金西隧道地应力场反演及软岩大变形分析

金西隧道地应力场反演及软岩大变形分析

锁沛斯 ,段明杰  ,刘超

云南省交通规划设计研究院有限公司  昆明 650200

摘要：金西隧道是古宁高速公路的控制性工程,隧址区穿越丽江-小金河断裂带衔接区。其中丽江-小金河断裂具有强烈闭锁及小震空缺区特征，预测其发生强震及地表破裂的潜力强于其他断裂。综合岩性评价及软岩大变形模拟认为二叠系黑泥哨组因发育软弱层，导致其强度较低易变形具极强变形风险。总之，本文认为工程及岩组与现今NNW-NW向走滑型的主压应力方向高角度相交是区域岩组产生高变形风险的主要原因之一，其次软岩的变形与岩体的强度与断层破碎带的影响有关。本文综合断裂和岩组各种因素通过数值模拟对软岩变形进行预测，并评价其工程稳定性。

关键词：古宁高速；活动断裂；地应力；软岩变形；工程地质比选；

1 引言

丽江古城至宁蒗高速公路工程（以下简称古宁高速）是“川滇藏大香格里拉旅游环线”的重要组成部分，项目建设对于加密国家西南部高速公路网起到十分重要的作用。本项目是川渝地区通往丽江最近的陆路通道，项目的建成将成为丽江市北上成都、南下大理的最短通道，对于改善沿线居民出行条件，对加快推进全市社会经济跨越发展，有着重大意义。

古宁高速公路工程区位于川滇块体腹地—丽江-小金河断裂带西南段的丽江和宁蒗地区。受印度板块北东向推挤、青藏高原软流层物质沿大型走滑断层向东侧移及华南块体强烈阻挡等因素影响，川滇块体现近构造应力场分布格局具有复杂性。基于中小地震震源机制解，许忠淮等分析认为川滇地区现今构造应力场以NW向为主导；吴建平等研究认为川滇块体内部主压应力方位从北到南由NNW向转为近SN向；综合震源机制解、水压致裂地应力测量结果和断层滑动反演资料，崔效锋等认为川滇地区现今构造应力场存在3个明显不同的应力区，即滇西南应力区（NE向）、川滇应力区（NNW向）和马边-昭通应力区（NW向）；乔学军等利用1998年~2002年200多个GPS点观测数据对川滇地区形变场进行研究，发现滇中次级块体的水平形变优势方向为165°~168 °，一定程度上表明川滇地区NNW~NW向的主压应力方位；此外，丰成君等还分析认为丽江-剑川地区现今最大主压应力方位为NNW~NW向，与上世纪80年代中期主压应力方位（NNE～NE向）相比，主压应力方位发生较明显的逆时针偏转。

针对于该区地应力问题，参考已公开发表资料或工程勘察报告，选择距离线路工程区较近的丽江干塘子钻孔和鹤剑1号隧道HZK2钻孔，并将两钻孔的水压致裂地应力测量结果作为模拟工程区及邻区初始地应力场的应力边界条件。

2 简化地质模型

基于古宁高速金西隧道预选方案及邻区1:20万基础地质图，综合考虑工程岩组和断层破碎带的因素，建立研究区及邻区简化二维地质模型（图1），简化模型中还包含不同规模的断裂带近30条，断层破碎带宽度近似为200 m。

图1  金西隧道及邻区简化二维地质模型图2 金西隧道有限元计算模型

3 有限元计算模型

参考研究区及邻区相关勘察报告，确定模型中不同工程岩组物理力学参数，其中断层破碎带在模型中以弱化带处理，即具有较低的弹性模量和摩擦强度。基于有限元数值模拟方法，采用ANSYS商业软件，选用8节点Plane183单元，将简化地质模型进行网格划分，共得到有限元计算单元10789个（图2），有限元计算模型中重点关注1号测线（AB段和BC段）和2号测线（T1~T12段）沿线及邻区初始地应力分布特征。

4 构造应力环境

已有钻孔水压致裂地应力测量结果表明：在不同深度测量的水平应力与垂向应力进行比较，其关系有SH＞Sh＞Sv（逆冲型）或SH＞Sv＞Sh（走滑型）但总体水平应力占主导作用，最大水平主应力方位为N40°W、N34°W、N40°W和N29°W，平均方位为N35°W，反映了NNW~NW向的主压应力作用。在800 m深度最大、最小水平主应力值分别为18.20 MPa和12.39 MPa，因此，在有限元计算模型中，先将模型的东北、东南边界法向位移约束，之后在模型的西北边界沿N35°W方向施加18.20 MPa的最大水平主应力，而在模型的西南边界沿N55°E施加12.39 MPa的最小水平主应力。基于此，可模拟得到两条测线沿线及邻区二维初始应力场分布特征。

