深埋隧道精细地应力场反演研究——以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例.pdf
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1、深埋隧道精细地应力场反演研究以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例李红明1,孙炜锋2,3,张红日1,秦向辉2,3,冯坚1,魏见海1,兰素恋4,张重远2,3,孙东生2,3(1.广西交科集团有限公司,广西南宁530007;2.中国地质科学院地质力学研究所,北京100081;3.自然资源部活动构造与地质安全重点实验室,北京100081;4.广西交通职业技术学院,广西南宁530007)摘要:针对复杂地质条件下深埋隧道精细应力场准确反演以及主要地质条件对地应力场影响问题,以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例开展研究。采用精细 DEM 数据、实测地质资料建立隧址区精细地质模型,以地应力实测数据和 GPS 速
2、度场数据作为联合约束条件,开展姜染山隧道工程区精细地应力场反演计算,揭示了隧址区精细应力场特征及主要地质条件影响作用。结果表明:隧道区模拟变形速度场与 GPS 观测结果基本一致,模型能够较好反映工程区现今构造应力环境;隧址区地应力场存在应力水平西高东低、主应力方向局部偏转的特征,近 E-W 向的小黑江断裂对研究区地应力场的影响主要表现为造成主应力方向小幅偏转,未造成应力量值急剧变化,局部次级断裂和地形叠加影响作用有限;隧道沿线最大主应力在 7.4727.23MPa 之间,中间主应力在 1.5915.12MPa 之间,最小主应力在 0.016.71MPa 之间,隧道沿线应力水平总体上未表现出明显
3、异常特征;基于反演精细应力场数据的岩石应力强度比方法计算结果显示,现今地应力条件下,隧道岩石强度应力比结果总体在 0.200.48 之间,表明隧道围岩整体为无岩爆和轻微岩爆情况。本研究实例表明,复杂地质条件下,利用精细 DEM 和实际断层资料等,可以建立适合工程区尺度的精细地质模型,有效揭示工程区应力场特征和主要地质条件影响作用,支撑隧道围岩工程稳定性评价。关键词:地应力;深埋隧道;精细应力场;有限元数值模拟;双江-沧源高速中图分类号:U452.1文献标识码:A文章编号:10014810(2023)06124711开放科学(资源服务)标识码(OSID):0引言地应力是赋存于地下岩体内的一种应力
4、,是地壳内构造变形、断裂活动和工程岩体破坏的直接力源14,准确查明工程区域地应力场特征及其形成机制,是交通工程选线、地下工程设计科学化的前提57。地应力主要源于构造应力、自重、残余应力和热应力等8。受地形、断裂、节理裂隙、地层力学资助项目:国家重点研发计划项目“膨胀土边坡水敏性以及生态护坡研究(2022KY1136)”;交通运输部重点科技项目“公路高边坡多点约束型锚索加固理论、技术与监测预警”;中铁十七局集团科技项目“花岗岩隧道洞渣特性以及路用技术研究”;广西高等学校千名中青年骨干教师培育计划资助项目第一作者简介:李红明(1982),男,博士研究生,高级工程师,主要从事道路材料运用和岩土工程勘
5、察设计、地质灾害处治技术研究等工作。E-mail:。收稿日期:20221210第42卷第6期中国岩溶Vol.42No.62023年12月CARSOLOGICASINICADec.2023李红明,孙炜锋,张红日,等.深埋隧道精细地应力场反演研究以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例J.中国岩溶,2023,42(6):1247-1257.DOI:10.11932/karst2023y029性质差异和高地温等影响,表现出应力方向显著偏转或者量值突变914。滇西南地处云贵高原西部、青藏高原东南缘、川滇菱形块区西南部8,新生代以来,印度板块向东持续俯冲到缅甸弧和滇西地块之下15,造成青藏高原强烈隆升,并导
6、致川滇菱形块体以及滇西南块体等的东南向挤出16,塑造了滇西南复杂的构造格局、强烈的构造活动。已有研究表明,云南地区现今构造应力场极其复杂,最大主应变具有显著的西高东低、北强南弱的分布特征1718;其中,滇西南地区现今构造应力场复杂多变,且明显受到了构造活动和断裂影响,非均匀性特征十分显著1920。因此,对于滇西南复杂构造应力场背景下的线性工程规划建设、隧道工程灾害防治等,获取工程区精细应力场十分重要。但是,由于现场原地应力测量成本高、耗时长、钻探条件要求严格,限制了深埋长大隧道大规模地应力测量的开展,一般情况下,只开展少量的地应力测量工作。如何应用有限的地应力测量数据,准确反映复杂地质条件下隧
