套孔應(yīng)力解除法在大峽谷隧道出口端的應(yīng)用

葉少波

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610093）

0 引言

在深埋硬巖隧道中施工常常面臨著巖爆的問題[1-4]。巖爆指的是在高地應(yīng)力環(huán)境下，積聚過多彈性應(yīng)變能的硬脆巖石在受到擾動(dòng)后其彈性應(yīng)變能突然釋放的過程，在工程上常常表現(xiàn)為洞頂巖塊掉落、掌子面巖塊彈射等動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象。相關(guān)研究已表明，巖爆的發(fā)生主要受控于隧址區(qū)巖性和地應(yīng)力[5-6]。工程上常常通過現(xiàn)場地應(yīng)力測量的方式來確定隧道是否處于高地應(yīng)力環(huán)境，是否具備巖爆發(fā)生條件，從而確定合理安全的快速施工方式。

本文依托大峽谷隧道工程，采用鉆孔套芯應(yīng)力解除法對(duì)隧道出口端進(jìn)行地應(yīng)力測量，研究分析隧道出口端初始地應(yīng)力的分布規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)大峽谷隧道出口端快速安全施工。

1 工程概況

大峽谷隧道出口端位于四川省雅安市漢源縣烏斯河鎮(zhèn)，隧道全長12.146 km，埋深高達(dá)1 944 m，屬于典型的深埋特長隧道。整條線路穿越的巖性以層狀白云巖為主，巖性單一、巖質(zhì)硬脆，圍巖等級(jí)為III級(jí)。通過大量文獻(xiàn)調(diào)研，巖性單一、巖質(zhì)硬脆的圍巖在高地應(yīng)力環(huán)境下會(huì)由于積累過高的彈性應(yīng)變能而極易發(fā)生巖爆[4，6-7]。進(jìn)而急需對(duì)大峽谷隧道出口端展開地應(yīng)力測量，研究分析地應(yīng)力分布規(guī)律，嚴(yán)防隧道巖爆事故，保證工程安全快速進(jìn)行。

2 測試方法及原理

2.1 測試方法及儀器

工程上用于原巖地應(yīng)力測量的方法有直接法和間接法，使用最多的是應(yīng)力解除法和水壓致裂法[8-9]。而以應(yīng)力解除法為基本原理的空心包體應(yīng)變計(jì)由于可以在一個(gè)鉆孔中一次性測得原巖全部六個(gè)應(yīng)力分量而廣泛應(yīng)用于礦山、隧道等工程[10]。借鑒以往工程經(jīng)驗(yàn)，同樣采取空心包體應(yīng)變計(jì)進(jìn)行隧道出口端地應(yīng)力測量，選用KX－2021型地應(yīng)力計(jì)，如下圖1所示。

圖1 KX－2021型空心包體地應(yīng)力計(jì)Fig.1 KX-2021 hollow inclusion geostress meter

包體工作長L=180 mm，外徑D=36 mm，于中部位置布置著間距120°的A、B、C三組應(yīng)變花，每組含4個(gè)應(yīng)變片，兩兩之間間隔45°，如下圖2所示。

圖2 應(yīng)變花布圖Fig.2 Strain pattern

2.2 測試原理

空心包體地應(yīng)力計(jì)是通過測試鉆孔內(nèi)原巖應(yīng)變并通過巖石的本構(gòu)關(guān)系間接計(jì)算出鉆孔坐標(biāo)系（xyz）下原巖6個(gè)應(yīng)力分量，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到大地坐標(biāo)系（XYZ）下的6個(gè)應(yīng)力分量，從而得出主應(yīng)力 σ1、σ2、σ3的大小和方向。

原巖某一點(diǎn)處存在如下圖3所示相互制衡的六個(gè)原巖應(yīng)力分量 σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx，這 6 個(gè)分量表征了該點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)。由于地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致原巖中的構(gòu)造應(yīng)力極其復(fù)雜，一般很難通過理論分析得出其實(shí)際大小。但可以通過擾動(dòng)原巖，使其從原有平衡過渡到新的平衡狀態(tài)，同時(shí)再借助空心包體地應(yīng)力計(jì)記錄整個(gè)再平衡的過程，得到原巖產(chǎn)生的應(yīng)變，最后通過計(jì)算間接獲得原巖應(yīng)力。

