吉林省通化南部地區(qū)淺部工程地應(yīng)力分析

王　巖，杜　軍

（1.吉林省地礦勘察設(shè)計(jì)研究院，吉林長春130012；2.遼寧工程勘察設(shè)計(jì)院，遼寧錦州121000）

吉林省通化南部地區(qū)淺部工程地應(yīng)力分析

王巖*1，杜軍2

（1.吉林省地礦勘察設(shè)計(jì)研究院，吉林長春130012；2.遼寧工程勘察設(shè)計(jì)院，遼寧錦州121000）

通化南部地區(qū)公路、鐵路和水利等一些基礎(chǔ)設(shè)施的淺部地下工程（如隧道等）往往也面臨著較高的地應(yīng)力環(huán)境。通過搜集該地區(qū)2組地下100～500m淺部巖體工程地應(yīng)力實(shí)測資料，參照Hoek-Brown方法，分析討論該地區(qū)淺部巖體垂直應(yīng)力、最大和最小水平主應(yīng)力隨埋深的分布規(guī)律，以及區(qū)內(nèi)不同地塊地應(yīng)力大小、應(yīng)力場方向的差異。

通化南部地區(qū)；淺部工程；地應(yīng)力；應(yīng)力場方向

1　地質(zhì)背景

通化南部地區(qū)位于吉林省東南部，南與朝鮮民主主義人民共和國隔鴨綠江相望。地貌單元屬于鴨綠江與渾江之間的老嶺中低山區(qū)。大地構(gòu)造單元屬于渾江陷褶斷束（Ⅱ）之鴨綠江凹褶斷束（Ⅲ）［1］北部。構(gòu)造活動早期形成遼吉古裂谷，至中生代以韌塑性變形和塑性縱彎柔流褶皺變形［2］為主。新生代以來區(qū)內(nèi)活動表現(xiàn)為繼承性、間歇性和改造性。鴨綠江斷裂帶位于區(qū)內(nèi)南部，NE方向延伸，具有多期活動特點(diǎn)，斷裂帶南側(cè)為集安地震帶。渾江斷裂帶位于區(qū)域北部邊界，弧形展布，由數(shù)條斷層構(gòu)成，斷面多傾向北西，局部傾向南東，傾角50°～60°。

2　Hoek-Brown方法與淺部工程

2.1Hoek-Brown方法［3］

E.T.Brown和E.Hoek統(tǒng)計(jì)了世界不同地區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果，總結(jié)了垂直應(yīng)力、水平平均主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨埋深分布規(guī)律，即：

式中：H——埋深；

σV——垂直應(yīng)力；

σH——最大水平主應(yīng)力；

σh——最小水平主應(yīng)力。

2.2淺部工程

何滿潮等把國際巖石力學(xué)學(xué)會定義的硬巖發(fā)生軟化的深度作為深部工程與淺部工程的界限。即假設(shè)覆巖的容重為25kN/m3，則硬巖發(fā)生軟化的臨界深度為500m。因此將大于500m深度范圍的地下工程稱為深部工程，把小于500m范圍的地下工程稱為淺部工程。王明洋等基于分區(qū)破裂現(xiàn)象深度概念，根據(jù)圍巖的變形和破壞形態(tài)，界定淺部工程活動為坑道最大支撐壓力區(qū)不破壞的深度［3］。

3　地質(zhì)應(yīng)力測試方法與測試成果

3.1測試方法

收集的地區(qū)兩點(diǎn)地應(yīng)力測式方法均采用水壓致裂原地應(yīng)力測量方法，水壓致裂法為國際巖石力學(xué)學(xué)會試驗(yàn)方法委員會所推薦的測定巖石應(yīng)力方法之一，是目前直接進(jìn)行孔內(nèi)應(yīng)力測量的先進(jìn)方法。其原理如下：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(yàn)段（常稱壓裂段）增壓，同時利用X-Y記錄儀、計(jì)算機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng)記錄壓力隨時間的變化。對實(shí)測記錄曲線進(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)。測試系統(tǒng)如圖1所示。

3.2測試成果

（1）通化抽水蓄能電站應(yīng)力測試。抽水蓄能電站位于通化市區(qū)西南15km，對ZK12孔9個測段進(jìn)行地應(yīng)力值隨深度分布測試，測試深度100.0～301.7m，測試成果見圖2。

①ZK12孔在測量深域內(nèi)最大水平主應(yīng)力為7.6～14.5MPa，最小水平主應(yīng)力3.8～8.4MPa，垂直應(yīng)力為2.0～8.2MPa。

②測孔處最大、最小水平主應(yīng)力值回歸計(jì)算公式為σH=0.035H+4.50；σh=0.023H+1.65；垂直應(yīng)力值回歸計(jì)算公式為σV=0.0263H，鉆孔上部存在水平應(yīng)力集中，地應(yīng)力大小表現(xiàn)為σH＞σh＞σV，水平構(gòu)造應(yīng)力作用為主。

