（地质工程专业论文）雅泸高速公路大相岭隧道初始地应力场研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 初始地应力是隧道工程围岩稳定与支护结构设计的基本因素之一，采用 的初始地应力场是否可靠，将直接影响到工程设计与施工的可靠性与安全性。 本文以大相岭隧道工程为例，在收集、整理前人研究结果的基础上，分析初 始地应力场的成因及主要影响因素，通过现场地应力测量，室内实验分析和 模型计算从测量方法、实测应力结果的分析处理及回归分析方法等方面开展 大相岭隧道工程区地应力场的研究工作，为隧道的开挖提供了较为精确的初 始条件。 通过工程现场地质调查，对隧道工程区的地质环境进行了评价；分析了 地应力场的形成与影响地应力的主要因素。通过水压致裂地应力测量，研究 工程区地应力场的分布规律，测试结果及分析表明：现今区域应力场以近北 北西向挤压为主，与隧道轴线所成夹角较大，不利于隧道围岩的稳定；隧道 主应力量值有随深度线性增加的趋势；现今区域地应力场以水平主应力和构 造应力为主；隧道区主应力方向与区域震源机制解方向基本一致。 根据大相岭隧道实测地应力资料，充分考虑岩体自重应力场与构造应力 的场影响，采取三维数值模拟回归分析方法，通过对计算值与实测点地应力 值逐步回归分析求出回归系数，得到计算区域的初始地应力场。结果表明： 所拟合的初始地应力与实测值吻合较好，可作为工程设计与施工的依据。 用离散单元法对断层对地应力场的影响进行了系统的模拟分析，揭示了 断层对地应力场的影响的规律及其机理。通过模拟分析可知，断层附近应力 方位变化的幅度和发生变化的范围因断层的力学性质、围岩的物理力学性质 及边界条件等的不同而不同。 关键词：水压致裂回归分析初始地应力断层离散单元法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 _ _ _ _ - _ _ i _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ 一i a bs t r a c t t h es t r e s si np r i m a r yr o c ki so n eo ft h eb a s i sf a c t o r sw h i c hd e c i d e s u r r o u n d i n g s t a b i l i t ya n ds u p p o r tp a t t e r no ft u n n e le n g i n e e r i n g b a s e do nt h ec o l l e c t i n ga n d a n a l y z i n gp r e d e c e s s o r ss t u d y i n gf r u i t s ，t h ep a p e rt a k e st h et u n n e l sp r o j e c t i o no f d a x i a n g l i n g f o re x a m p l e ，s t u d i e sa n ds u m m a r i z e st h ec a u s ea n d i n f l u e n c i n g f a c t o r so ft h ei n i t i a l g e o s t r e s s t r yt op r o c e e d i n gt h er e s e a r c ho fd a x i a n g l i n g t u n n e l si n i t i a lg e o s t r e s sf r o mt h e s ep a r t s ，w h i c ha r em e a s u r em e t h o d s ，a n a l y s i so f t h em e a s u r e dr e s u l t s ，m e t h o d so fr e g r e s s i o na n ds i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n s u p p l y e x a c ti n i t i a lc o n d i t i o nf o rt h ee x c a v a t i o no ft u n n e l s g e o l o g i c a le n v i r o n m e n to ft u n n e la r e ai se v a l u a t e db yg e o l o g i c a ls u r v e ya t o n - t h e - s p o ts i t e ，t h e ns t u d i e dt h ec a u s ea n di n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ei n i t i a ls t r e s s i n - s i t us t r e s si sm e a s u r e db yh y d r a u l i cf r a c t u r i n gm e t h o da t4d r i l lh o l e so ft u n n e l s i t e m