圖3 原巖中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)Fig.3 Stress state of a point in original rock

原巖應(yīng)力可通過下式[11]計(jì)算：

式中：εθ、εz、γθz分別為周向應(yīng)變、軸向應(yīng)變、剪切應(yīng)變；ε±45為與鉆孔軸成45°方向的應(yīng)變。

2.3 巖石彈性模量和泊松比的測定

將取出的巖芯放入率定儀，再施加不同大小圍巖圍壓并讀取應(yīng)變值，通過數(shù)據(jù)擬合可得出應(yīng)力應(yīng)變近似為線性關(guān)系，可用式ε=A+Bp表達(dá)，同時(shí)根據(jù)擬合的直線可求出A、B。其中彈性模量E和泊松比ν可用下式計(jì)算：

式中：r為巖芯內(nèi)孔半徑；R為巖芯外徑；P0為圍壓；K1為由實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)；εθ為周向應(yīng)變；εz為軸向應(yīng)變。

3 測試方案

3.1 測點(diǎn)選擇

為防止爆破開挖對(duì)鉆孔的不利影響，鉆孔位置須遠(yuǎn)離掘進(jìn)掌子面；為了得到更精確的原巖應(yīng)力，測孔深不應(yīng)小于1.5D（D為洞徑）；同時(shí)為了排水出渣，測孔須有一定的仰角，測孔布設(shè)如圖4所示。具體參數(shù)見表1。

圖4 測孔位置布設(shè)Fig.4 Measuring hole position layout

表1 地應(yīng)力測試鉆孔位置Tab.1 Borehole position of in-situ stress test

3.2 現(xiàn)場測試步驟

現(xiàn)場測量步驟簡化圖如圖5所示。

圖5 測試步驟Fig.5 Test steps

（1）打設(shè)大孔

在測點(diǎn)位置采用TAZYE-370P-D7H型履帶式液壓淺孔鉆機(jī)打設(shè)深18.38 m、直徑?=130 mm的大孔，現(xiàn)場取芯良好，在孔底附近存在巖芯餅化現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 巖芯餅化現(xiàn)象Fig.6 Core cake phenomenon

（2）打設(shè)小孔

首先將孔底磨平，再用?=36 mm的小鉆頭打設(shè)直徑?=36 mm、深0.31 m的同心小孔。

（3）安裝空心包體應(yīng)力計(jì)

首先精確計(jì)算孔深，拼接好對(duì)應(yīng)長度的導(dǎo)向桿，同時(shí)混合A、B膠并攪拌5 min做好黏結(jié)劑；綁定好應(yīng)力計(jì)后向里面灌入黏結(jié)劑；最后將應(yīng)力計(jì)推送到預(yù)定位置。

（4）套孔取芯

待安裝儀器30 h左右后，可進(jìn)行套孔取芯。取芯之前先接好應(yīng)變計(jì)連線，再進(jìn)行調(diào)零，最后方可進(jìn)行應(yīng)力解除。套孔過程中需要同步監(jiān)測，每進(jìn)尺1 cm讀一次數(shù)，直到讀數(shù)穩(wěn)定后取出巖芯，如圖7所示。

圖7 套孔取芯Fig.7 Sleeve coring

套孔取芯過程中，傳感器記錄的測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 鉆孔方位角及轉(zhuǎn)角Tab.2 Borehole azimuth and rotation angle

3.3 現(xiàn)場測試結(jié)果

巖石是一種彈塑性材料，在受力后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈塑性變形，當(dāng)巖石受力未超過其彈性極限時(shí)僅發(fā)生彈性變形，此變形將在卸壓后復(fù)原。鉆孔套芯后（對(duì)應(yīng)著卸壓）巖芯將恢復(fù)變形，由于應(yīng)變片與巖芯很好地黏結(jié)在了一起，繼而應(yīng)變計(jì)會(huì)產(chǎn)生同步變形。

