成達(dá)萬(wàn)高鐵華鎣山隧道地應(yīng)力測(cè)試與評(píng)價(jià)

丁茂林

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055）

1 工程概況

新建成都至達(dá)州至萬(wàn)州鐵路華鎣山隧道位于四川省達(dá)州市境內(nèi)，進(jìn)口端（DK132+621）位于大竹縣，出口端（DK141+369）位于渠縣，全長(zhǎng)8 748 m，最大埋深達(dá)500 m，線路呈近東西走向，采用“人”字坡形式敷設(shè)。華鎣山隧道位于四川盆地內(nèi)川中丘陵區(qū)與川東平行嶺谷區(qū)交界部位的華鎣山背斜構(gòu)造帶，隧址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜。通過(guò)開展深孔地應(yīng)力測(cè)試獲取隧址區(qū)的地應(yīng)力大小與方向，評(píng)價(jià)隧道發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)的危險(xiǎn)性大小及巖爆等級(jí)，為隧道斷面形狀、結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。圖1為華鎣山隧道平面示意圖。

圖1 華鎣山隧道平面示意圖

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

華鎣山隧道位于川東平行嶺谷之中低山區(qū)，橫穿走向北北東向的華鎣山背斜北段。華鎣山背斜為典型的背斜山，構(gòu)造地貌明顯，山嶺陡窄峻峭，峰巒層疊，隧道頂部為三疊系中統(tǒng)雷口坡組（T2l）灰?guī)r溶蝕后形成的槽谷，兩側(cè)的三疊系上統(tǒng)須家河組砂巖（T3xj）形成挺拔的山脊，地表呈現(xiàn)為“一山兩嶺一槽”的中低山巖溶地貌形態(tài)，地面高程介于340～1 000 m。

2.2 地層巖性

華鎣山隧道出露基巖為中生代三疊系、侏羅系地層，主要包括侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組（J2xs）、新田溝組（J2x），中-下統(tǒng)自流井組（J1-2z）、下統(tǒng)珍珠沖組（J1z）和三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）、中統(tǒng)雷口坡組（T2l）、下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）；地層巖性以泥巖、砂巖及灰?guī)r、泥灰?guī)r為主。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)川中臺(tái)拗，為新華夏系第三沉降帶四川沉降褶帶，以華鎣山為界分為川中褶皺帶和川東高陡斷褶帶兩部分。川中褶皺帶基底差異運(yùn)動(dòng)形跡微弱，無(wú)明顯線性構(gòu)造，多為平緩多高點(diǎn)弧形褶皺、鼻狀背斜、短軸背斜等低平穹狀構(gòu)造，斷裂少見；川東高陡斷褶帶具隔擋式構(gòu)造的特點(diǎn)，背斜擠壓緊密、向斜寬緩，局部斷裂較發(fā)育，且與褶皺相伴而生。華鎣山隧道位于高陡斷褶帶具隔擋式構(gòu)造的西側(cè)，為一箱狀復(fù)式褶皺，背斜軸北東10～25°，軸面傾向南東，地表呈現(xiàn)為北西翼陡、南東翼緩的不對(duì)稱狹長(zhǎng)半箱狀斜歪背斜構(gòu)造。隧道位于華鎣山背斜構(gòu)造的北側(cè)。圖2 為華鎣山隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖。

圖2 華鎣山隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖

3 地應(yīng)力測(cè)量

3.1 測(cè)量方法

水壓致裂法是目前最常用的巖石地應(yīng)力測(cè)試方法，同時(shí)也是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的推薦方法之一，它具有操作簡(jiǎn)便、可在任意深度進(jìn)行連續(xù)或重復(fù)測(cè)試、且測(cè)量速度快、獲取參量多、測(cè)值可靠等特點(diǎn)，近年來(lái)在鐵路工程中得到了廣泛應(yīng)用。水壓致裂法測(cè)試程序主要分成2個(gè)部分：第一步是選取試驗(yàn)段，進(jìn)行壓裂測(cè)試，通過(guò)計(jì)算獲得地應(yīng)力大??；第二步是印模定向試驗(yàn)，先獲得巖石破裂方向，再通過(guò)計(jì)算獲取主應(yīng)力方向[1-5]。本次華鎣山隧道地應(yīng)力測(cè)量采用當(dāng)前較為成熟、且廣泛應(yīng)用的水壓致裂法。

3.2 水壓致裂法地應(yīng)力大小測(cè)量

新建成達(dá)萬(wàn)高鐵華鎣山隧道地應(yīng)力測(cè)量鉆孔（SHYS15）位于華鎣山背斜西翼，里程DK138+523右15 m處的山坡上，孔口高程741 m，鉆孔孔深410 m，水位埋深180 m。鉆孔揭示巖性主要為深灰色、中-厚層狀泥巖和砂巖，砂質(zhì)、泥砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整，巖芯以柱狀、長(zhǎng)柱狀為主，局部呈短柱狀。地應(yīng)力計(jì)算時(shí)靜水位綜合深孔鉆探以及地應(yīng)力測(cè)量時(shí)多個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的測(cè)得的鉆孔孔內(nèi)水位進(jìn)行取值，確定靜水位埋深為180 m。

