摘要：為探明廣西某高速公路隧道工程區(qū)的地應(yīng)力分布特征，文章通過在該隧道工程區(qū)開展鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試工作，分析了該隧道工程區(qū)的地應(yīng)力分布特征。測(cè)試結(jié)果表明：（1）測(cè)區(qū)地應(yīng)力分布滿足SH＞Sh＞Sv，地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，測(cè)區(qū)構(gòu)造作用明顯；（2）根據(jù)鉆孔印模結(jié)果，工程區(qū)最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方位在N29°～46°W，表明該隧道工程區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)以NNW～NW向擠壓為主，測(cè)試結(jié)果與周邊區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向基本一致；（3）對(duì)比本次試驗(yàn)結(jié)果與工程區(qū)附近地應(yīng)力數(shù)據(jù)，在埋深較淺處，試驗(yàn)結(jié)果偏大，而在埋深較深處，兩者較為吻合，說明地形地貌對(duì)地應(yīng)力具有一定的影響作用。

關(guān)鍵詞：隧道；地應(yīng)力；水壓致裂法；構(gòu)造應(yīng)力

U451+.1A280893

0 引言

地應(yīng)力是一種賦存在地殼中，未受到人為擾動(dòng)的天然應(yīng)力。由于不同的工程區(qū)具有不同的地質(zhì)條件，因此，不同工程區(qū)具有不同的地應(yīng)力，有的工程區(qū)受到的地質(zhì)構(gòu)造作用較大，導(dǎo)致巖體受到的水平向應(yīng)力作用大于豎直向應(yīng)力作用。有研究表明，很多地下工程的破壞就是由于地應(yīng)力的作用導(dǎo)致，因此對(duì)于地下深埋暗挖工程，調(diào)查清楚工程區(qū)的地應(yīng)力分布情況對(duì)工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)和施工等具有重要的意義［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)已逐步成為國際上公認(rèn)的能較好地直接進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量的方法之一。該技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、可在任意的深度進(jìn)行連續(xù)或重復(fù)測(cè)試、測(cè)試速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來在國內(nèi)外被廣泛采用，也取得了一些研究成果。

為探明廣西某高速公路隧道工程區(qū)地應(yīng)力分布特征，為工程施工方法的選擇以及支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取提供依據(jù)，在該隧道工程區(qū)開展了1個(gè)鉆孔的地應(yīng)力測(cè)試工作。

1 項(xiàng)目概況及工程地質(zhì)條件

廣西某高速公路隧道設(shè)計(jì)為分離式越嶺特長(zhǎng)隧道，隧道左、右線設(shè)計(jì)長(zhǎng)度分別為4 067 m、4 053 m，左、右線最大埋深分別約為552.304 m、559.533 m。隧道工程區(qū)山體連綿起伏，地形起伏較大，地面高程為160～760 m，相對(duì)高差為600 m，自然坡度約為25°～45°，地表多覆蓋第四系殘坡積層，以下為泥盆系、寒武系地層，巖性以泥質(zhì)粉砂巖為主，局部夾砂巖，薄層～中厚層狀，巖體強(qiáng)～中風(fēng)化，其中強(qiáng)風(fēng)化層厚約為3.8～46.3 m，中風(fēng)化層鉆探揭示的最大厚度為116.28 m。

2 地應(yīng)力測(cè)試孔試驗(yàn)布置

根據(jù)隧道區(qū)地形地貌條件及交通的便利性，此次地應(yīng)力測(cè)試孔布置在隧道設(shè)計(jì)里程樁號(hào)ZK60+512.35/YK60+500左、右線的中間位置（見圖1），設(shè)計(jì)鉆孔深285 m，穿過隧道底板約10 m。

3 地應(yīng)力測(cè)試成果

3.1 壓裂試驗(yàn)結(jié)果

本次壓裂試驗(yàn)在孔深154.71～264.00 m范圍內(nèi)進(jìn)行。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，選取了13段作為試驗(yàn)段，除去1段試驗(yàn)加壓失敗外，其余12段試驗(yàn)取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。限于文章篇幅限制，本文僅給出孔底4段試驗(yàn)段在壓裂過程中的壓力時(shí)程曲線，見圖2。