7、道工程区地应力场特征是普遍存在的问题。针对此问题,目前研究思路主要有两类,一类是采用线性或多元回归的方式将主应力简化为深度等项的线性函数,从而将有限测点实测结果扩展获得区域地应力分布规律2122,由于地应力非均匀性特征,如果研究区活动构造发育或者地形比较复杂,其结果将存在较大不确定性;第二类是以实测地应力数据作为依据,采用数值模拟方法,反演获得工程区应力场,进而为工程设计施工提供参考2324。此类研究中,准确的地质模型和边界条件是反演地应力场准确与否的关键,也是分析断裂、地形等对地应力场影响的基础。由于三维地质建模的复杂性和计算规模相对较大,三维地应力场模拟中往往对地形、断裂等条件进行简化,但
8、过于简化可能会导致这些条件对地应力场影响作用无法被准确识别,并可能影响模拟结果准确性,完全不简化又容易造成模型剖分、计算无法进行,这种情况在复杂地质条件下尤为突出。如何在复杂地质条件下有效构建精细地质模型构建,反演应力场并识别主要条件影响作用成为应力场反演中难题之一。对此,本文以滇西南双江至沧源高速姜染山特长隧道为实例,尝试利用精细 DEM 数据和实际断层资料,建立小尺度三维地质模型,结合中国大陆速度场实测结果作为边界约束条件,进而开展工程场区精细应力场分析的方法。研究中,考虑隧道工程规模、区域地层、断裂规模及活动性,采用 30m 精度 DEM 数据,建立了姜染山隧道工程区精细三维地质有限元模
9、型,并综合利用地应力实测数据和精细 GPS 水平运动速度场作为约束条件25,计算工程区精细构造应力场,揭示了工程区地应力场特征,分析了地形和断裂的影响作用;进一步结合工程地质条件分析了姜染山隧道围岩稳定性。本研究对复杂地质条件下深埋隧道应力场精细研究有一定指导意义,对于滇西南地区地应力场及其非均匀性研究有参考意义。1工程概况1.1区域地质条件研究区地处云贵高原西南部,自然地理条件属于横断山中南部的盆岭与纵谷地区;构造上处位于冈底斯念青唐古拉褶皱系之昌宁孟连褶皱带内,经历了复杂的构造变形历史,断裂活动强烈。本区新构造运动的起始时间大约为上新世早期,喜山运动第幕强烈影响本区,除使中生代地层发生褶皱
10、变形以外,沿一些老的断裂发生强烈的错动和动力变质作用,局部地段发生断陷作用,形成古近系盆地,堆积了很厚的上古近系陆相煤系地层。第四纪以来,由于欧亚大陆和印度大陆碰撞作用加剧,青藏高原强烈隆升,研究区域也随之隆升,与此同时沿主要断裂形成了一系列第四纪小型断陷盆地,新构造运动与地震活动表现强烈。1.2隧道地质概况双江沧源高速公路位于滇西南临沧市境内,是规划中的云贵高原西部重要交通线路,全长 51.621km,共设置特大桥 4 座,深埋特长隧道 2 座。该高速线路穿越区断裂活动较为强烈,主要为 V 型构造侵蚀峡谷地貌,中深切沟谷发育,局部地形起伏极大。本文研究的姜染山隧道为分离式隧道,全长 4647
11、m,隧道最大埋深约 566.70m,是该高速的控制性工程之一。姜染山隧道工程区的地形地貌主要为构造侵蚀中山峡谷,海拔在 9201560m 之间,陡峭山峰林立,切割深度在 200700m,山体坡度多在 3045之间,隧道进出口地段,尤其是出口部位的地形较陡,中间段地形海拔虽然较高,但是地形起伏变化相对较缓(图 1、图 2)。地质勘察表明,隧址区地层覆盖层为1248中国岩溶2023年第四系残坡积(Q4el+dl)地层,下伏地层为二叠系上统南皮河组(P2n)粉砂岩、二叠系下统大明山组(P1dm)石灰岩、石炭系上统鱼塘寨组(C3y)石灰岩(图 2)。其中二叠系地层是隧道区的主要地层,主要岩性有粉砂岩、
12、灰岩等,岩体节理裂隙发育,整体较完整,局部段岩体破碎。石炭系出露地层主要集中在研究区西北角,主要岩性为中风化灰岩,岩体破碎(图 1、图 2)。隧道工程区断裂较发育,主要发育两条第四纪断裂,即汗母坝断裂(F1)和小黑江断裂(F2),以及其他 3 条次级断裂等 5 条断裂(图 1、图 2),其中,汗母坝断裂长度约 25km,总体走向 N325W,倾向东或西,倾角较陡,一般为 6575,局部直立,断层在地形地貌上特征显著,部分断层面清晰可见,发育210m 左右断层带,胶结坚硬,研究表明该断裂是一条全新世活动断裂。小黑江断裂,总体走向为北西西向,倾向变化较大,倾角略缓,地形地貌上显示为走滑断层,局部段
