高地應(yīng)力作用下渭武高速木寨嶺隧道圍巖大變形災(zāi)變預(yù)測(cè)分析研究

范玉璐， 曹佳文， 余 順， 豐成君， 張 鵬， 孟 靜，戚幫申， 王惠卿

1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；

2.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038；

3.自然資源部活動(dòng)構(gòu)造與地質(zhì)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；

4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局新構(gòu)造與地殼穩(wěn)定性研究中心，北京 100081；

5.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037；

6.北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028；

7.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081

0 引言

為滿足西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活需求，近年來(lái)，中國(guó)路網(wǎng)建設(shè)的重心逐步由東部平原向西部強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)山區(qū)轉(zhuǎn)移。西部山區(qū)斷裂發(fā)育、巖體破碎，區(qū)域應(yīng)力高且多變，高地應(yīng)力環(huán)境下軟弱圍巖大變形成為困擾越嶺隧道建設(shè)的主要難題之一（彭建兵等，2020；王棟等，2021；陽(yáng)映等，2021；李彬等，2022）。

木寨嶺位于甘肅省定西市岷縣，區(qū)內(nèi)斷裂密布、巖體破碎，地層巖性以板巖、炭質(zhì)板巖等軟巖為主（范玉璐，2017），在建渭武高速木寨嶺隧道（高速公路隧道）和已建蘭渝鐵路木寨嶺隧道（鐵路隧道）走向相近、間隔較小，建設(shè)過(guò)程中均存在嚴(yán)重的圍巖大變形問(wèn)題（葉康慨，2018；李劍超，2019），圍巖變形量級(jí)遠(yuǎn)超現(xiàn)行規(guī)范對(duì)大變形的常規(guī)判識(shí)，給隧道建設(shè)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)（Chen et al.，2020；王永剛等，2020），導(dǎo)致目前渭武高速木寨嶺隧道工程進(jìn)度遲緩。

圍繞圍巖大變形問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者開展了大量研究（Saari，1982；Anagnostou，1993；Yang et al.，2017；Cao et al.，2018；趙東等，2022）。Terzaghi（1946）針對(duì)隧道圍巖大變形機(jī)制進(jìn)行研究，提出擠出性圍巖和膨脹性圍巖的概念；Tanimoto（1984）將軟弱圍巖擠壓大變形視為巖石的彈-塑性力學(xué)行為；Aydan et al.（1996）認(rèn)為巖石擠出現(xiàn)象是原巖應(yīng)力下圍巖的一種力學(xué)表現(xiàn)；何滿潮等（2002）依據(jù)工程地質(zhì)條件及軟巖大變形特征，將圍巖大變形機(jī)制歸納為3類，分別為巖石材料相關(guān)的物化膨脹機(jī)制、工程應(yīng)力相關(guān)的應(yīng)力擴(kuò)容機(jī)制和圍巖結(jié)構(gòu)相關(guān)的結(jié)構(gòu)變形機(jī)制。盡管目前對(duì)于隧道大變形尚未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)（李鵬飛等，2014；方星樺等，2020；李志軍等，2020），但普遍認(rèn)為高地應(yīng)力環(huán)境和低巖體強(qiáng)度是導(dǎo)致圍巖大變形的主要因素。以往在木寨嶺工程區(qū)開展的地應(yīng)力測(cè)量工作表明工程區(qū)為高地應(yīng)力環(huán)境（巨小強(qiáng)，2010；張鵬等，2017；李劍超，2019），李建偉等（2012）、胡元芳等（2013）對(duì)工程區(qū)主要巖石的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試研究；王永剛等（2020）基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了蘭渝鐵路木寨嶺隧道圍巖大變形分布特征，表明圍巖大變形主要發(fā)生在斷裂破碎帶、炭質(zhì)板巖段等巖體強(qiáng)度低的區(qū)段?；诠こ虆^(qū)的圍巖巖性、地應(yīng)力場(chǎng)和地質(zhì)構(gòu)造等多方面綜合分析認(rèn)為，高地應(yīng)力環(huán)境和較低的巖體強(qiáng)度是木寨嶺工程區(qū)隧道圍巖大變形的根本原因（孫紹峰，2012；張波，2014）。

解決圍巖大變形問(wèn)題的關(guān)鍵是查明工程區(qū)地應(yīng)力環(huán)境，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性等問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，進(jìn)而為隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù)（劉佑榮和唐輝明，1999）。但工程區(qū)現(xiàn)有研究主要聚焦在革新施工技術(shù)、改進(jìn)支襯方式及優(yōu)化支護(hù)參數(shù)等工程技術(shù)方面（李沿宗等，2011；黃明利等，2016；陶志剛等，2020；張林成，2022），而對(duì)隧道沿線地應(yīng)力場(chǎng)變化特征研究甚少，斷裂、巖體強(qiáng)度、地形等對(duì)工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的影響機(jī)制未見(jiàn)詳細(xì)闡述，對(duì)隧道圍巖巖體應(yīng)力環(huán)境、圍巖變形量等圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題也缺少系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