根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量的技術(shù)要求，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量過(guò)程中選擇巖芯完整、節(jié)理裂隙不發(fā)育、鉆孔孔壁光滑程度較好，且位于地下水之下的9段開展水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)，以確保地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果能真實(shí)反映測(cè)點(diǎn)附近區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。測(cè)量試驗(yàn)累計(jì)獲得比較理想的測(cè)量曲線6段，其中心深度分別為234.00 m、308.00 m、343.00 m、365.00 m、381.00 m和392.50 m，測(cè)量段地層巖性主要為砂巖、泥質(zhì)砂巖。

彈性力學(xué)作為水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量的基本原理，它假設(shè)巖石為完整、彈性且具各向同性的介質(zhì)，壓裂液體（通常為水）相對(duì)巖體屬非滲透體，且其中一個(gè)主應(yīng)力（多為垂向應(yīng)力）和鉆孔軸向平行[6]。在基本滿足上述假設(shè)和測(cè)試條件下，水壓致裂曲線的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)一般呈現(xiàn)為：第一循環(huán)曲線中破裂壓力點(diǎn)Pb清晰，巖石脆性破裂行為明顯；第二至第五循環(huán)曲線中重張壓力Pr、閉合壓力Ps差異不明顯，但水壓裂隙重張和閉合拐點(diǎn)清晰。通過(guò)鉆孔測(cè)量獲得的6段曲線與水壓致裂法標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)照表明：孔中水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)可靠，地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果能反映隧道所在工程區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力環(huán)境[7]。典型壓裂曲線見圖3。根據(jù)水壓致裂的假設(shè)、測(cè)量獲得的壓裂曲線和彈性力學(xué)模型理論，將隧道所在工程區(qū)的地應(yīng)力環(huán)境簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力問(wèn)題，通過(guò)選取不同發(fā)生壓裂破壞段的破裂壓力Pb、重張壓力Pr和瞬時(shí)關(guān)閉壓力Ps，室內(nèi)計(jì)算得到各試驗(yàn)段最大、最小水平主應(yīng)力及垂向應(yīng)力值。水壓致裂法典型壓裂曲線如圖3所示。

圖3 水壓致裂法典型壓裂曲線

3.3 印模法地應(yīng)力方向測(cè)量

為確定隧道工程區(qū)內(nèi)最大主應(yīng)力方向，在水力壓裂試驗(yàn)完成后，根據(jù)巖石的抗拉強(qiáng)度值，綜合考慮各試驗(yàn)段獲得的巖石破裂壓力與重張壓力，在孔內(nèi)選取其中3段開展定向印模試驗(yàn)。根據(jù)定向印模得到的水力壓裂誘發(fā)裂縫，結(jié)合雙側(cè)裂縫與基線的形態(tài)分布與井下電磁羅盤記錄的基線方位角，綜合確定隧道工程區(qū)內(nèi)最大水平主應(yīng)力方向。通過(guò)印模法測(cè)量隧道工程區(qū)最大水平主應(yīng)力方位為N57°W～N73°W，平均為N64°W。各試驗(yàn)段經(jīng)數(shù)據(jù)分析計(jì)算獲得的成果詳見表1。

表1 鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量成果表

3.4 地應(yīng)力成果分析

根據(jù)隧道鉆孔孔內(nèi)測(cè)量及室內(nèi)計(jì)算分析得出：試驗(yàn)深度內(nèi)最大水平主應(yīng)力（SH）為9.14～15.10 MPa、最小水平主應(yīng)力（Sh）為6.14～9.90 MPa、垂向應(yīng)力（Sv）為6.20～10.40 MPa，巖石抗拉強(qiáng)度為3.90～6.69 MPa，水平主應(yīng)力隨深度增加近似線性增大；3個(gè)主應(yīng)力之間的關(guān)系總體表現(xiàn)為SH＞Sv＞Sh，呈走滑型應(yīng)力狀態(tài)，與華鎣山斷裂帶走滑斷層運(yùn)動(dòng)特征較相符，一定程度上反映華鎣山背斜構(gòu)造帶現(xiàn)今活動(dòng)對(duì)該區(qū)地殼淺層應(yīng)力場(chǎng)的影響；位于揚(yáng)子地臺(tái)西北側(cè)的研究區(qū)域西南側(cè)受印度板塊推擠、西側(cè)受青藏高原走滑斷層向東側(cè)移、東南側(cè)受華南塊體阻擋等多因素綜合影響，現(xiàn)近構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以NW～NWW向?yàn)橹鲗?dǎo)，隧道工程區(qū)內(nèi)最大水平主應(yīng)力方位角平均N64°W，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力方位基本一致。

