秦嶺北麓某勘探洞地應(yīng)力測試實例分析研究

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001)

自20世紀30年代R. S. Lieurace在胡佛水壩下面的一個隧道中首次成功進行了原巖應(yīng)力測量之后，國內(nèi)外研究學(xué)者在過去的七十多年里對地應(yīng)力測量做了大量的開創(chuàng)性工作，并且部分測量方法和設(shè)備已經(jīng)在工程實踐中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。目前，國內(nèi)外比較常用的測量方法有：套孔應(yīng)力解除法、水壓致裂法、Kaiser效應(yīng)法[2][3]。套孔應(yīng)力解除法由于深孔容易產(chǎn)生斷芯問題，水壓致裂法是目前實際測量中應(yīng)用最為廣泛，但其理論基礎(chǔ)是地應(yīng)力張量的一個主方向必須與鉆孔軸向一致，影響了測量結(jié)果的可靠性，Kaiser效應(yīng)法實際上測的是巖體在歷史上所受的最大應(yīng)力值[4]。不管哪種測量方法都有自身的不足，加上地應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜多變，開挖過程及測量過程都會對地應(yīng)力測量結(jié)果產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致測量結(jié)果常常存在爭執(zhí)。針對此種情況，本文依秦嶺北麓某勘探洞為例，在實測的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)力學(xué)的角度，對地應(yīng)力場主應(yīng)力方向的地質(zhì)標志作了分析，并給出地應(yīng)力場的主應(yīng)力方向，以校對現(xiàn)場實測的結(jié)果，從而也為地應(yīng)力主應(yīng)力方向的準確判定提供了另一種方法。

1 工程區(qū)地質(zhì)概況及測試鉆孔描述

1.1 工程區(qū)地質(zhì)概況

該工程區(qū)整體地形南高北低，主要由秦嶺中低山、渭河斷陷盆地及黃土殘塬三大地貌單元組成。工程區(qū)基巖主要出露泥盆系上泥盆統(tǒng)變質(zhì)巖及燕山期花崗巖，第四系松散堆積層廣泛分布于渭河斷陷盆地及黃土殘塬。某勘探洞揭露的主要為泥盆系上泥盆統(tǒng)的變質(zhì)巖。構(gòu)造發(fā)育，主要構(gòu)造線走向以近東西向斷裂為主，區(qū)內(nèi)發(fā)育有全新世活動斷裂秦嶺北緣斷裂。該斷裂構(gòu)成渭河盆地和秦嶺山地的分界，斷層走向EW向，傾向N，傾角60°～80°，長度大于150 km，以馬召為界，東段全新世新活動性明顯，西段晚更新世有過活動。

1.2 測試鉆孔描述

所有測試鉆孔均布置在某勘探洞中，測試鉆孔參數(shù)見表1。所有鉆孔的地應(yīng)力測試均采用“雙管法”水壓致裂法進行[5][6][7]。地應(yīng)力測試前，根據(jù)鉆孔揭露的巖芯情況進行測段選定[8]，所有測段均選擇在巖體相對完整的孔深位置(巖芯完整長度不少于1 m)進行。

表1 地應(yīng)力測試鉆孔參數(shù)表

2 勘探洞地應(yīng)力場測試結(jié)果

2.1 地應(yīng)力測試原理

地應(yīng)力測試采用三維水壓致裂法，其測試原理是[9][10]，在三維地應(yīng)力測量區(qū)內(nèi)布置三個不同方向的鉆孔，分別進行常規(guī)水壓致裂測量并獲得各鉆孔橫端面內(nèi)的平面應(yīng)力；再對三個鉆孔的平面應(yīng)力測量結(jié)果進行聯(lián)合求解，獲得三維地應(yīng)力量值和方向。三維地應(yīng)力計算原理如下[11][12][13]：