為此，文章綜合考慮地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和地形地貌等條件，首先利用ANSYS有限元軟件建立木寨嶺工程區(qū)三維地質(zhì)模型，基于地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演工程區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)，分析高速公路隧道軸線位置的地應(yīng)力場(chǎng)非均勻性特征及主要影響因素；其次依據(jù)地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果，研判高速公路隧道沿線圍巖的應(yīng)力等級(jí)，分析最大水平主應(yīng)力方向?qū)λ淼绹鷰r穩(wěn)定性的影響，然后依據(jù)Hoek圍巖變形預(yù)測(cè)公式計(jì)算鐵路隧道初襯后圍巖變形量，并結(jié)合鐵路隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相互印證；最后對(duì)高速公路隧道施工過(guò)程中可能產(chǎn)生的圍巖變形量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。研究成果可為解決渭武高速木寨嶺隧道圍巖大變形問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)、為保障隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工提供技術(shù)支撐，也對(duì)中國(guó)西南強(qiáng)構(gòu)造-高地應(yīng)力軟巖類隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要的參考價(jià)值。

1 工程地質(zhì)特征

木寨嶺工程區(qū)所在的西秦嶺地區(qū)位于祁連、柴達(dá)木、巴彥喀拉和鄂爾多斯等地塊交匯區(qū)，同時(shí)受印度板塊和太平洋板塊向歐亞板塊俯沖擠壓作用影響，構(gòu)造應(yīng)力集中（Tapponnier et al.，2001；戚幫申等，2016），北西向斷裂密集發(fā)育，且全新世以來(lái)活動(dòng)強(qiáng)烈，區(qū)內(nèi)主要活動(dòng)斷裂有西秦嶺北緣斷裂、美武-新寺斷裂帶、臨潭-宕昌斷裂和光蓋山-迭山斷裂（圖1；張培震等，2002），同時(shí)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引發(fā)西秦嶺地區(qū)海相沉積地層強(qiáng)烈的動(dòng)力變質(zhì)作用，致使區(qū)內(nèi)板巖、千枚巖等變質(zhì)軟巖密集分布、巖體破碎（時(shí)毓，2012）。

a—西秦嶺地區(qū)活動(dòng)斷裂分布圖；b—工程區(qū)及鄰區(qū)斷裂分布圖；c—工程區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖圖1 木寨嶺工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Regional geological and structural diagram of the Muzhailing engineering area(a) Distribution of active faults in the West Qinling area; (b) Geotectonic outline of the engineering area and adjacent areas; (c) Geological sketch of the engineering area

木寨嶺工程區(qū)縱剖面圖（圖2）揭示：工程區(qū)分布有美武-新寺斷裂帶（F2）及其次級(jí)斷裂（f10—f16）共計(jì)11條，均為北西向陡傾角逆斷層，斷裂破碎帶寬度為160～934 m（范玉璐，2017）。地層巖性以板巖、炭質(zhì)板巖等軟巖為主，局部出露砂巖等硬巖，區(qū)內(nèi)巖體極其破碎，以薄層狀構(gòu)造為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部含泥化夾層及層間擠壓破碎帶，板巖及炭質(zhì)板巖遇水易軟化崩解（陶志剛等，2020）。地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明，工程區(qū)總體處于高地應(yīng)力環(huán)境，最大水平側(cè)壓力系數(shù)為1.39～6.42，水平應(yīng)力占主導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E34°—55°，平均NE44°（巨小強(qiáng)，2010；張鵬等，2017；李劍超，2019）。

F2—美武-新寺斷裂帶；f10—f16—美武-新寺斷裂帶次級(jí)斷裂圖2 木寨嶺工程區(qū)縱剖面圖（剖面位置見(jiàn)圖1）Fig.2 Longitudinal section of the Muzhailing engineering area (The position of the longitudinal section is shown in Fig.1)

在建高速公路隧道全長(zhǎng)約為15.2 km，隧道海拔為2435～2647 m，洞身最大埋深約為629 m，隧道總體走向?yàn)镾W19°，與已建鐵路隧道走向相近，間隔為0.7～1.2 km（李劍超，2019）。綜合考慮工程區(qū)構(gòu)造分布、巖體條件和鐵路隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)情況，將f10斷裂至f15-1斷裂之間劃為強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)，剩余部分為弱構(gòu)造變形區(qū)（圖2），強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)斷裂密布，斷裂間擠壓構(gòu)造帶巖體較為破碎、力學(xué)性質(zhì)差，弱構(gòu)造變形區(qū)斷裂發(fā)育較少，巖體相對(duì)完整、力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較好。

