白龙山隧道地应力场数值模拟研究及岩爆预测

白龙山隧道地应力场数值模拟研究及岩爆预测
刘国伟
【期刊名称】《《中国矿业》》
【年(卷),期】2019(028)0z2
【总页数】4页(P465-468)
【关键词】隧道工程; 初始地应力场; 有限元数值模拟; 岩爆
【作者】刘国伟
【作者单位】山西省交通环境保护中心站有限公司山西太原030006
【正文语种】中文
【中图分类】U45
0 引言
岩爆是深部岩土工程中一种动力失稳地质灾害，常发生于高地应力区的岩体中，严重威胁施工人员和机械设备的安全[1]。

为更好地满足工程建设需求，许多学者进行了大量的研究来预测岩爆，并取得了丰硕的成果[2-6]。

陶振宇[1]提出了高地应力区的岩爆判据；张艳博等[2]、李绍红等[3]、邱道宏等[4]、王元汉等[6]和陈海军等[7]分别基于失稳理论、能量理论等提出了一系列数学方法来预测岩爆，比如数值模拟法、模糊数学综合评判方法及多参量归一化方法等；邓小鹏等[8]、宋章等[9]、吕庆等[10]和刘军强[11]对深埋隧道岩爆特征与防治措施进行了研究。

本文以白龙山大埋深特长公路隧道为例，在宏观区域地应力场基础上，采用三维有
限元数值模拟方法，研究隧道范围初始地应力场分布规律，并在此基础上根据相关岩爆判别准则，对隧道开挖岩爆进行预测。

研究在一定程度上丰富和扩展了吕梁山脉初始应力场研究内容，能够为隧道工程的开挖支护方案提供决策支持。

1 工程概况
1.1 地形地貌及地层
拟建白龙山特长隧道位于吕梁市岚县与兴县交界的吕梁山脉，隧址区地势总体表现为东低西高、中部高两侧低的地貌特征，地貌单元属剥蚀构造变质岩中低山区。

区内最高主峰海拔高程为2 195 m，洞体最大埋深684.1 m，隧道长度10 374 m。

隧道穿越的地层为：第四系全新统松散堆积层、下元古界野鸡山群白龙山组斜长角闪岩、下元古界野鸡山群青杨树湾组变质砾岩、上太古界吕梁山群赤坚岭组斜长片麻岩、中太古界界河口群奥家滩组石英片岩及侵入岩(辉长辉绿岩)。

洞体围岩埋深最大部分主要为硬质角闪岩。

1.2 地质构造与应力场演化
隧址区地处离石大断裂以西，地质构造较复杂，构造形迹以褶皱构造和断裂构造为主，拟建隧道主要位于永安-东村-马坊NNE向褶皱带的白龙山向斜，走向NS方向，向SE倒转，轴面倾向NE，倾角30°～60°。

岩石中两组形成于同一时期的平面X节理代表性产状分别为48°∠51°、168°∠73°。

X节理的锐夹角平分线平行于σ1，钝夹角平分线平行于σ3，两节理的交线为σ2。

据此节理进行赤平投影，得到形成该节理系的古应力方位为：σ1为108°∠11°、σ2为252°∠85°、σ3为6°∠4°，各应力点的应力特征与山西断块所经历的燕山早、中期应力场相应。

区内存在三条褶皱伴生断层，断层规模不大，且均为张扭性断层。

研究发现该褶皱带主要形成于燕山运动时期，后又经喜山期反向应力场作用的改造，从而形成了该区域构造体系复合的特点。

因此本区构造应力场的演化主要经历了燕山期NWW～SEE 向压应力场及喜山期NWW～SEE向拉应力场。

2 初始地应力场数值模拟与分析
2.1 三维计算模型
考虑消除边界效应的前提下，综合地形地貌、地质构造等影响因素，计算范围适当扩大。

综合钻井柱状、室内岩石物理力学参数测试与实验结果、岩体结构特征等多种信息，确保体现本区岩石工程地质单元的特点，将研究区覆岩类型和工程地质类型简化为5个工程地质岩组，分别为中太古界石英片岩、上太古界石英片麻岩、下元古界变质砾岩、下元古界角闪岩及断层带，对应的岩石物理力学参数见表1。

计算模型取隧道轴线静乐-黑峪口方向为X轴(约100°)，建立研究区三维计算模型如图1所示。

边界应力为区域应力，作用方向垂直于边界，区域最大水平构造应力方向取NW58°。

选用弹塑性本构关系，匹配摩尔-库仑准则进行计算。

表1 模型岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameters of model岩层杨氏模量E/MPa泊松比μ密度ρ/(g/cm3)内聚力C/MPa内摩擦角Φ/(°)下元古界变质砾岩11 0000.232.8024.442.0下元古界角闪岩30 0000.163.0533.150.0上太古界石英片麻岩25 0000.192.7026.745.0中太古界石英片岩22
0000.212.6025.943.8断层500.291.6015.020.0
图1 研究区三维有限元计算模型(网格图)Fig.1 The 3D finite element model of study area
2.2 模拟结果分析
通过有限元计算模拟得到该区初始地应力分布，沿隧道轴线取纵剖面，得到拟建隧道剖面云图如图2所示。