在鉆孔的過程中，巖芯的受力逐漸解除，包體應(yīng)力計(jì)記錄的12個(gè)應(yīng)變值不斷波動(dòng)，直到鉆孔全部覆蓋空心包體應(yīng)變計(jì)后，數(shù)據(jù)波動(dòng)速率才緩慢降下，最終穩(wěn)定，最終數(shù)值如表3所示。通過表3可以看出，在B組應(yīng)變片存在最大應(yīng)變，其值高達(dá)3 019×10-6，可初步判定測點(diǎn)處地應(yīng)力偏大。

表3 最終穩(wěn)定應(yīng)變值（單位：10-6）Tab.3 Final stable strain value（unit：10-6）

4 數(shù)據(jù)后處理

4.1 室內(nèi)試驗(yàn)

將獲得的巖芯加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，如圖8所示，通過單軸壓縮等室內(nèi)試驗(yàn)得到巖芯的物理力學(xué)參數(shù)，如表4所示。

表4 最終穩(wěn)定應(yīng)變值（單位：10-6）Tab.4 Final stable strain value（unit：10-6）

4.2 地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

將測出的彈性模量、泊松比等巖石材料參數(shù)與現(xiàn)場空心包體應(yīng)變計(jì)測出的應(yīng)變值、傳感器測出的A片轉(zhuǎn)角等導(dǎo)入后處理計(jì)算軟件中，可計(jì)算得到測點(diǎn)處地應(yīng)力大小和方向。具體結(jié)果見表5、表6。

表5 測點(diǎn)應(yīng)力分量表Tab.5 Measuring point stress component table

表6 測點(diǎn)主應(yīng)力計(jì)算表Tab.6 Calculation table of measuring point principal stress

由表5、6可知，所測最大主應(yīng)力 σ1=42.69 MPa，與隧道軸線方向的傾角為 5.16°，近似為水平主應(yīng)力，同時(shí)可根據(jù)方位角的計(jì)算得出最大主應(yīng)力方向與隧道軸線方向夾角為 68.33°；中間主應(yīng)力σ2=26.86 MPa，與隧道軸線方向夾角為 84.77°，近似為豎向主應(yīng)力；最小主應(yīng)力 σ3=15.41MPa，與水平方向夾角為 0.87°，為水平應(yīng)力。

由表6還可看出，最大水平主應(yīng)力遠(yuǎn)大于豎向主應(yīng)力，兩者的關(guān)系為σ1≈1.59σ2，說明大峽谷隧道地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力場為主導(dǎo)；同時(shí)最大水平主應(yīng)力也遠(yuǎn)大于最小水平主應(yīng)力，兩者的關(guān)系為σ1≈2.77σ3。

4.3 地應(yīng)力水平評(píng)價(jià)

參考《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218—2014），可用下式對(duì)大峽谷隧道出口端K83+900處地應(yīng)力水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中，Q為原巖所處應(yīng)力環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)Q〈 4時(shí)，為極高應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)Q=4～7時(shí)，為高應(yīng)力狀態(tài)；Rc為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；σmax為最大地應(yīng)力，MPa；

巖石抗壓強(qiáng)度Rc和隧道洞身最大地應(yīng)力σmax可參考表4取值，由公式可以得出Q=4.3，其值在4～7之間，表明隧道在出口端地應(yīng)力環(huán)境屬于高應(yīng)力狀態(tài)，隧道在開挖掘進(jìn)過程中遇到巖爆的概率較高，施工時(shí)需要預(yù)防塊體彈出。

5 結(jié)語

根據(jù)大峽谷隧道出口端右洞K83+900處地應(yīng)力測量結(jié)果可知隧道出口端地應(yīng)力場以構(gòu)造應(yīng)力場為主，其圍巖應(yīng)力環(huán)境為高應(yīng)力狀態(tài)，有可能發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆，為確保施工安全快速進(jìn)行，建議綜合采用超前地質(zhì)探測、預(yù)加固和預(yù)支護(hù)等措施，降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)建議優(yōu)化施工方案，采用短進(jìn)尺、弱爆破的施工方式以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，還可以在掌子面打設(shè)泄壓孔，加快開挖面為巖應(yīng)力釋放。