e a s u r i n gr e s u l t sa n da n a l y s i so fr e g i o n a lp r e s e n ts t r e s sf i e l ds h o w s ：p r e s e n t a r e as t r e s sf i e l dp l a y sal e a d i n gr o l ei nt h en n wd i r e c t i o ne x t r u s i o n ，a n di n t e r s e c t a tb i ga n g l ew i t ht h et u n n e l sd i r e c t i o n ，w h i c hi sd i s a d v a n t a g e o u st ot h et u n n e l s s t a b i l i t y ；t h ep r e s e n tp r i n c i p a ls t r e s si n c r e a s e sa l o n gw i t ht h ed e e pi n c r e a s i n g ； h o r i z o n t a ls t r e s sa n ds t r u c t u r a ls t r e s si sd o m i n a n ti nt h ep r e s e n ta r e as t r e s sf i e l d o ft u n n e ls i t e ；t h ep r i n c i p l es t r e s sd i r e c t i o no ft u n n e la r e ai sb a s i c a l l yc o n f o r mt o t h ed i r e c t i o no f e a r t h q u a k ef o c u sm e c h a n i s ms o l u t i o n b a s e do nt h ef i e l d i n v e s t i g a t i o no fi n s i t u s t r e s si n d a x i a n g l i n gt u n n e l ， i n s i t us t r e s sa r o u n dt h et u n n e lw a s r e g r e s s e db y3dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw h e n t h ei n f l u e n c eo fg r a v i t i a t i o n a lf i e l da n dt e c t o n i cf i e l da r ec o n s i d e r e d t h e r e g r e s s i o nc o e f f i c i e n t sa r eo b s t a i n e df r o ms t e p b y - s t e pr e g r e s s i o na n a l y s i s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e r e g r e s s e d i n i t i a l g e o s t r e s s a r ef i tw e l lt ot h ef i e l d m e a s u r e m e n t sa n dc a nb eu s e df o rs u p p o r td e s i g na n ds t a b i l i t ya n a l y s i so ft h e t u n n e l n u m e r i c a lm o d e l i n gb yt h ed i s t i n c te l e m e n tm e t h o dd e m o n s t r a t em u c h i n f o r m a t i o na b o u ts t r e s sv a r i a t i o nc a u s e db yt h ee x i s t e n c eo ff r a c t u r e s i ti sf o u n d f r o mm o d e l i n gt h a tt h ev a r i a t i o ns t r e s s e si nt h ev i c i n i t yo ff r a c t u r e sd e p e n d so n t h em e c h a n i c a la n ds t r e n g t hp r o p e r t i e so fb o t hf r a c t u r e sa n dr o c km a s s e sa sw e l l a sb o u n d a r yc o n d i t i o n s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 k e y w o r d s ：h y d r a u l i cf r a c t u r i n gr e g r e s s i o na n a l y s i s t h ei n i t i a l g e o s t r e s s f a u l tt h ed i s t i n c te l e m e n tm e t h o d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书，； ， 2 不保密匹使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：1 东碣弘指导老师签名： 盈 醐： 矽7 。