青藏高原及邻区地应力对深埋隧道岩爆倾向性影响机制探讨.pdf
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1、书书书 工程地质学报 ()王惠卿,谭成轩,丰成君,等 青藏高原及邻区地应力对深埋隧道岩爆倾向性影响机制探讨 工程地质学报,():,():青藏高原及邻区地应力对深埋隧道岩爆倾向性影响机制探讨王惠卿谭成轩丰成君张鹏戚帮申肖锐铧刘艳辉陈春利方志伟苏永超梁宏坤王继明(中国地质环境监测院,北京 ,中国)(中国地质科学院地质力学研究所,北京 ,中国)(自然资源部活动构造与地质安全重点实验室,北京 ,中国)(自然资源部云南哀牢山地质灾害野外科学观测研究站,新平 ,中国)(中国联合工程有限公司,杭州 ,中国)摘要构造活跃区大量工程实例表明,地应力是影响深埋隧道稳定性的重要因素之一。应用三维应力场有限元数值模拟
2、探讨了青藏高原及邻区最大水平主应力方向和隧道轴向夹角 与侧压力系数 耦合变化对深埋隧道应变能分布及岩爆倾向的影响。对不同地应力条件下深埋隧道围岩应变能密度分布特征进行了分析,并通过数值分析初步厘定最大水平主应力方向和隧道轴向夹角、侧压力系数与隧道不同关键位置应变能密度的多元回归方程。研究结果表明:最大水平主应力方向和隧道轴向夹角 左右时,隧道夹角变化对岩爆倾向性影响最大;最大水平主水平应力方向和隧道轴向垂直时,变化对围岩应变能密度影响最显著;当最大水平主应力方向和隧道轴向平行时,变化对围岩应变能密度影响最小。所厘定的多元回归方程已通过多条青藏高原及邻区典型深埋隧道验证,可用于快速评估夹角和侧压
3、力系数对隧道稳定性的影响,高效服务隧道规划设计。关键词地应力;应变能密度;岩爆;深埋隧道;青藏高原中图分类号:文献标识码:收稿日期:;修回日期:基金项目:国家重点研发计划(资助号:),中国地质调查局地质调查项目(资助号:),国家自然科学基金(资助号:)(),()()第一作者简介:王惠卿(),女,博士,工程师,主要从事构造应力场、地质灾害等方面研究工作 :通讯作者简介:谭成轩(),男,博士,研究员,主要从事活动构造、构造应力场、区域地壳稳定性评价等研究 :(,)(,)(,)(,)(,),;引言岩爆是在开挖或其他外界扰动下,地下工程岩体中聚积的弹性变形势能突然释放,导致围岩爆裂、弹射的动力现象(徐
4、林生,),具有很强的突发性、随机性和危害性。岩爆灾害直接影响施工进度,威胁工人及设备安全,造成重大损失(,;冯夏庭等,;,;宫凤强等,;张永双等,)。大量构造活跃区工程实例表明,地应力是诱发深埋隧道岩爆的重要因素(,;,;王栋等,;徐俊帅等,)。特别是青藏高原及邻区,由于印度板块对欧亚板块的强烈碰撞挤压作用,导致新构造活动强烈、活动断层发育、地形相对高差显著,地应力异常高值、主应力方向变化复杂。深埋隧道岩爆多发,严重影响施工安全(,;严健等,;薛翊国等,;兰恒星等,)。因此,开展青藏高原及邻区地应力对深埋隧道岩爆倾向性影响机制探讨具有重要的科学意义和工程应用价值。主应力方向是影响隧道岩爆倾向与
5、破坏模式的重要因素(,;,;,;,;,;,;,)。()探讨了圆形隧道轴向与区域主应力方向不一致条件下,衬砌和无衬砌隧道断面应力和位移的解析解,认为隧道应力及变形受最大主应力方向与隧道轴向夹角影响显著。隧道轴向和最大水平主应力方向一致时,隧道岩爆风险最低;隧道轴向与最小水平主应力方向一致时,隧道岩爆风险最高。()探讨了最大水平主应力方向和隧道轴向呈小 ()王惠卿等:青藏高原及邻区地应力对深埋隧道岩爆倾向性影响机制探讨角度斜交时水电站地下洞室中主厂房侧壁的稳定性。()研究了在动荷载作用下最大主应力方向空间展布变化对地下洞室能量分布的影响,认为当最大主应力方向与隧道轴向呈水平或垂直时,地下洞室在动态
