拉林铁路巴玉深埋隧道地应力场反演分析

王庆武，巨能攀，杜玲丽，黄健，蒋金阳

（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059；2.西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都610031）

拉林铁路巴玉深埋隧道地应力场反演分析

王庆武1，巨能攀1，杜玲丽2，黄健1，蒋金阳1

（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059；2.西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都610031）

基于区域构造应力环境和实测地应力成果，根据拉萨—林芝铁路巴玉深埋隧道地形起伏特征将工程区划分为3个区段，利用边界荷载调整法对各区段地应力场进行了反演分析。结果表明:除隧道进出口段外，地应力场均以竖向主应力为主，在隧道最大埋深处最大主应力值达到48 MPa；在隧道进出口段应力值较低，隧道轴线与最大水平主应力方向夹角较小，有利于隧道围岩的稳定；在隧道深埋段竖向主应力与水平主应力值均较高，且隧道轴线与最大水平主应力方向近于正交，不利于隧道围岩的稳定。

深埋隧道；地应力场；分区；反演分析；边界荷载调整法

地应力是地下工程重要的工程荷载来源，是围岩位移分布及破坏形式的控制性因素［1］。实测地应力是工程中获取地应力场的可靠途径，但受客观条件限制工程中难以开展大规模的现场实测。学者们提出了利用数值方法反演地应力场的众多思路［2-5］。其中边界荷载调整法通过调整在模型边界施加的荷载（位移）来使有限测点处地应力模拟计算值与实测值达到最佳拟合，由此获得所需求解的实际地应力场。边界荷载调整法充分考虑了区域复杂的工程地质环境，可获得较高的计算精度，在我国水利水电行业中应用广泛，但在铁路或公路隧道工程中的应用仍然较少［6］。

本文以区域构造应力环境和实测地应力成果为基础，利用边界荷载调整法完成了巴玉隧道工程区的地应力场反演工作，分析了隧道工程区地应力分布特征，并根据隧道轴线与主应力方向间的夹角对隧道围岩稳定性进行初步评价。

1　工程概况

巴玉隧道位于西藏自治区山南地区，隧道走向为104°，全长13 047 m，最大埋深2 073 m。隧道工程区岩性单一，大部分为中粒角闪黑云花岗岩，部分区段夹杂有极少量的伟晶岩脉。区内构造发育轻微，隧道于里程DK200+006左右近垂直穿越藏木断层，断层破碎带宽30～50 m。工程区地面标高3 260～5 500 m，高差近23 00 m，属于典型的高山峡谷地貌［7］。

2　地应力场特征综合分析

2.1构造应力环境

工程区位于青藏高原东南部，属于冈底斯-喜马拉雅地体，该地块处于印度板块与欧亚板块相碰撞的接合部，受印度板块向北东方向强烈的俯冲推挤作用，该区域现代构造应力表现为与之相应的近北东向的挤压应力［8］。在这一力源机制的作用下，区域内发育多组近东西和近南北方向的断裂构造带。工程区位置和周边主要地质构造示意如图1。

图1　工程区位置和周边主要地质构造示意

近东西方向的断裂构造多属于走滑、逆冲断层，规模较大，距离现今最近的活动在第四纪。近南北方向的断裂构造主要呈现出带状分布的特点，构成了SN或NNE向的拉张、剪切断裂带，规模相对较小，在第四纪晚期活动比较频繁，工程区内藏木断层走向为N14°W，属于剪切断裂带。对记录的新近发生地震的活动断层进行统计发现，大地震主要分布在走向为近SN或NNE向的断裂带上，在南北方向上呈带状分布。工程区现今地质构造活动主要受近南北向的晚第四纪活动断裂带控制。依据Anderson断层力学理论，符合这一理论特点的断层，最大主应力和断层面的夹角一般为23°～30°［9］，由此可推断隧道工程区构造应力方向可能为N20°W～N40°E，这一方向与隧道工程区控制性节理方向呈大角度相交，符合节理发育规律，验证了构造应力分析结果的准确性。

2.2实测地应力成果

为查明拉林铁路桑日—加查段现今地应力状态，于2015年在与巴玉隧道紧邻的桑珠岭隧道里程DK186+327处完成了DK-SZLSD-2钻孔的地应力现场测试。实测数据见表1［10］。

