白龙山隧道地应力场数值模拟研究及岩爆预测

分析研究工程区的初始地应力场分布规律。通过分析隧道轴线方向上的地应力场特征，发现隧道区初始

地应力场以构造应力为主导，区内存在较高地应力场，长度约为3 150 mo最后，根据地应力资料对高地应

力区隧道开挖阶段进行岩爆预测，结果表明隧道计算段岩爆等级为弱岩爆〜中等岩爆°关键词：隧道工程；初始地应力场；有限元数值模拟；岩爆中图分类号：U45

文献标识码：A 文章编号：1004-4051(2019)S2-0465-04Numericalsimulati0n0fthein-situstress0ftheBail0ngm0untaintunnel

andr0ckburstf0recastLIU Guowei(Shanxi Transportation Environmental Protection Center Station Co. , Ltd. , Taiyuan 030006, China)Abstract: Based on the characteristics of regional in-situ stress data of Bailong mountain tunnel on Jingxing highwayinShanxiprovince,a3Dgeologicalmodelisestablishedandthedistributionofinitialin-situstress fieldintheengineeringareaisstudiedby means of FEM numerical simulation. It is considered that initial

principalstressistectonicstressbyanalyzingthecharacteristicsofinitialin-situstressfieldinthedirection oftunnelaxis,andthereisahighin-situstressfieldinthearea,whichisabout3150 minlength.Finaly, rockburstispredictedduringtunnelexcavationinhighstressarea,whichisbasedonin-situstressdata.The

resultsshowthatthepossibilityofweakand moderaterockburstinasectionofthetunnel.Keywords: tunneling engineering； initial in-situ stress； FEM numerical simulation； rock bursto引言岩爆是深部岩土工程中一种动力失稳地质灾

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；邓小鹏等囚、宋章等吕 庆等(10)和刘军强(11)对深埋隧道岩爆特征与防治

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

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

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[26]。陶振宇1提出了高地应

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

力区的岩爆判据；张艳博等閃、李绍红等3、邱道 宏等⑷、王元汉等⑷和陈海军等⑴分别基于失稳

基础上根据相关岩爆判别准则，对隧道开挖岩爆进

理论、能量理论等提出了一系列数学方法来预测行预测。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

收稿'(：2019-07-11 责任编辑：赵奎涛方案提供决策支持。基金项0 :山西省科技厅重点研发项目资助(编号;201603D321118)；

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

山西省交通厅建设科技项目资助(编号：17-2-03)作者简介：刘国伟(1978 — ),男，山西壶关人，高级工程师，从事环境

地质灾害研究°引用格式：刘国伟•白龙山隧道地应力场数值模拟研究及岩爆预测

[J].中国矿业，2019,28 (S2)：465-468. doi; 10. 12075/j. issn. 1004-

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，4051 2019 S2 013

466中国矿业第28卷洞体最大埋深684. 1 m,隧道长度10 374 m。隧道 扭性断层。研究发现该褶皱带主要形成于燕山运动

穿越的地层为：第四系 散堆积层、下元古界， 喜 成了该区 力场的演化主要

应 作用的 ，从而形野鸡 白龙 斜长角 、下元古界野鸡 ？ 体系复合的特点。因此本区 应NWW〜SEE向压青杨树湾组变质 、上太古界吕梁斜长片麻岩、中太古 河口 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

应力场及喜山期NWW〜SEE向拉应力场。2初始地应 数值模拟与分析要为硬质角闪岩。2.1三维计算模型除边界效应的前提下，综合地形地貌、地

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,

质 影响 柱状、

，计算范围适当扩大。综 亍井参数测试与实

果、岩体构造形迹以褶皱 要位

断裂 为主，拟建隧道主石物理

-东村-马坊NNE向褶皱带的白龙山向信息，确保体现本区岩石工程地质

单元的特点，将研究区覆

型和工程地质类型简斜，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

的平面X节线平行于化为5 工 地质 ， 为中 古 石 片 、

理代表 状 为48°)51°、168°)73°。X节理线平行于I，钝夹角

古 石 片麻 、 古 变质 、 古 角

的锐夹角 断层带，对应的岩石物理 参数见表1。13，两节理的交线为12。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：6为108°)11°、

算模型取隧道轴线静乐-

100°),建立研究区三

口方向为X轴(约算模型如图1所示。边界12为252°)85°、3为6°)4°,各应力点的应力特征 与 断块所 的燕山早、中期应 应。区存在三条褶皱

应力为区域应力，作用方向垂直于边界，区域最大水

应力方向取NW58。。选用

本 系，断层，断层规 大，且均为张匹配摩尔-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岩层下元古界变质砾岩杨氏模量E/MPa11000泊松比〃0. 230. 160. 190. 210. 29度 p/(g/cm3)内聚力C/MPa24 4内摩擦角4/(°)42 050 045 043 82 80下元古界角闪岩上太古界石英片麻岩中太古界石英片岩300003 052 702 6033 1250002200026 725 9断层501 6015 020 0黑色代表低应力值，白色代表高应力值，由图2可，地应

