基于实测数据的长隧道地应力分布影响因素研究.pdf

投稿网址:2023 年 第23 卷 第24 期2023,23(24):10513-08科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-11-11修订日期:2023-05-30基金项目:铁四院科技研究开发计划课题(2020K043);湖北省重点研发计划项目(2021BAA050)第一作者:李时亮(1972),男,汉族,湖北黄陂人,硕士,正高级工程师。研究方向:岩土工程勘察设计与稳定性评估。E-mail:。通信作者:冷先伦(1980),男,汉族,湖北武汉人,博士,副研究员。研究方向:岩石力学与岩土工程稳定性。E-mail:xlleng 。引用格式:李时亮,张占荣,杨闯,等.基于实测数据的长隧道地应力分布影响因素研究J.科学技术与工程,2023,23(24):10513-10520.Li Shiliang,Zhang Zhanrong,Yang Chuang,et al.Influencing factors of in-situ stress distribution in long tunnel based on measured dataJ.Science Technology and Engineering,2023,23(24):10513-10520.基于实测数据的长隧道地应力分布影响因素研究李时亮1,张占荣1,杨闯1,王川2,3,冷先伦2,3(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063;2.中国科学院武汉岩土力学研究所,岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071;3.中国科学院大学,北京 100049)摘 要 地应力分布特征是开展长隧道动态优化设计与施工的主要影响因素,也是判断与预防岩爆、大变形等隧道灾害的重要依据。为了研究某长隧道区域地应力分布的影响规律,以 17 个现场水压致裂钻孔、164 个测点的地应力测试数据为基础,采用高程、岩性、结构面、沟谷地形分区方法分析了长隧道区域的地应力分布特征。通过对比分析不同分区下长隧道围岩应力拟合值与实测值的差异,认为根据地质特征对长隧道区域钻孔测试数据进行合理分区是准确拟合围岩地应力分布特征的关键。结果表明:在岩性分界面两侧地应力呈现不同分布规律,沟谷地形对应力分布规律影响显著,而高程和小节理对应力分布的影响较小;岩性分区的线性拟合方法适用于非沟谷地形区域的地应力分布规律分析,相较于按整体或单因素的分区方法得到的地应力分布,采用线性和曲线相结合的沟谷分区方法推算的隧道围岩应力分布具有较高的精度;由于沟谷地形在一定埋深区域存在高应力区,即便采用线性和曲线拟合方法也难以准确模拟其真实的应力分布特征,需进一步开展针对性的研究。关键词 应力分区;统计分析;地应力;长隧道;围岩应力;沟谷地形中图法分类号 U451;文献标志码 AInfluencing Factors of In-situ Stress Distribution in LongTunnel Based on Measured DataLI Shi-liang1,ZHANG Zhan-rong1,YANG Chuang1,WANG Chuan2,3,LENG Xian-lun2,3(1.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China;2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China;3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract Distribution of in-situ stress is the main factor influencing the dynamic optimization of design and construction of longtunnels,and is also an important basis for the judgment and prevention of tunneling disasters such as rock bursts and large deforma-tions.To study the influencing factors of in-situ stress distribution in a long tunnel area,the in-situ stress test data of 164 measuringpoints in 17 hydraulic fracturing