6、荷载作用下应变能在隧道周围对称分布。()采用模型试验和数值模拟方法研究了最大主应力方向在不同空间展布条件下,直墙拱形隧道的围岩损伤破坏规律。此外,侧压力系数(最大水平主应力 垂向应力)对隧道围岩应力重分布和岩爆倾向性的影响也尤为突出(,;李占海等,;,;,;,;尚彦军等,)。()探讨了不同侧压力系数下地下洞室动态扰动的应变能密度变化和破裂带特征,认为侧压力系数较小时拱顶及拱肩长期释放应变能并发生剥落;随侧压力系数增大,高应力区出现剧烈岩爆,瞬间释放大量应变能。()对不同侧压力系数条件下地下洞室围岩应力重分布和所诱发损伤区进行研究,认为瞬时卸荷引起的应力波只在洞周 半径范围内引起损伤。李占海等(
7、)探讨了马蹄形隧道在不同载荷下从围岩初始损伤至失稳破坏的破坏过程,认为当侧压力系数较小时,在空间上初始损伤以拱脚、拱肩和拱顶位置为主;当侧压力系数较大时,初始损伤以拱顶损伤为主。总体上,国内外学者已开展了诸多关于最大主应力方向或侧压力系数对深埋隧道岩爆形成机制影响的研究,具有重要的参考价值,但关于最大水平主应力方向和侧压力系数耦合作用下深埋隧道围岩能量积累演化过程及岩爆孕育规律尚不明确。本文选择青藏高原及邻区典型构造区,建立深埋隧道简化三维地质模型,基于有限元数值模拟方法,系统分析了侧压力系数和最大水平主应力方向对深埋曲墙式隧道围岩应变能密度及岩爆孕育的影响机制,揭示了不同地应力条件下隧道开挖
8、后围岩内弹性应变能的积聚规律与分布状况。并运用 软件,建立青藏高原及邻区深埋隧道围岩应变能密度、和 之间相互关系的多元非线性回归方程,并结合青藏高原及邻区深埋隧道岩爆实例,验证该区深埋隧道顶部、底部、肩部、脚部、侧壁关键部位围岩应变能密度预测公式的可靠性,以期能基于不同 、条件下快速评估隧道关键部位的岩爆倾向性,有效支撑服务青藏高原及邻区深埋隧道前期规划、设计。青藏高原及邻区地壳浅层构造应力场青藏高原南起喜马拉雅山脉南缘,北至昆仑山、阿尔金山和祁连山北缘,西至帕米尔高原和喀喇昆仑山脉,东及东北部与秦岭山脉西段和黄土高原相接(张镱锂等,)。除此之外,南北地震带作为中国大陆地应力场一级分区边界,构
9、造活动强烈,岩爆灾害频发,对揭示地应力对深埋隧道岩爆影响具有重要意义。本文选取青藏高原及其周缘地区的地理空间,其范围为 ,。根据“中国大陆地壳应力环境基础数据库”,青藏高原及邻区水力压裂和应力解除法测量的地应力数据条目近 条。姚瑞等()和杨树新等()学者对青藏高原及周缘地壳浅层构造应力场量值特征进行分析,并对实测地应力数据统计回归。统计结果表明青藏?原及邻区最大水平主应力、最小水平主应力 及垂向应力 随深度 呈线性增加:()、()、();随深度的增加趋于稳定,深度为 时,其 值为 ,青藏高原及邻区 的平均值为 。表 表明了青藏高原及邻区不同深度岩体的地应力状态。表 青藏高原及邻区地应力状态转换
10、深度(杨树新等,;姚瑞等,)深埋隧道三维应力场数值模拟当最大水平主应力方向和隧道轴向呈一定角度斜交时,二维分析难以模拟地应力的切向分量对隧道围岩应变能密度分布的影响,其结果与实际情况存在较大偏差(,),故三维应力场数值模拟分析可成为求解分量对隧道围岩应变能密度分布影响的有效方法。本研究采用 有限元分析软件,假定:()围岩为各向同性、连续、均质弹性材料;()隧道为无限长深埋隧道;()不考虑地形及断裂影响;()、近水平,垂直。工程地质学报 地质概念模型深埋隧道原型基于我国 高速铁路隧道设计规范()中 、双线隧道断面结构,为曲墙式隧道,其宽 、高 (图 )。地质模型尺寸为 。已有深埋隧道实例表明埋深
11、超过 硬岩隧道具岩爆风险(关宝树等,;谷佳诚等,),本文隧道深度按 考虑。图 、双线隧道断面结构(单位:)(:)数学模型 网格划分及边界条件考虑最大水平主应力方向和隧道轴向夹角 ,从 逐渐增加到 ,建立 个简化三维地质模型,图 为 时模型示意图。模型外围区域网格可实现不同最大水平主应力加载方向。外围模型尺寸即地质模型尺寸,为 ,内部模型尺寸为 。一般认为,地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为 倍洞径。在该范围以外,不受开挖影响(刘佑荣等,)。本文对内部模型中间截面隧道围岩数据进行分析,由于隧道最宽处为 ,故内部模型中间截面区域受开挖及边界效应影响极小,可近似实现无限长深埋隧道模拟。采用三维 节