一佯 醐：7 j 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本论文根据实测地应力数据，利用有限差分软件完成大相岭隧道隧址区 初始地应力场的回归拟合。并利用离散单元法对断层对地应力场的影响进行 了模拟。分析断层附近应力方位变化的幅度和发生变化的范围。论文为认识 大相岭隧道地应力的分布规律，进行隧道稳定性分析提供了科学依据。 学位论文作者签名： 日期： 叩隶埔弘 r 。f4 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究目的及意义 第1 章绪论 大相岭隧道位于四川雅安市荥经县与汉源县交界处，穿越大渡河与青衣 江两大水系的分水岭一大相岭，全长约l o k m ，穿越段最大埋深1 7 0 1 m ，属于深 埋特长越岭公路隧道。隧址区所在区域地处扬子准地台西缘与松潘一甘孜造山 带结合部，其西紧靠康滇地轴，北邻龙门山陷褶断束，东邻四川台坳之川西 台陷，南接凉山陷褶束。本区长期的构造作用以及与之相伴随的岩浆作用、 变质作用，形成了主要由n e 向、n w 向、s n 向构造带构成“y ”字形为主体的 特殊构造格局。隧址区靠近“y ”字形构造的交汇处，跨越康滇s n 向构造带、 受龙门山前陆冲断带、金汤弧形构造带、川西前陆盆地、小金弧形构造带、 鲜水河走滑构造带等多个二级构造单元的影响。区域内的南北向构造、北东 向构造、北西向构造和弧形构造相互交切、穿插、叠加，致使区域内地质构 造十分复杂，断裂、褶曲发育，这些都会对隧址区构造应力场的局部表现产 生一定的影响，导致隧址区的初始应力场的分布形态十分复杂。 对于大相岭特长隧道来说，面对如此复杂的地质构造，研究如何根据少 量的地应力实测资料进行反演，使得计算应力与实测应力达到最优拟合以至 于把握隧址区初始应力场的分布规律，对于评价隧道开挖后围岩稳定性和研 究高压突水突泥具有重要的实际意义。初始地应力场的研究是地下结构稳定 性研究的前提和必要条件。由于初始地应力场是一个受多种因素相互作用影 响的复杂系统，即使在现今，要精确地、定量地分析地应力场仍十分困难。 地应力对地下工程的影响问题，已经成为世界性的工程难题之一，己经引起 了世界岩土力学界和水利工程界的广泛重视，但是，由于岩体和各种地质影 响因素的复杂性，这些问题在很多方面还没有达成共识。因此，如何计算模 拟工程关心区域的初始地应力场，使研究结果与客观实际尽可能一致，为工 程设计、施工提出可靠的依据，为同类工程提供借鉴和参考，这方面的研究 就显得非常有意义。以往的工程实践和地应力测量结果表明，在各种尺度断 层附近，地应力的大小和方向都发生一定程度的变化。因此，研究断层附近 应力状态的变化规律，分析影响断层附近应力状态变化因素也具有重要的理 论意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状 近几十年来，随着科学技术的进步和建设事业的发展，大型工业企业和 市政设施的地下工程系统日益增多，在水利电力、交通运输、矿山开采以及 军事工程等方面修建了大量的、规模巨大的地下洞室，收到了良好的效益。 不论是水利水电工程，山地隧道、修建地下电厂、兴建城市地铁等地下空间 工程，以及岩石高边坡开挖、地下空间开挖等，岩体地应力都是一个不可回 避的重要因素。 如何尽可能准确地测定岩体的初始地应力并评估岩体地应力的分布状 态，合理模拟工程构筑区域的初始地应力场，合理地计算工程问题中的开挖 荷载，一直是岩体力学与工程问题中的重要研究课题之一。正因为如此有关 地应力测量理论、方法和技术的研究，岩体初始地应力场的数值模拟方法的 研究，以及地应力测试设备的开发研制，在我国岩体力学发展史上直占有 十分重要的地位。 1 2 1 国内外地应力测量技术的发展概况 人们最初对地应力概念的认识以及地应力测量技术的发展都源于早期的 矿山工程建设，最早的原位地应力测量起始于2 0 世纪3 0 年代。1 9 3 2 年，美 国人劳伦斯( l i e u r a c e ) 在胡佛坝( h o o v e rd a m ) 下面的一个隧道中采用岩体表 面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的量n 引。此后，地应力测试技术一 直停留在岩体表面应力测量上，发展十分缓慢，在2 0 世纪5 0 年代，哈斯特 ( h a s t ) 采用应力解除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量，并 于1 9 5 8 年首次公布了他于1 9 5 2 1 9 5 3 年在瑞典拉伊斯瓦尔( l a i s w a l l ) 铅矿和 斯堪的纳维亚半岛( s c a n d i n a v i a np e n i n s u l a ) 四个矿区的地应力测量结果3 ，首 次测得近地表地层中的水平应力高于垂直应力，从事实上否定了传统地应力 理论的假设，引起了人们的关注。