2 高速公路隧道沿線地應(yīng)力場(chǎng)特征分析研究

通過(guò)收集工程區(qū)已有地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并基于地質(zhì)資料建立工程區(qū)三維地質(zhì)模型，開展地應(yīng)力場(chǎng)反演分析，以查明高速公路隧道沿線地應(yīng)力場(chǎng)分布特征。

2.1 工程區(qū)已有地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

工程區(qū)共收集到7個(gè)鉆孔共20個(gè)深度段的地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（巨小強(qiáng)，2010；范玉璐，2017；李佳琪，2019），地應(yīng)力測(cè)量方法均采用水壓致裂法。鉆孔位置如圖3a所示，除S-SK03鉆孔布設(shè)在高速公路隧道沿線外，其余6個(gè)鉆孔均布設(shè)在鐵路隧道沿線。

地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示：工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力方向以北東向?yàn)橹?，三向主?yīng)力大小關(guān)系均表現(xiàn)為SH>Sh>SV，表明工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)以水平擠壓為主，相應(yīng)變形樣式主要為逆沖型。同時(shí)，地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，相鄰測(cè)孔的地應(yīng)力量值差異較大，不相鄰測(cè)孔在埋深相近的深度段應(yīng)力值也差異較大，說(shuō)明工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜多變，僅依靠現(xiàn)有地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)并不能對(duì)工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)?？紤]到工程區(qū)斷裂發(fā)育、地形起伏較大，已有地應(yīng)力實(shí)測(cè)鉆孔偏少、數(shù)據(jù)相對(duì)離散，應(yīng)基于地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬手段對(duì)工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，以獲取高速公路隧道沿線的構(gòu)造應(yīng)力分布特征。

表1 工程區(qū)已有地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Measures in-situ stress data in the engineering area

2.2 模型建立與應(yīng)力場(chǎng)反演

采用ANSYS有限元軟件構(gòu)建三維地質(zhì)模型并開展地應(yīng)力場(chǎng)反演分析。模型如圖3所示：規(guī)定ANSYS有限元軟件整體坐標(biāo)系X軸代表正東方向，Y軸代表正北方向，模型尺寸20000 m×9000 m，底面設(shè)在海拔-2000 m處（Z=-2000），模型長(zhǎng)邊走向NE44°，與區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向保持一致。數(shù)值模擬選用線彈性本構(gòu)模型，選用Solid 185三維實(shí)體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共得到單元635025個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)152537個(gè)。

依據(jù)木寨嶺工程區(qū)工程地質(zhì)資料（王建軍和黃勇，2009）和工程區(qū)及鄰區(qū)已有研究成果（趙德安等，2009；胡元芳等，2013；余云燕等，2015）確定圍巖分級(jí)和巖體力學(xué)參數(shù)。巖體共分為Ⅲ級(jí)圍巖、Ⅳ級(jí)圍巖、Ⅴ級(jí)圍巖、碎裂巖帶和斷裂破碎帶5個(gè)等級(jí)，其中f10、f11和f12 斷裂走向相近且間隔小，同時(shí)f11和f12斷裂相互切割，f14-1和f14-2 斷裂間隔小且寬度均近千米，分別將這2組斷裂所在里程段圍巖合并作為碎裂巖帶（SL-1、SL-2），碎裂巖帶圍巖巖體強(qiáng)度介于Ⅴ級(jí)圍巖和斷裂破碎帶之間。Ⅲ級(jí)圍巖巖性以砂巖為主，Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖巖性以板巖夾炭質(zhì)板巖為主，碎裂巖帶和斷裂破碎帶內(nèi)巖體破碎，圍巖巖性也以板巖夾炭質(zhì)板巖為主。計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)表Table 2 Mechanical parameters of rock mass