12、点单元建立三维网格模型如图 。由于深埋隧道模型范围内水平主应力和垂直主应力受梯度变化影响较小(,),故均一施加、与。应力边界条件和位移边界条件如图 和图 所示。模型所施加 量值由上覆岩体质量计算为 ;模型施加 及 量值由不同 计算确定,以实现模拟多种地应力条件。据青藏高原及邻区浅层构造应力场特征,计算所需 取 。图 模型网格划分()图 模型 截面边界条件加载()()围岩岩石力学参数考虑到实际情况下岩爆灾害发生的条件(,),采用级围岩进行数值模拟,岩石力学参数见表 。级围岩岩体力学参数范围如表 ;相同条件下,岩体强度与弹性模量成正比,与泊松比成反比(张永兴等,)。为提高模型及预测结果安全性,弹性
13、模量取 ,泊松比取 。其他条件相同时,基于此参数的岩体其强度为级围岩中最弱,岩爆倾向性最小。模型选取该参数可提高预测公式应用的安全性。模型计算工况考虑最大水平主应力方向与隧道轴向夹角 ()王惠卿等:青藏高原及邻区地应力对深埋隧道岩爆倾向性影响机制探讨图 模型 截面边界条件加载()()表 岩石力学参数 级围岩密度 弹性模量 泊松比参数范围 模型参数 及最大水平侧压力系数 耦合作用,模拟共分 种计算工况(表 )。由于我国西南地区深度 左右平均侧压力系数为 (陈庆宣等,)。为探究隧道围岩应变能密度与最大主应力方向和隧道轴向夹角 及最大水平侧压力系数 之间的回归关系,梯度设置侧压力系数。考虑区域地应力
14、异常高值,主应力变化复杂,设置侧压力系数范围为 (,;严健等,),最大水平主应力方向和隧道轴向夹角 为 。表 模拟计算工况 最大水平主应力方向和隧道轴向夹角 ()侧压力系数 不同应力条件下深埋隧道围岩应变能密度分布特征基于能量理论,岩石的破坏过程实际上是岩石内部应变能积累、耗散和释放的过程(蔡美峰等,)。岩爆的发生需开挖引起局部区域积聚高应变,岩爆灾害的发生及烈度大小与岩体内部积聚的能量大小有直接的关系,研究隧道周边围岩能量积聚规律和分布特点对评估岩爆倾向性有重要意义。本文应用应变能密度 表示深埋隧道围岩的能量特征,如式():()()式中:为最大主应力();为中间主应力();为最小主应力();
15、为弹性模量();为泊松比。基于模拟结果,对隧道围岩应变能密度进行分析。由图 及图 可知,当 时,围岩受水平构造应力作用明显,最大水平主应力与隧道小角度斜交时,隧道脚部形成显著应变能积聚区,隧道底部应变能密度较小。随最大水平主应力与隧道轴向夹角增加,隧道顶部逐步形成能量集中,隧道侧壁应变能密度较小;隧道顶部能量积聚程度明显大于隧道其他位置形成显著应变能积聚区,其顶部岩爆倾向性最高。由图 及图 可知,当 时,围岩受水平构造应力作用明显,最大水平主应力和隧道小角度斜交时,隧道脚部应变能密度最大,底部应变能密度最小,于隧道脚部形成应变能积聚区;随最大水平主应力和隧道轴向夹角增加,隧道顶部也逐渐积聚较高
16、的弹性应变能,隧道顶部及脚部岩爆倾向性最高。由图 及图 可知,当 时,水平主应力方向变化对应变能积聚位置影响显著,最大水平主应力方向和隧道轴向呈小角度斜交情况下,应变能积聚于隧道脚部、侧壁及遍布,隧道底部应变能密度较小;随最大水平主应力方向和隧道轴向夹角增加,侧壁所积聚应变能逐渐减小,同时隧道脚部、顶部逐渐形成应变能积聚区。当最大水平主应力与隧 工程地质学报 图 不同应力条件下深埋隧道围岩应变能密度分布 ()王惠卿等:青藏高原及邻区地应力对深埋隧道岩爆倾向性影响机制探讨图 不同应力条件下隧道关键位置围岩应变能密度曲线 ;道轴向夹角较大时,隧道脚部岩爆倾向性最高。由图 及图 可知,当 时,水平构
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