張雄鋒

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司, 北京 100055)

1 工程概述

擬建鐵路隧道位于云開山脈東北段,總長(zhǎng)度為12.2 km。隧道穿越中低山丘陵區(qū),多為“V”形河谷,少部分為“U”形河谷,谷底與分水嶺相對(duì)高差為80～200 m,山頂一般呈渾圓狀。地面高程為34.8～470.8 m,山坡自然坡度較陡傾,地形起伏變化較大,縱向自然坡度一般為16°～50°。

隧道穿越的地層主要為加里東期(地槽)廣西運(yùn)動(dòng)扶南序列侵入巖,侵入時(shí)代為早志留系塢泥單元及高圍單元,侵入巖性為中—粗粒黑云母斑狀花崗巖,以巖基侵入為主,其次為巖株式。DK361+301之后為寒武系高灘組及水石組地層,地層巖性主要為千枚巖及石英砂巖。不同時(shí)期花崗巖侵入呈侵入接觸關(guān)系,侵入接觸面產(chǎn)狀：走向一般為北東向,傾向東南,傾角30°～40°?；◢弾r地層與寒武系地層呈侵入接觸關(guān)系,接觸產(chǎn)狀變化較大。

隧道位于北東向高要大斷裂的西側(cè),大部分地層為加里東期侵入花崗巖,侵入時(shí)期為早志留系,分為高圍序列侵入和烏坭序列侵入,烏坭序列晚于高圍序列。該花崗巖受動(dòng)力變質(zhì)作用影響強(qiáng)烈而廣泛,延伸方向?yàn)楸睎|向,與區(qū)域斷裂構(gòu)造方向一致,由于各巖體受動(dòng)力變質(zhì)強(qiáng)度不一,因而產(chǎn)生的動(dòng)力變質(zhì)巖石不同,動(dòng)力變質(zhì)作用輕微處產(chǎn)生輕微壓碎花崗巖,較強(qiáng)烈處產(chǎn)生碎裂花崗巖,最強(qiáng)烈處產(chǎn)生花崗糜棱巖和超糜棱巖。隧址在花崗巖區(qū)無斷裂穿過,但受強(qiáng)烈的構(gòu)造作用影響,片理非常發(fā)育,片理走向一般為北東向,傾向東南,傾角一般30°～40°,對(duì)隧道圍巖影響較大,花崗巖與寒武系千枚巖、石英砂巖呈侵入接觸關(guān)系,侵入接觸面產(chǎn)狀100°∠70°。

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料顯示,在地面里程DK361+750附近有一正斷層通過(即FW4低阻異常帶),為沙帽崗斷層,走向北東,產(chǎn)狀300°∠50°,長(zhǎng)約1 km,斷層破碎帶寬約50 m。

2 水壓致裂法原地應(yīng)力測(cè)量原理

水壓致裂法是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種地應(yīng)力測(cè)量方法,該方法是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)頒布的確定巖石應(yīng)力推薦方法之一,是目前國(guó)際上能較好地直接進(jìn)行深孔應(yīng)力測(cè)量的先進(jìn)方法。該方法無需知道巖石的力學(xué)參數(shù)就可獲得地層中現(xiàn)今地應(yīng)力的多種參量,并具有操作簡(jiǎn)便、可進(jìn)行連續(xù)或重復(fù)測(cè)試、測(cè)量速度快、測(cè)量值可靠等特點(diǎn),近年來得到了廣泛應(yīng)用,并取得大量的成果。

2.1 基本原理

當(dāng)鉆孔存在孔隙壓力時(shí),可以將主應(yīng)力分解為有效應(yīng)力(即巖石晶粒格架承受的應(yīng)力)和孔隙壓力(即巖石孔隙中的液體壓力),即

SH=σH+P0

Sh=σh+P0

SV=σV+P0

式中：SH和Sh分別代表最大和最小水平主應(yīng)力；SV代表垂直主應(yīng)力；σH和σh分別為最大和最小有效水平應(yīng)力；σV為垂直有效應(yīng)力；P0為孔隙壓力。

地殼中某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài),一般來說可用三個(gè)主應(yīng)力分量SH、Sh、SV來表示。

