分析硐壁围岩二次应力场的变化,主要与以下因素有关:
5.3.1 与原始地应力场的相关性
在隧道中心区域,由于初始地应力水平较高,围岩二次应力也较高。且平行隧道轴线方向的应力分量大于铅直分量。有限元数值分析表明,随水平地应力(σh)的增大,拱脚处的σx逐渐增大,σz略有减小,σx、σz均与σh呈线性关系(图5-18)。
σx=0.6411σh+18.334,σz=-0.065σh+39.865 (5-3)
式中σ单位为MPa。
拱腰处的围岩二次应力变化不明显,σx有所增大,σz有所减小(图5-18),其线性方程为:
σx=0.015σh+6.245,σz=-0.4836σh+45.42 (5-4)
图5-18 围岩二次应力随水平地应力σh的变化曲线
A—拱脚;B—拱腰
Fig.5-18 Curve of the secondary stress of the surrounding rock with the geostress σh
(A.arch springing;B.arch soffit)
图5-19 围岩二次应力随水平地应力σh的变化曲线
C—拱肩;D—拱顶
Fig.5-19 Curve of the secondary stress of the surrounding rock with the geostress σh
(C.spandrel;D.arch crown)
拱肩处的σx、σz随水平地应力σh的增大变化不明显,但拱顶处σx变化较大,σz变化不大(图5-19)。在拱顶处存在如下关系:
σx=2.255σh+32.41,σz=0.221σh+4.323 (5-5)
由此可见,随水平地应力σh(垂直轴线方向)的增大,断面不同部位的围岩二次应力基本呈线性变化,且在拱脚和拱顶处最大。
5.3.2 与围岩类别的相关性
高二次应力分布区围岩岩性主要为硬脆性的石英砂岩、白云岩、砂岩、粉砂岩,部分砂质泥岩和泥岩软质岩层内的灰岩、粉砂岩、砂岩等夹层,围岩类别均为完整性相对较好的Ⅳ、Ⅴ类。而节理裂隙较为发育的Ⅱ、Ⅲ类围岩,二次应力相对较低。
5.3.3 与构造断裂的相关性
在断层通过地段,由于断层带的应力释放,引起断层附近局部应力相对升高。如图5-9中EBS6测点,由于受F5、F6断层的影响,引起应力集中。加之地应力水平很高,二次应力值达到了最高峰。
5.3.4 与地下水状况的相关性
受NW向张扭性陡倾出水裂密带(断裂)的影响,引起局部应力调整,使在离出水裂密带一定范围(一般20m左右)内造成二次应力集中。而出水裂密带二次应力相对较低(如BS2、EBS4测点)。
5.3.5 与浅表生改造的相关性
受浅表生改造的影响,在距岸坡(山坡)一定深度范围内形成相对松弛带,造成应力降低(如图5-9中距东口1000m和距西口476m左右的EBS2、BS1测点),二次应力比外侧附近测点的二次应力低10MPa左右。
5.3.6 与施工状况的相关性
围岩的二次应力与施工状况也有一定的相关性,如开挖洞形、爆破药量、施工方式以及光面爆破效果等都有一定的关系。围岩二次应力是开挖后应力的重分布,洞形不同(如紧急停车带、与横通道交接处),应力沿硐壁围岩的分布也有差异。爆破对围岩的扰动以及爆破后围岩壁面的起伏程度(或光面效果)对应力的重分布也有影响。全断面开挖对隧道围岩二次应力的影响大于分台阶开挖。
总之,围岩二次应力场特征是地质条件与施工状况的综合反映,是自然与改造的结果。