boreholes were statistics via partition methods considering buried depth,lithology,rock mass structureand valley topography,and the in-situ stress distribution characteristics in a long tunnel area were analyzed.By comparing the differenceof in-situ stress between the fitted values and measured values in different partitions,it is found that reasonable partition of borehole testdata in a long tunnel area according to geological characteristics is the key to the accurate fitting of the in-situ stress surrounding the tun-nel.Results show that valley topography is an important influence on stress distribution and distribution of in-situ stress on both sides oflithologic interfaces shows different regularity,while height and small joints have little effect on in-situ stress distribution.The linear fit-ting method considering lithology is suitable for the analysis of in-situ stress distribution in non-valley areas.Compared with the fitted re-sults considering the integral area or a single factor,those fitted via a combination of linear or curve functions have higher accuracy in val-ley topography.Since there is a high-stress area in a certain buried depth in the valley topography,it is difficult to accurately simulate thein-situ stress distribution characteristics even by using the linear and curve fitting methods,so further targeted research is needed.Keywords stress division;statistical analysis;in-situ stress;long tunnel;stress surrounding tunnel;valley topography 随着中国西南地区公路、铁路建设的持续推进,一大批深埋长隧道将修建于地质构造活跃、构造地应力复杂的高山峡谷地区,明晰隧道围岩地应力分布特征及其主要影响因素,是预防工程地质灾投稿网址:害、实现优化设计与施工的前提1-3,具有重要的研究价值和工程实际意义。大陆地壳浅层构造地应力形成过程中主要受地质活动影响,存在特定的分布特征。谢富仁等4根据地质活动与断裂构造分布,采用震源机制解分析方法,研究了中国大陆地区浅层地壳的构造应力场基本特征和分区,形成了中国大陆地壳应力环境基础数据库。蔡美峰等5、景峰6、李鹏7、李新平等8通过收集大量地应力钻孔实测数据,采用线性拟合方法,给出了中国大陆地区浅层地壳应力随埋深分布的一般规律。然而,地应力在局部区域的分布在满足一般分布规律的基础上,还受到特定构造断裂9、地层岩性10、地形地貌11等因素的影响。实测地应力因测点数量有限且分散,往往难以准确反映对象区域的宏观分布特征。对此,学者多采用数值方法开展构造地应力场的反演回归分析12-13,但其准确性依赖于对现场测试地应力的合理分区。周朝等14提出了基于“重叠分区-组合”的地应力场分区反演方法。周子寒等15提出了基于分段单孔的地应力场分区反演方法,两种分析方法均以实测数据分区为前提,得到了较高的反演精度。