水壓致裂法原地應(yīng)力測(cè)量是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ),并以下面三個(gè)假設(shè)為前提：(1)巖石是線彈性和各向同性的；(2)巖石是完整的,壓裂液體對(duì)巖石來說是非滲透的；(3)巖層中有一個(gè)主應(yīng)力的方向和孔軸平行。在上述理論和假設(shè)前提下,水壓致裂的力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)平面應(yīng)力問題,如圖1所示。

圖1 水壓致裂應(yīng)力測(cè)量的力學(xué)模型

這相當(dāng)于有兩個(gè)主應(yīng)力σ1和σ2，作用在有一半徑為a的圓孔的無限大平板上,根據(jù)彈性力學(xué)分析,圓孔外任何一點(diǎn)M處的應(yīng)力為

(1)

式中：σr為M點(diǎn)的徑向應(yīng)力；σθ為切向應(yīng)力；τrθ為剪應(yīng)力；r為M點(diǎn)到圓孔中心的距離。當(dāng)r=a時(shí),即為圓孔壁上的應(yīng)力狀態(tài)

σr=0

σθ=(σ1+σ2)-2(σ1-σ2)cos 2θ

τrθ=0

(2)

由式(2)可得出如圖1(b)所示的孔壁A、B兩點(diǎn)及其對(duì)稱處(A′,B′)的應(yīng)力集中分別為

σA=σA′=3σ2-σ1

(3)

σB=σB′=3σ1-σ2

(4)

若σ1>σ2,由于圓孔周邊應(yīng)力的集中效應(yīng)則σA<σB。因此,在圓孔內(nèi)施加的液壓大于孔壁上巖石所能承受的應(yīng)力時(shí),將在最小切向應(yīng)力的位置上,即A點(diǎn)及其對(duì)稱點(diǎn)A′處產(chǎn)生張破裂。并且破裂將沿著垂直于最小主應(yīng)力的方向擴(kuò)展。此時(shí)把孔壁產(chǎn)生破裂的外加液壓Pb稱為臨界破裂壓力。臨界破裂壓力Pb等于孔壁破裂處的應(yīng)力集中加上巖石的抗拉強(qiáng)度Thf,即

Pb=3σ2-σ1+Thf

(5)

再進(jìn)一步考慮巖石中所存在的孔隙壓力Po,式(5)將為

Pb=3S2-S1+Thf-Po

(6)

在垂直鉆孔中測(cè)量地應(yīng)力時(shí),常將最大、最小水平主應(yīng)力分別寫為SH和Sh。當(dāng)壓裂段的巖石被壓破時(shí),Pb可用下列公式表示

Pb=3Sh-SH+Thf-P0

(7)

孔壁破裂后,若繼續(xù)注液增壓,裂縫將向縱深處擴(kuò)展。若馬上停止注液增壓,并保持壓裂回路密閉,裂縫將停止延伸。由于地應(yīng)力場(chǎng)的作用,裂縫將迅速趨于閉合。通常把裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)的平衡壓力稱為瞬時(shí)閉合壓力Ps,它等于垂直裂縫面的最小水平主應(yīng)力,即

Sh=Ps

(8)

如果再次對(duì)封隔段增壓,使裂縫重新張開時(shí),即可得到破裂重新張開的壓力Pr。由于此時(shí)的巖石已經(jīng)破裂,抗拉強(qiáng)度Thf=0,這時(shí)即可把(7)式改寫成

Pr=3Sh-SH-Po

(9)

用(7)式減(9)式，即可得到巖石的原地抗拉強(qiáng)度

Thf=Pb-Pr

(10)

根據(jù)(7)、(8)、(9)式又可得到求取最大水平主應(yīng)力σH的公式

SH=3Ps-Pr-Po

(11)

垂直應(yīng)力可根據(jù)上覆巖石的重量來計(jì)算

Sv=ρgd

(12)

式中：ρ為巖石密度；g為重力加速度；d為深度。

以上是水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量的基本原理及有關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。

2.2 測(cè)試方法

概括地講,水壓致裂法原地應(yīng)力測(cè)量方法就是：利用一對(duì)可膨脹的封隔器在選定的測(cè)量深度封隔一段鉆孔,然后通過泵入流體對(duì)該試驗(yàn)段(常稱壓裂段)增壓,同時(shí)利用坐標(biāo)記錄儀、計(jì)算機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng)或數(shù)字磁帶記錄儀記錄壓力隨時(shí)間的變化。對(duì)實(shí)測(cè)記錄曲線進(jìn)行分析,得到特征壓力參數(shù),再根據(jù)相應(yīng)的理論計(jì)算公式,就可得到測(cè)點(diǎn)處的最大和最小水平主應(yīng)力的量值以及巖石的水壓致裂抗拉強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù)。