图3 测线沿线及邻区水平主应力值

a最大水平主应力值；（b）最小水平主应力值

初始应力场反演结果表明，在不同边界条件下最大水平主应力（SH）、最小水平主应力（Sh）与垂直应力（Sv）的关系均为SH＞Sv＞Sh反映其应力状态均为走滑与区域的分析结果相一致。

5 金西隧道软岩大变形预测评价

丽江古城至宁蒗高速的1号测线沿线跨越强度较低的薄层泥灰岩区、夹煤层的泥页岩区及多条断层破碎带，受断层活动影响，沿线岩体较破碎，存在软岩大变形的高风险。鉴于此，基于预选线路及邻区初始应力场反演结果，选取适宜的软岩大变形判据准则，预测分析丽江-宁蒗1号测线与2号测线沿线软岩大变形风险并进行工程稳定性评价，为高速公路科学设计、施工和安全运行提供地质参考。

5.1软岩大变形预测评价方法

关于围岩变形量有多大，国内外学者做了大量研究。目前国内主要方法有现场观测经验回归法、隧道围岩变形模型预测法以及基于数值分析的预测预报方法。Hoek利用轴对称有限元法对大量岩体进行了分析，得到在有支护压力、原地应力作用下隧道围岩的相对变形预测公式，可表达为：

(3)

式中：εt为隧道围岩相对变形量（%）；σcm为岩体单轴抗压强度；pi为隧道支护压力，取为0.5；p0为原岩应力，取3σ1 -σ3。

由公式（3）可估算深埋隧道围岩相对变形量，再基于表3中大变形分级方法，可对软岩大变形风险进行预测评价。由于章节限制文章中只对丽江干塘子钻孔应力边界条件对两条测线软岩变形进行评价，两个应力边界的软岩变形评价结果。

软岩大变形分级评价标准

5.2软岩大变形预测评价

（1）1号测线围岩大变形预测评价

1号测线之AB段先后穿越受断层破碎带影响的三叠系北衙组灰岩、二叠系玄武岩组及石炭系灰岩区，3种典型的工程岩体平均单轴抗压强度分别为32 MPa、80MPa和60 MPa，基于图18中800 m深度1号测线沿线及邻区初始应力场模拟结果，可计算得到预选线路01沿线原岩应力p0，再由公式（3）估算得到1号测线深埋隧道围岩相对变形量和大变形风险（图16）。

 1号测线深埋隧道围岩大变形预测评价

在800 m埋深，AB段相对变形量为10.11~19.20%，平均为14.04%，具有极强变形风险，其中大变形风险最高段是三叠系北衙组灰岩区；BC段相对变形量为10.09~22.37%，平均为14.34%，具有强烈-极强的大变形风险，其中极强变形风险位于二叠系黑泥哨组分布区。

（2）2号测线围岩大变形预测评价

2号测线之T1和T2段穿越受断层破碎带影响的三叠系北衙组灰岩（平均单轴抗压强度为32 MPa），T3~T6段主要位于二叠系玄武岩组（平均单轴抗压强度为80 MPa），T7和T8跨越三叠系北衙组灰岩区（平均单轴抗压强度为70 MPa），T9~T12段则位于三叠系松桂组石英砂岩区（平均单轴抗压强度为65 MPa），基于400 m深度2号测线沿线及邻区初始应力场模拟结果，可计算得到预选线路02沿线原岩应力p0，再由公式（3）估算得到2号测线深埋隧道围岩相对变形量和大变形风险。按照相对变形量分两段，在400 m埋深，2号测线之T2~T12段相对变形量为5.07~10.13%，平均为9.05%，具有中等-强烈的大变形风险，而T1段相对变形量为12.0~14.41%，平均为12.94%，具有极强的大变形风险。另外T2-T6及T12的相对变形量处于强烈变形风险值间，而T7-T11相对变形量处于强烈-极强变形值的过渡区。

图13-2号测线深埋隧道围岩大变形预测评价

对比分析1号测线和2号测线相对变形量可得出，在最大埋深位置，两测线在最西端均可能发生极强的变形风险，除此之外，2号测线其他分段（T2~T12段）平均相对变形量均要小于1号测线（AB和BC段）约5个百分点。从软岩大变形风险程度上来看，2号测线的软岩变形风险小于1号测线软岩变形。

6 结论与建议

从深埋隧道围岩大变形风险程度上来看，古宁高速预选线路02发生中等-强烈大变形风险低于预选线路01，预选线路02优于线路01。古宁高速预选线路02之西端（穿越多条断层破碎带区域）具有极高的大变形风险，施工过程中应采用有效措施提高隧道抗变形能力。建议开展工程区三维初始应力场数值模拟及围岩稳定性评价（岩爆、大变形等）。

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