此后，地应力测量工作在加拿大、美国、 南非、澳大利亚等国得到较为广泛的开展。2 0 世纪6 0 年代中期之前，地应 力测量基本上处于平面应力测量水平，即通过一个单孔或一点的测量，只能 确定该点某一剖面上的应力状态h 3 。进入2 0 世纪6 0 年代中期之后，随着岩 石力学、数值分析、工程测试技术等学科的诞生和发展，地应力测量理论和 测试技术也得到了创新和发展，这时出现了三维地应力测量技术，即通过一 个单孔的测量就可以求得岩体中某一点的三维地应力状态，使钻孔应力测量 技术进入了快速发展阶段。2 0 世纪8 0 年代初，瑞典国家电力局( s s p b ) 研制 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 成功了水下钻孔三向应变计，同时还开发了带有数据自动采集系统的井下三 向应变计探头，使深钻孔应力测量技术达到了一个新的发展水平，其最大测 量深度己达到5 1 0 m h l 。 但是对于深部岩体地应力测量，目前只有水力压裂法。水力压裂法地应 力测量是对油井实施水力压裂增产技术发展而来的岩体应力测量方法，目前 其最大测量深度己达5 1 0 5 米晦3 。从本质上讲，水压致裂法是一种平面应力测 量方法，虽然该方法具有许多优点，但该法在确定地应力大小和方向时作了 一些假定，从而使得测量结果的可靠性存在疑问。尽管水力压裂法有其自身 的弊病，但在深部地应力测量中有着不可替代的作用，目前深部地壳应力实 测数据资料目前主要是通过水力压裂法获得的。 我国的地应力测量技术和设备的研制工作起步较晚，起始于2 0 世纪5 0 年代末期，而地应力实测工作从上个世纪6 0 年代初开始，1 9 6 21 9 6 4 年在 三峡平善坝坝址获得了岩体表面应力测量成果拍3 。1 9 6 4 年，在陈宗基院士的 带领下，中国科学院武汉岩土力学研究所在湖北大冶铁矿进行了国内首次应 力解除测量，测量深度为8 0 m 。2 0 世纪8 0 年代中期成功研制出了y g 8 l 型 压磁应力计，不仅缩短了在测量时所取完整岩心的长度，而且提高了测量的 成功率和测量精度。 2 0 世纪7 0 年代以后，地应力测量技术获得了普遍发展和广泛应用，中 国科学院武汉岩土力学研究所、中国科学院地质研究所、国家地震局地壳应 力研究所、长江科学院等单位都进行了专门组织的地应力测量和研究工作h 1 。 这一时期，在我国普遍采用的地应力测量设备是压磁式钻孔应力计等。进入 2 0 世纪8 0 年代以后，地壳应力研究所率先在国内开展了水力压裂地应力测 量的研究工作，并于1 9 8 0 年1 0 月在河北易县首次成功进行了水力压裂法地 应力测量，从而迈出了我国深钻孔地应力测量的第一步h 1 ，目前我国的水力 压裂地应力测量深度已经突破2 0 0 0 m 大关( 大港油田) 。 1 9 9 0 年以来，北京科技大学不仅在地应力测试理论方面进行了系统的研 究，而且还在实验室试验研究和现场实测的基础上，提出了一系列考虑岩体 非线性、不连续性、非均质性和各向异性、正确进行温度补偿等大幅度提高 应力解除法测量精度的技术和措施。 原位测量是目前取得工程需要的不同深度原岩应力可靠资料的唯一方 法。因为尽管原岩应力的各种假说和理论对认识地壳的受力规律有一定的参 考价值，但对于工程而言，都或多或少、或大或小存在各种地质构造和影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 原岩应力的大小和方向的错综复杂的因素，因而没有也不可能有任何一种理 论可以完全取代实测方法而能给出工程需要的可靠的资料。 目前各国采用和正在研究的测定地应力的方法主要有：应力解除法崎。， 水压致裂法3 ，钻孔锯法 1 ，非弹性应变恢复法随1 等。利用从钻孔中采取的岩 芯实验室测量方法有：凯塞尔效应法阳1 ，变形率分析，微分应变曲线分析等。 近年来发展有超声波检测原岩应力n 叫的方法等。 我国的地应力测量技术和设备从无到有，经过近4 0 余年的发展，己经 取得了长足的进步，但与国际先进水平相比尚有一定的差距，研究新的测量 方法和测试技术解决目前地应力测量中存在的各种问题和不足，仍然是从事 地应力测量与研究工作的广大科技人员面临的重大研究课题。 1 2 2 国内外地应力反演分析的现状 虽然现场实测地应力是提供地应力场最直接的途径，但是在工程现场， 由于测试费用昂贵、测试所需时间长和现场试验条件艰苦等原因，不可能进 行大量的测量。因此，必须进行地应力场的分析计算，以获得更为准确的、 适用范围较大的地应力场。 目前，初始地应力场主要有两种分析方法：正分析、反分析。正分析就 是根据必要的岩体参数，采用合适的介质模型，运用一定的数值方法，求解 工程域内岩体的力学状态；反分析就是利用现场测试得到岩体的一些基本信 息，通过一定的数值计算求解岩体的基本参数( 包括初始应力、弹模等) 。概 括地说，主要有： 1 边界荷载调整法 1 9 8 2 年白世伟、李光煌3 等提出边界荷载调整法，该方法建议在工程地 点按有限元计算水平荷载。用有限元方法求在这一水平分布荷载及自重作用 下的应力场。对边界荷载做逐步调整，使得有限元方法求得的应力场在给定 几个观测点位置等于或接近地应力的观测值，则所得的应力场即可作为初始 地应力场。