中國(guó)高放廢物地質(zhì)處置地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址深部巖體地應(yīng)力測(cè)量及工程應(yīng)用

趙星光，王駒，秦向輝，陳群策

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)院，國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)高放廢物地質(zhì)處置創(chuàng)新中心，北京，100029；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京，100081)

高放廢物是一種放射性強(qiáng)、毒性大、含有半衰期長(zhǎng)的核素并且發(fā)熱的特殊廢物，對(duì)其進(jìn)行安全處置是關(guān)系到國(guó)家核安全、核工業(yè)可持續(xù)發(fā)展、人民健康和環(huán)境安全的戰(zhàn)略性課題[1]。與常規(guī)地下工程(如采礦工程、水利水電工程)相比，高放廢物處置庫(kù)具有安全等級(jí)高、服務(wù)年限長(zhǎng)等特點(diǎn)，缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，在許多國(guó)家的高放廢物處置研究規(guī)劃中，都明確要求先建設(shè)一個(gè)或若干個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行處置技術(shù)相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和驗(yàn)證，為處置庫(kù)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行提供必要的研究基礎(chǔ)。目前，世界上已建有20 多個(gè)高放廢物地質(zhì)處置地下實(shí)驗(yàn)室，成為各國(guó)開展處置技術(shù)研究的必需手段，對(duì)最終處置庫(kù)的研發(fā)具有極大的促進(jìn)作用[2]。我國(guó)于1985年啟動(dòng)高放廢物地質(zhì)處置研究工作。通過(guò)開展華南、華東、西南、甘肅(北山)、內(nèi)蒙古和新疆六大處置庫(kù)預(yù)選區(qū)的綜合比選，甘肅北山為我國(guó)高放廢物處置庫(kù)首選預(yù)選區(qū)。2016年，北山新場(chǎng)巖體已確定為我國(guó)高放廢物處置地下實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)址。目前，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院在北山預(yù)選區(qū)已完成近60 個(gè)深鉆孔的勘察和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，系統(tǒng)獲得了預(yù)選區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和地球化學(xué)資料，為地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址的確定奠定了基礎(chǔ)[3]。2021年啟動(dòng)地下實(shí)驗(yàn)室工程建設(shè)。

地應(yīng)力是存在于巖層中的初始應(yīng)力，也稱原巖應(yīng)力[4]。在地下實(shí)驗(yàn)室工程建設(shè)前期，只有獲得了場(chǎng)址深部巖體的地應(yīng)力分布規(guī)律，才能合理構(gòu)架地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)的布局，確定適宜的施工工藝并優(yōu)化施工參數(shù)，評(píng)價(jià)工程圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，確保其建設(shè)和運(yùn)行安全。同時(shí)，地下實(shí)驗(yàn)室的重要功能之一是為開展大型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供科研服務(wù)平臺(tái)，用于論證處置概念、研發(fā)處置技術(shù)、評(píng)價(jià)場(chǎng)址的適宜性等，而這些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施和都需要地應(yīng)力作為邊界條件。因此，在地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址開展地應(yīng)力測(cè)量是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的必要前提。國(guó)際巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)會(huì)(ISRM)建議的地應(yīng)力測(cè)試方法主要包括水壓致裂法[5]和應(yīng)力解除法[6]2 類。其中，水壓致裂法是一種二維地應(yīng)力測(cè)量方法，可確定垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大和最小主應(yīng)力[5]。例如，對(duì)于豎直鉆孔的地應(yīng)力測(cè)量，該方法可直接確定最大和最小水平主應(yīng)力。水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外巖石工程中得到了廣泛應(yīng)用[7?12]。應(yīng)該說(shuō)明的是，對(duì)于地下實(shí)驗(yàn)室工程建設(shè)前期階段的地應(yīng)力測(cè)量，采用水壓致裂法最為經(jīng)濟(jì)可行。當(dāng)?shù)叵聦?shí)驗(yàn)室已進(jìn)行開挖或投入運(yùn)行，可采用不同的應(yīng)力解除法(如空心包體應(yīng)力解除法[13]、鉆孔局部壁面應(yīng)力解除法[14])進(jìn)行巖體三維地應(yīng)力測(cè)量。