圖1 鉆孔坐標系與大地坐標系的相對關(guān)系

建立鉆孔坐標系o-XiYiZi，其鉆孔的序號為i，傾角為αi，鉆孔方向角為βi，鉆孔坐標系與大地坐標系的相互關(guān)系如圖1所示。設(shè)鉆孔巖體的編號為j，采用測量儀器獲得鉆孔橫截面上的二維應(yīng)力狀態(tài)：大次主應(yīng)力σAij和小次主應(yīng)力σBij以及σAij的方向Aij。橫截面上二維應(yīng)力狀態(tài)與鉆孔坐標系表達的應(yīng)力分量對應(yīng)的關(guān)系為：

σxi+σyi=σAij+σBij

(1)

σxi-σyi=(σAij-σBij)cos2Aij

(2)

2τxiyi=(σAij-σB ij)sin2Aij

(3)

公式(1)～(3)等號右邊是實測值，左邊為由鉆孔坐標系表達的二維應(yīng)力分量σxi，σyi，τxiyi的未知量。σxi，σyi，τxiyi通過應(yīng)力分量坐標變換轉(zhuǎn)換到由大地坐標系表達

與此同時，吉茲博士正通過分析S2的可變光譜，計算這顆恒星的速度變化。這兩個團隊競爭激烈、交替領(lǐng)先，雙方都在尋找更大、更強的望遠鏡，都在孜孜不倦地探尋S2的真實性質(zhì)。2012年，在S2最接近黑洞的這6個月里，根策爾博士和吉茲博士分享了當年的克勞福德天文學(xué)獎。克勞福德獎是幾乎與諾貝爾獎齊名的重大科學(xué)獎項，每年1月公布獲獎?wù)撸?月頒獎。

σxi=σxli12+σymi12+σzni12+2τxyli1mi1+2τyzmi1ni1+2τzxni1li1

(4)

σyi=σxli22+σymi22+σzni22+2τxyli2mi2+2τyzmi2ni2+2τzxni2li2

(5)

τxiyi=σxli1li2+σymi1mi2+σzni1ni2+τxy( li1mi2+mi1li2)+τyz(mi1ni2+ni1mi2)+τzx( ni1li2+li1ni2)

(6)

式中：li1，mi1，ni1和li2，mi2，ni2分別為鉆孔坐標系軸xi和軸yi相對于大地坐標系的方向余弦，它們的表達式列于表2。

表2 鉆孔坐標系軸xi 和軸yi相對于大地坐標系的方向余弦

把表2中鉆孔坐標系軸xi和軸yi相對于大地坐標系的方向余弦代入公式(2)、(3)，并聯(lián)合式(1)，得到完整性好的巖體段的觀測值方程：

(σAij-σBij)sin2Aij=(σx-σy)sinαisin2(β0-βi)-2τxysinαicos2(β0-βi)+ 2[τyzcos(β0-βi)-τzxsin(β0-βi)]cosαii = 1～m(m≥3)

(7)

對上述公式(公式(1)～公式(7))聯(lián)合分析得知，對鉆孔中完整性好的巖石段進行測量，對有破裂縫記錄的試驗巖石段，可獲得3個試驗觀測值方程，無破裂縫記錄的試驗巖石段，可獲得1個試驗觀測值方程，三式聯(lián)合計算，就可確定三維地應(yīng)力狀態(tài)。

2.2 地應(yīng)力測試過程及測試結(jié)果

根據(jù)測試可得出應(yīng)力值的大小，同時也要確定應(yīng)力大小方向，其測試過程為：座封→注水加壓→巖壁致裂→關(guān)泵→卸壓→重張→解封→破裂縫方向記錄。從而確定了鉆孔橫截面內(nèi)的最大主應(yīng)力方向。

2.3 地應(yīng)力測試結(jié)果分析

2.3.1 應(yīng)力量值

(1)鉆孔橫截面應(yīng)力量值分析

測試結(jié)果為各鉆孔橫截面內(nèi)的最大與最小主應(yīng)力量值(見表3)，其變化幅度較大，這主要與鉆孔所在的巖體完整性有關(guān)。巖體相對完整且裂隙不發(fā)育的試驗點的測段，巖體應(yīng)力值較高，鉆孔橫截面的最大主應(yīng)力高達17.5 MPa；而在巖體完整性較差且裂隙較發(fā)育的試驗點，各測段的巖體應(yīng)力值相對較低，鉆孔橫截面的最大主應(yīng)力低至3.1 MPa左右。

