基于水壓致裂法的原地應(yīng)力測(cè)試分析與研究

李劍偉 何 勇

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017)

0 引言

巖爆和大變形是高地應(yīng)力區(qū)地下工程開(kāi)挖中常碰到的工程地質(zhì)問(wèn)題，是一種人類(lèi)活動(dòng)誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害。國(guó)內(nèi)外已有記錄中，在數(shù)十個(gè)國(guó)家和地區(qū)的隧道工程、深井采礦工程中發(fā)生了巖爆和大變形問(wèn)題，嚴(yán)重困擾和影響工程建設(shè)與安全，如川藏公路二郎山隧道巖爆、奧地利Tauern隧道圍巖大變形、烏鞘山隧道千枚巖大變形、國(guó)道317線鷓鴣山隧道圍巖大變形等[1]。

隨著西部交通的建設(shè)與發(fā)展，越來(lái)越多的深埋長(zhǎng)大隧道隨之出現(xiàn)。由于該區(qū)域深埋隧道穿越的地質(zhì)山體多經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的構(gòu)造改造和淺表生改造，地質(zhì)環(huán)境及構(gòu)造復(fù)雜，地應(yīng)力高，隧道建設(shè)中發(fā)生與高地應(yīng)力密切相關(guān)的巖爆和大變形災(zāi)害日益增多，嚴(yán)重影響工程安全、質(zhì)量、造價(jià)與進(jìn)度。

深埋隧道的軟巖大變形已引起學(xué)者和工程技術(shù)人員的日益重視，張志強(qiáng)[2]提出“剪切臺(tái)階”的出現(xiàn)是發(fā)生大變形的標(biāo)志，何滿(mǎn)潮[3]對(duì)軟巖大變形機(jī)制進(jìn)行了細(xì)分，張祉道[4]提出了隧道大變形發(fā)生的條件與支護(hù)原則，姜云[5]研究了控制隧道大變形發(fā)生的類(lèi)型，劉志春[6]提出了以綜合系數(shù)法為指標(biāo)的大變形分級(jí)方案。獲取較為準(zhǔn)確的地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)于判別和預(yù)測(cè)隧道大變形及變形等級(jí)等意義重大。

關(guān)于地應(yīng)力測(cè)試，利用水壓致裂法測(cè)試原地應(yīng)力在工程界內(nèi)已得到較為廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用，但由于種種原因，工程勘察中大多數(shù)深埋隧道并未進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，無(wú)法提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)供設(shè)計(jì)使用，難免造成冒進(jìn)或保守，影響工程安全、造價(jià)等。本文結(jié)合建設(shè)中的白楊坪隧道，在鉆孔內(nèi)采用水壓致裂法測(cè)試原地應(yīng)力，對(duì)隧址區(qū)地應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行了分析與研究，并做了相應(yīng)的大變形預(yù)測(cè)，給出相應(yīng)工程建議措施，為類(lèi)似區(qū)域深埋隧道的地應(yīng)力測(cè)試與勘察設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 隧道工程概況

白楊坪隧道進(jìn)口位于廣元市青川縣境內(nèi)，出口位于綿陽(yáng)市平武縣境內(nèi)。隧道采用分離式雙線隧道，左洞長(zhǎng)3 498 m，右洞長(zhǎng)3 501 m，在公路行業(yè)屬特長(zhǎng)隧道。單洞寬10.25 m，洞凈高5 m，隧道洞頂最大埋深約415 m。

工程區(qū)構(gòu)造單元上屬于松潘—甘孜造山帶中的丹巴—汶川弧形逆沖—滑脫疊置帶和摩天嶺逆沖—推覆帶，隧道位于白羊倒轉(zhuǎn)復(fù)向斜北西翼位置，青川—平武斷裂距離隧道北側(cè)約2.2 km，呈北東方向展布，隧道位于斷裂下盤(pán)。青川—平武斷裂為晚更新世活動(dòng)斷裂，其未來(lái)最大潛在地震能力為7.0級(jí)。