為了給我國(guó)首個(gè)高放廢物處置地下實(shí)驗(yàn)室工程設(shè)計(jì)和后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究提供輸入條件，本文作者采用水壓致裂法在地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址開展地應(yīng)力測(cè)量，以獲取場(chǎng)址現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)及其分布規(guī)律。并以實(shí)測(cè)地應(yīng)力為邊界條件，結(jié)合鉆孔巖芯啟裂應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)受力行為的數(shù)值模擬研究，為試驗(yàn)硐室的布局和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址概況

地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址位于甘肅北山預(yù)選區(qū)新場(chǎng)巖體中段，距玉門市直線距離約80 km，地處戈壁無(wú)人區(qū)。場(chǎng)址為低山丘陵地形(見(jiàn)圖1)，海拔為1 700～1 800 m，巖體以二長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖為主，場(chǎng)址內(nèi)無(wú)活動(dòng)斷裂。場(chǎng)址內(nèi)部分布5個(gè)地應(yīng)力測(cè)試鉆孔，編號(hào)分別為BS06，BS28，BS32，BS33和BS37(如圖2所示)，設(shè)計(jì)深度均為600 m，孔徑為95 mm，鉆孔傾斜度要求每100 m頂角小于1°。前期已在BS06 號(hào)鉆孔完成了地應(yīng)力測(cè)量[15]，為了系統(tǒng)揭示場(chǎng)址應(yīng)力分布特征，本研究在場(chǎng)址內(nèi)的其余4個(gè)鉆孔進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試工作。鉆孔勘察結(jié)果表明，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD>90(“很好”)的巖芯長(zhǎng)度占巖芯總長(zhǎng)度的86.2%，RQD>75(“好”)的巖芯長(zhǎng)度占巖芯總長(zhǎng)度的93.4%。此外，鉆孔水文試驗(yàn)結(jié)果[3]顯示，巖體的滲透系數(shù)主要集中在1×10?12～1×10?10m/s 范圍內(nèi)，表明場(chǎng)址深部巖石具有很好的完整性和極低的滲透性，為獲得可靠的地應(yīng)力提供了前提條件。

圖1 北山地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址地貌特征Fig.1 Topography of Beishan URL site

圖2 北山地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址地應(yīng)力測(cè)量鉆孔的位置Fig.2 Location of in-situ stress measurement boreholes at Beishan URL site

2 地應(yīng)力測(cè)量

2.1 測(cè)量系統(tǒng)

圖3所示為采用的單回路水壓致裂測(cè)試系統(tǒng)。為了有效降低測(cè)試系統(tǒng)柔度和管線摩擦阻力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[16?17]，提高測(cè)試精度，對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)中封隔器和壓裂段結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，即把獨(dú)立的壓力傳感器放置于試驗(yàn)段的中心桿內(nèi)部，可在壓裂試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄壓裂段內(nèi)部的水壓，實(shí)現(xiàn)了井下壓力測(cè)量。測(cè)量采用的鉆桿直徑為50 mm，高壓泵最大流量為15 L/min，最大壓力為35 MPa，井下壓力傳感器的量程為0～138 MPa，精度為±0.03%，試驗(yàn)段長(zhǎng)度為1 m。

圖3 單回路水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量示意圖Fig.3 Schematic illustration of in-situ stress measurement using single-loop hydro-fracturing system

2.2 壓裂試驗(yàn)