表1　DK-SZLSD-2钻孔地应力实测数据

由表1可见，该孔位处最大水平主应力在9.41～17.72 MPa，最小水平主应力在5.61～13.1 MPa，竖向主应力在5.34～15.13 MPa。在测量深度范围内三向主应力均随埋深的增加而增大，三向主应力值的关系总体为SH＞Sv＞Sh。该孔位处最大水平主应力优势方位为N9°W～N7°E向，与构造应力分析结果相吻合，证明了实测地应力结果合理。测点位置与工程区接近，因此钻孔DK-SZLSD-2的实测资料能够较好地反映工程区的地应力状态。

实测地应力资料较为离散，分析中常用的方法是对地应力实测数据作线性回归拟合。鉴于本次研究实测数据较少，笔者收集了工程区附近50个测点的地应力值进行拟合。竖向主应力Sv值一般按照上覆岩层重度估算，受构造作用的影响较小，故仅将最大、最小水平主应力按照埋深进行拟合，结果见式（1）。

3　隧道工程区地应力场三维反演

3.1模型建立及参数选取

模型底部固定Z向位移，上表面为自由面，侧面通过施加梯度应力来模拟东西、南北方向构造挤压作用。计算范围：沿隧道轴线方向选取15 000 m（X轴），垂直于轴向方向取5 000 m（Y轴），由高程2 700 m的位置竖直向上取至地表（Z轴）。模型岩体主要有2种：①分布于全工程区的花岗岩；②对隧道开挖施工影响较大的藏木断层破碎带。巴玉隧道计算模型见图2，总计单元数316 511个，节点数57 036个，计算时采用弹性本构模型。岩体力学参数取值通过工程类比和室内试验结果确定，见表2。

图2　巴玉隧道计算模型

表2　岩体力学参数

3.2反演方案设计

为提高反演结果准确性，将地质模型划分为3个区段进行反演（参见图2）。Ⅰ区位于隧道进口端，坐标范围为0＜x＜3 200 m，段内隧道平均埋深为1 100 m，地形陡峭，地表起伏较大。Ⅱ区范围为3 200 m＜x＜9 500 m，段内隧道平均埋深为1 800 m，地形为南高北低、坡度基本一致的斜坡。Ⅲ区范围为9 500 m＜x＜15 000 m，隧道平均埋深为1 300 m，区内包含了藏木断层破碎带。

根据2017年度北京、上海、湖北等7个试点城市碳排放交易中心平均成交价格22.33元·t-1计算，洱海流域碳储量经折算为森林吸收二氧化碳14841.14万t，其碳储量价值为3.314亿元，占洱海流域大理市和洱源县2016年度国内生产总值的0.8%。根据森林资源规划设计调查结果中各优势树种年净生长量计算的年碳储量为145987 t，其年储碳量价值1195.29万元。

分析表明，最大水平主应力方向为N20°W～N40°E，数值模拟时取中间值N10°E，隧道走向为104°，最大水平主应力方向近似为Y轴方向，因此在模型侧面对称施加沿X向、Y向的挤压应力来模拟构造应力场。调整边界条件使反演结果与实测数据统计分析结果达到最佳拟合。此时边界条件见表3。

表3　边界条件MPa

3.3反演结果分析

3.3.1地应力与埋深的关系

将表3中的应力边界条件载入FLAC3D中进行计算。结果表明：①最大水平主应力方向在N28°W～N42°E，和NE向的构造应力方向一致。②对数值模型中埋深＜600 m部位的应力计算值进行统计，取平均值。当埋深为100 m时，最大水平主应力为8.0 MPa，最小水平主应力为3.9 MPa；当埋深为300 m时，最大水平主应力为14.5 MPa，最小水平主应力为8.1 MPa；当埋深为600 m时，最大水平主应力为23.0 MPa，最小水平主应力为14.8 MPa。上述结果与按照式（1）计算的结果和钻孔实测结果高度吻合。可认为反演得到的工程区地应力场是合理的。

3.3.2地应力分布特征

隧道设计线路纵剖面应力分布云图见图3。由图可知：X轴方向主应力σx最大值达22.4 MPa，分布于隧道出口端河谷底部区域，在山顶及山谷的浅层岩体中局部出现拉应力；Y轴方向主应力σy在最大埋深处达到最大值28.7 MPa；Z轴方向主应力σz同样在最大埋深处达到最大值60.9 MPa。σy，σz随地形起伏应力云图变化梯度清晰，应力值在断层破碎带附近发生突降，形成应力松弛区。从数值上看，由于隧道埋深较大，隧道轴线位置岩体应力状态主要以Z轴方向主应力为主。