综上可知,明晰深埋长隧道区域地应力分布规律的主要影响因素,优化区域应力分区,是研究地应力分布特征的重要前提和基础。鉴于此,以中国西南地区的某深埋长隧道为对象,以 17 个现场水压致裂钻孔的 164 个地应力测点数据为基础,采用数据拟合分析方法,综合分析地层岩性、沟谷地形、岩体结构和高程等因素对隧址区构造地应力分布规律的影响;通过对隧道围岩拟合应力和实测应力的对比,提出该区域地应力分布的主要影响因素和分区方法,以期为隧道动态优化设计与施工提供理论依据和数据支撑。1 工程概述1.1 隧道地质概述依托工程(图 1)为中国西南地区某铁路线上的某深埋长隧道,隧址区总体位于喜马拉雅东构造结地区北部,青藏高原的中东部,在区域地貌上属于藏东南横断山高山峡谷区。隧址区地质构造整体概况为:一级构造单元属班公湖-怒江缝合带,二级构造单属元班公湖-怒江结合带,三级构造单元属班公湖-怒江蛇绿混杂岩带与嘉玉桥残余弧带。隧道沿线地层岩性以古中元古界卡穷岩群片麻岩和燕山期侵入花岗岩为主,各构造带内分布断层角砾、糜棱 岩。隧 道 全 长 约 34.6 km,进 口 高 程 约4 460 m、出口高程约 3 650 m,最大埋深可达 1 500m;隧道沿线地势北高南低,地形起伏较大,地面高程3 300 5 500 m,相对高差为800 1 300 m。隧道沿线主要发育 10 条节理、断层和 1 条压碎带。1.2 地应力测试孔布设概述为研究隧道沿线地应力分布特征,在隧道轴向附近开展了 17 个水压致裂钻孔的地应力测试,钻孔分布如图 1 所示。由图 1 可知,钻孔 1、16 和 17 分别位于 f1 和 f2、f3 和 f4 节理之间,钻孔 4、6、13 和14 分别穿过断层 F6、F7、F9 和 F10,钻孔 2 穿过 F5大断层,钻孔 12 位于断层 F8 和岩层分界处。图 1 中 17 个钻孔的基本信息如表 1 所示。可表 1 隧道沿线地应力测试孔信息Table 1 Information of in-situ stress testholes along the tunnel编号孔口标高/m孔深/m测试范围/m隧道埋深/m14 722.2305.1103.4 272.3260.724 742.3320.3100.8 298.8272.034 835.2425.5275.0 400.0375.045 089.8735.3185.9 710.8665.555 030.9750.5370.1 721.0678.364 657.5470.178.5 436.5352.274 591.5370.9109.2 344.4311.684 758.5620.8324.4 580.7558.194 792.9730.9134.9 716.4671.7105 089.61 155.197.8 1 137.81 059.1115 141.21 220.3513.4 1 121.31 090.6123 901.2125.174.6 113.593.1134 147.0465.2219.0 421.4400.2144 322.7680.5421.8 666.8627.7154 177.0560.2460.1 531.0499.4163 890.8286.9178.0 262.0220.9173 850.8215.5127.0 200.0190.5f1、f2、f3 和 f4 为节理;F6、F7、F9 和 F10 为错动断层;F5 和 F8 为具有破碎带的大断层;1 为压碎带图 1 沿隧道轴向地层岩性、岩体结构和地应力测试孔分布示意图Fig.1 Schematic of distribution of in-situ stress test holes,stratigraphic lithology,rock mass structures along the tunnel41501科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:以看出,钻孔孔口标高范围为 3 850.8 5 141.2 m、深度范围为 125.1 1 220.3 m、最小测试点埋深74.6 m,最大测试点埋深 1 137.8 m;隧道埋深93.1 1 090.6 m。2 隧道区域地应力整体分布概况学者们多采用线性拟合的方式研究区域地应力场的整体分布规律,主要包括最大水平主应力和最小水平主应力的分布规律5-7,10,竖直向应力一般采用岩石自重与覆层厚度进行估算。采用拟合方法研究隧道区域实测水平最大、最小主应力随埋深的分布规律,如图 2 所示。水平最大、最小主应力随埋深的拟合公式为H=0.039 65H-1.232 5h=0.024 50H+1.224 0,80 m H 1 150 m(1)式(1)中:H为最大水平主应力,MPa;h为最小水平主应力,MPa;H 为埋深,MPa。