地應(yīng)力場(chǎng)反演首先對(duì)計(jì)算模型整體附加重力加速度，并對(duì)模型4個(gè)側(cè)面及底面施加法向位移約束，進(jìn)行重力場(chǎng)反演。然后清除計(jì)算模型2個(gè)相鄰側(cè)面的法向位移約束，并基于鉆孔實(shí)測(cè)水平主應(yīng)力擬合梯度值對(duì)兩側(cè)面分別施加法向水平梯度載荷，考慮到僅有S-SK03鉆孔數(shù)據(jù)隨深度分布較為均勻且數(shù)據(jù)量較多，主應(yīng)力隨深度變化擬合梯度值較為合理，并且該鉆孔布設(shè)于高速公路隧道軸線位置，因此法向水平梯度載荷的添加僅參考S-SK03鉆孔，S-SK03鉆孔實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力隨深度變化的擬合梯度值分別為0.0441和0.0307。對(duì)非加載側(cè)面和底面的邊界約束條件與重力場(chǎng)反演時(shí)保持一致，進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演，通過(guò)不斷調(diào)試，直至各測(cè)孔主應(yīng)力反演值與地應(yīng)力實(shí)測(cè)值達(dá)到最大限度的擬合，同時(shí)，應(yīng)力方向也與區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)方向近似一致。

各測(cè)孔地應(yīng)力反演值與實(shí)測(cè)值對(duì)比情況如表3所示。反演值與實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)較好，相對(duì)誤差總體控制在20%以內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力方向反演值與實(shí)測(cè)值也基本保持一致，說(shuō)明此次模擬反演獲得的木寨嶺工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)是合理、可靠的，可以滿足工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分析和圍巖穩(wěn)定性研究。

表3 地應(yīng)力實(shí)測(cè)值與反演值比較Table 3 Comparison of measured and regressive in-situ stress

同時(shí)，計(jì)算結(jié)果不可避免的會(huì)受到模型尺寸和邊界效應(yīng)影響，導(dǎo)致模型外圍地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果誤差較大。B1、B2測(cè)孔位置距離計(jì)算模型邊界約1.6 km，地應(yīng)力反演值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差大于20%，而B3測(cè)孔距離計(jì)算模型邊界約1.8 km，反演值和實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)較好，因此初步確認(rèn)邊界效應(yīng)的影響范圍不超過(guò)1.8 km。

提取工程區(qū)三向主應(yīng)力云圖和海拔為2400 m、2500 m和2600 m水平面的最大水平主應(yīng)力方向分布圖（高速公路隧道軸線海拔高度在2435～2647 m之間），如圖4所示：工程區(qū)淺層主應(yīng)力大小關(guān)系為SH>Sh>SV，最大水平主應(yīng)力方向總體為北東向，與地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果相一致。工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)總體受斷裂構(gòu)造控制，局部受巖體強(qiáng)度和地形的雙重影響，強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)最大水平主應(yīng)力值普遍低于弱構(gòu)造變形區(qū)，溝谷處應(yīng)力較易集中。同時(shí)最大水平主應(yīng)力方向在斷裂附近多發(fā)生不同程度偏轉(zhuǎn)，整體傾向于平行斷層走向，而在斷裂間擠壓構(gòu)造帶附近多偏轉(zhuǎn)為北東東—東西向。

a—SH云圖；b—Sh云圖；c—SV云圖；d—海拔2400 m平面SH方向分布圖；e—海拔2500 m平面SH方向分布圖；f—海拔2600 m平面SH方向分布圖圖4 木寨嶺工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布特征Fig.4 Characteristics of in-situ stress field in the Muzhailing engineering area(a) Contours of SH; (b) Contours of Sh; (c) Contours of SV; (d) SH orientation distribution at an altitude of 2400 m; (e) SH orientation distribution at an altitude of 2500 m; (f) SH orientation distribution at an altitude of 2600 m

2.3 隧道軸線地應(yīng)力場(chǎng)特征

為便于敘述，以斷裂破碎帶和碎裂巖帶為界，將高速公路隧道細(xì)分為14段，包括強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)（G1—G13區(qū)段）和弱構(gòu)造變形區(qū)（G14區(qū)段）兩部分。沿隧洞軸線提取主應(yīng)力剖面云圖，并沿隧道軸線方向以20.0m為間隔提取主應(yīng)力大小和方向數(shù)據(jù)，具體如圖5和表4所示。

表4 高速公路隧道軸線位置地應(yīng)力分段統(tǒng)計(jì)Table 4 Sectional statistics of in-situ stress of the highway tunnel axis position

SL-1、SL-2—破碎巖帶；f13—f16—美武-新寺斷裂帶次級(jí)斷裂；G1—G14—變形區(qū)段編號(hào)a—隧道軸線縱剖面SH云圖；b—隧道軸線縱剖面Sh云圖；c—隧道軸線縱剖面SV云圖；d—隧道軸線SH方向圖5 高速公路隧道軸線主應(yīng)力云圖及最大水平主應(yīng)力方向Fig.5 Stress contours and orientation of SH along the highway tunnel axis(a) SH cloud chart of longitudinal section of the tunnel axis; (b) Sh cloud chart of longitudinal section of the tunnel axis; (c) SV cloud chart of longitudinal section of the tunnel axis; (d) SH orientation of the tunnel axis