將封隔器下放至預(yù)先選擇的測(cè)試段深度位置，利用水泵向封隔器加壓至5 MPa，使其膨脹并與孔壁緊密接觸，形成試驗(yàn)段(見(jiàn)圖3)。隨后，啟動(dòng)高壓水泵向測(cè)試段增壓，使孔壁開裂。此時(shí)，停止向測(cè)試段加壓，裂縫趨于閉合，當(dāng)作用于破裂面上的地應(yīng)力與管路中的水壓力達(dá)到暫時(shí)平衡，記錄的壓力為關(guān)閉壓力Ps。當(dāng)測(cè)試段內(nèi)的壓力逐漸趨于平穩(wěn)，解除壓力，測(cè)試束。完成第一個(gè)測(cè)試后，進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，使閉合的裂隙重新張開，根據(jù)壓力?時(shí)間曲線增壓速率的變化來(lái)確定重張壓力Pr，即壓力?時(shí)間曲線在增壓階段偏離其切線斜率時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力。圖4所示為在BS32 號(hào)鉆孔306 m 深度測(cè)得的壓力?時(shí)間曲線變化特征。對(duì)每個(gè)試驗(yàn)段均進(jìn)行5 次加壓測(cè)試循環(huán)，用第4 個(gè)測(cè)試的壓力?時(shí)間曲線確定重張壓力和關(guān)閉壓力[10]。根據(jù)式(1)～(3)，可計(jì)算各測(cè)段的最大、最小水平主應(yīng)力[18]和垂直應(yīng)力分別為：

式中：σH為最大水平主應(yīng)力；Po為孔隙水壓力；σh為最小水平主應(yīng)力；σv為垂直應(yīng)力；γ為巖石容重；H為深度。

ISRM 建議至少采用2 種方法對(duì)Ps進(jìn)行確定[5]。因此，本研究采用單切線法、dT/dP和dP/dT[19?20]判讀Ps。根據(jù)圖4(a)，Ps的求解結(jié)果如圖4(b)～(d)所示。從圖4(b)～(d)可以看出，3 種不同方法的求解結(jié)果較為接近，故取其平均值計(jì)算最大和最小水平主應(yīng)力。

圖4 BS32號(hào)鉆孔306 m測(cè)段的壓力?時(shí)間曲線及關(guān)閉壓力的確定Fig.4 Pressure-time curve measured at depth of 306 m in borehole BS32 and determination of Ps using three methods

2.3 印模定向試驗(yàn)

壓裂試驗(yàn)完成后，采用帶有電子羅盤定向裝置的印模試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)孔壁已形成的水壓裂隙進(jìn)行定向。由于場(chǎng)址花崗巖的脆性較強(qiáng)，壓裂后裂隙擴(kuò)展明顯且近于豎直，水壓裂隙印痕清晰(見(jiàn)圖5)，為準(zhǔn)確求解最大水平主應(yīng)力方向提供了可靠資料。

圖5 BS37號(hào)鉆孔428 m測(cè)段的印模試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Fracture impression test result obtained at depth of 428 m in borehole BS37