從圖2可以看出，各測(cè)試階段的曲線線型良好，各試驗(yàn)段內(nèi)的巖石原地破裂壓力Pb、破裂面重張壓力Pr和破裂面瞬時(shí)閉合壓力Ps在各個(gè)循環(huán)階段清晰可見，試驗(yàn)重復(fù)性較好。

3.2 最大水平主應(yīng)力方向的確定

壓裂試驗(yàn)結(jié)束后，使用自動(dòng)定向印模器，選取在壓裂過程中破裂峰值明顯的3段（孔深154.71～155.33 m、167.22～167.84 m和211.53～212.15 m）進(jìn)行最大主應(yīng)力方向印模測(cè)定，印模結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，鉆孔印模主裂紋印痕清楚，水壓裂縫基本呈垂直展布狀態(tài)，并在孔壁兩側(cè)對(duì)稱出現(xiàn)，準(zhǔn)確地反映了壓裂縫的性狀。根據(jù)印模結(jié)果，確定的最大水平主應(yīng)力方向由淺至深分別為331、314和146，這說明測(cè)點(diǎn)附近最大水平主應(yīng)力方向在N29°～46°W范圍。

3.3 水平主應(yīng)力大小的確定

根據(jù)壓力時(shí)程曲線，可以直接得出巖石原地破裂壓力Pb、破裂面重張壓力Pr和破裂面瞬時(shí)閉合壓力Ps，根據(jù)以上參數(shù)，能夠計(jì)算出巖石的水平主應(yīng)力（最大水平主應(yīng)力SH和最小水平主應(yīng)力Sh）以及巖石的抗拉強(qiáng)度T，具體計(jì)算方法見式（1）～式（3）［2］：

SH=3PS-Pr-P0（1）

Sh=PS（2）

T=Pb-Pr（3）

式中：P0——試驗(yàn)段巖層的孔隙壓力，一般按試驗(yàn)段地下水位的靜水壓力考慮［3］。

同時(shí)，根據(jù)巖石室內(nèi)試驗(yàn)可以得到巖石的容重γ，按式（4）可估算出試驗(yàn)段的垂直主應(yīng)力Sv：

Sv=γ·h（4）

式中：h——試驗(yàn)段深度。

根據(jù)以上公式，得到各試驗(yàn)段的結(jié)果見表1。

分析表1中數(shù)據(jù)可知，不同深度試驗(yàn)段上的三向應(yīng)力均表現(xiàn)為SH＞Sh＞Sv，表明該隧道工程區(qū)的應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力作用為主，最大水平主應(yīng)力值范圍為13.00～24.34 MPa，平均值為17.89 MPa；最小水平主應(yīng)力范圍為8.28～12.03 MPa，平均值為17.89 MPa。同時(shí)，根據(jù)該鉆孔三段試驗(yàn)段的印模結(jié)果，得出該隧道工程區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹29°～46°W，表明該隧道工程區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)以NNW～NW向擠壓為主。

4 工程區(qū)應(yīng)力特征的討論與分析

通過對(duì)工程區(qū)一個(gè)鉆孔的地應(yīng)力實(shí)地測(cè)量及結(jié)果分析，對(duì)鉆孔附近的地應(yīng)力狀況有了一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，但由于隧道工程區(qū)面積較大，區(qū)域工程地質(zhì)條件復(fù)雜，僅一個(gè)鉆孔的地應(yīng)力資料，相比于整個(gè)隧道工程區(qū)只是一個(gè)側(cè)面，接下來本文將從工程區(qū)周邊區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征、工程區(qū)應(yīng)力量值水平兩個(gè)方面對(duì)該隧道工程區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步的討論分析，以期得到一個(gè)更為準(zhǔn)確的結(jié)論和認(rèn)識(shí)。