但因为边界荷载的调整没有可遵循的规律，难以保证计算过程逐 步收敛到所求值，该方法的使用并不广泛。 2 有限元数学模型回归分析方法 1 9 8 2 年，天津大学郭怀志n 列等教授提出用回归分析的方法计算模拟岩体 初始地应力场。开拓了国内岩体地应力场计算分析的先河。基本思想是根据 地形、地质勘察试验资料，确定有限元计算模式，把可能形成初始地应力场 的因素( 如岩体自重、地质构造运动等) 作为待定因素建立回归方程，用数理 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 统计方法使残差平方和达到最小，可求得回归方程中各待定系数的唯一解。 同济大学的冯紫良教授在小湾电站初始地应力场的回归分析中将这一方法做 了进一步的发展，对初始地应力的实测值引入了可考虑各因素综合影响的加 权系数，使分析更为合理。1 9 9 4 年水利水电科学院的朱伯芳院士口3 3 在郭怀志 教授的基础上做了改进，指出自重应力和构造应力的计算精度是完全不同的， 岩体的容重可以比较精确地确定，它的变化范围也不大，根据实际的地形地 质条件，用有限元方法可以精确地计算岩体的自重应力，可视为己知值。而 构造应力的情况就有所不同，构造应力与研究域边界位移是成正比的，反演 构造应力成为反演地质构造引起的研究区域的边界位移。本论文主要采用这 种方法来反演回归大相岭隧址区的地应力值。 3 地应力函数的分析方法 1 9 8 4 年水利水电科学研究院的张有天、胡惠昌n 们提出“地应力场的趋势 分析”法，该方法用四次多项式应力函数根据少数测点及地表边界条件对地 应力场进行计算，推导了相应的公式，虽然该方法简便可行但四次应力函数 只能描述二次应力张量场，当地形起伏变化大，地质上有断层破碎带，应力 变化剧烈甚至不连续，这时只能用高阶的应力函数，另外，若岩性比较单一， 用趋势面分析法甚为便利，但若研究区域中有几种介质，采用此法时则应分 区拟合，并保证界面上的连续，这就增加了复杂性。 1 9 8 9 年武汉水利电力学院肖明n 础提出了采用三维有限元反演三维初始 地应力场，并用三维正交多项式拟合三维应力函数，该方法是以实测应力点 为依据，然后根据地形、地貌、地质条件对初始地应力场用三维正交多项式 根据最d - - 乘法的原理拟合，具有一定精度。当初始应力场突变较大时，采 用应力函数描述则尚有一定的困难，可采用分区函数拟合，并能收到较好的 效果。 4 用灰色理论确定地应力场 1 9 9 6 年北京科技大学的于波、蔡美峰、乔兰根据地应力实测数据，使用 灰色建模理论建立了矿区地应力分布规律的模型，并应用于峨口铁矿，与水 压致裂法和应力解除法两种方法所获得的测量值比较，服从相同的分布规律， 具有良好的一致性。其主要思想是用作用在边界上的位移u ，( i = 1 ，2 ) 来模 拟构造运动，计算出相应的构造应力场，再加上自重应力场作为计算模型的 初始“初拟观测值”，再与相应点处的实测值进行灰色理论模型计算，最后在 实际荷载的边界条件下，进行有限元计算得到工程区的初始应力场。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 5 地质力学分析法 这类方法的主要特点是依据地壳上存在的构造形迹直接对初始地应力场 作力学分析，以便研究结果与客观实际比较相符。然而由于初始地应力场是 地质历史中历次构造运动的综合产物，影响因素较多，分布规律较复杂，目 前看来地质力学分析法在初始地应力研究中能起的作用主要是可为区域初始 地应力场的定量分析建立较为合理的力学模型提供帮助，而不是为某一地点 初始地应力的定量计算提供直接的方法。 此外，还有结合神经网络、遗传算法等一系列不确定分析方法，来推求 工程区域的初始地应力场。 在国外，日本的樱井春辅提出了位移一应变反馈方法确定初始地应力与 地层弹性参数的有限元法。这一方法的特点是，假设了岩体的初始垂直应力 近似等于自重应力，取用了不等于t ( 1 + ) 的待定侧压力系数，以及在分析 计算中可同时确定地层的e 、u 值。为使计算位移值逼近实测位移值，这一 方法需经过多次重复计算，才能最终确定弹性参数初始地应力。大爆正幸在 提出的位移预报法中涉及了初始地应力的反演确定，对圆形洞室的粘弹性问 题提出了解析法，其比较实用的近似方法同时考虑了洞室开挖的空间效应和 对位移量测结果的影响，不足之处是在理论分析中首先假定了初始地应力场 的分布规律符合海姆假设，使适用场合受到限制。美国学者古德曼( g o o d m a n l 在7 0 年代出版的岩石力学专著中己提到可依据位移量反算初始地应力，意大 利学者焦德( g g i o d a ) 从事位移反演理论研究多年，并已取得系列成果包括提 出了可同时确定初始地应力和地层特性参数的优化反演分析理论。 1 3 论文的研究内容 通过工程现场地应力测试结合现场调查和室内试验，分析了隧址区地应 力的分布状态及其规律，根据获得的地应力实测数据，充分考虑地层岩性、 地形地貌、断层等因素建立三维地质模型，对隧址区进行了有限差分计算并 进行回归拟合，得出隧址区主应力随深度的变化规律及隧道轴线方向地应力 值，并采用离散单元法针对简单的模型算例，分析了断层对地应力场的影响， 通过以上的分析研究为隧道施工和预测灾害提供了依据。 