地应力反演数值模拟的成果

2023-09-21 理论教育版权反馈

【摘要】：为了查明毛羽山隧道岩体地应力的大小及方向，参照天池坪隧道的地应力测量结果，进行地应力反演计算。图2.35毛羽山隧道与天池坪隧道平面位置关系图从图中可以看出，两隧道轴线的夹角约40°，模型图复杂且不规则，直接进行毛羽山隧道地应力反演困难且不准确，为了便于准确分析毛羽山隧道的地应力，将毛羽山隧道和天池坪隧道分别建成两个地质模型，通过建立参考点两次反演计算进行分析。

由于毛羽山隧道前期没有进行现场地应力实测，而最近的地应力测量孔位于相邻的天池坪隧道。为了查明毛羽山隧道岩体地应力的大小及方向，参照天池坪隧道的地应力测量结果，进行地应力反演计算。

(1)三维地质模型

天池坪隧道轴线走向即线路走向为北偏西N82°W(E8°S)，与最大水平主应力夹角约48°;毛羽山隧道轴线走向为北偏东58°(W32°S)。毛羽山隧道与天池坪隧道平面位置关系如图2.35所示，图2.36为隧道走向方位。

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图2.35　毛羽山隧道与天池坪隧道平面位置关系图

从图中可以看出，两隧道轴线的夹角约40°，模型图复杂且不规则，直接进行毛羽山隧道地应力反演困难且不准确，为了便于准确分析毛羽山隧道的地应力，将毛羽山隧道和天池坪隧道分别建成两个地质模型，通过建立参考点两次反演计算进行分析。因此，在模型相交位置处选取4组参考点即DK286+100、DK286+200、DK286+300和DK286+400，每组位置上设有6个不同高程的参考点，各点高程与SZ-1钻孔中测点高程相同。

地质模型A:毛羽山隧道和部分天池坪隧道(DK277+400～DK286+400)，模型平面尺寸为9 100 m×1 200 m，起始高程为1 200 m，实体单元682 012个，节点有141 650个;地质模型B:为天池坪隧道(DK286～DK293+800)，模型平面尺寸为7 700 m×1 200 m，起始高程为1 200 m，实体单元505 129个，节点有93 510个。网格模型分别如图2.37和图2.38所示。

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图2.36　隧道走向方位图

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图2.37　三维地质模型A

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图2.38　三维地质模型B

地质模型的计算坐标规定为:两地质模型取隧道轴线兰州至重庆方向为X轴(模型A约N82°W，模型B约N58°E)正向，坐标系Z轴向上，Y轴符合右手螺旋规则。数值计算线弹性材料本构模型，应用有限差分软件FLAC3D进行应力场分析求解，岩体力学参数由《毛羽山隧道工程地质勘察报告》以及《铁路隧道设计规范》进行确定，岩体力学参数见表2.14。毛羽山隧道线路纵剖面及其围岩分级如图2.39所示。

表2.14　岩体力学参数

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(2)边界条件及加载

根据参照点的地应力结果，将计算域内地应力场视为自重应力场和边界构造应力场的线性叠加，通过分解、模拟自重应力场及边界荷载应力场，组合成计算地应力场。计算选取自重应力场和5种构造应力场，具体边界条件设置:①自重应力场:采用岩体实际密度，计算自重作用下的应力场，在地质模型底面及侧面施加法向位移约束;②X、Y向挤压构造应力场:在XZ和YZ的其中一个平面分别施加法向位移约束，在另外一个面分别施加0.01 m的均匀挤压位移，底部施加法向位移约束;③水平面剪切构造应力场:在模型侧面上都施加大小相等、方向相反的沿水平方向的均匀剪切位移，模型底部施加三个方向的位移约束;④竖向剪切构造应力场:在两个相对侧面施加大小为0.001 m、方向相反的沿竖向的均匀剪切位移，另两个侧面和底部施加法向位移约束。

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