(2)三維應(yīng)力量值分析

三維水壓致裂法的應(yīng)力計算結(jié)果見表4。試驗點第一主應(yīng)力σ1量值約12.2 MPa，第三主應(yīng)力σ3約4.8 MPa，鉛直向應(yīng)力分量約12.0 MPa。

表3 某勘探洞試驗點常規(guī)水壓致裂法地應(yīng)力測量結(jié)果

表4 試驗點三孔水壓致裂法三維應(yīng)力計算結(jié)果

2.3.2 應(yīng)力方位

從三維水壓致裂法的應(yīng)力計算結(jié)果可知，最大水平應(yīng)力方位分布在N92°～97°E之間，即近東西向。與試驗區(qū)秦嶺山脈總體走向基本平行，符合地應(yīng)力場分布的一般規(guī)律。同時與該區(qū)所分布的近東西向斷裂方位基本一致。

3 施工期勘探洞穩(wěn)定性評價

根據(jù)前文對勘探洞地應(yīng)力測試結(jié)果可知，地應(yīng)力因素對勘探洞成洞性影響較大，并定性評價了該勘探洞開挖過程中可能存在巖爆現(xiàn)象。現(xiàn)根據(jù)《工程巖體分級標準》(GB50218-2014)，從巖石單軸飽和抗壓強度Rc、巖石堅硬程度及地應(yīng)力之間的對應(yīng)關(guān)系[14][15]，綜合評價施工期勘探洞的穩(wěn)定性：根據(jù)試驗結(jié)果，巖石單軸抗壓強度(Rc)為60 MPa。隧洞橫截面內(nèi)的最大實測初始應(yīng)力σmax約12 MPa，Rc/σmax=5.0，依據(jù)《工程巖體分級標準》(GB50218-2014)，該區(qū)屬次高應(yīng)力區(qū)。從實際測試的地應(yīng)力來看，勘探洞的成洞性較好，整體基本穩(wěn)定，但在勘探洞開挖中偶有出現(xiàn)弱巖爆現(xiàn)象及洞室圍巖局部掉塊現(xiàn)象，局部洞段穩(wěn)定性差。

此外，除了地應(yīng)力可能導(dǎo)致的弱巖爆現(xiàn)象之外，施工過程中，出于施工安全的考慮，還要考慮洞室?guī)r石性狀、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況以及地下水等多種因素的影響，將這些因素綜合考慮，最后采取合理的開挖方式，并在隧洞開挖過程中及時采取一定的安全措施。

4 結(jié)語

(1)通過對工程區(qū)某勘探試驗洞現(xiàn)場三維水壓致裂法地應(yīng)力測試，可以評價測區(qū)地應(yīng)力分布狀態(tài)。根據(jù)測試結(jié)果可知，試驗點第一主應(yīng)力σ1量值約12.2 MPa，第三主應(yīng)力σ3約4.8 MPa。

(2)綜合單孔測試與三維應(yīng)力計算結(jié)果可知，最大水平應(yīng)力方位角分布在N92°～97°之間(即近東西向)，與試驗區(qū)秦嶺山脈總體走向基本平行，符合地應(yīng)力場分布的一般規(guī)律。同時與該區(qū)所分布的近東西向斷裂方位基本一致，同時也說明了地應(yīng)力測試水壓致裂法在實際工程中的應(yīng)用有一定的可行性，其地應(yīng)力的測量結(jié)果能為地下工程項目(各類隧道)設(shè)計施工方案的合理選擇提供重要的科學(xué)依據(jù)。

(3)從地應(yīng)力測試成果來看，勘探洞的成洞條件較好，整體穩(wěn)定，但在較大深埋段、巖體完整性較好的隧洞段，可能存在弱巖爆及洞壁局部坍塌掉塊危險，局部穩(wěn)定性差。