2.4 測(cè)量結(jié)果分析

根據(jù)BS28，BS32，BS33和BS37 號(hào)鉆孔共計(jì)90個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，結(jié)合前期在BS06號(hào)鉆孔獲得的地應(yīng)力數(shù)據(jù)[15]，場(chǎng)址巖體主應(yīng)力隨深度的變化特征如圖6(a)所示。從圖6(a)可以看出：主應(yīng)力隨深度的增加表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。在深度為60～600 m范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力均小于25 MPa，與場(chǎng)址巖石的平均單軸壓縮強(qiáng)度(170 MPa)相比，屬低地應(yīng)力水平。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在深度為60～200 m時(shí)，巖體水平應(yīng)力總體大于垂直應(yīng)力；隨著深度的進(jìn)一步增加(深度為200～400 m)，最小水平應(yīng)力由中間主應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽钚≈鲬?yīng)力，而最大水平應(yīng)力仍普遍高于垂直應(yīng)力；在深度為400～600 m時(shí)，最大水平應(yīng)力小于垂直應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)數(shù)占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的41%，表明水平構(gòu)造應(yīng)力的主導(dǎo)作用有所削弱，垂直應(yīng)力的作用加強(qiáng)。圖6(a)中的線性擬合公式近似給出了主應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律，從整體上反映出場(chǎng)址應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的特點(diǎn)，在淺部(深度為60～240 m)，主應(yīng)力的關(guān)系為σH>σh>σv；在深部(深度為240～600 m)，主應(yīng)力的關(guān)系為σH>σv>σh。圖6(b)和(c)所示分別為最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比率(KHv)和最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的比率(KHh)隨深度的變化。從圖6(b)和(c)可知：KHv隨著深度的增加而快速減小，該行為可用雙曲線函數(shù)表達(dá)，揭示了水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在深部巖體的主導(dǎo)作用要弱于其在淺部巖體的主導(dǎo)作用。此外，KHh隨深度的增加表現(xiàn)出輕微減小的趨勢(shì)，可采用線性方程表達(dá)其變化規(guī)律。

圖6 地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址巖體主應(yīng)力和主應(yīng)力比值隨深度的變化Fig.6 Variations of magnitude of principal stresses and stress ratios with depth at URL site

根據(jù)37 個(gè)測(cè)段的印模定向試驗(yàn)結(jié)果，場(chǎng)址巖體最大水平主應(yīng)力方向的分布特征如圖7所示。從圖7可以看出：在測(cè)量深度范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力方向主要分布在N30°E～N75°E。同時(shí)，最大水平主應(yīng)力方向的玫瑰花圖顯示，其優(yōu)勢(shì)方向集中在N50°E～N70°E(圖7(b))，平均為N55°E。

圖7 地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址最大水平主應(yīng)力方向的分布特征Fig.7 Distribution characteristics of the maximum horizontal stress orientations at URL site

巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征可在一定程度上揭示其構(gòu)造應(yīng)力的狀態(tài)。地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址所處的新場(chǎng)巖體內(nèi)存在2 個(gè)主要斷層組，分別為NE 向和EW 向，其中，NE 向斷層主要分布于花崗巖體中(見(jiàn)圖2)。地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址最大水平應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹EE向，與巖體內(nèi)斷層組的走向基本一致。同時(shí)，前期在新場(chǎng)巖體東部BS17～BS19 鉆孔中揭示的地應(yīng)力分布規(guī)律[15]與地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址的相似，表明本次測(cè)量結(jié)果可真實(shí)反映新場(chǎng)巖體的地應(yīng)力特征。此外，圖8所示為GPS觀測(cè)獲得的相對(duì)于穩(wěn)定歐亞參考框架下的中國(guó)西部現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)分布[21]。從圖8可以看出：從印度板塊與中國(guó)大陸板塊的碰撞邊界開始，速度場(chǎng)表現(xiàn)出從NNE 方向呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的行為，至北山預(yù)選區(qū)的速度矢量近似為NE方向，與場(chǎng)址最大水平應(yīng)力方向基本吻合，進(jìn)而證實(shí)了地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。從圖8還可以看出：速度矢量由南向北逐漸遞減，至北山已表現(xiàn)為微弱的地殼運(yùn)動(dòng)，這也說(shuō)明了地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址巖體構(gòu)造應(yīng)力水平偏低的原因。

圖8 中國(guó)西部現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)的分布[21]Fig.8 Distribution of currently crustal velocity vectors in western China[21]