1 4 论文的研究思路及技术路线 本文围绕如何较准确确定深埋隧道隧址区的初始地应力场进行研究，着 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 重从初始地应力场的成因、地应力值的测量及回归拟合方法等发面入手，主 要开展了以下几方面的研究工作：( 1 ) 在阅读大量文献的基础上，归纳总结了 地应力场的成因及影响因素，为进一步的定量研究提供分析依据；( 2 ) 对实测 点的地应力值进行坐标转换，利用有限元软件建立三维地质模型并将其导入 有限差分软件中，将地质构造运动分解为相互独立的多类基本位移分别加载 进行模拟计算；( 3 ) 由线性回归将上述单位构造应力场合成为岩体地应力场， 并进一步由最小二乘法得到回归系数，由此得到区域的地应力分布。( 4 ) 利用 离散单元法软件针对简单的模型算例，模拟分析断层对地应力场的影响。具 体的技术路线如图1 1 ： 大相岭隧道隧址区初始地应力场研究 岩层力学i 地形地貌i 地质构造i 地质结构 性能特征i 特征 i 特征i 组合特征 建立建立三维地质模型 确定计算模型 位移边界条件 模拟自重应力场 及构造应力场 计算各工况下 模型的应力值 建立回归方程并进行回归分析 叠加各工况下的应力结果 利用离 散单元 法分析 断层对 地应力 的影响 隧址区初始应力分布规律ll 建立模型分析影响因素 结论与建议 图1 - 1 主要技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章隧道区域地质条件 2 1 工程概况及地理位置 2 1 1 工程概况 泥巴山隧道位于四j i 】省雅安市荥经县和汉源县交界处的大相岭高中山 区，左线k 5 3 + 8 0 4 m k 6 3 + 7 5 0 m ，长9 9 4 6 m ，进口高程约为1 5 2 6 5 4 m ，出r q 高程为1 5 4 04 1 m ；右线y k 5 3 + 7 7 3 m y k 6 3 + 7 8 0 m ，长1 0 0 0 7 m ，进口高程约为 1 5 2 5 8 8 m ，出口高程约为1 5 4 0 2 1 m 。采用人字坡穿越大相岭岭脊，进1 2 i 设计 纵坡07 5 ，出口设计纵坡一0 5 ，左右线均于岭脊分坡，左线为k 5 8 + 6 5 0 m ， 右线为y k 5 8 + b 5 0 m 。隧道穿越段最大埋深1 7 0 1 米，属于深埋特长越岭公路隧 道。 图2 - 1 大相岭隧道地理位置 212 地理位置 隧道进口位于荥经县凰仪乡高桥河右岸斜坡，属荥经县凰仪乡，距荥经 县城约4 0 k m ：出口位于汉源县双溪乡，距汉源县城约3 2 k m ，属汉源县九襄 镇。具体位置见图2 1 所示。 地理位置为东经1 0 2 。3 7 5 6 ”1 0 2 。4 5 7 1 5 ”，北纬2 9 。3 1 1 3 ” 2 9 。3 8 o o ”。1 0 8 线连接两县。进、出口现有简易机耕道相通，交通运输 条件极为不便。 2 2 区域地质环境 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 211 地层岩性 据西南地区区域地层表隧道区区域地层分区属蛾边地层。区内除缺 失石炭系、泥盆系地层外，其它均有出露。隧道穿越的主要地层为元古界震 旦系下统苏雄组地层流纹岩段、安山岩段以及开建桥组地层水携式火山碎屑 沉积岩，其中隧道出口端有上震旦系灯影组白云岩分布( 图2 - 2 与图2 - 3 ) 。 图2 - 3 发育有柱状节理的流纹岩图2 - 2 上震旦系灯影组灰色白云岩 2 1 2 隧址区域构造背景 隧址区所在区域地处扬子准地台西缘与松潘一甘孜造山带结合部，其西紧 靠康滇地轴，北邻龙门山陷褶断束，东邻四川台坳之川西台陷，南接凉山陷 褶束。本区长期的构造作用以及与之相伴随的岩浆作用、变质作用，形成了 主要由n e 向、n w 向、s n 向构造带构成“y ”字形为主体的特殊构造格局。 图2 - 4 隧址区区域背景构造示意图 隧址区靠近“y ”字形构造的交正处，跨越康滇s n 向构造带、受龙门山 前陆冲断带、会汤弧形构造带、j i i 西前陆盆地、小金弧形构造带、鲜水河走 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 k 滑构造带等多个二级构造单元的影响。区域内的南北向构造、北东向构造、 北西向构造和弧形构造相互交切、穿插、叠加，致使区域内地质构造十分复 杂，断裂、褶曲发育。在隧址区形成s n 向、n w 向、n 唧向构造均有发育，其 中犹以n w 向构造发育( 图2 4 ) 。 2 1 3 近隧址区构造特征 控制隧址区构造的为大相岭n w 向构造带，展布于区域中部，宽度3 0 4 5 k m ，延伸长近百公里。地块内断裂、褶皱及构造破碎带均有发育，以保新 厂一凰仪( 保凰) 断裂和金坪断裂为其边界，其走向n w 3 0 4 0 。，其内部的 主要构造有金坪断裂、保凰断裂、九襄断裂、宜东向斜及大相蛉背斜等( 见 图2 - 5 ) 。保凰断裂距隧道进口2 k m ；九襄断裂距隧道出口约25 k m ，金坪断 裂距出口约2 0 k m 。 图2 - 5 近隧址区区域构造分布图 介于保凰断裂与九襄断裂之间的大相岭背斜是隧址区的控制性构造，隧 址区位于大相蛉背斜核部。大相岭背斜总体呈h w 向展布，但其轴线具反“s ” 形，即北段为n w 向，中段为近s n 向，南段又为n w 向。