地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果表明，沿隧道軸線分布的地應(yīng)力場(chǎng)并未顯示出主應(yīng)力值隨埋深增加而增大的分布特征，地應(yīng)力場(chǎng)主要受斷裂構(gòu)造控制，此外還受到巖體強(qiáng)度和地形的影響。強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)斷裂分布密集，水平主應(yīng)力值總體低于弱構(gòu)造變形區(qū)，并且在斷裂帶附近出明顯降低。巖體強(qiáng)度相對(duì)差的區(qū)段，其水平主應(yīng)力值普遍低于相鄰區(qū)段。在同一圍巖等級(jí)的區(qū)段水平主應(yīng)力值則表現(xiàn)為隨埋深增加而增大。最大水平主應(yīng)力方向主要受斷裂構(gòu)造控制，斷裂破碎帶是最大水平主應(yīng)力方向調(diào)整區(qū)，在斷裂附近最大水平主應(yīng)力方向會(huì)發(fā)生傾向于平行斷裂走向的偏轉(zhuǎn)，而在斷裂破碎帶內(nèi)則發(fā)生傾向于垂直斷裂走向的偏轉(zhuǎn)。

沿隧道軸線三向主應(yīng)力大小關(guān)系為SH>Sh>SV，表明水平應(yīng)力占主導(dǎo)作用。強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)水平主應(yīng)力值低于弱構(gòu)造變形區(qū)，最大水平主應(yīng)力值為16.95～25.49 MPa，最小水平主應(yīng)力值為14.33～23.26 MPa，最大水平主應(yīng)力值在G8區(qū)段最大，為22.77～25.49 MPa，而在f14斷裂上盤（G6區(qū)段）和f15-1斷裂（G11區(qū)段）最小，為16.95～21.19 MPa；弱構(gòu)造變形區(qū)水平主應(yīng)力值自G12區(qū)段開始逐漸增大，直至G14中段開始因埋深減小而逐漸降低，最大水平主應(yīng)力值為27.92～38.27 MPa，最小水平主應(yīng)力值為15.76～22.45 MPa。

強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)最大水平主應(yīng)力方向在斷裂破碎帶和碎裂巖帶區(qū)段以北東向?yàn)橹?，而在斷裂間擠壓構(gòu)造帶主應(yīng)力方向多偏轉(zhuǎn)為北東東—近東西向，弱構(gòu)造變形區(qū)除G12區(qū)段因斷裂影響主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|東—近東西向外，其余區(qū)段最大水平主應(yīng)力方向主要集中在NE32.8°—44.2°。

參照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218）（中華人民共和國(guó)水利部，2015），將圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比（Rc/σmax）作為評(píng)價(jià)巖體初始應(yīng)力影響的定量指標(biāo)，其中Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，σmax為垂直洞軸線方向的最大初始應(yīng)力。各級(jí)圍巖Rc值依據(jù)隧道工程區(qū)巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行估算（胡元芳等，2013），主要巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度值（IS(50)）如表5所示。

表5 圍巖點(diǎn)荷載強(qiáng)度取值表Table 5 Values of point load strength of tunnel surrounding rocks

高速公路隧道圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果如表6所示。隧道全線Rc/σmax比值均小于4，其中強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)Rc/σmax比值為1.33～3.06，弱構(gòu)造變形區(qū)Rc/σmax比值為1.85～3.29，表明高速公路隧道全線存在發(fā)生圍巖大變形的初始應(yīng)力條件。

表6 高速公路隧道沿線圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比Table 6 Ratio of surrounding rock strength along the highway tunnel

3 隧道圍巖大變形預(yù)測(cè)

3.1 方法與參數(shù)確定

圍巖大變形作為高地應(yīng)力區(qū)軟巖隧洞工程時(shí)常遇到且最難控制的災(zāi)害之一，如何依據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料預(yù)判圍巖變形等級(jí)和變形量成為解決圍巖大變形問(wèn)題的關(guān)鍵。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外提出了諸多解決方法（王成虎等，2011；孫元春等，2012）。