需要說(shuō)明的是，地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址花崗巖為脆性硬巖，巖石完整且滲透性低，在很大程度上符合水壓致裂法的理論假設(shè)。此外，場(chǎng)址內(nèi)部地勢(shì)平緩、斷層不發(fā)育，具有地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，各鉆孔測(cè)得的地應(yīng)力大小和方向并無(wú)顯著差異性。因此，本次測(cè)量結(jié)果為準(zhǔn)確揭示地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律提供了研究基礎(chǔ)。然而，單孔水壓致裂法在準(zhǔn)確獲得測(cè)點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)方面仍存在局限性，這需要在地下實(shí)驗(yàn)室開挖及運(yùn)行過(guò)程中采用其他方法(如應(yīng)力解除法)進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量，獲取地下實(shí)驗(yàn)室不同位置及深度處的三維地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有的水壓致裂地應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)址地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)，這是今后重要的研究方向。

3 工程應(yīng)用

3.1 地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案

北山地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)采用斜坡道+豎井方案，如圖9所示。豎井包括人員提升井(直徑6 m)、入風(fēng)井和出風(fēng)井(直徑3 m)；斜坡道(直徑7 m)為螺旋下行形式，采用TBM開挖，轉(zhuǎn)彎半徑為400 m，最大埋深為560 m。試驗(yàn)巷道主要分布在深度240 m和560 m。在深度240 m 處，巷道結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，是斜坡道與豎井的中部連接段，含有少量支巷；在深度560 m 處設(shè)置公共設(shè)施區(qū)和主巷道，公共設(shè)施區(qū)主要包括停車場(chǎng)、電氣設(shè)備間、救援硐室等。該區(qū)域巷道密集，硐室交叉，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，公共設(shè)施區(qū)與主巷道相連，在主巷道上設(shè)置走向不同的試驗(yàn)硐室。

圖9 北山地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)Fig.9 Preliminary design of Beishan URL

3.2 場(chǎng)址巖石的啟裂應(yīng)力特性

通過(guò)大量的地下工程案例研究，很多學(xué)者建議將室內(nèi)完整巖石試件的啟裂應(yīng)力(σci)用于評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)巖體的劈裂強(qiáng)度[22?24]。MARTIN 等[23]將室內(nèi)測(cè)得的花崗巖啟裂應(yīng)力與現(xiàn)場(chǎng)巖體強(qiáng)度進(jìn)行比較，得出室內(nèi)巖石啟裂應(yīng)力與原位巖體的強(qiáng)度具有較好的一致性，并建議采用室內(nèi)巖石啟裂應(yīng)力作為現(xiàn)場(chǎng)完整巖體劈裂強(qiáng)度的下限。為揭示地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址花崗巖的啟裂應(yīng)力特性，在0～600 m深度范圍內(nèi)，采用BS06，BS28，BS32和BS33 號(hào)鉆采集巖芯，共制備90 個(gè)直徑×長(zhǎng)度為50 mm×100 mm 巖樣。通過(guò)對(duì)巖樣進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，獲得巖樣在加載過(guò)程中的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系和累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)曲線。聲發(fā)射撞擊的物理意義可理解為超過(guò)觸發(fā)門檻而記錄的聲發(fā)射信號(hào)。BS28 號(hào)鉆孔巖樣的典型試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出：累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)隨著荷載的增大呈非線性增長(zhǎng)，揭示巖石從壓密至內(nèi)部損傷不斷積累的過(guò)程。ZHAO等[25]在對(duì)多種啟裂應(yīng)力確定方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)的啟裂應(yīng)力求解法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是去除了研究人員對(duì)該應(yīng)力的主觀判斷，保證了求解的唯一性。根據(jù)圖10，巖樣啟裂應(yīng)力的求解過(guò)程如圖11所示，求解原理和具體方法見(jiàn)文獻(xiàn)[25]。

圖10 BS28號(hào)鉆孔巖樣單軸壓縮應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系及對(duì)應(yīng)的累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)曲線Fig.10 Stress?strain relationships associated with cumulative AE hits of a rock specimen in borehole BS28 under uniaxial compression

圖11 采用累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)法求解巖樣啟裂應(yīng)力過(guò)程Fig.11 Procedures of using cumulative AE hit method to determine crack initiation stress of rock specimen