总体走向n 4 0 。w ， 而近隧址区即处于该构造带中段近钳的段落，其构造线方向为n 1 0 。w 左右， 两侧对称出露以中生代红层为核部的宽缓向斜。 2 3 区域新构造特征及区域稳定性 雅泸高速公路地跨中国西部强烈隆升区和东部弱升区两个截然不同的一 级新构造运动单元，横穿了多个二、三级新构造运动单元( 图2 - 6 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 图2 6 四川东、西部地形剖面图( 唐荣昌叼) i 现存夷平面工程线2 夷平面划分代号 东部及西部以龙门山、峨眉山为界分别划分 四川西部高原第四纪以来为强烈快速抬升区。新第三纪末期尚处于准平 原状态，高程仅1 0 0 0 m 左右，第四纪以来与青藏高原同步快速抬升，为青藏 高原的组成部分。现存高夷平面海拔4 2 0 0 - 4 5 0 0 m ，第四纪以来的抬升幅度 达3 0 0 0 - - 3 5 0 0 m 。断裂带规模大，由于高原的差异抬升以及高原内部断块的 水平移动，致使主要的边界断裂表现出明显的活动性，是研究区内6 级以上 强震的分布区n 引。 大相岭正处于四川西部快速抬升区与四川东部缓慢抬升区的过渡带，在 第三纪末仅为海拔1 0 0 0 m 左右的准平原地带，至第四纪夷平面达3 0 0 0 - - - 3 5 0 0 m ，二百万年累积上升幅度达2 0 0 0 - - - 2 5 0 0 m ，属强抬升区，但与西部贡嘎 山区上升幅度3 5 0 0 4 0 0 0 m 比较，又相对较弱，反映了间歇性、多期性和断 块差异抬升的持续蠕变活动特点。其新构造运动主要表现为山体急剧隆起抬 升与河谷深切现象，第四纪抬升幅度具有由南东向北西逐渐增大的趋势，在 1 0 0 0 - - - 3 0 0 0 m 之间。以及周边古构造的复活、改造并伴随地震发生。 大相岭隧道位于四川西部“y 字型构造三岔口的南东部，三大断裂的 现今活动性，导致断裂带沿线发生地震活动。隧址区邻近鲜水河强震带南东 段和安宁河地震带北段，北邻龙门山地震带，南靠马边地震带。以上四个地 震带是我国西部重要的强地震危险区，不同时期，不同区段，不同强度的地 震活动，对隧址区将会产生不同程度的影响。除此之外，隧址区的九襄西、 汉源附近及北侧的荥经附近曾发生过三次小于6 级的历史地震，其震中烈度 度。根据四川省地震局工程地震研究所对大相岭隧道的地震危险性分 析，隧址区距鲜水河活动断裂带东南段约4 2 k m ，距安宁河活动断裂带北段约 4 2 k m ，距龙门山活动断裂带西南段约2 8 k m ，距荥经马边活动断裂带约1 9 k m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 隧址区处于上述几条大活动断裂带之间相对稳定的大相岭菱形地块内。 综上所述，工程场地处于新构造运动比较活跃的地区，第四纪以来差异 活动显著。从强震活动与新构造运动的关系来看，研究区6 级以上强震往往 发生在新构造运动分区界线附近，这些分区界线也常常是第四纪以来具有明 显活动性的断裂构造。大相岭隧道的区域稳定性由所处的大相岭菱形地块的 稳定性所决定。菱形地块自身结构相对其西部地壳有较大的韧性蠕变，所以 现今活动性较差，历史强震亦无记载，仅属上述主要地震带的影响区，尤其 隧址区位于菱形地块的腹心地带，因此隧址区区域稳定性属次稳定基本稳 定u 7 3 。地震危险性概率分析结果是：5 0 年超过1 0 的地震烈度为度。隧址 区地震动峰值加速度为0 1 2 9 ，地震动反应谱特征周期为0 4 0 5 。 2 4 地震震源机制解与现代构造应力场分析n 7 1 2 4 1 地震震源机制解 现代构造应力场是驱动区域断裂构造活动和地震活动的基本原因，不同 的现代构造应力场会引起不同类型断层的变形特征，不同的断层变形性质所 引发的地震的震源特性也不同。根据单个地震震源机制解和小地震综合断层 面解反推地震发生地区的现代构造应力场，是目前常用的有效方法。 图2 - 7 给出了采用部分m s 4 0 级地震震源机制解结果编制的研究区域 地震主压应力轴方向水平投影分布示意图，从图中可见，由大区域的角度观 察，j l i 滇块体的主压应力方向具有由北西向南东逐步呈北东东一近东西一北 西一北北西方向的转折，与块体的滑移方向相适应。在研究区东北部的龙门 山断裂带中南段及川青块体南部地区，地震主压应力方向以北西一北西西向 的优势分布方位为主；研究区东南部的荥经一马边一雷波盐津一大关一昭通 一线，地震主压应力方向的优势分布方位则呈北西一北西西向；而在区域东 缘的四川盆地地区，已有的地震震源机制解资料显示，地震主压应力轴的优 势分布方位为北西西向。 综上所述，研究区基本处于以北西西一北西向近水平主压应力为主的现 代构造应力场中：在这样的应力场作用下，易于发生以走滑为主或走滑兼具 倾滑型的断层活动，北西及近南北向的断层易产生左旋走滑运动，北东向的 断层易产生右旋走滑运动。 2 4 2 近场局部应力场分析 在表2 1 中，给出了近场内的6 次地震震源机制解相应结果的p 、t 轴参 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 数一览表。