初始反演時應(yīng)力邊界值

圍巖參數(shù)的選取原則同硬巖隧道一致，根據(jù)《桐木隧道地質(zhì)勘察報告》并結(jié)合TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》確定地應(yīng)力測試段巖體的物理力學(xué)指標(biāo)，如表10所示。

表10 測試段巖體的物理力學(xué)指標(biāo)

依據(jù)軟巖隧道初始應(yīng)力場反演分析流程，得初始應(yīng)力邊界值下的洞周位移及洞壁切向應(yīng)力云圖，如圖9、圖10所示。

圖9 初始應(yīng)力邊界水平(上)和豎向(下)位移云圖(單位：m)

圖10 初始應(yīng)力邊界值下洞壁切向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖9、圖10可以看出：隧道開挖后，洞壁周邊收斂值為21.49 mm，與現(xiàn)場實測收斂值20.28 mm較接近，但拱頂沉降7.12 mm與現(xiàn)場實測沉降值17.52 mm差別較大，故應(yīng)調(diào)整豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力比值，即調(diào)整側(cè)壓力系數(shù)λ值；在初始應(yīng)力邊界值下，洞壁以受壓為主，邊墻監(jiān)測點切向應(yīng)力為4.962 MPa，與現(xiàn)場實測應(yīng)力11.557 MPa二者相差約6.595 MPa，差值較大，說明初始反演時擬定的應(yīng)力邊界值較小，后續(xù)計算工況需適當(dāng)調(diào)高應(yīng)力邊界值。根據(jù)差值的大小，調(diào)整初始豎向應(yīng)力值為12.374 MPa，λ為0.6，得初始水平應(yīng)力為7.424 MPa。

在調(diào)整后的迭代步2應(yīng)力邊界條件下，洞壁周邊收斂為25.21 mm，與實測的洞壁周邊收斂值20.28 mm相差較大，而拱頂沉降為18.02 mm和實測沉降值17.52 mm差別較小，故還需繼續(xù)調(diào)整側(cè)壓力系數(shù)λ；洞壁切向應(yīng)力值為11.702 MPa，與洞壁實測應(yīng)力11.557 MPa二者相差約0.145 MPa，差值較小，說明工況2反演時擬定的應(yīng)力邊界值大小較合理，但仍需作進一步調(diào)整。采用等步距迭代，逐步減小豎向初始應(yīng)力。

根據(jù)上述分析，調(diào)整豎向應(yīng)力和側(cè)壓力系數(shù)λ，可得調(diào)整后水平應(yīng)力值。按照迭代參數(shù)及其應(yīng)力邊界條件，進行后續(xù)應(yīng)力邊界調(diào)整，最終得到迭代步7和迭代步8下反演應(yīng)力值與現(xiàn)場實測值較為符合，如表11所示。但由于軟巖條件下，拱頂沉降與拱腰收斂為主要控制指標(biāo)，而洞壁二次應(yīng)力為輔助指標(biāo)，故應(yīng)優(yōu)先考慮位移條件。而迭代步8下的反演位移值與現(xiàn)場監(jiān)測值最為符合，如表12、圖11所示。因此，可近似認(rèn)為迭代步8下的應(yīng)力邊界條件即為初始應(yīng)力場。

表11 DK1706+180斷面應(yīng)力迭代反演過程

表12 DK1706+180斷面位移迭代反演過程

圖11 洞周位移反演值與實測值對比曲線

結(jié)合我國工程巖體分級基準(zhǔn)中高地應(yīng)力分級標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)段面巖石強度應(yīng)力比σc/σ1=4.30(σc為巖石單軸抗壓強度)，判別亦屬于高地應(yīng)力區(qū)。

3 結(jié)論

通過對軟、硬巖地下工程開挖后的洞室應(yīng)力場及位移場特征分析，結(jié)合現(xiàn)場實測信息，提出了基于現(xiàn)場實測信息進行軟、硬巖隧道初始應(yīng)力場反演分析的主控指標(biāo)及方法，并分別以蒙華鐵路軟、硬巖隧道為例進行分析，得出以下結(jié)論。

(1)從現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來看，硬巖隧道施工中，洞壁二次切向應(yīng)力測試非常重要，其直接反映了隧道是否處于高地應(yīng)力狀態(tài)以及發(fā)生巖爆的可能性和巖爆等級。故硬巖隧道進行初始應(yīng)力場反演分析時，應(yīng)以洞壁二次應(yīng)力測試值為主控指標(biāo)。

(2)相比硬巖隧道，軟巖隧道中位移的監(jiān)控更為重要，是評判軟巖隧道地應(yīng)力場大小的主要依據(jù)。但洞壁二次切向應(yīng)力測試也不可缺少，是作為評判軟巖隧道地應(yīng)力場大小的參考依據(jù)。故軟巖隧道初始應(yīng)力場反演分析時，應(yīng)以洞周位移為主控指標(biāo)，洞壁二次應(yīng)力測試值為輔。