13、地层显示出压扭特征,研究表明其为早中更新世断裂。其他三条断裂规模较小,五条断裂共同构成了研究区较复杂的断裂系统,需要在研究中重点考虑。1.3地应力实测结果姜染山隧道工程所在的滇西南地区现今构造应力场十分复杂,但是区域上实测地应力数据稀少,可以参考的实测地应力数据缺乏,为此利用布设在隧道中部的勘察钻孔,开展了水压致裂地应力测量工作(图 1),获得了工程区实测地应力场资料,初步了解了工程区地应力场特征。通过现场测量,共获得5 组有效测试数据,测试结果见表 1。实测地应力数据表明,测点 414m 深度范围内最大、最小水平主应力值分别为 9.9022.18MPa和 5.1411.25MPa;最大、最小
14、水平主应力值随深度增加梯度系数分别为 0.06736MPam1和 0.0307P2nP2nP1dmP1dm9929E9930E9930E9930E2322N2321NP1dm0 125250500 mZK01C3yN双江方向勐省方向F2 小黑江断裂汗母坝断F5F3F1F4裂355高程/m3 234图1研究区地形地质与姜染山隧道布置平面图Fig.1TopographyandgeologyofthestudyareaandlayoutoftheJiangranshantunnelP1nP1mP1mP1mP1mC3yC3yF3F3F2F1Qel+dl4Qel+dl4K441 3441 2241 10
15、49848641 3441 2241 104984864K43K42K41K40双江小黑江断裂勐省图2姜染山隧道地质剖面图Fig.2ProfileofthegeologicalconditionsoftheJiangranshantunnel第42卷第6期李红明等:深埋隧道精细地应力场反演研究以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例1249MPam1,显示隧址区处于较高应力水平。测点处地应力场总体以水平主应力作用为主,最大主压应力方向为 N11W 方向,与区域构造应力场方向基本一致26。单孔地应力测试结果为我们了解隧道工程区地应力场特征提供了很好的指示,但是由于隧道附近地质条件复杂且局部地形变化显
16、著,工程区地应力场可能存在非均匀性特征,为了更加准确获得隧道洞身段地应力场,进而为隧道围岩工程稳定性评价提供可靠支撑,需要在上述实测的基础上,借助数值模拟,获得隧址区精细构造应力场。2隧道应力场有限元模拟除极简单地质、地形条件下的应力场分布可以通过解析法计算外,复杂地形下地应力场分布、地形和构造作用影响分析都需要借助数值模拟方法,如有限元法、有限差分法和边界元方法等20,2730。综合考虑计算精度和计算复杂程度,本研究采用有限元方法进行三维应力场数值计算。2.1主要断裂及地块研究区几何模型构建数据来源为 120 万区调地质图件、15 万数字高程图(DEM)和隧道工程区工程地质勘察资料,建模时采
17、用 CGCS2000 坐标系。为准确反映隧道工程区地形地貌特征,考虑研究区范围、隧道规模、断裂时代和规模,建模时采用了采用 30m 精度 DEM 数据量化地形地貌特征,以更好的匹配隧道长度、埋深和断层的规模。三维地形模型显示,该精度数据建模可以有效反映隧址区地形切割变化特征(图 3)。为反映隧道工程区构造条件,根据前述研究区主要断裂的分布情况,在模型中考虑的断裂主要有汗母坝断裂(F1)、小黑江断裂(F2),以及次级断裂(F3、F4以及 F5)。鉴于上述断裂规模上存在显著差异,且有主要断裂和次级断裂的差别,为在模型中体现不同级别、规模、活动时代断裂的潜在影响作用,结合断裂地质调查资料,建模时断裂
18、宽度与断层活动性成正比,其中区域性断裂 F1和 F2的宽度按照 20m 设置,这与调查发现的断层带宽度可达 10m 先符合;其余次级断层的宽度按照 10m设置,断裂产状结合现场调查资料和钻探资料,这些表 1水压致裂地应力测量结果Table1Resultsofthehydraulicfracturingmeasurements测段序号测段中心深度/m压裂参数/MPa主应力值/MPaSH方向PHP0PbPrPsTSHShSv1231.502.3104.723.192.821.539.905.146.112307.003.07010.336.385.853.9517.318.928.103367.0
19、03.67011.237.536.783.7020.1510.459.69N12W4393.003.93013.907.647.326.2622.1811.2510.38N10W5414.004.140.1410.424.506.125.9222.0010.2610.93图3研究区三维地质体及模型边界Fig.3Three-dimensionalgeologicalunitsandmodelboundaryofthestudyarea1250中国岩溶2023年断裂将模型分为 6 个块体(图 3)。建模时,将模型的几何特征点导入 ANSYS,采用 APDL 命令流方式建立区域模型,其中,模型 X