隧道圍巖為絹云母千枚巖，地表巖體完整性較差，深孔取得的巖芯相對(duì)完整(見(jiàn)圖1)，巖層千枚理面產(chǎn)狀312°～350°∠64°～86°。

由于該千枚巖隧道距離青川平武斷裂較近，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，隧道開(kāi)挖后由于卸荷作用使得圍巖進(jìn)行應(yīng)力的重新分布，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，且最大埋深超過(guò)400 m，發(fā)生大變形的可能性較大，因此在隧道的前期勘察工作中，選取合適方法進(jìn)行原地應(yīng)力測(cè)試，可為后續(xù)的設(shè)計(jì)、施工、變形預(yù)測(cè)等提供參考與依據(jù)。

2 水壓致裂測(cè)試法原理

巖體中賦存的應(yīng)力，稱(chēng)之為地應(yīng)力或者原巖應(yīng)力。隨著地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的發(fā)展以及地形不斷的演變，又引起了地應(yīng)力的集聚或者釋放，形成巖體中現(xiàn)存的原地應(yīng)力。巖體中的原地應(yīng)力受地質(zhì)構(gòu)造、成巖過(guò)程、巖體特征、地形地貌、巖體深度、地溫梯度等多種因素的影響，應(yīng)力真實(shí)狀態(tài)非常復(fù)雜。為了更好地獲取巖體中的原地應(yīng)力，最直接有效的方法就是進(jìn)行地應(yīng)力的測(cè)試。

目前巖體應(yīng)力的主要測(cè)試方法有水壓致裂測(cè)試法、應(yīng)力解除測(cè)試法、Kaiser效應(yīng)測(cè)試法等。其中水壓致裂法多在勘察設(shè)計(jì)階段使用，應(yīng)力解除法多在施工階段使用，而Kaiser效應(yīng)測(cè)試法是依據(jù)巖石聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)，判定試樣的先存應(yīng)力，由此確定現(xiàn)場(chǎng)采巖芯地點(diǎn)的地應(yīng)力。

工程中常采用的鉆孔水壓致裂法是通過(guò)測(cè)試取得垂直于鉆孔平面的最小水平主應(yīng)力(Sh)的大小與方向，然后通過(guò)計(jì)算求得最大水平主應(yīng)力(SH)。水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)量原理是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，并基于以下3個(gè)基本假設(shè)[7]：

1)巖石是線型均勻、各向同性的彈性體；

2)巖石是完整的，壓裂液體對(duì)巖石來(lái)說(shuō)是非滲透的；

3)主應(yīng)力方向中有一個(gè)應(yīng)力方向與鉆孔軸向平行。

在彈性力學(xué)理論和上述假設(shè)的前提下，水壓致裂力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力問(wèn)題(見(jiàn)圖2)。

基本等效于兩個(gè)主應(yīng)力σ1,σ2作用在中心有一圓孔(R=a)無(wú)限大的平板上，圓孔外距離中心距離為r處的任意點(diǎn)M徑向應(yīng)力σr、切向應(yīng)力σθ、剪應(yīng)力τrθ分別為：

(1)

將式(1)中r取值為a，即可求得圓孔壁應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)孔內(nèi)施加的液壓大于巖石所承受的應(yīng)力時(shí)，最小切向應(yīng)力A及其對(duì)稱(chēng)點(diǎn)A′處產(chǎn)生張破裂。在孔壁破裂之后，如繼續(xù)增壓，則裂隙向深處擴(kuò)展；若停止注入液體增壓，并保持壓裂回路密閉，裂縫將迅速趨于閉合。

裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)的平衡壓力(瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps)，其值為最小水平主應(yīng)力Sh。

根據(jù)理論推導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力SH計(jì)算公式為：

SH=3Ps·Pr·Po

(2)