由图 2 可知,17 个地应力测试孔的最大水平主应力在同一埋深小于现有的统计数据,而最小水平主应力大于现有的统计数据;地应力测试数据的线性拟合表明隧道区域的地应力分布与景峰6和李鹏7的拟合式较为接近,最大和最小水平主应力的拟合相关系数分别为 0.62 和 0.75,相关系数不高,图 2 地应力随埋深的分布规律Fig.2 Distribution of in-situ stress with burial depth说明隧道沿线的地应力测试数据受地质条件的影响,具有一定的离散性;基于实测数据的侧压力系数分别为:kH=H/v=1.58 和 kh=h/v=1.20,其中 v为竖直向应力。3 地应力分布规律的影响因素研究为了研究长隧道区域地应力分布的影响规律,依托工程隧道的地应力测试数据为基础,根据高程、岩性、结构面、沟谷地形等分类方法对钻孔测试数据进行分类,从而分区分类研究长隧道区域的地应力分布特征及其影响因素。3.1 高程对应力分布的影响图3 为依托工程隧道区域实测地应力随高程的分布规律和拟合关系曲线。可以看出:地应力测试数据在3 500 4 000 m 和4 000 5 000 m 两个高程呈现出明显的分区现象,即在相同高程时地应力相差较大,如当高程近似4 000 m 时,实测水平最大主应力在较大高程区域约为 32 MPa,在较小高程区域约为 5 MPa图3(a);采用线性函数对两个高程区域的实测数据进行分区拟合,从拟合表达式(斜率和截距)可以看出,两个高程区域的应力分布及变化规律存在显著差异,说明应力与高程的整体相关性不高。进一步分析两个分区实测地应力的钻孔位置关系发现,3 500 4 000 m 高程区的地应力测试数据为钻孔12 17,4 000 5 000 m 高程区的地应力图 3 地应力随高程的分布规律Fig.3 Distribution of in-situ stress with elevation515012023,23(24)李时亮,等:基于实测数据的长隧道地应力分布影响因素研究投稿网址:测试数据为钻孔 1 11。对比图 1 可以发现,钻孔12 17 和钻孔 1 11 在地质环境上存在的显著变化是岩性和大断层 F8,因此可以初步认定岩性和大断层是导致应力分区的主要因素,这一认识与蔡美峰等5开展的岩性对地应力的影响研究和周春华等9开展的断层对地应力的影响研究的相关结论基本吻合。3.2 岩性对地应力分布的影响隧道沿轴线方向的地层岩性依次为片岩、花岗岩和片岩(图 1),对应钻孔编号分别为钻孔 1 3、钻孔 4 11 和钻孔 12 17,分别对 3 个区的实测地应力随埋深的分布规律进行拟合分析,如图 4 所示。采用线性函数拟合水平最大和最小主应力测试数据,拟合公式见式(2)式(4)。钻孔 1 3 拟合公式为H=0.040 39H+0.302 1h=0.014 57H+2.145 0,100 m H 400 m(2)钻孔 4 11 拟合公式为H=0.036 26H-0.316 1h=0.023 02H+2.112 3,80 m H 1 150 m(3)图 4 地应力随埋深的分布规律(按岩性分区)Fig.4 Distribution of in-situ stress with burial depth(division by lithology)钻孔 12 17 拟合公式为H=0.022 69H+3.660 4h=0.014 57H+2.952 3,100 m H 700 m(4)由图 4 可知,采用线性拟合的地应力分布在钻孔 1 3 区域最大和最小水平主应力拟合系数分别为 0.88 和 0.85、在钻孔 12 17 区域分别为 0.92和 0.81、在钻孔 4 11 区域分别为 0.61 和 0.75,说明在片岩区地应力相关性较高,而在花岗岩区域较低;对比拟合曲线斜率发现,在同一埋深钻孔 1 3 区域的水平主应力大于钻孔 4 11 大于钻孔 12 17;钻孔 1 3 区域和钻孔 4 11 区域斜率相近,而与钻孔 12 17 区域相差较大,从岩性和断层分布来看,钻孔 12 17 区域的片岩与钻孔 4 11 区域的花岗岩分界处存在大断层 F8,而钻孔 1 3 片岩区和花岗岩分界处无断层,说明大断层错动导致的岩层分界对地应力分布规律具有较为明显的影响。3.3 结构面对地应力分布的影响通过岩性分析可以发现在片岩区域节理断层对地应力随埋深的分布规律影响不明显,故针对花岗岩区域开展结构面对应力分布的影响分析。根据结构面分布情况将花岗岩区域分为 3 个区,如图 5(a)所示,分别为:钻孔 5、7 和 9 11;钻孔4 和 6;钻孔 8。采用线性拟合方法得到最大水平主应力随埋深的关系,如图 5 所示。