地应力测试在大埋深铁路隧道建设的应用研究

地应力测试在大埋深铁路隧道建设的应用研究

王雷1, ,李成兵2

（1.中铁一局第五工程有限公司，陕西宝鸡，721006）

（2.西南石油大学机电工程学院，四川成都，610500）

摘要：在大埋深高应力隧道建设过程中，在隧道掌子面附近采用水压致裂法进行地应力测试，判定地应力等级并进行围岩稳定性分析，以全面指导隧道开挖施工作业及人员安全防护，确保建设工程过程安全受控。结果表明：所选测试点位附近应力场为超高应力水平，根据岩爆分级标准（阈值），在测试点附近区域的隧道施工过程中，存在中等岩爆活动的可能。对可能发生岩爆地段施工时，建议遵循“以防为主，防治结合”的原则，及时研究施工对策措施，做好施工前的必要准备。

关键词：水压致裂法；地应力测试；高应力；岩爆

1

0引言

地应力是人类工程活动前，天然状态情况下岩体或岩层内部存在的天然应力。岩爆也称冲击地压，因洞室开挖扰动导致岩体应力平衡被打破，应力重分布而积聚高水平应力，岩体发生强烈的岩块弹射破坏，是一种因围岩动力失稳而导致的极具破坏性的地质灾害。主要发生在花岗岩与闪长岩等硬质岩且埋深极大的地段。

对于大埋深长隧道工程建设中，开展原地应力测量，确定隧道开挖区域内的原地应力状态，准确确定工程岩土力学属性，进行围岩稳定性分析，是确保隧道工程建设安全与工程设计科学合理的关键一环[1]。目前，地应力测量方法有应力解除法、水压致裂法、应变恢复测量法和Kaiser法等［2］。本文采用水压致裂法对万家山隧道大埋深高应力铁路隧道进行地应力测试，并根据测试结果对其岩爆等级进行了评价分析。

1工程概况

新建铁路宜昌至郑万联络线万家山隧道位于湖北省境内中低山区，隧道总体近南东—北西走向（约323°)，处于横溪和腾落溪之间，全长12841.01m，最大埋深606.5m；位于黄陵背斜核部附近，隧址区出露地层主要为晚元古代黄陵叠加复式深成侵入岩体和震旦系沉积盖组成，产状为110～153°∠5～13°，基地岩系与沉积盖成间以明显的区域性角度不整合为界，构造样式表现出明显的不协调。其中侵入岩地层约占总面积的80%，主要为花岗闪长岩，属硬质岩，岩体较完整，局部较破碎。区域内构造作用强烈，断裂构造发育，主要以北西西向区域性板仓河大断裂为主，其次为近东西向、北东向及近南北向断裂等。

2地应力测试与结果分析

2.1 水压致裂法地应力测试原理

水压致裂原地应力测试原理以三个假设为前提[3]：

(1) 岩石是线弹性和各向同性的；

(2) 岩石是完整的，压裂液体对岩石来说是非渗透的；

(3) 岩层中有一个主应力的方向和孔轴平行。

力学模型可简化为平面应力问题，两个主应力σ1和σ2作用在半径为a的圆孔无限大平板上，根据弹性力学分析，圆孔外任意一点M处应力为：

（1）

在公式（1）中，σr为径向应力， σθ为切向应力，τrθ为剪应力，r为M点到圆孔中心的距离。

r=a，即为圆孔壁上的应力状态:

     （2）

由式(2)可得出孔壁A、B两点及其对称处(A′，B′)的应力集中分别为:

                  （3）

                （4）

  若σ1＞ σ2，由于圆孔周边应力的集中效应，则σA ＜ σB。圆孔内施加液压大于孔壁上岩石所能承受的应力时，最小切向应力的位置（A点、对称点A′）产生张破裂。破裂沿垂直于最小主应力方向扩展，此时孔壁产生破裂的外加液压Pb称为临界破裂压力=孔壁破裂处的应力集中加上岩石的抗张强度Thf，即：

                   （5）

考虑岩石中所存在的孔隙压力P0

               （6）

垂直钻孔中测试地应力最大、最小水平主应力分别为σH和σh，即σ1=σH，σ2=σh。当压裂段的岩石被压破时，Pb公式：

            （7）

孔壁破裂后，若继续注液增压，裂缝将向纵深处扩展。若停止注液增压，保持压裂回路密闭，裂缝将停止延伸。由于地应力场作用，裂缝将迅速趋于闭合。裂缝处于临界闭合状态时的平衡压力称为瞬时关闭压力Ps=垂直裂缝面最小水平主应力，即：