其中，Pr為再次增壓后破裂重新張開(kāi)壓力;Po為巖石孔隙壓力。

垂直應(yīng)力SV一般表示為自重應(yīng)力，根據(jù)上覆巖體重量進(jìn)行計(jì)算。

測(cè)試中可計(jì)算巖石的原地抗張強(qiáng)度T，為臨界破裂壓力Pb與再次增壓后破裂重新張開(kāi)壓力Pr的差值。

在實(shí)際測(cè)試中，假定鉆孔方向?yàn)樽灾貞?yīng)力(SV)的主應(yīng)力方向，且初始開(kāi)裂發(fā)生在鉆孔壁切向應(yīng)力最小部位，即平行于最大主應(yīng)力的方向，從而測(cè)定深部測(cè)點(diǎn)的三維狀態(tài)下的應(yīng)力。

綜上所述，DBT技術(shù)操作簡(jiǎn)便、無(wú)創(chuàng)，并且與FFDM相比，該影像技術(shù)對(duì)致密型乳腺腺體的篩查準(zhǔn)確性、特異性均較占優(yōu)勢(shì)，可作為今后臨床早期篩查乳腺癌的一種推薦手段。

由于水壓致裂測(cè)試法突出的優(yōu)點(diǎn)是可以直觀地測(cè)得深部巖體內(nèi)的地應(yīng)力值，不需要借助巖石的彈性模量、泊松比等物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行換算，且鉆孔深部的巖芯較為完整，故本文研究的隧道選取該方法進(jìn)行測(cè)試。

3 測(cè)試方法與程序

3.1 水壓致裂測(cè)試方法

鉆孔內(nèi)具體測(cè)試應(yīng)力方法為：先將鉆孔內(nèi)一定深度范圍內(nèi)巖體上下兩端封隔，再通過(guò)泵入液體對(duì)該段增壓，隨著壓力持續(xù)升高直至鉆孔圍巖產(chǎn)生破裂。壓裂過(guò)程中記錄壓力、流量隨時(shí)間的變化，根據(jù)壓力—時(shí)間曲線及相關(guān)公式求出各應(yīng)力的數(shù)值。最大主應(yīng)力方位可根據(jù)印模定向，也可采用井下電視法確定，本文選取印模定向法。

3.2 測(cè)試程序

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試程序?yàn)椋?)選擇試驗(yàn)段；2)檢驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)；3)安裝井下測(cè)量設(shè)備；4)座封；5)壓裂；6)關(guān)泵；7)卸壓。

水壓致裂法應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖3。

在測(cè)試過(guò)程中，盡可能選擇多段進(jìn)行試驗(yàn)，每段進(jìn)行3個(gè)回次以上測(cè)試，密切記錄壓力值隨時(shí)間的變化，以便準(zhǔn)確判斷巖體的破裂以及裂縫延伸、閉合等狀態(tài)。

3.3 印模定向

在壓裂測(cè)量試驗(yàn)之后即進(jìn)行印模定向，為獲取巖體內(nèi)清晰的裂縫痕跡，需施加足夠的高壓，使得孔壁已產(chǎn)生的壓裂縫重新張開(kāi)，便于特定的半硫化橡膠擠入裂縫，并保持相應(yīng)的時(shí)間，使印模器表面印制與裂縫相對(duì)應(yīng)的凸起印跡。

根據(jù)印痕和基線方位標(biāo)志兩者之間的關(guān)系，計(jì)算出所測(cè)得的破裂面走向，即為最大水平主壓應(yīng)力方向(見(jiàn)圖4)。

3.4 數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)記錄的壓力—時(shí)間曲線得到破裂壓力Pb(壓裂過(guò)程中第一循環(huán)回次的峰值壓力)，瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps以及裂縫的重新張開(kāi)壓力Pr，計(jì)算出鉆孔內(nèi)的最大水平主應(yīng)力SH和最小水平主應(yīng)力Sh等。

4 鉆孔內(nèi)測(cè)試實(shí)例

4.1 孔內(nèi)測(cè)試

在鉆孔白ZK02的80.00 m～268.00 m范圍內(nèi)選擇了5個(gè) 測(cè)段進(jìn)行了水壓致裂法的原地應(yīng)力測(cè)試工作(見(jiàn)圖5)，每個(gè)測(cè)段均進(jìn)行了3次以上的重復(fù)測(cè)試，獲取了有效壓裂曲線。