北山地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址巖石σci與σc的關(guān)系如圖12所示。從圖12可以看出：地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址巖石啟裂應(yīng)力整體隨單軸壓縮強(qiáng)度的增加而逐漸增大。擬合結(jié)果表明，啟裂應(yīng)力與單軸壓縮強(qiáng)度的比值近似為0.45。此外，根據(jù)北山和新疆預(yù)選區(qū)花崗巖204 個(gè)巖樣的啟裂應(yīng)力數(shù)據(jù)[25]，得出我國(guó)高放廢物處置庫(kù)預(yù)選區(qū)花崗巖的啟裂應(yīng)力與單軸壓縮強(qiáng)度的比值近似為0.46(圖13)，與瑞典?sp? 地下實(shí)驗(yàn)室的閃長(zhǎng)巖的啟裂應(yīng)力特性相似[26]。

圖13 我國(guó)高放廢物處置庫(kù)預(yù)選區(qū)花崗巖σci與σc的關(guān)系Fig.13 Relationship between σci and σc of rock specimens in pre-selected regions for China′s HLW repository

3.3 地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)啟裂指標(biāo)分布特征

根據(jù)地下實(shí)驗(yàn)室初步設(shè)計(jì)方案、場(chǎng)址巖體地應(yīng)力分布特征及巖石的啟裂應(yīng)力特性，采用FLAC3D對(duì)地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。針對(duì)工程的初步設(shè)計(jì)階段，模擬的主要目的是獲得地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)開挖后可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位，為優(yōu)化試驗(yàn)硐室的布局提供依據(jù)，為進(jìn)一步開展地下硐室長(zhǎng)期穩(wěn)定性精細(xì)化計(jì)算提供研究基礎(chǔ)。首先，以北、東、下分別作為模型X，Y，Z軸的正方向構(gòu)建場(chǎng)址區(qū)域的長(zhǎng)方體網(wǎng)格模型(見(jiàn)圖14)，并施加應(yīng)力邊界條件，完成場(chǎng)址初始應(yīng)力場(chǎng)的還原。隨后，采用FLAC3D內(nèi)置的FISH語(yǔ)言識(shí)別單元應(yīng)力張量信息，將最大、最小水平主應(yīng)力和自重應(yīng)力在整體坐標(biāo)系下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得單元所受的法向應(yīng)力(σx，σy，σz)和剪切應(yīng)力(τxy，τyz，τzx)。最后，將地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)導(dǎo)入上述模型中，監(jiān)測(cè)主體結(jié)構(gòu)軸線方向，將整體坐標(biāo)系下的巖體應(yīng)力向軸線方向以及與軸向垂直的方向進(jìn)行分解，完成整體到局部坐標(biāo)系下的空間應(yīng)力轉(zhuǎn)換。根據(jù)Kirsch解，圓形隧道邊墻上的最大切向應(yīng)力σmax為

圖14 地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)在FLAC3D中的構(gòu)建Fig.14 Establishment of main URL components in FLAC3D

式中：σmax為最大切向應(yīng)力；σ1和σ3分別為最大和最小主應(yīng)力。

圍巖的啟裂指標(biāo)α為

式中：σci為啟裂應(yīng)力。

圖15(a)所示為地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)啟裂指標(biāo)的分布特征。從圖15(a)可見(jiàn)：地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)所有部位的啟裂指標(biāo)均小于1，表明該主體結(jié)構(gòu)具有很好的工程穩(wěn)定性。啟裂指標(biāo)α的最大值(0.6)位于豎井底部，這是由于垂直應(yīng)力為中間主應(yīng)力(見(jiàn)圖6(a))，豎井開挖邊界上的極限應(yīng)力僅受埋深的影響，隨著埋深的增加，應(yīng)力水平不斷提高，導(dǎo)致其成為應(yīng)力最集中的部位。同時(shí)，斜坡道的啟裂指標(biāo)隨深度的增加呈增大趨勢(shì)(α最大值為0.5)，并在轉(zhuǎn)彎部位出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。在工程開挖過(guò)程中，應(yīng)關(guān)注下行和轉(zhuǎn)彎同時(shí)發(fā)生時(shí)的圍巖應(yīng)力變化，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化相應(yīng)的開挖參數(shù)。