图2中不同颜色代表了不同应力大小，黑色代表低应力值，白色代表高应力值，由图2可知，地应力值的大小受控于岩层的性质，相对硬的岩层，较软的岩层应力值大，但地应力值总体上呈现出随深度增加而增大的趋势。

区内的两条断层附近形成了一定范围的应力扰动区，表现为断层对附近岩层应力具有消散作用。

断层内部应力较小，导致断层带两侧应力大小不连续，说明断层
对应力的传递有明显的阻隔作用。

对比图2、图3和图4发现最大水平主应力、
最小水平主应力和垂直应力分布规律相似，只是数值上有差别。

模拟剖面中下元古界角闪岩地层距离断层较远，受断层影响较弱，拟建隧道洞体在该区对应位置为4 500～7 600 m，全长约3 100 m，最大埋深685 m，在穿越该地层时处于高应
力状态。

提取埋深685 m水平的地应力数据，自重应力，σv=18.54 MPa；最小
水平主应力，σh=17.12 MPa，为NNE-SSW向；最大水平主应力，σH=23.25 MPa，为NWW-SEE向，最大水平主应力方向与隧道轴线基本一致，开挖时有利于硐室的稳定性。

区内最大水平主应力最大，说明本区地应力场以构造应力为主导。

图2 最大水平主应力分布云图Fig.2 Maximum horizontal principal stress distribution
图3 最小水平主应力分布云图Fig.3 Minimum horizontal principal stress distribution
图4 自重应力分布云图Fig.4 Vertical stress distribution
3 隧道开挖岩爆预测
3.1 隧道横截面应力分析
根据数值模拟结果拟合得到研究区深部(深度在441～695 m之间)最大水平主应力、最小水平主应力与自重应力的关系为：σH=1.254σv、σh=0.929σv。

假定拟开挖隧洞为圆形，隧道轴向应力(σL)、横截面最大初始应力(σmax)及横截
面最大切向应力(σθ)，计算公式[9-10]见式(1)～(3)。

σL=σhsin2α+σHcos2α
(1)
σmax=σHsin2α+σhsin2α
(2)
σθ=3max(σmax/σv)-min(σmax/σv)
(3)
式中：σH为最大水平主应力；σh为最小水平主应力；α为最大水平主应力与隧洞的走向的夹角；σv为自重应力。

经计算得到式(4)～(6)。

σL=1.24σv
(4)
σmax=1.00σv
(5)
σθ=2.06σv
(6)
计算结果表明：拟建隧道区域存在一定的水平构造应力，但由于最大水平主应力的方向(NW58°)与隧道走向(NW52°)小角度相交，大万山隧道横截面上的最大初始应力σmax仍然以自重应力为主，隧道开挖后的变形破坏应力因素以自重应力为主导。

3.2 岩爆预测
研究表明，地层岩性和地应力与岩爆活动密切相关，根据隧道数值模拟分析结果，拟建隧道对应位置为4 500～7 600 m段，埋深处于441～685 m范围，隧道断面最大切向应力σθ处于23.1～38.19 MPa之间，最大初始应力σmax处于
8.7～18.54 MPa之间。

根据岩石试验资料，根据室内实验结果，该套地层岩芯的饱和单轴抗压强度值Rc介于60～146 MPa之间，平均约103 MPa，属硬质岩，因此大万山隧道洞身段有出现岩爆的物质条件。

本次岩爆预测从地应力和岩石强度角度，采用的岩爆应力判据有Russenes判据σθ/Rc、陶振宇判据Rc/σmax及Hoek判据σθ/Rc，判别准则见表2。

将数据带入相应判别准则得到岩爆预测结果见表3。

预测结果表明隧道计算段岩爆等级仅为
弱岩爆～中等岩爆，即从理论上认为大万山隧道不存在岩爆或发生岩爆的可能性很小。

位置为5 300～5 900 m段，隧道洞体埋深最大，发生中等岩爆的可能性较大。

表2 岩爆应力判据Table 2 Stress criterion of rock burstRussenes判据σθ/Rc
陶振宇判据Rc/σmax岩爆等级Hoek判据σθ/Rc岩爆等级<0.2> 14. 5无岩爆0.34少量片帮0.2～0.314. 5～ 5. 5弱岩爆0.42严重片帮0.3～0.555. 5～2. 5中等岩爆0.56需重型支护>0.55< 2. 5强烈岩爆0.70有严重岩爆
表3 岩爆预测结果Table 3 Results of rock burst predictionRussenes判据
σθ/Rc陶振宇判据Rc/σmaxHoek判据σθ/Rc0.22～0.3711.8～5.60.22～0.37弱～中等岩爆弱岩爆少量片帮～严重片帮
4 结论
1) 区内地应力场以构造应力为主导，最大水平主应力方向与隧道轴线基本一致。