由图 5 可知,无断层、压碎带等结构面的钻孔5、7、9、10、11 区域实测地应力拟合系数为 0.69,相关性一般,说明在无结构面情况下花岗岩的应力分图 5 地应力随埋深的分布规律(按结构面分区)Fig.5 Distribution of in-situ stress with burial depth(division by structural plane)61501科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:布没有明显的一致性;在断层切割的钻孔 4 和 6 区域拟合系数为 0.19,相关性更差;压碎带切割的钻孔 8 区域拟合系数为 0.91,相关系数较高,说明测试数据的单孔关联性较强。从 3 个分区的相关系数可以发现,结构面并不是导致花岗岩区域地应力分布相差较大的主要因素。3.4 沟谷地形对地应力分布的影响大量钻孔应力测试资料显示,沟谷地形对地应力分布存在显著影响16-17。为了分析沟谷地形对地应力分布的影响规律,依据图 1 所示的地形示意图,将隧道花岗岩区域分成两个区域:一是沟谷底部的钻孔 6 9 区域,二是钻孔 4 5 及钻孔 10 11组成的非沟谷底部区域。采用线性和曲线拟合方法得到最大水平主应力随埋深的关系,如图 6、图 7所示,拟合公式如式(5)式(7)所示。沟谷地形底部钻孔(6 9)应力线性拟合公式为H=0.053 63H-1.823 3h=0.031 46H+1.415 5,80 m H 700 m(5)非沟谷地形底部钻孔(4 5 和 10 11)应力线性拟合公式为图 6 地应力随埋深的分布规律(按沟谷地形线性拟合)Fig.6 Distribution of in-situ stress with burial depth(linear fitting in valley topography)H=0.029 51H+0.236 0h=0.021 10H+1.538 7,100 m H 1 150 m(6)沟谷地形底部钻孔(6 9)应力曲线拟合公式为H=0.37H3-20.50H2+370.98H-1 821.5h=0.91H3-36.94H2+498.61H-1 860.0,80 m H 700 m(7)由图 6、图 7 可知:非沟谷地形下钻孔最大和最小水平主应力测试数据拟合曲线的相关系数分别为 0.89 和 0.92,而在沟谷区域拟合的相关系数分别为 0.53 和 0.70,说明沟谷地形对花岗岩区域地应力分布规律影响较大;沟谷区域钻孔实测水平主应力在埋深 200 400 m 区域有明显的增高现象,具有 Imrie18、Wang 等19提出的“V”形或“U”形谷底应力分布特征,然而该特征对分析埋深较大的隧道围岩地应力分布不利,用线性和曲线拟合均存在一定误差。故在开展深埋隧道围岩区域地应力现场测试时应尽量避免沟谷地形的谷底区域,或取埋深与隧道围岩埋深较为接近区域的实测数据进行分析。图 7 地应力随埋深分布规律(按沟谷地形非线性拟合)Fig.7 Distribution of in-situ stress with burial depth(non-linear fitting in valley topography)715012023,23(24)李时亮,等:基于实测数据的长隧道地应力分布影响因素研究投稿网址:4 隧道轴线地应力分布的拟合对比将隧道围岩区域地应力分布规律的拟合关系式应用于隧道轴向应力推算,并将其与实测应力进行对比分析,绘制了最大和最小水平主应力量值对比分析曲线,如图 8 所示。可以看出,采用埋深、岩性和沟谷地形分区得到的拟合公式均可较好反映实测地应力在隧道围岩区域的整体变化趋势,但拟合应力与实测应力量值上存在一定的差异,特别是在沟谷地形区域(钻孔 6 9)这种差异更加明显,埋深分区的拟合值相差最大、其次为岩性分区。若将拟合曲线根据沟谷地形、岩性与大断层等地质特征进行分段拟合,可以得到与实测值最为接近的地应力拟合效果,能在最大程度地反映真实地应力分布特征;例如,首先按岩性和大断层对钻孔数据进行分区,得到钻孔1 11 和钻孔 13 17 两个区域,其次将钻孔1 11 按沟谷地形分为钻孔6 9 区域和钻孔1 4 和10 11 区域,其中沟谷地形区域钻孔6 9 的数据采用非线性拟合,其余钻孔数据采用线性拟合。因而在开展较大区域地应力分析时应考虑应力的分区、分段特征(与文献15提出的分段单孔反演区域地应力能提高反演精度的结论一致)。5 地应力分布规律的反演与检验基于水力压裂法的地应力测试往往会因受到现场测试技术和测试环境的影响,部分钻孔的地应力测试数据存在一定的误差,鉴于此,工程设计过程中通常会在实测地应力分布规律的基础上,采用数值计算进一步对地应力分布规律进行反演与验证。因此,为了验证前文基于实测数据的地应力分布影响规律的可靠性,有必要对研究区域对地应力分布情况进行反演。5.1 数值反演模型构建在水平面上选取 30 km 15 km 的区域作为计算对象,使用 COMSOL Multiphysics 软件对研究区的三维地质模型进行隧道地应力数值模拟分析。