壓力—時(shí)間記錄曲線形態(tài)比較標(biāo)準(zhǔn)，裂隙破裂、重張、閉合等階段對(duì)應(yīng)的各壓力點(diǎn)比較明確，地應(yīng)力測(cè)量記錄的壓力—時(shí)間曲線見(jiàn)圖6。同時(shí)在鉆孔內(nèi)選取了178.00 m和192.00 m兩個(gè)測(cè)段進(jìn)行了印模試驗(yàn)。

4.2 數(shù)據(jù)分析

4.2.1關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理方法

破裂壓力Pb、重張壓力Pr可直接在壓力—時(shí)間曲線上取得，由于瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps直接確定最小水平主應(yīng)力的大小，同時(shí)又參與最大水平主應(yīng)力的計(jì)算，成為水壓致裂法測(cè)試中最重要的參數(shù)。

關(guān)于Ps的取值方法，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM 2003)推薦了單切線及雙切線法、dt/dp法、dp/dt法、Mauskat方法、壓力—流量法等5種方法，并要求在實(shí)際使用時(shí)采用其中兩種或兩種以上方法進(jìn)行判讀[8]，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。本次試驗(yàn)中Ps的取值綜合使用了dt/dp法、dp/dt方法和Muskat法3種方法進(jìn)行，并取3種方法的平均值。

4.2.2主應(yīng)力值

白ZK02鉆孔內(nèi)地應(yīng)力測(cè)量的壓裂參數(shù)和主應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 白ZK02鉆孔地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，在鉆孔白ZK02中主應(yīng)力值隨地層深度增加而增加，三個(gè)主應(yīng)力的關(guān)系可表現(xiàn)為SH>Sh>SV。由此表明，垂直重力作用表現(xiàn)為最小主應(yīng)力，水平構(gòu)造應(yīng)力作用占主導(dǎo)，應(yīng)力狀態(tài)為逆斷型應(yīng)力狀態(tài)。

本文線性擬合了主應(yīng)力SH,Sh與深度的關(guān)系變化梯度式，結(jié)果及圖件(如圖7所示)如下。

SH=0.030H+12.683,r2=0.58；

Sh=0.016H+9.081,r2=0.67。

4.2.3主應(yīng)力方向

實(shí)測(cè)的2段印模結(jié)果(如圖8所示)表明，最大水平主應(yīng)力方向由淺部至深部分別為：N81°W，N72°W，白ZK02鉆孔最大主應(yīng)力方向?yàn)镹WW方向，與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)基本一致。

5 大變形預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)效果對(duì)比分析

白楊坪隧道圍巖為強(qiáng)度低的絹云母千枚巖，隧道最大埋深達(dá)415 m，鉆孔內(nèi)80.0 m～268.0 m段落內(nèi)測(cè)試的最大水平主應(yīng)力值在15.2 MPa～21.72 MPa之間，隨著隧道埋深進(jìn)一步加大，最大水平地應(yīng)力值大于20 MPa，地應(yīng)力較高，具備發(fā)生圍巖大變形的條件。本文結(jié)合實(shí)測(cè)的地應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)圍巖大變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合隧道施工中的實(shí)測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比分析。

5.1 大變形預(yù)測(cè)

印模結(jié)果表明鉆孔最大水平主應(yīng)力方向算術(shù)平均優(yōu)勢(shì)值為N76.5°W，與隧道軸線整體走向交角為15°左右，小于30°，相對(duì)而言，地應(yīng)力對(duì)隧道的作用整體影響稍小。

通過(guò)圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比(Rc/σmax)是評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)隧道圍巖大變形的一種主要方法，文中以計(jì)算的該指標(biāo)為依據(jù)，對(duì)隧道的圍巖進(jìn)行了大變形預(yù)測(cè)以及分級(jí)。白楊坪隧道各埋深處圍巖大變形分級(jí)預(yù)測(cè)見(jiàn)表2。

