基于COMSOL的隧道地应力场反演

・铁路与公路・
基于COMSOL 的隧道地应力场反演
杨亚伦"，徐正宣2,宋 章2,欧阳吉2
(1 •西南
学地
学与环境工程学院，四川成都611756 ；
2.中 院工
责任公司，四川成都610000)
【摘 要】 结合隧道区域构造环境及青藏高原地应力数据基础，文章利用犀牛、COMSOL 等软件构建隧
址区三维数值模型，采用应力边界试 模型计算的加载条件，进行隧址区地 的三维数值反演分
析，通过隧道切
隧道轴线初始应力场展示了岩性复杂的长大深埋隧道初始地应力场分布规律。

【关键词】 地应力场；COMSOL ；反演分析；隧道工程
【中图分类号】=451+.1
【文献标志码】A
地应力场是衡量地下建筑及工程施工区围岩应力、位移
分布以及开挖后 的一个重要影响因素，是 公路线 中的重要指标。

首先， 观 地应力的 为地应力，但 点数量 为 ， 只能反映岀局部应力特征。

同时， 环境及操作方法等影响，使用的水压致裂法会体现岀明显离散性特征。

受 散性特性影响， 法 岀整个 应力场分布的整体规律。

为解决这 题，目 是 工地质 以及 地应力资料，利用三维建 值计来进行 的应力 分析：1_5］o
本文以 沿线一 作为研究对象， COM-
SOL 软件，采用三维模型边界调整法 分析
始
应力场，随后分析不 素对其分布特征的影响。

1工程概况
研究区处于工程地质 杂且地质活动强烈的青藏原地带， 构造应力大，对 工影响明显。

0进 长期受 边 的切割作用，属构造侵蚀中高山峡谷地貌，地 陡峻， 切，目 规划中的 埋深约
为 0 ~ 1 600 3。

研究区地层岩性复杂， 多岀露地质单元，表
括(Q /dl+pl )碎石土。

下伏基岩主要 ：三叠 砂岩夹页岩
(T &d )，砂岩(T &d )，灰岩夹泥岩(T 3b )，岩 泥岩(T &j )以 及玄武岩等。

， 岩性多为硬岩及 !
岩，在 埋深及 构造应力 下，极 生高地应力，进而影响工程建设 与进度。

2隧址区地应力场分析
2.1模型概况
本文研究的
主要 成 砂岩
岩、砂岩 页
岩、灰岩、花岗闪长岩、泥岩、断层角
，各地
力学指
标 1; 现地形起伏、地质构造等工程地质 进行
维建模，计 型示意图如图1 。

2. 2"边界条件
边 是三维模型计算准确度的重要指标之一，本型边界条件的确立首先 地形地貌及区域构造应力
图1隧道计算模型
表1三维模型物理力学指标
岩体类型
弹性模量/GPa 泊松比重度/(kN • 3-3)
砂岩夹砾岩200.3523
砂岩夹页岩
20
0.3322灰岩
300.2524泥岩18
0.3523花岗闪长岩500.2124.2
厄益断层
6
0.29
23
颠达-皮如断层80.2723.5
做岀定性判断，随后 使用工 比法与边界调整法确定具体数值。

对 藏高原 地应力场的现有研究资料，
地应力场以水平构造应力为主，且 构造应
力场为NW 向。

边 调整法调整后， 本
地应力
及方向的边界设置如表2。

表2位移边界条件设置
位移边界
? n /cm
S $/cm S L /cm
S e/cm
量值 4.0 4.5 5.0 5.0
:定稿日期］2020 -03 -17
［基金项目］四川省重点研发项目(项目编号：2019YFG0 460 %
［作者简介］杨亚伦(1993 ~ ),男，在读硕士，主要研究 方向为地质资源与地质工程。

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2.3 隧道切面地应力计算结果
边
及岩体 力学参 COMSOL 固体力
学
，导岀 线位置切 果见图2。

仿主应力、中间主应力以及 主应力均 值计算
后获得， 主应力 规律近似,均与 剖面地形起
伏呈正比 。

具 为明显的应力降低现象，在
边坡局部位置甚至岀现了较低的拉应力。

同时，地应力也在断层破碎带区域岀现了明显下降o
(a )最大主应力
(R )中间主应力
(c)最小主应力
图2 隧道轴线方向主应力云图(单位：MPa )
3隧道轴线初始地应力场分析
使用COMSOL 模拟中三维截线功能, 线主应力
提取岀来以具体分析 室 始地应力，详
图3 o
3.1 隧道轴线最大主应力
主应力最大值为34 MPa ,岀现于埋 点，最小
值位 进 为7.8 MPa ,整体 趋势与埋 趋近似。

应力分布受岩性影响 ，在 构造附近，应力值大多岀现降低现象， 构造 带后逐 原状。

3. 2"隧 轴线 间主
中间主应力变化范围约为2-17 MPa ，全段变化趋势与 主应力 ，但起伏 低较大，且在少数埋深增加位置岀现应力逆势下降现象。

3. 3"隧 轴线最 主
及中间主应力， 主应力更容易受到河谷
下切 作用以及 构造的影响，于埋 部分甚至会
岀现轻微拉应力。

本研究 线 主应力范围
约为 0.5 ~ 15 MPa 。

4结论
(1)本文在缺乏 地应力资料的 ， 找地应力 库，周边 工程勘察资 地考
察,对研究区地应力现状进行了 性分析。

进而使用三
维模型数值反演法
了 、 的地应力场量化
分布特征。

(2 )通过模拟分析得到实测点附近的地应力场总体趋势
为S H 〉S c >S @,影响初始地应力场分布的最重要因素为区 构造应力 与方向以及 埋深。

(3)研究发现， 开与 会引起围岩应力的
二次分布，本文并未 素的影响 考虑范围。

今后会在地应力场的
成果 ， 参 值更加精
准,网格划分更加精细的局部 型，进行
多次分析反
，从而 更准确的 果。

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