深度560 m 是地下實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)關(guān)注的深度水平，圖15(b)所示為工程結(jié)構(gòu)在該深度水平的啟裂指標(biāo)分布。結(jié)合圖9和15(b)可知：A區(qū)(公共設(shè)施區(qū))硐室具有相互交叉的特點(diǎn)，受力較為復(fù)雜，主試驗(yàn)巷道走向垂直于最大主應(yīng)力方向，在深度560 m水平中啟裂接近度最高，在施工階段研究其開挖響應(yīng)特征具有較為重要的價(jià)值，可設(shè)置圍巖開挖損傷區(qū)評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)巷道、施工過(guò)程圍巖應(yīng)力、變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)巷道。在B區(qū)(主試驗(yàn)巷道轉(zhuǎn)彎區(qū)域)，主巷道走向由垂直于最大主應(yīng)力方向逐漸向平行于最大主應(yīng)力方向過(guò)渡，啟裂指標(biāo)呈現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律，其最小值(0.39)發(fā)生在該區(qū)域的中部，該區(qū)域基本覆蓋了在深度560 m平臺(tái)所能達(dá)到的所有應(yīng)力條件，可根據(jù)對(duì)不同的應(yīng)力條件設(shè)置不同現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)硐室，例如高放廢物處置工藝研究、工程屏障長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究、安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究硐室等。在C區(qū)(主試驗(yàn)巷道可擴(kuò)展區(qū))，主巷道走向與最大主應(yīng)力方向平行，該區(qū)域主巷道圍巖啟裂接近度為0.42，屬于低應(yīng)力環(huán)境，為將來(lái)主巷道的進(jìn)一步延伸和擴(kuò)展提供了較為理想的應(yīng)力環(huán)境。同時(shí)，與主巷道相垂直的支巷則處于應(yīng)力集中區(qū)，目前在該區(qū)尚未設(shè)置試驗(yàn)硐室，隨著地下實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)內(nèi)容的完善，這一區(qū)域?qū)⒌玫接行Ю谩４送?，示范處置巷道走向與最大水平應(yīng)力方向平行，有利于原型處置庫(kù)論證試驗(yàn)的開展。

圖15 北山地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)啟裂指標(biāo)的分布Fig.15 Distribution of crack initiation index of the main components of the Beishan URL

4 結(jié)論

1)在深度為60～600 m 范圍內(nèi)，地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，其在淺部巖體的主導(dǎo)作用要強(qiáng)于深部巖體。在測(cè)量深度范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力小于25 MPa，為低地應(yīng)力水平，在淺部(深度為60～240 m)，主應(yīng)力的關(guān)系為σH>σh>σv；在深部(深度為240～600 m)，主應(yīng)力的關(guān)系為σH>σv>σh。

2)地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址最大水平主應(yīng)力方向主要分布在N30°E～N75°E，優(yōu)勢(shì)方向集中在N50°E～N70°，平均為N55°E。這與區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)速度矢量監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，從而證實(shí)了地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，為確定主巷道的走向提供了依據(jù)。

3)地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址巖石啟裂應(yīng)力隨著單軸抗壓強(qiáng)度的增加而增大，啟裂應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度的比值近似為0.45；地下實(shí)驗(yàn)室主體結(jié)構(gòu)的啟裂指標(biāo)均小于0.6，圍巖穩(wěn)定性好。在深度560 m 的公共區(qū)，圍巖應(yīng)力相對(duì)集中，是進(jìn)一步開展長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析的重點(diǎn)區(qū)域。