从表中可见，除位于近场内的1 9 6 6 年4 月3 0 日4 级地震的主压 应力方向呈北东向外，其余5 次地震的主压应力方向均位于北北西一北西西 向的扇形区域内，而各结果的p 轴仰角则显示近场内局部地区主压应力轴的 作用方式有一定差异，但多数力轴呈水平或近水平的作用方式。结合前述区 域现代构造应力场综合分析认为，近场地区总体上处于以近水平的北西西一 北西向主压应力为主的应力场中，与大相岭n w 向构造带的延展方向小角度 相交，与隧道走向大角度相交，交角为7 0 度。 表2 1近场区单个地震震源机制解主压应力轴参数表 地震时震中位置 争 p 轴t 轴辰 间北纬东经级方位 仰角方位仰角 19 5 2 0 9 3 02 8 4 。1 0 2 2 06 1 2 82 11 34 5 19 6 6 0 4 3 02 9 1 o 1 0 2 5 04 6 33 92 4 35l 1 9 7 7 0 1 1 32 8 2 7 01 0 2 2 0 04 82 7 65 43 l1 7 l9 8 9 0 6 0 92 9 2 3 01 0 2 2 5 05 o1 4 192 2 23 6 1 9 9 0 0 8 0 42 9 2 7 。1 0 3 0 7 04 72 8 9 4 2 02 5 2 0 0 2 0 3 0 32 8 6 9 0 1 0 2 2 3 04 4 17 07 4 8 0 o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 7 研究区部分地震震源机制解p 轴方向水平投影 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第三章初始地应力场理论分析 3 1 初始地应力的基本概念 岩石力学学科是土力学派生出来的。岩石的力学性质和指标类似与其他 材料的力学性质和指标，易被人们认识和接受。力学性质指标是岩体的一种 固有特性，而地应力是蓄存在岩体内部的一种内力，是岩体存在的一种力学 状态，即使是相同的工程岩体，也会因为地理位置的不同而有较大的差异， 这种概念直n - - 十世纪才为人们认识和接受。 大约在1 0 0 年以前，瑞士地质学家海姆( h e l m ) 通过观察在断面越岭隧道 的工件状态，首先提出了在岩层中存在初始地应力的概念。并对初始地应力 分布规律提出了静水压力场的假设，认为在离地表的距离为h 的地层深处， 在各个方向上存在的初始地应力的量值都等于7 h ( 7 为地层密度，h 为研究 点的深度) ，这就是著名的海姆假说。1 9 2 6 年，苏联学者金尼克对初始地应力 场的分布提出了弹性理论计算法，假定岩体是均匀的、连续的弹性介质，岩 体在铅垂方向的应力为7 h ，而水平方向等于v l ( 1 一y ) y h ( y 为岩石的泊松 比，v l ( 1 一v ) 为侧压系数) 。这两种理论后来都被证明只适用于一定的场合， 而不是初始地应力场分布状态的普遍规律。一般说来，埋深较大时地层中的 初始应力场比较接近于静水应力场；而金尼克理论只在未受构造运动扰动的 水平地层中才有可能存在。 1 9 5 2 年瑞典的哈斯特( n h a s t ) 在斯堪的纳维亚半岛，用钻孔测量了浅层 的地应力，结果显示，实测的水平应力比铅垂应力高很多。继哈斯特以后， 许多国家也相继开展了这项工件。我国在结合矿山开采和重大工程建设进行 地质勘查工件中，积累了许多初始地应力的有用资料。通过研究这些实测资 料得出：就一般而言，岩体的初始垂直应力大致相当于按平均密度7 = 2 7 t m 计算所得的上覆岩层的重量，初始水平应力常大于初始垂直应力，且两个初 始水平主应力的量值常常相差较大。但是，在某些现代上升地区，例如，位 于法国和意大利之间的勃朗峰、前苏联的顿涅茨盆地以及希宾地块等地区， 均测到显著大于7 j l z 的结果( 仉，7 h 1 2 1 7 ) 。在阿尔泰区兹良诺夫矿 区测得的垂直方向上的应力，则比7 h 小得多，甚至有时变为张应力。这种 情况的出现，也多半与正在进行着的构造运动有关。在深部岩体的应力状态， 较接近于海姆假说。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 2 地应力场的形成与影响地应力的主要因素 地应力形成的原因是十分复杂的，也是至今不十分清楚的问题。其形成 主要与地球的各种动力运动过程有关，包括：板块边界受压、地幔热对流、 地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等另外，温 度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场 其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分1 。 1 大陆板块边界受压及地幔热对流引起的应力场 中国大陆板块受到外部两块板块的推挤，即印度板块和太平洋板块的推 挤，同时受到了西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。在这样的边界条件下， 板块发生变形。由硅镁质组成的地幔因温度很高，具有可塑性，并可以上下 对流和蠕动当地幔深处的上升流到达地幔项部时，就分为二股方向相反的平 流。与另一流圈相遇后，回到地球深处，形成一个封闭的循环体系。地幔热 对流引起地壳下面的水平切向应力。 2 由地心引力引起的应力场 由地心引力引起的应力场称为重力应力场。重力应力场是各种应力场中 唯一能够