在进行三维地质建模之前,需将已有地面高程资料结合谷歌地球隧址区地面高程信息,利用专业建模软件 Rhino6 生成三维地形图。由于平面地形等高线图中往往包含有多个图层,涵盖了地形、地物、岩层、断层、线路等多种信息,所以需要对平面地形图进行分析和预处理,保证三维地质建模的精度和准确性。此外,为在保证精度的前提下控制计算规模,在进行网格划分时,在断层碎裂带和隧道轴线附图 8 隧道轴线水平主应力拟合对比曲线Fig.8 Comparison of fitted curves of horizontal principal stress along with tunnel axis81501科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:近采用了较小的网格密度,而在模型中的其他辅助计算区域采用了较大的网格密度。5.2 数值反演条件模型的几何特征如图 9(a)所示。模型边界条件设置为:约束模型 x 方向两个边界面上的 x 位移,约束模型 y 方向两个边界面上的 y 位移,以及约束模型底部的 z 位移。模型的构造应力设置方式为:首先通过材料自重应力构造出模型的竖向应力,其次根据第 2 节实测地应力的统计分析结果,将初始侧压力系数设置为 kH=1.58 和 kh=1.20,以此模拟水平构造应力。材料模型及参数设置情况为:本构模型采用 Mohr-Coulomb 模型,材料力学参数根据地质勘查情况进行确定,具体参数取值如表 2 所示。表 2 材料力学参数取值Table 2 Values of material mechanical parameters岩性容重/(g cm-3)强度黏聚力/MPa内摩擦角/()刚度变形模量/GPa泊松比花岗岩2.662147.1350.25片岩2.723252.5400.24断层及破碎带2.4514450.275.3 数值反演结果图 9 给出了隧址区三维应力场模拟计算结果(以水平大主应力为例)。可以看出:隧道沿隧道轴线最大主应力值范围 12 50 MPa;主应力值随隧道埋深加大而逐渐增加,隧道穿越区地势变化较大,隧道埋深变化复杂,导致地应力也较为多变;在各地层分界位置,由于岩石参数的变化(岩性的变化),隧道轴线地应力值会出现 10 MPa 范围内的突变;隧道的地应力分布受地形起伏影响较大,总体来看有如下规律:在河谷坡表附近地应力量值较低,在距河谷底部一定距离的部分区域有应力集中现象;在断层破碎带附近,各向应力量值均明显降低。5.4 数值反演与实测数据的对比将地应力的数值反演结果与实测结果(隧道轴线位置)进行对比,如图 10 所示。可以看出:地应力的数值反演结果与实测结果在变化趋势上整体较为吻合,仅在局部位置数值反演值略高于实测值,说明地应力的实测结果在力学上整体较为合理,地应力的实测数据具有较高的可信度。综合图 9 和图 10 的分析结果可以看出,地应力实测数据的分布规律和量值大小均较为合理,前文基于实测数据的影响规律分析具有较高的可信度。图 9 隧道区域应力反演结果(水平最大主应力)Fig.9 Results of stress back analysis in tunnel area(horizontal maximum principal stress)图 10 隧道轴向剖面水平主应力对比Fig.10 Comparison of horizontal principalstresses in tunnel axial profile6 结论以某深埋长隧道 17 个水压致裂钻孔的地应力测试数据为基础,采用拟合分析方法,研究了多种因素对区域应力分布的影响、不同分区下隧道围岩拟合应力效果。得出如下主要结论。(1)在以大断层为岩性分界面区域,不同岩性的地应力分布存在较为明显的差异,与之对应的岩性分区拟合应力与实测值在非沟谷地形区域相关性较高。(2)相较于单因素的应力拟合方法,综合考虑大断层、岩性和沟谷地形共同影响的应力分区拟合方法能较为接近的反映长隧道的应力分布特征和量值水平。(3)沟谷地形区域地应力在一定埋深范围内存在高应力区,采用线性或曲线拟合方法得到的应力分布均难以准确模拟其真实应力,需开展针对性的研究。915012023,23(24)李时亮,等:基于实测数据的长隧道地应力分布影响因素研究投稿网址:参考文献1 刘晋南,钱昊,陈华军,等.某高原铁路施工工期影响因素及控制措施研究J.铁道标准设计,2022,66(4):97-102.Liu Jinnan,Qian Hao,Chen Huajun,et al.Studies on influencingfactors and control 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