Singh et al.（1992）提出考慮重力因素和巖體質(zhì)量分級(jí)的預(yù)測(cè)公式，Jimenez and Recio（2011）在此基礎(chǔ)上采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)公式進(jìn)行了修正，Goel et al.（1995）也提出了類似公式，并考慮了隧道斷面尺寸；Wood（1972）提出以巖塊單軸抗壓強(qiáng)度與上覆巖體自重應(yīng)力的比值作為評(píng)價(jià)隧道穩(wěn)定性的指標(biāo)；考慮到巖塊單軸抗壓強(qiáng)度一般并不能代表巖體強(qiáng)度，Jethwa et al.（1984）建議采用巖體單軸抗壓強(qiáng)度與上覆地壓之比作為預(yù)測(cè)指標(biāo)，張祉道（2003）則建議選取巖體抗壓強(qiáng)度與地應(yīng)力（隧道斷面上最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力平均值）的比值作為預(yù)測(cè)指標(biāo)；Hoek（2001）利用軸對(duì)稱有限元分析法對(duì)大量巖體進(jìn)行了分析，得到在有支護(hù)壓力、原地應(yīng)力作用下隧道圍巖的相對(duì)變形預(yù)測(cè)公式。通過(guò)對(duì)比評(píng)判上述諸多方法，Hoek（2001）提出的變形預(yù)測(cè)公式考慮支護(hù)應(yīng)力、原地應(yīng)力、巖體強(qiáng)度和巖體質(zhì)量分級(jí)等諸多因素，相對(duì)較為全面；并且該方法把變形預(yù)測(cè)值與圍巖擠壓變形程度聯(lián)系到一起，便于工程應(yīng)用（王成虎等，2011）。因此，文中采用Hoek圍巖變形預(yù)測(cè)公式開展隧道圍巖大變形預(yù)測(cè)，公式如下所示：

式中：εt—相對(duì)變形量；p0—原巖應(yīng)力；pi—隧道襯砌支護(hù)抗力，參照工程地質(zhì)資料，pi/p0取0.1（Hoek and Marinos，2000；胡元芳等，2013）；σcm—巖體單軸抗壓強(qiáng)度；σci—原巖單軸抗壓強(qiáng)度，可基于圍巖點(diǎn)荷載強(qiáng)度進(jìn)行估算；mi—Hoek-Brown常數(shù)，反映巖石材料摩擦特性；GSI—地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，反映巖體質(zhì)量分級(jí)特點(diǎn)。圍巖變形分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表7所示。

表7 圍巖大變形分級(jí)表Table 7 Large deformation classification table

公式（2）中，mi和GSI 2個(gè)參數(shù)的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響巨大，Hoek（2001）通過(guò)對(duì)大量巖石三軸試驗(yàn)資料和巖體現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出各類巖石對(duì)應(yīng)的mi值和不同結(jié)構(gòu)、風(fēng)化程度、完整性的巖體對(duì)應(yīng)的GSI值?；诠こ虆^(qū)各類巖體實(shí)際情況，參照Hoek-Brown常數(shù)mi估算表和地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)GSI估算表（Hoek and Marinos，2000；王建軍和黃勇，2009；胡元芳等，2011），選定各級(jí)圍巖對(duì)應(yīng)的mi值和GSI值，如表8所示。

表8 巖體強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)估值表Table 8 Estimation of rock mass strength calculation parameters

為驗(yàn)證參數(shù)取值是否合理，在針對(duì)高速公路隧道開展圍巖大變形預(yù)測(cè)分析前，先基于地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果和Hoek（2001）圍巖變形預(yù)測(cè)公式計(jì)算鐵路隧道沿線圍巖變形量，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)上基本吻合，圍巖大變形主要分布在強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)，斷裂破碎帶和碎裂巖帶是變形最劇烈的區(qū)段，其次是斷裂間擠壓構(gòu)造帶，變形量值主要集中在20～70 cm之間。說(shuō)明結(jié)合工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果和Hoek圍巖變形預(yù)測(cè)公式的隧道圍巖大變形分析是可靠的，參數(shù)的選取也是合理的，可以用于高速公路隧道圍巖大變形的預(yù)測(cè)分析。

F2—美武- 新寺斷裂帶；SL-1、SL-2—破碎巖帶；f13—f16—美武- 新寺斷裂帶次級(jí)斷裂圖6 鐵路隧道圍巖大變形計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of large deformation of surrounding rocks of the railway tunnel

3.2 高速公路隧道圍巖大變形預(yù)測(cè)

根據(jù)公式（1）和公式（2），結(jié)合隧道沿線地應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果，高速公路隧道各區(qū)段圍巖初襯后變形量預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7和表9所示。

表9 高速公路隧道圍巖穩(wěn)定性分析結(jié)果分段統(tǒng)計(jì)Table 9 Sectional statistics of highway tunnel surrounding rock stability

SL-1、SL-2—破碎巖帶；f13—f16—美武-新寺斷裂帶次級(jí)斷裂；G1—G14—變形區(qū)段編號(hào)圖7 高速公路隧道圍巖變形量預(yù)測(cè)Fig.7 Prediction of surrounding rock deformation in the highway tunnel