表2 圍巖大變形分級(jí)判別表

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果表明，隧道埋深在190 m以下的段落發(fā)生大變形的可能性較小，隧道埋深在190 m以上的段落發(fā)生大變形的可能性更大，預(yù)測(cè)大變形等級(jí)為Ⅰ級(jí)。大變形等級(jí)為Ⅰ級(jí)的段落開(kāi)挖后圍巖位移較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；一般支護(hù)開(kāi)裂或破損較嚴(yán)重，相對(duì)變形量3%～5%，圍巖自穩(wěn)時(shí)間短，以塑流型、彎曲型、滑移型變形模式為主，兼有剪切型變形[9]。

5.2 實(shí)測(cè)效果對(duì)比分析

根據(jù)白楊坪隧道左線ZK69+916.9斷面(埋深155 m)的拱頂、拱腰變形歷時(shí)曲線(見(jiàn)圖9)，顯示在隧道開(kāi)挖之后的初期，拱頂下沉與拱腰收斂率均較大，其后在加強(qiáng)隧道初期支護(hù)后，拱頂下沉逐漸減小并穩(wěn)定，拱腰變形量相對(duì)拱頂較大，在進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)后，25 d左右時(shí)拱頂、拱腰變形均控制在規(guī)范要求范圍之內(nèi)，圍巖基本穩(wěn)定。

隧道拱頂、拱腰累計(jì)變形量?jī)H占隧道寬度的0.29%，未達(dá)到圍巖大變形的級(jí)別[10]。隨著隧道進(jìn)一步施工，隧道埋深逐步加大，地應(yīng)力也相應(yīng)地增加，圍巖破碎且含水量較大段落自承能力容易喪失，應(yīng)變能釋放，可能會(huì)發(fā)生大變形破壞。建議進(jìn)一步加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)，選擇合理的斷面形態(tài)進(jìn)行開(kāi)挖，襯砌支護(hù)采用柔性與剛性相結(jié)合的綜合處治方法，預(yù)留變形量，短錨桿超前支護(hù)，中等長(zhǎng)度的系統(tǒng)錨桿和少量補(bǔ)強(qiáng)錨桿綜合多重支護(hù)，及時(shí)做好封閉與支護(hù)，適當(dāng)提高襯砌剛度和適當(dāng)提前施作二次襯砌。根據(jù)圍巖—變形曲線適時(shí)調(diào)整支護(hù)抗力與支護(hù)柔性間的關(guān)系，使變形量與收斂速度受到控制。

6 結(jié)論與建議

1)鉆孔內(nèi)測(cè)試的最大水平主應(yīng)力值(SH)在15.2 MPa～21.72 MPa之間，隧道深部的最大水平主應(yīng)力值大于20 MPa，隧址區(qū)地應(yīng)力較高。

2)三個(gè)主應(yīng)力的關(guān)系為SH>Sh>SV，隧道圍巖段落中，水平構(gòu)造應(yīng)力作用占主導(dǎo)，應(yīng)力狀態(tài)為逆斷型應(yīng)力狀態(tài)。

3)印模結(jié)果顯示：最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹81°W和N72°W，優(yōu)勢(shì)方位為NWW方向，與區(qū)域現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向較為吻合。

4)水壓致裂實(shí)測(cè)計(jì)算的地應(yīng)力計(jì)算與分析表明：埋深在190 m以下的千枚巖段落發(fā)生大變形的可能性較小，埋深在190 m以上的千枚巖段落發(fā)生大變形的可能性更高，預(yù)測(cè)大變形等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

5)由于大變形受多種因素控制，成因極為復(fù)雜，建議施工過(guò)程中加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)，選擇合理的斷面形態(tài)進(jìn)行開(kāi)挖，襯砌支護(hù)采用柔性與剛性相結(jié)合的綜合處治方法，適當(dāng)容許圍巖變形、提前釋放地應(yīng)力，同時(shí)應(yīng)特別注意地下水與地質(zhì)構(gòu)造對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。