20、轴方向为正东,Y 轴方向为正北,Z 轴方向为垂直向上。模型整体东西长 5600m,南北长 3400m,模型深度至海拔1000m。为了降低有限元数值计算边界效应影响,在模型四周设置宽 4000m 边界。模型整体采用四面体单元solid186 划分网格,共建立 246175 个节点,171651个单元(图 3)。2.2地质模型及参数本研究采用了 ANSYS 有限元软件进行应力场模拟。在有限元模拟计算中,需要在地质模拟基础上,利用各地层单元物理力学性质参数构建物理模型。研究区内出露的地层主要有:P2n中厚层状粉砂岩、P1dm灰岩和 C3y灰岩等。本研究中物理模型建立及介质参数主要依据工程勘察资料以及
21、室内岩石力学实验数据,断层采用常用的弱化其力学性质参数的方式处理,模型中各地质体物理力学参数见表 2。表 2模型材料物理力学参数表Table2Physicalandmechanicalparametersofthematerialsusedinthemodel体序号 地层名称岩性密度/gcm3E/GPa泊松比1P1dm灰岩2.65200.42P2n粉砂岩2.40180.353C3y灰岩2.30180.34f断层破碎带2.10100.352.3位移边界条件为了使模拟结果更好地反映研究区现今构造应力环境,提高模拟结果的准确性和可靠性,本研究中计算模型边界条件采用位移约束,位移数据依据1995202
22、0 年中国大陆地区 GPS 速度场结果25,并采用 0.1的内插网格速度场获取研究区边界位移数据(图 4)。计算时垂直边界参考中国大陆地区 GPS速度场差值结果,底面采用全约束边界,顶面自由,在竖直方向施加重力荷载(9.8ms2)。经过多次反复试算,最终确定的模型水平方向约束条件:北部和南部边界位移方向为 N5WN20W,西部边界位移方向为 N10WN20W,东部边界位移方向为 N5W(图 5)。3模拟结果分析3.1位移场基于上述地质模型和边界约束条件,首先计算了研究区模拟位移场,结果如图 6,其中白色箭头代表了研究区模拟获得的位移方向,紫色短线是根据Crustal Movement Obse
23、rvation Network of China(CMONOC)提供的 19952020 年间 GPS 实测数据990E9920E9940E1000E2340N2320N230N3.598.40 5.6 mm/a双江mm/a图4研究区 GPS 速度场插值结果Fig.4InterpolationresultsofGPSvelocityfieldinthestudyarea双江图5模型施加的位移边界条件Fig.5Displacementboundaryconditionsimposedonthemodel第42卷第6期李红明等:深埋隧道精细地应力场反演研究以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例125
24、1插值结果。对比结果显示,本研究三维模拟结果给出的研究区北侧变形速度场在 5.45.6mma1之间,南侧变形速度场在 5.45.5mma1之间,与 GPS 实测位移场 5.45.6mma1基本吻合,仅在模型西北端部有较明显的偏差;模拟结果给出的研究区变形速度场运动方向整体在 165200之间,与 GPS 实测位移场方向总体为 171的特征基本一致,对比结果也表明本研究设置的边界条件较为合理,能够很好的反映研究区的现今构造环境,能够揭示现今变形场特征和应力场,因此利用本模型和边界条件获得应力场特征也将能反映研究区现今地应力场特征。上述模拟结果给出的位移场特征还表明,研究区现今变形特征受研究区中部
25、高山地形的阻挡,在研究区东北和西北部河谷地区表现出了顺时针偏转的特征。3.2应力场根据上述边界位移条件,模拟计算了研究区地应力场特征(图 7),并将其与实测值进行了对比(图 7a)。结果表明,数值模拟计算结果与实测结果随深度变化趋势总体一致,两种方法的应力水平也较为接近,表明应力场模拟结果总体较为可靠。在此基础上,进一步详细分析了工程区地应力场特征,并绘制隧道轨面最大主应力分布图(图 7b)。结果显示,除研究区西北角及隧道出口(勐省)方向个别部位应力水平较高,存在应力集中外,研究区最大主应力总体分布在 7.631.3MPa 之间。结合隧址区地质条件分析认为,模型西北角应力集中可能是受到了西北部
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