拟建隧道洞体在该区对应位置为4 500～7 600 m，处于高应力状态，并拟合得到该段深部最大、最小水平主应力与自重应力的关系。

2) 基于数值模拟结果分析得出隧道开挖后的变形破坏应力因素以自重应力为主导，并计算得到拟建隧道位置为4 500～7 600 m段，埋深处于441～685 m范围内
隧道断面最大切向应力值与最大初始应力值。

3) 岩爆预测结果表明隧道计算段岩爆等级为弱岩爆～中等岩爆，即大万山隧道不
存在岩爆或发生岩爆的可能性很小。

参考文献
【相关文献】
[1] 陶振宇.高地应力区的岩爆及其判别[J].人民长江,1987(5):25-32.
TAO Zhenyu.Rock burst and evaluation method in high ground stress field[J].Yangtze River,1987(5):25-32.
[2] 张艳博,梁鹏,刘祥鑫,等.基于多参量归一化的花岗岩巷道岩爆预测试验研究[J].岩土力
学,2016,37(1):96-104.
ZHANG Yanbo,LIANG Peng,LIU Xiangxin,et al.An experimental study of predicting rockburst in granitic roadway based on multiparameter normalization[J].Rock and Soil Mechanics,2016,37(1):96-104.
[3] 李绍红,王少阳,朱建东,等.基于权重融合和云模型的岩爆倾向性预测研究[J].岩土工程学
报,2018,40(6):1075-1083.
LI Shaohong,WANG Shaoyang,ZHU Jiandong,et al.Prediction of rock burst tendency based on weighted fusion and improved cloud model[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2018,40(6):1075-1083.
[4] 邱道宏,李术才,张乐文,等.基于隧洞超前地质探测和地应力场反演的岩爆预测研究[J].岩土力学,2015,36(7):2034-2040.
QIU Daohong,LI Shucai,ZHANG Lewen,et al.Rockburst prediction based on tunnel geological exploration and ground stress field inverse analysis[J].Rock and Soil Mechanics,2015,36(7):2034-2040.
[5] 张然,王金安,马海涛.米仓山深埋公路隧道岩爆预测与防治对策研究[J].地下空间与工程学
报,2013,9(6):1406-1411.
ZHANG Ran,WANG Jin’an,MA Haitao.Study on prediction and prevention of rock burst in Micangshan deep highway tunnel[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2013,9(6):1406-1411.
[6] 王元汉,李卧东,李启光,等.岩爆预测的模糊数学综合评判方法[J].岩石力学与工程学
报,1998,17(5):493-501.
WANG Yuanhan,LI Wodong,LI Qiguang,et al.Method of fuzzy comprehensive evaluations for rockburst prediction[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and
Engineering,1998,17(5):493-501.
[7] 陈海军,郦能惠,聂德新,等.岩爆预测的人工神经网络模型[J].岩土工程学报,2002,24(2):229-232. CHEN Haijun,LI Nenghui,NIE Dexin,et al.A model for prediction of rockburst by artificial neural network[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2002,24(2):229-232. [8] 邓小鹏,相建华.宝塔山特长隧道地应力场研究及岩爆预测[J].水文地质工程地质,2013,40(1):83-88.
DENG Xiaopeng,XIANG Jianhua.A study of the geostress field of the surrounding rocks of the Baota mountain tunnel and rock burst forecast[J].Hydrogeology and Engineering Geology,2013,40(1):83-88.
[9] 宋章,袁传保,杜宇本,等.成兰铁路某长大深埋隧道岩爆特征及成因机制[J].铁道工程学
报,2017,34(10):66-72.
SONG Zhang,YUAN Chuanbao,DU Yuben,et al.The characteristics and formation mechanism of rock-burst for a long and deep tunnel of Chengdu-Lanzhou
railway[J].Journal of Railway Engineering Society,2017,34(10):66-72.
[10] 吕庆,孙红月,尚岳全,等.深埋特长公路隧道岩爆预测综合研究[J].岩石力学与工程学
报,2005,24(16):2982-2988.
LYU Qing,SUN Hongyue,SHANG Yuequan,et prehensive study on prediction of rockburst in deep and over-length highway tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(16):2982-2988.
[11] 刘军强.西周岭隧道地应力测量及岩爆预测分析[J].工程地质学报,2011,19(3):428-432.
LIU Junqiang.In-situ stress measurement and rockburst analysis in Xizhouling
tunnel[J].Journal of Engineering Geology,2011,19(3):428-432.。