（1）圍巖大變形主要分布在強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)，各斷裂破碎帶和碎裂巖帶是變形最劇烈的區(qū)段，其次為斷裂間擠壓構(gòu)造帶。變形量主要集中在中等和強(qiáng)烈2個(gè)等級(jí)，局部變形等級(jí)為輕微或極強(qiáng)，圍巖最大變形量為119.41 cm，最小變形量為12.69 cm。

（2）對(duì)隧道全線圍巖變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：變形量在10～30 cm段落占比為56.1%，30～50 cm段落占比為12.8%，50～80 cm占比為26.9%，80～120 cm占比為4.2%，隧道圍巖大變形量值主要集中在20～80 cm范圍內(nèi)（圖8）。（3）總體而言，輕微變形段主要出現(xiàn)在Ⅲ—Ⅳ級(jí)圍巖，中等變形段主要集中在Ⅴ級(jí)圍巖，強(qiáng)烈—極強(qiáng)變形段集中分布在斷裂破碎帶和碎裂巖帶，局部而言，斷裂破碎帶和碎裂巖帶外圍圍巖變形量遠(yuǎn)高于內(nèi)部，主要原因是內(nèi)部主應(yīng)力值低于外圍。圍巖變形分布特征表明圍巖變形受巖體強(qiáng)度和地應(yīng)力場(chǎng)的雙重影響，而巖體強(qiáng)度占主導(dǎo)作用，這與工程區(qū)已有研究成果相符。

圖8 高速公路隧道圍巖變形統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistical distribution of large deformation in the highway tunnel

4 討論

渭武高速公路木寨嶺隧道工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬選用線彈性本構(gòu)模型，主要考慮到地應(yīng)力場(chǎng)的彈性假設(shè)，同時(shí)工程區(qū)模型尺度較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且當(dāng)前涉及工程區(qū)巖體力學(xué)性質(zhì)的研究不足，相較于彈塑性本構(gòu)模型，彈性本構(gòu)模型盡管未考慮塑性破壞、應(yīng)力重分布等問(wèn)題，但所用參數(shù)少、易于確定，并能很好地解決實(shí)際問(wèn)題，因此更為適用。

已有研究表明地應(yīng)力場(chǎng)在斷裂附近會(huì)發(fā)生調(diào)整，最大水平主應(yīng)力方向在靠近斷裂區(qū)域易于發(fā)生傾向于平行斷層走向的偏轉(zhuǎn)，而在斷裂帶內(nèi)部則會(huì)發(fā)生傾向于垂直斷層走向的偏轉(zhuǎn)，同時(shí)斷裂帶內(nèi)的巖體力學(xué)性質(zhì)與上下兩盤圍巖相差越大，則斷裂對(duì)局部地應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)越大，應(yīng)力場(chǎng)方向變化越是復(fù)雜（蘇生瑞等，2002；顏天佑等，2018；陳世杰等，2020）。渭武高速木寨嶺隧道地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果與已有認(rèn)識(shí)相符，斷裂構(gòu)造是工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布特征的主控因素，對(duì)局部地應(yīng)力的量值和方向都有顯著的影響，沿隧道軸線主應(yīng)力方向在斷裂附近發(fā)生調(diào)整，同時(shí)以f14斷裂為例，斷裂下盤圍巖力學(xué)性質(zhì)相對(duì)強(qiáng)于上盤圍巖，最大水平主應(yīng)力方向也表現(xiàn)出在下盤區(qū)段的調(diào)整幅度相對(duì)上盤區(qū)段更大的分布特征。木寨嶺工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演分析結(jié)果不僅可以為解決高速公路隧道圍巖大變形問(wèn)題提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也進(jìn)一步探討了斷裂影響區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的特征。

高地應(yīng)力環(huán)境和低巖體強(qiáng)度兩大圍巖變形因素對(duì)渭武高速木寨嶺隧道不同區(qū)段的影響不盡相同。斷裂破碎帶和碎裂巖帶地應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力值相對(duì)偏低，主應(yīng)力方向與隧道走向相近，但受構(gòu)造活動(dòng)影響強(qiáng)烈，巖體破碎、巖體強(qiáng)度差，是全線圍巖大變形問(wèn)題最嚴(yán)重的區(qū)段；而斷裂間擠壓構(gòu)造帶巖體完整性相對(duì)較好，但主應(yīng)力值也相對(duì)偏高，主應(yīng)力方向也與隧道走向夾角過(guò)大，不利于隧道圍巖穩(wěn)定，建議在施工過(guò)程中，結(jié)合隧道各區(qū)段圍巖穩(wěn)定性特征適當(dāng)調(diào)整支護(hù)方案。隧道全線水平應(yīng)力占主導(dǎo)，隧道橫截面軸向應(yīng)力與垂向應(yīng)力比值主要分布在1.18～3.50之間，而斷裂破碎帶和碎裂巖帶區(qū)段比值為1.29～2.79，在隧道施工過(guò)程中面對(duì)圍巖變形量大的區(qū)段，建議參考隧道橫截面軸向應(yīng)力與垂向應(yīng)力比值結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整橫截面形狀，增大橫截面橫軸與縱軸的比值，用以抵消水平主應(yīng)力的作用，便于隧道圍巖穩(wěn)定。