4.1 工程區(qū)周邊區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征

廣西構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)受控于印度板塊和太平洋板塊對(duì)歐亞板塊的擠壓，在印度板塊向北和太平洋板塊向西擠壓過程中，引起了一定程度的區(qū)域性水平旋扭，從而決定了廣西現(xiàn)代水平構(gòu)造和垂直構(gòu)造的基本活動(dòng)方式［4］。大量的工程實(shí)踐表明，我國的地應(yīng)力場(chǎng)具有明顯的分區(qū)特征，并且區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)具有一定的空間和時(shí)間上的穩(wěn)定性［5］。蔣維強(qiáng)等［6］利用200多個(gè)小震震源機(jī)制解對(duì)華南地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析研究，將華南地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)細(xì)分為9個(gè)區(qū)，測(cè)區(qū)位于分區(qū)中的第Ⅲ區(qū)，其主壓應(yīng)力軸方位為348°。將工程區(qū)鉆孔水壓致裂測(cè)試結(jié)果與周邊區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

通過觀察圖4可知，測(cè)區(qū)水壓致裂測(cè)試結(jié)果與周邊區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向基本一致，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了此次測(cè)試的可靠性。但是，由于此次水壓致裂測(cè)試具有一定的深度限制，而地震震源機(jī)制解更多的是反映地殼內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，故導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與周邊區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向也存在一定的偏差。

4.2 工程區(qū)應(yīng)力量值水平

統(tǒng)計(jì)分析本次試驗(yàn)不同深度范圍內(nèi)的主應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表2所示。

分析表2數(shù)據(jù)，對(duì)比深度154.71～199.12 m段和深度207.31～264.62 m段的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鉆孔淺部應(yīng)力值較深部高，這主要是由于鉆孔布置在溝谷邊緣，受地形和地貌的影響，淺部應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致154.71～199.12 m段的測(cè)試應(yīng)力值偏高。

同時(shí)，根據(jù)查閱《中國大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫》［7］，繪出工程區(qū)附近應(yīng)力隨深度的變化數(shù)據(jù)圖，如圖5所示。

從圖5中可以看出，在埋深160 m左右，工程區(qū)附近水平最大主應(yīng)力為2.57～12.2 MPa，水平最小主應(yīng)力為1.57～7.02 MPa；埋深200～280 m左右的水平最大主應(yīng)力為6.82～16.2 MPa，水平最小主應(yīng)力為2.15～9.64 MPa；埋深300～500 m左右的水平最大主應(yīng)力為6.1～29.1 MPa，水平最小主應(yīng)力為4.1～15.1 MPa。

對(duì)比本次試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在埋深160 m左右的深度試驗(yàn)所得的最大、最小水平應(yīng)力值大小與工程區(qū)附近地應(yīng)力數(shù)值相比偏大；而在埋深260 m左右的位置試驗(yàn)所得的最大、最小水平應(yīng)力值大小與工程區(qū)附近地應(yīng)力數(shù)值相比較為吻合，這也進(jìn)一步說明地形地貌對(duì)地應(yīng)力具有一定的影響作用。

5 結(jié)語

通過采用水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)對(duì)廣西某高速公路隧道工程區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出以下結(jié)論：

（1）測(cè)區(qū)地應(yīng)力分布滿足SH＞Sh＞Sv，地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，測(cè)區(qū)構(gòu)造作用明顯。

（2）根據(jù)鉆孔印模結(jié)果，工程區(qū)最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方位在N29°～46°W，表明該隧道工程區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)以NNW～NW向擠壓為主，測(cè)試結(jié)果與周邊區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向基本一致。

（3）對(duì)比本次試驗(yàn)結(jié)果與工程區(qū)附近地應(yīng)力數(shù)據(jù)，在埋深較淺處，試驗(yàn)結(jié)果偏大，而在埋深較深處，兩者較為吻合，說明地形地貌對(duì)地應(yīng)力具有一定的影響作用。

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