③應(yīng)力場狀態(tài)以NEE向擠壓為主，最大水平主應(yīng)力方向一般為N64°～83°E，優(yōu)勢方向N74°E。

（2）五女峰隧道應(yīng)力測式。五女峰隧道位于通化市區(qū)東南83km，對SZK05孔10個測段進(jìn)行地應(yīng)力值隨深度分布測試，測試深度100.0～500.0m，測試成果見圖3。

圖1　雙回路水壓致裂應(yīng)力測量系統(tǒng)

圖2　電站孔內(nèi)應(yīng)力值隨深度變化圖

圖3　隧道孔內(nèi)應(yīng)力值隨深度變化圖

①SZK05孔在測量深域內(nèi)最大水平主應(yīng)力為4.0～19.0MPa，最小水平主應(yīng)力3.0～14.0MPa，垂直應(yīng)力為2.0～13.0MPa。

②測孔處最大、最小水平主應(yīng)力值回歸計(jì)算公式為σH=0.034H+1.56；σh=0.023H+0.94；垂直應(yīng)力值回歸計(jì)算公式為σV=0.0265H，鉆孔上部也存在水平應(yīng)力集中，地應(yīng)力大小表現(xiàn)為σH＞σh＞σV，水平構(gòu)造應(yīng)力作用為主。

③應(yīng)力場狀態(tài)以NEE向擠壓為主，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹60°～72°E，優(yōu)勢方向?yàn)镹67°E。

4　應(yīng)力分布規(guī)律討論

分析總結(jié)上述2個工程應(yīng)力測試成果，得出淺部工程地應(yīng)力規(guī)律如下：

（1）垂直主應(yīng)力隨深度增加呈直線型增加，相應(yīng)地最大、最小水平主應(yīng)力也隨深度而逐步增大，兩向水平應(yīng)力呈近似平行的2條直線，發(fā)展趨勢隨深度增加與垂直應(yīng)力的差值逐漸減少。

（2）兩測試點(diǎn)均表現(xiàn)出鉆孔上部均存在一定程度的水平應(yīng)力集中。

（3）三向主應(yīng)力大小關(guān)系如下：σH＞σh＞σV，表明相應(yīng)工程區(qū)應(yīng)力場均以水平構(gòu)造應(yīng)力作用為主，并有隨深度線性增加趨勢，區(qū)內(nèi)深部存在逆斷層型應(yīng)力狀態(tài)。

（4）區(qū)內(nèi)應(yīng)力場狀態(tài)以NEE向擠壓為主，最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向NEE，與中國大陸應(yīng)力場方向［4］基本一致。

5　區(qū)塊間應(yīng)力差異分析討論

（1）垂直應(yīng)力。2個測點(diǎn)垂直應(yīng)力分別為σV=0.0263H、σV=0.0265H，垂直應(yīng)力與埋深的線性關(guān)系明顯，回歸的相關(guān)性很好，應(yīng)力變化梯度接近。表明通化南部地區(qū)相同埋深不同區(qū)塊淺部垂直應(yīng)力值大小基本一致，應(yīng)力大小基本由上覆巖體重量引起的。與Hoek-Brown方法的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相比較，應(yīng)力變化梯度略小于Hoek-Brown統(tǒng)計(jì)關(guān)系式中的0.027，應(yīng)力大小與深度關(guān)系符合Hoek-Brown方法中垂直應(yīng)力統(tǒng)計(jì)關(guān)系式。

（2）水平主應(yīng)力。兩地回歸式中的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力的梯度系數(shù)基本相等，表明通化南部地區(qū)淺部工程的最大、最小水平主應(yīng)力變化量隨工程埋深變化量基本相等；但常數(shù)項(xiàng)前者明顯要大于后者，表明區(qū)域內(nèi)淺部巖體既已存在明顯的水平應(yīng)力事實(shí)，同時也反映不同區(qū)塊既已存在的水平應(yīng)力大小差異明顯。總結(jié)該區(qū)水平主應(yīng)力大小關(guān)系式如下：

式中：C1、C2——既已存在的最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力。

（3）應(yīng)力場方向。區(qū)內(nèi)最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向均為NEE，不同區(qū)塊最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向略有差異。

6　結(jié)論

（1）通化南部地區(qū)淺部工程巖體垂直應(yīng)力隨埋深增大而增大，垂直應(yīng)力與埋深有良好的線性關(guān)系。垂直應(yīng)力大小基本由上覆巖體重量引起的，應(yīng)力變化梯度略小于Hoek-Brown統(tǒng)計(jì)關(guān)系式中的0.027。

（2）兩向水平應(yīng)力隨埋深近似呈線性關(guān)系變化，發(fā)展趨勢隨深度增加與垂直應(yīng)力的差值逐漸減少。區(qū)域內(nèi)淺部巖體存在顯著水平應(yīng)力，不同地塊應(yīng)力大小差異明顯。

（3）區(qū)內(nèi)三向主應(yīng)力關(guān)系為：σH＞σh＞σV。

（4）區(qū)內(nèi)應(yīng)力場狀態(tài)以水平構(gòu)造應(yīng)力作用為主，最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向NEE。

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P553

A

1004-5716（2016）02-0020-03

2015-09-24

2015-10-23

王巖（1973-），男（漢族），遼寧大連人，高級工程師，現(xiàn)從事水工環(huán)技術(shù)工作。