文中渭武高速木寨嶺隧道圍巖變形量的預(yù)測(cè)結(jié)果可為解決木寨嶺工程區(qū)圍巖大變形問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)，為提高隧道施工進(jìn)度和防災(zāi)減災(zāi)提供保障。但受地質(zhì)模型不確定性和巖石物理力學(xué)參數(shù)不確定性的影響，各斷裂破碎帶和碎裂巖帶內(nèi)部圍巖變形量計(jì)算值差異性不明顯，并且木寨嶺工程區(qū)建模時(shí)并未按實(shí)際情況在模型中相應(yīng)的開挖出隧道空間，僅針對(duì)隧道軸線位置初始地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，并未考慮隧道開挖對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響，對(duì)渭武高速木寨嶺隧道和蘭渝鐵路木寨嶺隧道之間的相互影響也沒(méi)有研究。下一步將會(huì)針對(duì)這些科學(xué)問(wèn)題繼續(xù)開展研究工作，同時(shí)在此次研究成果基礎(chǔ)上，后續(xù)將采用彈塑性本構(gòu)模型對(duì)木寨嶺工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)及隧道圍巖穩(wěn)定性做進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

文中首先采用有限元軟件構(gòu)建木寨嶺工程區(qū)數(shù)值模型，反演分析工程區(qū)及高速公路隧道沿線地應(yīng)力場(chǎng)，然后結(jié)合Hoek圍巖變形預(yù)測(cè)公式計(jì)算分析渭武高速木寨嶺隧道圍巖變形量，主要結(jié)論如下。

（1）沿隧道軸線水平應(yīng)力占主導(dǎo)作用，強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)最大水平主應(yīng)力值在G8區(qū)段最大，為22.77～25.49 MPa，而在f14斷裂上盤（G6區(qū)段）和f15-1斷裂（G11區(qū)段）最小，為16.95～21.19 MPa；弱構(gòu)造變形區(qū)水平主應(yīng)力值自G12區(qū)段開始逐漸增大，直至G14中段開始因埋深減小而逐漸降低，最大水平主應(yīng)力值為27.92～38.27 MPa，最小水平主應(yīng)力值為15.76～22.45 MPa。強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)最大水平主應(yīng)力方向在斷裂破碎帶和碎裂巖帶區(qū)段以北東向?yàn)橹?，而在斷裂間擠壓構(gòu)造帶主應(yīng)力方向多偏轉(zhuǎn)為北東東—近東西向，弱構(gòu)造變形區(qū)除G12區(qū)段因斷裂影響主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|東—近東西向外，其余區(qū)段最大水平主應(yīng)力方向主要集中在NE32.8°—44.2°。

（2）沿隧道軸線分布的地應(yīng)力場(chǎng)主要受斷裂構(gòu)造控制，其次還受到巖體強(qiáng)度和地形的雙重影響。強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)水平主應(yīng)力值總體低于弱構(gòu)造變形區(qū)，同時(shí)水平主應(yīng)力值在巖體強(qiáng)度相對(duì)差的區(qū)段普遍低于相鄰區(qū)段，而在同一圍巖等級(jí)的區(qū)段則表現(xiàn)為隨埋深增加而增大。最大水平主應(yīng)力方向主要受斷裂構(gòu)造控制，斷裂破碎帶是最大水平主應(yīng)力方向調(diào)整區(qū)，在斷裂附近最大水平主應(yīng)力方向會(huì)發(fā)生傾向于平行斷裂走向的偏轉(zhuǎn)，而在斷裂破碎帶內(nèi)則發(fā)生傾向于垂直斷裂走向的偏轉(zhuǎn)。

（3）高速公路隧道圍巖變形預(yù)測(cè)分析結(jié)果顯示，隧道圍巖變形受巖體強(qiáng)度和地應(yīng)力場(chǎng)的雙重影響，其中巖體強(qiáng)度占主導(dǎo)作用。圍巖變形量主要集中在中等和強(qiáng)烈兩個(gè)等級(jí)，圍巖變形量值主要集中在20～80 cm范圍內(nèi)，各斷裂破碎帶和碎裂巖帶是隧道圍巖變形最劇烈的區(qū)段，其次是斷裂間擠壓構(gòu)造帶。