的大小受控 层的性质，相对硬的岩。区内的两条断层附近形，导致断层， 的 层应 大， 地应 体 现深度增加而增大的

成 范围的应力扰动区，表现为断层对附近岩层应力具 散作用。断层 应

层带两侧应力大 ，说明断层对应力的传递显的阻隔作用。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

断层图1研究区三维有限元计算模型(网格图)律相似，只是数 差别。模拟剖面中 古界角 地层 断层 ，受断层影响较弱，拟建隧Fig. 1 The 3D finite element model of study area

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

22 拟 果通 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

应力状态。提取埋深685 m水平的地应力数据，自 重应力，久=18. MPa ；最小水平主应力,=

17. 12 MPa,为NNE-SSW向；最大水平主应力，加=图2所示。图2中不同颜色代表了不同应力大小，

增刊2刘国伟：白龙山隧道地应力场数值模拟研究及岩爆预测46723.25 MPa,为NWW-SEE向，最大 主应力方 算得到式(4)〜(6)。#L = 1. 24%

(4)向与隧道轴线基本一致，开

o区内最大

_ 的稳定1主应力最大，说明本区地应

xlO6Pa#max = 1. 00% (5)(6)以构造应力为主导。25201510# = 2. 06%

计算结果表明:拟建隧道区域存在一定的 1卫M2恤理静乐

构造应力， 最大 主应力的方向(NW58°)

与隧道 (NW52°)小角度 ，大万山隧道横截 面上的最大初始应力#max然以自重应力为主，隧

«

1234567隧道中心长度位置 10 ■/m ><103m | 0图2最大水平主应力分布云图Maximum horizontal principal stress distributionxlO6Pa15卫3

静乐 黑峪口、M

5O

恤2理2.1 5

«■ 51

1 234隧道中心长度位置

567/m

><10 31O|om |图 3 主应 分布 图Fig. 3 Minimum horizontal principal stress distributionxlO6Paxl03m静乐黑峪口、201234567隧道中心长度位置 10|/m xl03m| 0图4自重应力分布云图Fig. 4 Vertical stress distribution3隧道开挖岩爆预测3. 1隧道横截面应力分析数 拟结果拟

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:#h = 1. 2叭、=

0. 929#v o拟开挖隧洞为圆形，隧道轴向应力％L )、横 截面最大初始应力(#max)及横截面最大切向应力 (刃)，计算公式(切见式(1)〜⑶。#l = sin2. — #H cos2.

(1)#max = #Hsin2. sin2. (2)# ' 3max(#max/#w) — min(#max/#w)

(3)式中:#H为最大水平主应力+h为最小水平主应力；

.为最大 主应力与隧洞的

的夹角；％为自重应 o道开 的变形破坏应 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

拟 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#处于23. 1〜38.19 MPa 之间，最大初始应力#max处于8. 7〜18. MPa之

石

资料， 实验结果，该套地层岩芯的饱和单轴抗压强度值R介于60〜146 MPa 之间,平均约103 MPa,属硬质岩，因此大万山隧道

洞

现岩爆的物质条本

爆预测从地应

石强度角度，采用的岩爆应力判 Russenes判据陶振宇判Rc/#max

Hoek判据#/%「，判别准

表2o将数据带入相应判别准 爆预测结果见表3o预测结果表明隧道计算

爆

为弱岩爆〜中爆，即从理论上认为大万山隧道不存在岩爆

: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

爆的可能性较大。表2岩爆应力判据Table 2 Stress criterion of rock burst

Russenes 判据陶振宇判据#e/%cRc /#岩爆等级Hoek判据max#+ Rc爆V0. 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

爆0. 70严重爆表3岩爆预测结果Table3Results of rock burst predictionRussenes 判振宇判Hoek 判G+RcRc /#max#+ Rc0. 22〜0. 3711. 8〜5. 60. 22〜0. 37弱〜中

爆弱爆片帮〜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，

468中国矿业第28卷ZHANG Ran, WANG Jin'an,MA Haitao. Study on prediction andprevention ofrock burstin Micangshan deep highway tunnel[J). Chinese Journal of Underground Space and Engi­neering 2013 9(6):1406-1411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

: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()•岩石力学与工程学报，199817(5):493-501.WANG Yuanhan!LI Wodong!LI Qiguang!etal Method of

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。fuzzy comprehensive evaluations for rockburst prediction]J).Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1998,17 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(1 )陶振宇.高地应力区的岩爆及其判别(].人民长江，1987(5)25-32)TAO Zhenyu)Rock burst and evaluation method in high

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