某隧道三维地应力场反演分析

某隧道三维地应力场反演分析

作者：唐宝利 孙玉强 等

来源：《发明与创新（职业教育）》 2024年第4期

唐宝利1 孙玉强2

（1.鄂尔多斯应用技术学院，内蒙古 鄂尔多斯 017000；

2.北京师范大学鄂尔多斯附属学校，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

摘 要：初始地应力场是岩土工程设计和稳定性分析的重要依据，通常因工程区实测地应力点较少，必须在有限的地应力资料基础上，采用反演分析方法获得整个工程区地应力场。根据隧道工程地质背景，考虑区域风化地层对应力场影响，采用三维有限差分法和多元线性回归法，对建立的研究区域三维地质模型进行计算，求出最优回归系数。对比回归计算值与现场实测值发现，二者量值相当且方向上接近，表明经过回归得到的地应力场是合理的，在此基础上进一步分析研究区域地应力场分布规律。结果表明，隧道中心出现明显的应力集中现象。在隧道中心以下50m处达到峰值，随后沿两侧梯度递减，此后趋于平稳。分析的区域为中等地应力区，随着埋深的增加，自重应力场控制作用逐渐增强。

关键词：地应力场；多元回归分析；反演分析；隧道；

作为存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，岩土体的初始地应力是引起复杂地应力区域重要条件。目前，由于实际工程区域地应力分析常以简洁、准确为主要目的，而地应力场现场监测因其有效且直接的特点在地应力场的研究中取得了较为广泛的应用。但地应力场现场监测常常会受诸如区域工程地质条件、施工进度要求等条件限制，因而在常规地应力现场监测时只能针对工程区域，诸如破碎带、断层等产生复杂地应力区域部位进行地应力场监测。所以采用有效的数值分析方法及合理的数学回归分析模型进行反演分析是获得地应力场分布特征的有效途径。

一、初始地应力场反演分析方法研究

（一）地应力场的反演计算原理

二、研究区域地应力反演分析模型

（一）研究区域工程概况

隧道工程区位于内蒙古自治区某山区，因特殊地形地貌限制，该隧道必须要穿越某山区，而由于研究区域山势陡峭，沿线沟谷发育，出现很多“V”字形山谷，地形切割较深，基岩岩性为花岗岩。受风化影响，区域强、中风化带深度达50m。由于上述特殊的地质条件，隧道在实际开挖建设中因复杂地应力场面临着诸多的技术难题，因而本文以上述区域为实例，对区域地应力场进行了反演分析，以期研究成果能为相似特殊地形地质条件的工程区域地应力研究提供参考。

（二）地应力实测成果分析

根据研究区域实际地形条件，地应力现场实测采用的是3孔交汇孔径变形法，求出测点处的三维应力状态。

对隧道开挖区域进行了7钻孔，分别对这些点进行三维地应力测量。测试结果见表1，其中编号为D1～D3的测点位于隧道左幅（3个测点均位于左幅隧道影响区），D4～D7测点位于隧道右幅影响区内。

（三）计算范围及计算模型

考虑数值计算边界约束条件并结合研究区域实际工程地质条件，确定计算区域如图1所示。依据上述计算区域图及区域工程地质条件，采用三维有限差分计算方法和摩尔-库伦本构模型建立三维地质模型并进行相应的网格剖分，共划分四面体单元164243个，节点32484个，计算网格剖分见图2。计算区域模拟了研究区域内强风化、中风化和微风化地层，具体地层岩体力学参数取自于室内三轴试验及参数反演结果，研究区域各地层岩体力学参数见表2。

三、地应力场反演结果分析

（一）初始地应力回归系数分析及反演结果对比分析

此外，进一步计算可知，方程的回归残差平方和，回归平方和，显著度检验观测，大于著性水平0.1时的临界值。因此，可以认为该9个自变量的总体效果显著。

（二）地应力反演结果对比分析

下见表3。

（三）反演地应力场分布特征

由上述获得的各构造应力作用应力场关系式和回归系数，按方程（5）计算整个计算区域内各点的回归应力值，形成反演地应力场。由于章节篇幅所限，此处仅给出研究区域三维地应力反演结果、隧道轴线剖面、据隧道轴线方向应力云图，如图2～4所示。