4 滑動(dòng)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

4.1 斷層失穩(wěn)摩擦滑動(dòng)準(zhǔn)則

Anderson斷層理論指出地殼應(yīng)力狀態(tài)和斷層的活動(dòng)性之間有密切關(guān)系，庫(kù)倫摩擦滑動(dòng)準(zhǔn)則假定斷層面內(nèi)聚力為零的條件下，如果剪應(yīng)力τ大于等于滑動(dòng)摩阻力μσn，斷層面將發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)，其中μ是根據(jù)試驗(yàn)確定的斷層“摩擦系數(shù)”，σn是斷層面上的正應(yīng)力。引入主應(yīng)力和有效應(yīng)力的概念，有效最大與最小主應(yīng)力之比可以表示為“摩擦系數(shù)”的函數(shù)[8]：

式中，σ1，σ3為斷裂外圍最大與最小主應(yīng)力，P0為孔隙壓力。國(guó)內(nèi)外的研究和實(shí)測(cè)表明，在地殼淺部低滲透率巖石中孔隙壓力與水柱靜壓力大致相等。最大有效主應(yīng)力與最小有效主應(yīng)力之比小于此值則斷層面穩(wěn)定，若大于或等于此值則斷層沿方位合適的面可能發(fā)生滑動(dòng)。

4.2 滑動(dòng)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

依據(jù)隧道工程區(qū)水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，孔隙壓力P0按測(cè)試期間水位平均埋深180 m取值。由公式（1）計(jì)算出地應(yīng)力測(cè)量深度內(nèi)最大、最小有效主應(yīng)力比值及斷裂失穩(wěn)摩擦滑動(dòng)臨界下限、上限值見表2。隧道工程區(qū)淺層最大、最小有效主應(yīng)力值表。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：隧道工程區(qū)地殼淺層最大、最小有效主應(yīng)力比值為1.46～1.67，平均為1.56，該值遠(yuǎn)低于臨界摩擦系數(shù)為0.6、1.0時(shí)斷裂滑動(dòng)失穩(wěn)的臨界下限值3.12、5.83，表明該區(qū)地殼淺層構(gòu)造應(yīng)力處于相對(duì)較低的水平，構(gòu)造應(yīng)力積累強(qiáng)度導(dǎo)致發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)的危險(xiǎn)極小。

表2 隧道工程區(qū)淺層最大、最小有效主應(yīng)力比值表

5 隧道圍巖巖爆預(yù)測(cè)分析

5.1 巖爆產(chǎn)生條件

巖爆是地下洞室開挖過(guò)程中，臨空面巖體突然以爆炸形式表現(xiàn)出來(lái)的破壞現(xiàn)象，通常發(fā)生巖爆必須具備一定的條件：一是工程區(qū)屬近代構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，地應(yīng)力較高，地質(zhì)構(gòu)造使巖體內(nèi)儲(chǔ)存有較大的應(yīng)變能，具備發(fā)生巖爆所需能量；二是巖體堅(jiān)硬、完整，抗壓強(qiáng)度高，回彈變形很小，且變形特性屬于脆性破壞類型；三是巖體儲(chǔ)能能力強(qiáng)，巖體干燥，當(dāng)開挖斷面形狀不規(guī)則時(shí)可為臨空面巖體發(fā)生彈射、爆裂等動(dòng)力破壞現(xiàn)象提供能量，且發(fā)生破壞時(shí)多具有較強(qiáng)的沖擊性[9]。

5.2 隧道巖爆危險(xiǎn)性分析

根據(jù)華鎣山隧道深孔地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，華鎣山隧道洞身部位在400 m埋深附近的最大切向應(yīng)力σθmax=35.38 MPa，該段砂巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度σc=66.84 Mpa，應(yīng)力比σθmax/σc=0.53，通過(guò)最常用的Hoek判別法進(jìn)行判定，當(dāng)0.42＜σθmax/σc≦0.56時(shí)，局部可能存在輕微巖爆，發(fā)生大面積巖爆的可能性小。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)華鎣山隧道深孔采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，揭示出隧道工程區(qū)鉆孔在測(cè)量深度內(nèi)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹64°W，與隧址區(qū)所在的華鎣山山脈構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向基本一致，均呈現(xiàn)為NWW方向；同時(shí)測(cè)量獲得的最大、最小水平主應(yīng)力隨測(cè)試深度的增加而增大，與垂向應(yīng)力同步呈線性增長(zhǎng)；隧道工程區(qū)地殼淺層3個(gè)主應(yīng)力之間的關(guān)系總體表現(xiàn)為SH＞Sv＞Sh，為走滑型應(yīng)力狀態(tài)，與華鎣山斷裂帶走滑斷層運(yùn)動(dòng)特征較相符，經(jīng)評(píng)價(jià)構(gòu)造應(yīng)力積累強(qiáng)度導(dǎo)致發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)的危險(xiǎn)極??；隧道開挖過(guò)程中存在發(fā)生大面積巖爆的可能性小；華鎣山隧道的斷面形狀、結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度可按常規(guī)受力狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。