■王巖

（吉林省地礦勘察設計研究院 吉林長春 130021）

地應力測試在五女峰公路隧道工程中的應用

■王巖

（吉林省地礦勘察設計研究院 吉林長春 130021）

采用水壓致裂法對五女峰公路隧道地應力場測試，查明五女峰隧道圍巖的現(xiàn)今地殼應力分布規(guī)律及工程區(qū)應力場狀態(tài)。討論受地應力影響隧道洞體軸線走向以及洞體橫斷面形狀選取，分析施工時洞體圍巖發(fā)生巖爆災害的可能性。

五女峰隧道地應力分布應力狀態(tài)工程應用

1 前言

集通高速公路五女峰隧道穿越吉林省東南部區(qū)域分水嶺-老嶺山脈，隧址區(qū)地層上部為凝灰質(zhì)碎屑建造的侏羅系地層，下部為遠古界集安群變質(zhì)巖系。大地構(gòu)造單元屬于鴨綠江凹褶斷束［1］，區(qū)內(nèi)分布9條次生斷層。隧道全長7930m，普遍埋深超200m，最大埋深565m，高地應力對隧道設計和施工影響顯著，因此對隧道區(qū)地應力測試十分必要。

2 地應力測試方法及成果分析

2.1 測試方法

測試方法采用國際巖石力學學會試驗方法委員會推薦的方法之一“水壓致裂法”進行。水壓致裂原地應力測量方法就是：利用一對可膨脹的封隔器在選定的測量深度封隔一段鉆孔，然后通過泵入流體對該試驗段(常稱壓裂段)增壓，同時利用X-Y記錄儀、計算機數(shù)字采集系統(tǒng)或數(shù)字磁帶記錄儀記錄壓力隨時間的變化。對實測記錄曲線進行分析，得到特征壓力參數(shù)，再根據(jù)相應的理論計算公式，就可得到測點處的最大和最小水平主應力的量值以及巖石的水壓致裂抗拉強度等巖石力學參數(shù)。

2.2 測試成果

對五女峰隧道SZK05孔進行10個測段地應力值隨深度分布測試，測試深度100.0～500.0m，3個點應力方向測量，測量成果見表2-1和圖2-1。

2.3 成果分析

根據(jù)測量成果繪制應力值隨深度變化趨勢圖（見圖2-2），并對其最大、最小水平主應力值和垂直應力值曲線進行回歸分析，得到公式為：

式中：R為線性相關系數(shù),H為埋深，σV為垂直應力，σH為最大水平主應力，σh為最小水平主應力。

根據(jù)測量成果和線性回歸公式，測孔上部存在一定程度上的應力集中。測孔附近地應力狀態(tài)基本表現(xiàn)為SH>Sh>SV。即:最大水平主應力大于最小水平主應力和垂直應力，水平構(gòu)造應力作用為主。最大主應力方向為N60～72°E，優(yōu)勢方向為N67°E。水壓致裂測試過程中獲得鉆孔孔壁巖石的原地抗張強度為3～6 MPa，最高達到8Mpa。

圖2-1 五女峰隧道SZK05孔水壓致裂應力測量印模結(jié)果

3 測試成果工程應用

3.1 測區(qū)地應力值大小分析

根據(jù) 《工程巖體分級標準》GB/50218-94地應力值劃分方法及標準，對測區(qū)地應力值進行劃分，結(jié)果見表1。

圖2-2 SZK05孔應力值隨深度變化圖

表1 五女峰隧道場地地應力值

通過上表可知，隧址區(qū)洞體埋深小于189m區(qū)段為低應力區(qū)，189～390m區(qū)段為高應力區(qū)，埋深大于390m以下為極高應力區(qū)。

3.2 隧道洞體軸線選取及形狀討論

隧道洞體軸線與最大主應力方向夾角越小對隧道洞體圍巖的穩(wěn)定越有利［2］。實測隧址區(qū)最大水平主應力優(yōu)勢方向為N67°E，因此，擬建的隧道軸線走向應盡可能靠近N67°E。

3.3 圍巖巖爆預測

巖爆發(fā)生是一種復雜的非線性動力學現(xiàn)象，其控制和影響因素眾多，成因機理復雜［4］。單從切向應力準則對隧道圍巖發(fā)生巖爆可能進行預測，切向應力準則首先由挪威學者巴頓提出，將圍巖的切向應力（σe）與巖石的抗壓強度（σc）之比作為判斷巖爆及發(fā)生巖爆的等級依據(jù)。標準如下：

表2 巖爆及發(fā)生巖爆的等級劃分標準

對于隧道橫截面內(nèi)作用的兩向正應力分別為σn(即：Sn)和垂直應力SV。隧道斷面形狀近以為圓形，σe=3σn-SV。根據(jù)上述劃分標準、巖石抗壓強度、洞體走向，利用隧道最大、最小水平主應力和垂直應力回歸線性方程反算隧址區(qū)發(fā)生不同等級巖爆的界線埋深，具體計算結(jié)果見表3。

表3 隧址區(qū)巖爆發(fā)生等級界線埋深

上述對巖爆危險性等級埋深的劃分是從地應力角度考慮而得出的判斷。五女峰隧道施工過程中，洞體埋深266～487m區(qū)段會發(fā)生輕微的巖爆，大于487m區(qū)段存在發(fā)生中等巖爆的可能性，其它區(qū)段基本不會發(fā)生巖爆。對于巖性軟弱、裂隙發(fā)育的層段，斷面會收斂變形發(fā)生片幫及冒頂。

4 結(jié)論

（1）五女峰隧道場地地應力值隨埋深呈線性增加，地應力狀態(tài)基本表現(xiàn)為SH>Sh>SV，，最大水平主應力大于最小水平主應力和垂直應力，水平構(gòu)造應力作用為主。最大水平主應力方向為N60～72?E，優(yōu)勢方向為N67?E。

（2）區(qū)內(nèi)埋深小于189m區(qū)段為低應力區(qū)，189～390m區(qū)段為高應力區(qū)，埋深大于390m以下為極高應力區(qū)。

（3）洞體軸線走向選擇應盡可能靠近N67?E；橫截面最佳開挖形狀為長軸垂直的橢圓形，其長短軸之比為1.20。

（4）僅從地應力角度考慮預測五女峰隧道施工過程中，洞體埋深大于268m區(qū)段存在發(fā)生巖爆的可能性，其它區(qū)段基本不會發(fā)生巖爆。

致謝：感謝吉林省交通規(guī)劃設計院提供資料！

［1］吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)局.吉林省區(qū)域地質(zhì)志 ［M］.北京：地質(zhì)出版社，1988.

［2］李曼，馬平，孫強.洞室軸線走向與初始地應力關系對圍巖穩(wěn)定性的影響 [J].鐵道建筑，2011， (07).

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

［4］侯發(fā)亮等.地下洞室?guī)r爆與圍巖應力的關系 [J].雜巖石的建筑物國際學術(shù)討論會文集，1986.

P315.72+7[文獻碼]B

1000-405X（2015）-11-222-2

王巖（1973～），男，高級工程師，研究方向為水工環(huán)。