                            （8）

再次对封隔段增压，裂缝重新张开时，形成破裂重新张开压力Pr。因岩石已破裂，抗张强度Thf＝0， (7)式改写成：

                  （9）

(7)式减(9)式得到岩石原地抗张强度：

                        （10）

根据(8)、(9)式得到最大水平主应力σH公式：

                   （11）

测量上覆岩石岩性，垂向应力用同一岩体密度计算：

                          （12）

式中为岩石密度，g为重力加速度；h为上覆岩石埋深。

2.2 测试点位选择与钻孔

万家山隧道应力分区测试点位选择在DK34+430处，埋深约283.59m，属高应力区。采用地勘钻机在底板靠近右边墙处进行Φ75mm垂直孔取芯钻探，钻深30m，岩芯如图1所示（岩性黑云母花岗闪长岩），岩样单轴饱和抗压强度为88.1～94.9MPa。

2.3 地应力测试及数据分析与处理

根据地层岩芯情况，确定了11.3-11.8m和17.15-17.65m两个段位采用水压致裂法作为地应力测试压裂段，获得地层压裂与裂缝重张压力时程曲线如图2和图3所示。压力时程曲线标准、各压裂段重张压力、闭合压力在各次循环中清晰、明确，压裂参数具有良好的一致性，各个循环曲线规律性很强。采用单切线法[4]确定测段破裂压力pb、水压致裂面的瞬时闭合压力ps、测段处钻杆内水柱压力pw、裂缝重张压力pr以及岩层的孔隙水压力p0。根据确定的压力参数及相关计算公式，得到测段岩体的最大水平主应力σH、最小水平主应力σh。

岩体压裂后采用印模定向法对裂缝方位进行测定，确定最大水平主应力方向。地应力测试中，采用了武汉长盛TS-C1201智能钻孔三维电视成像仪对压裂裂缝方位进行成像测量，成像如图4所示。11.3-11.8m段位裂缝破裂方位为N21°E。结合万家山隧道总体近南东—北西走向（约323°），确定裂缝破裂方向，即与隧道走向（轴线）方向的夹角约为54～58°。

图1 钻孔岩芯

图2 11.3-11.8m段位的压裂与裂缝重张压力时程曲线

图3 17.15-17.65m段位的压裂与裂缝重张压力时程曲线

图4 11.3-11.8m段位裂缝破裂方向

地应力测量垂直孔轴线方向的最大初始应力：

（13）

式中，σH和σh为实测的最大、小水平主应力，MPa；α为最大水平主应力与隧道走向夹角。

3 万家山隧道地应力状态与岩爆分级评价

岩爆分级系数S：

（14）

由式（14）可得岩爆等级系数分别为3.85和3.89。根据岩爆分级标准（阈值），两段水压致裂地应力测试结果均在2～4范围内。因此，在本钻孔的隧道洞身附近，地应力水平高，属极高应力区，存在中等岩爆活动。

表1 DK34+430水压致裂法地应力测试表

4 结论与建议

通过对埋深高应力隧道DK34+430位置垂直孔钻探进行水压致裂地应力测试，结果表明：隧道洞身附近区域地应力水平属于极高应力区，存在中等岩爆活动可能。

建议在极高应力区进行隧道开挖作业时：

4.1可能发生岩爆段落，加强超前地质预报与岩爆监测预警，重点预报掌子面前方围岩岩性、构造、强度、完整性、地下水情况等，并与爆破振动监控相结合进行综合分析；

4.2施工中根据岩爆特点，必要时选择更多点位开展地应力测试；

4.3对于预测中等及以上岩爆区段，还应开展爆破振动监测和预警工作；做好岩爆发生的时间、位置、强度、频率等岩爆事件基本信息记录，总结岩爆规律，指导后续施工；

4.4在岩爆区段进行施工作业，对作业人员进行安全风险技术交底，并在现场进行施工超前地质预报预警告知及风险因素告示牌。开挖支护时为作业人员配备防爆服、防暴头盔等安全防护用品及应急物资储备工作，距掌子面前方5m范围设置安全防控区，在施工过程中加强人员及机械的防护；

4.5采用光面爆破开挖，确保开挖轮廓圆顺，减少应力集中，每循环进尺不大于3m；增加开挖面喷雾射水，在开挖爆破后及时进行高压喷水，使开挖面充分湿润；及时进行掌子面及洞周初喷混凝土，必要时加强初期支护增设钢筋网片和锚杆，及时根据岩爆程度结合周边眼在轮廓线位置打设50超前应力释放孔，孔间距及外插角根据岩爆多发部位及大小确定，同时在应力释放孔中喷灌高压水。

参考文献：

[1] 郭啟良, 伍法权,钱卫平,等. 乌鞘岭长大深埋隧道围岩变形与地应力关系的研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2006,  25(11): 2194～2199. 

[2] 刘允芳，尹健民，刘元坤，等．地应力测量方法和工程应用[M]. 武汉: 湖北科学技术出版社，2014．

[3] 中国地震局. DB/T14《原地应力测量水压致裂法和套芯解除法技术规范》[S].北京.中国标准出版社.2018年.

[4] 陈兴强. 水压致裂法地应力测量常见误差与修正[J]. 铁道建筑, 2020, 60(3): 158-161.

1