小型水壓致裂法在斷層破碎地層隧道地應(yīng)力測(cè)試中的研究應(yīng)用

鄒友

摘? ?要：斷層破碎地層隧道的地應(yīng)力測(cè)試具有重要意義，不僅可掌握隧道地應(yīng)力情況，更能為隧道的設(shè)計(jì)施工提供重大指導(dǎo)。以大亮山隧道斷層破碎地層為研究對(duì)象，采用小型水壓致裂法對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。本文對(duì)小型水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試原理、測(cè)試流程及測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了闡述，并對(duì)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，以期掌握隧址區(qū)地應(yīng)力分布，進(jìn)而為隧道的設(shè)計(jì)施工提供重要參考。

關(guān)鍵詞：斷層破碎地層? 隧道地應(yīng)力測(cè)試? 小型水壓致裂法

中圖分類(lèi)號(hào)：U45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（b）-0042-04

1? 工程概況

大亮山隧道位于云南省云縣境內(nèi)，海拔高程介于1197.60～2525.30m之間，屬高中山構(gòu)造剝蝕地貌區(qū)。隧道進(jìn)口附近有南汀河斷裂（F99），距隧道區(qū)約500m，自云縣山盆地沿南橋河向西南經(jīng)勐定、勐旨，順南汀河過(guò)熱水塘、勐簡(jiǎn)西北，經(jīng)勐定清水河延入緬甸，全長(zhǎng)約200km。該斷裂在全新世活動(dòng)劇烈，1000年以來(lái)發(fā)生過(guò)2次斷錯(cuò)地表地震事件。地震的活動(dòng)性較強(qiáng)，為發(fā)震斷裂。斷裂走向北東南西向，傾向138°～154°，傾角50°～70°，斷裂帶寬約70～150m。

2? 地應(yīng)力測(cè)試方法確定

地層原位地應(yīng)力大小和方向測(cè)試對(duì)隧道設(shè)計(jì)及施工具有重大意義。通過(guò)原地應(yīng)力測(cè)量，確定隧道圍巖的現(xiàn)今地殼應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)地應(yīng)力分布特征，結(jié)合隧道圍巖的力學(xué)參數(shù)、圍巖的工程地質(zhì)特性等，給出隧址區(qū)地應(yīng)力的賦存規(guī)律和基本特征，并進(jìn)一步分析研究隧道開(kāi)挖中發(fā)生巖爆以及大變形的可能性。地應(yīng)力測(cè)試的CZK111-3號(hào)孔在測(cè)試過(guò)程中由于鉆孔井壁不穩(wěn)定，測(cè)試設(shè)備在上提過(guò)程中由于井壁掉塊卡在井內(nèi)400m處，且有150m左右的鋼絲繩斷落在井內(nèi);CZK111-5號(hào)孔由于孔壁不穩(wěn)定，涌水、返砂等情況較嚴(yán)重。鑒于上述情況，決定采用小型水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試。小型水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量，是一種能夠可靠而有效地測(cè)量地殼深部應(yīng)力的方法，被認(rèn)為是目前最可靠和有效的深層地應(yīng)力測(cè)試方法。

3? 地應(yīng)力測(cè)試基本原理及流程

通過(guò)注入高壓、小體積流體，測(cè)試層位中產(chǎn)生張性裂縫并向影響范圍之外的原始地層擴(kuò)展;接著終止注入流體，隨壓力下降裂隙逐漸閉合?；诶碚摲治鼋祲呵€，得到裂隙破裂閉合壓力及地層最小主應(yīng)力。小型壓裂地應(yīng)力測(cè)量的基本原理見(jiàn)圖1，基本流程見(jiàn)圖2。

4? 地應(yīng)力測(cè)試設(shè)備

本次小型壓裂地應(yīng)力測(cè)試采用單回路地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試施工設(shè)備示意圖見(jiàn)圖3，該測(cè)試系統(tǒng)由地表壓力系統(tǒng)、地表壓裂控制系統(tǒng)、地表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和井下封隔器組成。封隔器通過(guò)鉆桿連接到地表的壓力系統(tǒng)。地表的壓裂控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓裂、穩(wěn)流和回流測(cè)試的獨(dú)立控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用地表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要用于實(shí)時(shí)的施工壓裂檢測(cè)和分析，包括2個(gè)壓力傳感器（最大壓力35MPa）、2個(gè)流量?jī)x（最大壓力35MPa）及1套數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，工作參數(shù)見(jiàn)表1。

5? 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

對(duì)CZK111-3、CZK111-5號(hào)孔1個(gè)層位的小型壓裂地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。每個(gè)測(cè)試層位均是在75mm的裸眼測(cè)試孔中使用跨式封隔器系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，封隔器測(cè)試段間隔為0.7m。測(cè)試中使用的封隔器通過(guò)75mm繩索鉆桿運(yùn)送至測(cè)試層位。測(cè)試用清水通過(guò)鉆桿注入至測(cè)試段。通過(guò)兩個(gè)放置在地表的壓力傳感器實(shí)時(shí)記錄注水壓力，一個(gè)放置在井口，一個(gè)放置在泵的注入端。根據(jù)測(cè)試要求以及測(cè)試孔巖心、鉆孔泥漿等實(shí)際情況，均選定1個(gè)測(cè)試段。測(cè)試層位、巖性及測(cè)試時(shí)間見(jiàn)表2。