測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 雙回路水壓致裂應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)

這是一套雙回路水壓致裂應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)。所謂雙回路,就是用兩個(gè)獨(dú)立的加壓系統(tǒng)分別向封隔器和試驗(yàn)段加壓。其特點(diǎn)是在測(cè)量過程中,可同時(shí)觀察封隔器和試驗(yàn)段內(nèi)的壓力變化,一旦發(fā)現(xiàn)封隔器座封壓力不夠或封隔器密封不好時(shí)可隨時(shí)進(jìn)行補(bǔ)壓,為測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性提供了保證。

3 某隧道地應(yīng)力測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

3.1 測(cè)試對(duì)象的選擇

本次選擇該隧道12號(hào)鉆孔做為測(cè)試對(duì)象,該孔實(shí)際孔深為402.00 m,靜水位約為62.70 m。孔內(nèi)巖芯主要為中粗?；◢弾r。鉆孔結(jié)構(gòu)為：0～14.60 m為φ130,14.60～250.00 m為φ110,250.00～402.00 m為φ91。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,測(cè)試主要在φ91段進(jìn)行。成功完成了水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)7個(gè),應(yīng)力方向測(cè)量點(diǎn)3個(gè)。

3.2 主應(yīng)力量值的測(cè)試結(jié)果

圖3是該孔壓裂過程中的壓力—時(shí)間記錄曲線。共7個(gè)壓裂段,各壓裂段的破裂壓力、重張壓力、閉合壓力在各次循環(huán)較清晰明確,這為準(zhǔn)確把握測(cè)段處的應(yīng)力狀態(tài)奠定了良好的基礎(chǔ)。由重張壓力和閉合壓力分別計(jì)算給出各測(cè)段處的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力值。測(cè)量結(jié)果詳見表1。同時(shí),根據(jù)巖石的容重(取巖石容重2.65 g/cm3)和上覆巖層的厚度,按(12)式給出了各測(cè)段的垂直應(yīng)力(SV)計(jì)算值。

表1 隧道12號(hào)孔水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

注：Pb為巖石破裂壓力；Pr為裂縫重張壓力；PS為瞬時(shí)閉合壓力；P0為巖石孔隙壓力；T為巖石抗拉強(qiáng)度；SH為最大水平主應(yīng)力；Sh為最小水平主應(yīng)力。 計(jì)算垂直應(yīng)力時(shí),所用巖石容重為2.65 g/cm3。

圖3 12號(hào)孔壓力記錄曲線

3.3 主應(yīng)力方向的測(cè)量結(jié)果

按照水壓致裂應(yīng)力測(cè)量的基本原理,水壓致裂所產(chǎn)生破裂面的走向就是最大水平主應(yīng)力的方向。

為確定該孔的主應(yīng)力方向,根據(jù)設(shè)計(jì)需要及壓裂測(cè)試曲線形態(tài),選定了287.97～288.82 m、369.17～370.02 m和398.61～399.46 m三個(gè)測(cè)段進(jìn)行印模測(cè)量。測(cè)試結(jié)果繪于圖4。由圖4可見,三個(gè)測(cè)段的破裂形態(tài)均為直立裂縫,計(jì)算求得破裂面的方向分別為N66°W、N60°W、和N71°W。測(cè)試結(jié)果一致性較好,優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹WW向。

圖4 12號(hào)孔水壓致裂應(yīng)力測(cè)量印模結(jié)果

3.4 測(cè)試結(jié)果分析

由壓裂記錄曲線可知,壓力記錄曲線較標(biāo)準(zhǔn),破裂壓力峰值明顯,各個(gè)循環(huán)重復(fù)測(cè)量的規(guī)律性很強(qiáng),各個(gè)循環(huán)測(cè)得的壓裂參數(shù)具有良好的一致性。

由表1可見,最大水平主應(yīng)力值為9.72～22.96 MPa,最小水平主應(yīng)力值為6.61～14.35 MPa。這一結(jié)果反映的是鉆孔周邊的現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)。