图3　隧道设计线路纵剖面应力分布云图

巴玉隧道设计线路海拔标高为3 400 m。图4为研究区域海拔标高3 400 m处主应力分布云图。可以看出：沿隧道轴线方向，最大主应力由最大埋深处向进出口端逐渐减小，在隧道最大埋深处最大主应力值达43.8 MPa，在隧道进出口段最大主应力值为15.5～20.5 MPa，藏木断层破碎带附近最大主应力值降至17 MPa左右；中间主应力在最大埋深处达到最大值21.6 MPa，隧道进出口段降至10.3～12.5 MPa；最小主应力值较小，在近河谷段为2.5～4.8 MPa，藏木断层附近约为5.5 MPa，其他段分布稳定，其值为8.3～11.6 MPa。

图4　研究区域海拔标高3 400 m处主应力分布云图

从主应力方向与隧道轴线间的夹角来看：在隧道进出口段水平应力起主导作用，隧道轴线与最大水平主应力方向夹角为15°～40°，且隧道埋深较小，主应力值偏低，有利于隧道围岩的稳定；在隧道深埋段，岩体应力场包含2个近水平向主应力，1个近竖向主应力，其中竖向主应力为最大主应力，量值较高，与上覆岩层自重相当，且隧道轴线与最大水平主应力方向近于正交，洞室围岩多处易发生失稳破坏。

4　结论

1）巴玉隧道沿线最大水平主应力方向以NE向为主。除隧道进出口段外，地应力场均以竖向主应力为主，在隧道最大埋深处最大主应力值达43.8 MPa，隧道施工过程中易发生高地应力灾害。

2）在隧道进出口段，应力值较低，隧道轴线与最大水平主应力方向夹角较小，有利于隧道围岩的稳定。在隧道深埋段，竖向主应力与最大水平主应力值均较高，且隧道轴线与最大水平主应力方向近正交，不利于隧道围岩稳定。建议对隧道线路走向作进一步优化。

［1］汪波，何川，吴德兴，等.苍岭特长公路隧道地应力场反演分析［J］.岩土力学，2012，33（2）：628-634.

［2］王志杰，许瑞宁，袁晔，等.高地应力条件下隧道施工方法研究［J］.铁道建筑，2015（9）：50-52.

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［5］王成虎，邢博瑞，陈永前.长大深埋隧道工程区地应力状态预测与实例分析［J］.岩土工程学报，2014，36（5）：955-960.

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［7］中铁二院工程集团有限责任公司.川藏铁路拉萨—林芝段巴玉隧道施工图设计［R］.成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2014.

［8］许志琴，杨经绥，李海兵，等.印度-亚洲碰撞大地构造［J］.地质学报，2011，85（1）：1-33.

［9］ZANG A，STEPHANSSON O.Stress Field of the Earth's Crust［M］.New York：Springer，2003.

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（责任审编葛全红）

Inverse Analysis of Geostress Field in Bayu Deep-buried Tunnel on Lhasa－Linzhi Railway

WANG Qingwu1，JU Nengpan1，DU Lingli2，HUANG Jian1，JIANG jinyang1
（1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China；2.School of Transportation and Logistics，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

W ith regional tectonic force environment and actual measured geostress，the project area was divided into 3 sections according to the characteristics of topography of deep-buried tunnel on the Lhasa-linzhi railway.A inverse analysis was conducted on the geostress field with boundary load adjustment method.T he results indicate that the vertical principle stress is the dominant geostress in the tunnel except for entrances and exits.T he maximum principle stress goes up to 48 M Pa at the deepest area in the tunnel.T he geostress is low at entrances and exits，and the intersection angle between the tunnel axis and the maximum horizontal principle stress is small，leading to a more stable surrounding rock.By comparison，the vertical and horizontal principle stress are higher at the deeper part of the tunnel，and the tunnel axis is approximately perpendicular to the maximum horizontal principle stress，causing a stability problem of the surrounding rock.

Deep-buried tunnel；Geostress field；Sub-region；Inverse analysis；Boundary load adjustment method

TU452

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.16

1003-1995（2016）10-0059-04

2016-03-10；

2016-07-20

王庆武（1991—），男，硕士研究生。