表3總結(jié)了CZK111-3、CZK111-5號(hào)孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。每個(gè)測(cè)試層位均可以看到明顯的地層破裂壓力行為，即在每個(gè)測(cè)試中均產(chǎn)生了裂縫。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析可以看到明顯的裂縫閉合。地層最小主應(yīng)力是通過(guò)小型壓裂測(cè)試直接測(cè)量，豎向應(yīng)力通過(guò)巖石密度估算（考慮巖石密度為2.60g/cm3），地層最大水平主應(yīng)力是通過(guò)裂縫開(kāi)裂（重張壓力），地層最小主應(yīng)力以及無(wú)限平面中圓孔周?chē)膹椥粤W(xué)應(yīng)力解估算。在估算地層最大水平主應(yīng)力時(shí)，做了以下假定：

（1）測(cè)試孔是豎直的，即巖層中的豎向主應(yīng)力平行于孔軸;（2）測(cè)試孔在測(cè)試段內(nèi)為圓形并且測(cè)試孔相對(duì)地層是無(wú)限小的，這個(gè)假定確保了彈性力學(xué)解的實(shí)用性;（3）巖層中的孔隙壓力為靜水壓力;（4）巖石的滲透率較低，即在小型壓裂過(guò)程中，測(cè)試孔內(nèi)的流體壓力不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)影響巖石的孔隙壓力。如果以上假定不成立，需要重新由耦合的孔隙彈性力學(xué)估算大主應(yīng)力。

測(cè)試結(jié)果具有高可信度，特征如下：（1）至少有4個(gè)周期未見(jiàn)泥漿返液;（2）明顯的地層破裂;（3）從診斷性分析曲線中可以看到明顯的裂紋閉合;（4）不同測(cè)試周期的裂縫閉合壓力具有一致性;（5）使用不同的分析方法得到一致的裂縫閉合壓力。測(cè)試結(jié)果達(dá)到了我們的質(zhì)量保證、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，因此，解釋結(jié)果具有高可信度，表明不同周期得到的解釋結(jié)果的一致性。

得到井底壓力與凈注水率施工曲線，見(jiàn)圖3。地層的地應(yīng)力大小和波速密切相關(guān)，根據(jù)鉆孔勘探提供的波速數(shù)據(jù)結(jié)合小型壓裂地應(yīng)力測(cè)試的數(shù)據(jù)可以估算地應(yīng)力的分布。理論上來(lái)說(shuō)，地應(yīng)力的分布主要取決于以下因素：（1）重力引起的水平向應(yīng)力，即泊松效應(yīng);（2）流固耦合引起的應(yīng)力變化，對(duì)目前測(cè)試的低孔隙度變質(zhì)巖可以不考慮這個(gè)因素;（3）板塊運(yùn)動(dòng)所引起的應(yīng)力變化，即板塊的擠壓所引起的水平地應(yīng)力的變化，這個(gè)因素和擠壓所引起的應(yīng)變以及地層的小應(yīng)變彈性常數(shù)相關(guān)。通常，這個(gè)因素是通過(guò)和小型壓裂地應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果做曲線擬合確定。

圖4是通過(guò)波速計(jì)算的地應(yīng)力分布，它和小型壓裂地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果有較好的擬合度。CZK111-3號(hào)孔最小及最大主應(yīng)力如式（1）所示，CZK111-5號(hào)孔最小及最大主應(yīng)力如式（2）所示。

σh=0.01641 D+1.49358，σh=0.02506 D+2.35846? ? ?（1）

σh=0.01534 D+1.14712，σh=0.02478 D+2.24615? ? ?（2）

式中，D表示深度，單位m。地應(yīng)力按照深度的分布曲線，見(jiàn)圖4。

6? 結(jié)語(yǔ)

本文以大亮山隧道斷層破碎地層為研究對(duì)象，采用小型水壓致裂法對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。本文對(duì)小型水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試原理、測(cè)試流程及測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了闡述，并對(duì)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，以期掌握隧址區(qū)地應(yīng)力分布，進(jìn)而為隧道的設(shè)計(jì)施工提供重要參考。得到的主要結(jié)論如下：

（1）在斷層破碎地層隧道地應(yīng)力測(cè)試中，小型水壓致裂法被證明是一種能夠可靠而有效測(cè)量地殼深部應(yīng)力的方法，可在類(lèi)似地層隧道地應(yīng)力測(cè)試中進(jìn)行推廣。

（2）對(duì)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，包括特征壓力、主應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度及裂隙方位角等，以及井底壓力隨凈注水率的施工曲線、地應(yīng)力隨深度的分布曲線。需要對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得到地應(yīng)力分布情況，特別是可以對(duì)地應(yīng)力隨深度分布進(jìn)行曲線擬合，以進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。

（3）得到地應(yīng)力分布之后，可進(jìn)一步對(duì)隧道施工期巖爆或圍巖大變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)不同巖性、不同圍巖等級(jí)下巖爆或大變形發(fā)生的可能性，為隧道設(shè)計(jì)施工提供重大借鑒。

參考文獻(xiàn)

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