從應(yīng)力與深度的關(guān)系看,應(yīng)力隨深度變化有增加的趨勢(shì)。根據(jù)7個(gè)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力測(cè)值進(jìn)行線性回歸,結(jié)果如下：

SH=-9.77+0.076D相關(guān)系數(shù)：0.755

Sh=-5.09+0.044D相關(guān)系數(shù)：0.753

其中,D為鉆孔深度,單位為m；主應(yīng)力單位為MPa。

圖5 12號(hào)孔應(yīng)力值隨深度變化

按照水壓致裂應(yīng)力測(cè)量的基本理論,垂直主應(yīng)力可以按其上覆巖層的重力進(jìn)行估算。根據(jù)巖石的平均容重,取2.65 g/cm3,則本孔測(cè)試深度內(nèi)：第287～345 m深度域的3個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)值較低,三向主應(yīng)力關(guān)系為SH>SV>Sh,原因可能是巖石完整性較差；洞身附近三向主應(yīng)力關(guān)系為SH>Sh>SV。

本孔在3個(gè)壓裂段內(nèi)進(jìn)行了印模定向。水壓破裂面的方向即最大水平主應(yīng)力方向,為NWW(見表1)。

由測(cè)試結(jié)果初步分析,12號(hào)孔的地應(yīng)力基本特征為：

(1)洞身附近的最大水平主應(yīng)力為22 MPa左右,最小水平主應(yīng)力為13 MPa左右,用上覆巖層容重(約為2.65 g/cm3)估算的垂直主應(yīng)力為10.5 MPa。

(2)洞身附近三向主應(yīng)力值的關(guān)系為SH>Sh>SV。地應(yīng)力特征以構(gòu)造應(yīng)力作用為主。主地應(yīng)力值隨深度分布見圖5。由圖5可見，三向主應(yīng)力具有隨深度增加而增大的趨勢(shì)。287～345 m深度域的3個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)值較低,原因可能是巖石完整性較差。

(3)巖石原地抗拉強(qiáng)度為2～3 MPa。

該孔洞身附近的最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)楸蔽魑飨?即N60°～71°W),與擬設(shè)隧洞軸線走向夾角較小,有利洞室圍巖的穩(wěn)定。

4 測(cè)區(qū)測(cè)試結(jié)果綜述

4.1 測(cè)區(qū)地應(yīng)力值的大小

由表1的測(cè)試結(jié)果可見,測(cè)區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以水平主應(yīng)力為主,并有隨深度線性增加趨勢(shì)。

洞身部位三向主應(yīng)力關(guān)系為：SH>Sh>SV,表明該區(qū)深部為逆斷層型應(yīng)力狀態(tài)。

根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50218—94)：

RC/SH<4 極高應(yīng)力；

4

7

對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的SH與σC(假設(shè)值)進(jìn)行了比較,結(jié)果列于表2～表3,其中σC為巖石飽和抗壓強(qiáng)度,SH為最大水平主應(yīng)力。

表2 12號(hào)孔應(yīng)力大小與σC (假設(shè)值)的比較

注：σC為巖石飽和抗壓強(qiáng)度,表中數(shù)據(jù)為該孔380～386 m實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 σC/SH數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

可以看出，應(yīng)力大小受巖石飽和抗壓強(qiáng)度σC的影響,應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)σC進(jìn)行認(rèn)真分析。

在12號(hào)孔共計(jì)7個(gè)測(cè)段中,σC/SH<4的極高地應(yīng)力占全部測(cè)點(diǎn)的71%,4<σC/SH<7的高地應(yīng)力占全部測(cè)點(diǎn)的29%。盡管某些測(cè)段受巖石結(jié)構(gòu)完整性及構(gòu)造的影響,使得地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果具有較為明顯的變化,但統(tǒng)計(jì)分析表明,極高和高地應(yīng)力的情況占全部測(cè)段的100%。這一統(tǒng)計(jì)結(jié)果較為客觀地揭示了地應(yīng)力狀態(tài)的總體分布特征。

上述分析,僅僅是將最大水平應(yīng)力與巖石的單軸抗壓強(qiáng)度比較的結(jié)果,以上的討論僅供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

4.2 工程區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的方向

由表1可見,實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力方向(即破裂方位)為N60°W～N71°W,優(yōu)勢(shì)方向NWW。

4.3 巖體原地抗拉強(qiáng)度

由于水壓致裂法可以在同一測(cè)段上連續(xù)進(jìn)行多次測(cè)量,大量的實(shí)測(cè)結(jié)果表明,初次的破裂循環(huán)與其后的重張循環(huán)有顯著差別,一般情況下,破裂壓力(Pb)大于重張壓力(Pr)。初次的破裂循環(huán)不僅要克服巖石所承受的壓應(yīng)力,而且還要克服巖石本身的抗拉強(qiáng)度(T)。而在破裂后的重張循環(huán)中,由于破裂面已經(jīng)形成,要使之重新張開,只需克服作用在破裂面上的地應(yīng)力,那么,二者之差就是巖石原地抗拉強(qiáng)度,即T=Pb-Pr。

工程區(qū)巖體原地抗拉強(qiáng)度較低,為2.0～3.0 MPa。

5 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果在工程中的應(yīng)用

5.1 隧道方向選取問題

實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力方向(即破裂方位)為N60°W～N71°W,隧道軸線方向?yàn)榻麰W,二者夾角較小。因此,認(rèn)為最大水平主應(yīng)力方向?qū)M建隧道的穩(wěn)定影響較小。

5.2 隧道形狀討論

根據(jù)文獻(xiàn)[2],結(jié)合實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果,當(dāng)開挖體形狀能使得頂板處和側(cè)幫處的壓應(yīng)力值基本相等時(shí),該開挖體形狀,就是該應(yīng)力場(chǎng)下的最佳形狀。能給出最均勻壓應(yīng)力分布的開挖體形狀通常是圓形或橢圓形的,其長(zhǎng)短軸之比應(yīng)等于原巖在硐室截面上的兩個(gè)主應(yīng)力之比。

對(duì)于12號(hào)孔周圍而言,隧道在此通過的軸線方向?yàn)镋W,該孔隧道部位測(cè)段的印模測(cè)試結(jié)果均值為N71° W。該鉆孔附近的最大水平主應(yīng)力方向與隧道軸線方向夾角約為19°。最大水平主應(yīng)力方向與隧道橫截面內(nèi)隧道側(cè)幫上的正應(yīng)力方向的夾角為α=71°。根據(jù)彈性力學(xué)的公式,作用在隧道側(cè)幫上的正應(yīng)力為

取398.61～399.46測(cè)段的數(shù)據(jù)

SH=22.03 MPa,Sh=12.91 MPa,α=71°,可以得到：σn=13.88 MPa。則頂板與側(cè)幫原巖主應(yīng)力之比為Sn/SV=13.88/10.36=1.34,其最佳開挖形狀為長(zhǎng)軸水平的橢圓形,其長(zhǎng)短軸之比為1.34。

6 結(jié)論

根據(jù)12號(hào)孔的測(cè)試結(jié)果及初步分析,得到以下認(rèn)識(shí)和結(jié)論：

(1)洞身附近的最大水平主應(yīng)力為22 MPa左右,最小水平主應(yīng)力為13 MPa左右,用上覆巖層容重(約為2.65 g/cm3)估算的垂直主應(yīng)力為10.5 MPa。

(2)洞身附近三向主應(yīng)力值的關(guān)系為SH>Sh>SV。地應(yīng)力特征以構(gòu)造應(yīng)力作用為主。主地應(yīng)力值隨深度分布見圖5,由圖5可見，三向主應(yīng)力具有隨深度增加而增大的趨勢(shì)。287～345 m深度域的三個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)值較低,原因可能是巖石完整性較差。

(3)巖石原地抗拉強(qiáng)度多為2～3 MPa。

(4)該孔洞身附近的最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)楸蔽魑飨?即N60°～71°W),與擬建隧洞軸線走向夾角較小,有利洞室圍巖的穩(wěn)定。

(5)隧道開挖最佳形狀為長(zhǎng)軸水平的橢圓形,其長(zhǎng)短軸之比為1.34。

[1]中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所.精伊線中天山越嶺隧道壓裂報(bào)告[R].北京：中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,2003

[2]E.Hoek和E.T.Brown.巖石地下工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1986

[3]中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所.中國(guó)地殼應(yīng)力圖[Z].北京：中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,1994

[4]鄢家全，時(shí)振梁，汪素云，等.中國(guó)及鄰區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的區(qū)域特征[J].地震學(xué)報(bào),1979，1(1)

[7]GB/50218—94 工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S]