新型雙管水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試裝置及其應(yīng)用

摘要： 提出一種新型雙管水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試裝置，管路采用C型接頭的高壓雙層鋼絲膠管。在浙江省和福建省的16條隧道中進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用，取得了較好的效果。結(jié)果表明：新型雙管水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試裝置密封效果良好，能夠分別控制封隔段和壓裂段進(jìn)行加壓、泄壓；在我國(guó)東南沿海地區(qū)，深部巖體中的天然應(yīng)力場(chǎng)具有明顯的方向性，最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力比值為0.55～0.85，側(cè)壓系數(shù)為0.72～4.83，平均值為2.16。

關(guān)鍵詞： 地應(yīng)力； 水壓致裂法； 雙管； 巖石力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)： TU 45文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" "文章編號(hào)： 1000-5013（2024）06-0706-06

New Type of Double Pipe Hydraulic Fracturing Method In-Situ Stress Testing Device and Its Application

CHANG Fangqiang1， LIANG Xiaoyang1， HUANG Ziyan1，LIANG Kangkang2， QUAN Lulong2，CAO Yanan2， CHANG Fangwei2

（1. School of Civil Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021， China；

2. Deep Geotechnical Engineering Survey （Shandong） Limited Company， Weifang 261071， China）

Abstract： A new type of double pipe hydraulic fracturing in-situ stress testing device is proposed， using high-pressure double-layer steel wire rubber hoses with C-type joints in the pipeline. The new device are tested and applied in 16 tunnels in Zhejiang Province and Fujian Province， obtaining good results. The results show that the new double pipe hydraulic fracturing in-situ stress testing device has good sealing effect， and can control the pressure and relief of the sealing section and fracturing section separately. In the southeastern coastal areas of China， the natural stress field in deep rock masses has obvious directionality， with 0.55-0.85 ratio of maximum horizontal principal stress to minimum horizontal principal stress， the lateral pressure coefficient is 0.72-4.83， the average value is 2.16.

Keywords： in-situ stress； hydraulic fracturing method； double pipe； rock mechanics

地應(yīng)力是地層巖體在長(zhǎng)期地質(zhì)過(guò)程中受到地球重力和構(gòu)造應(yīng)力共同作用而逐漸形成的，是地質(zhì)構(gòu)造形成與演化，以及區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定的重要影響因素［1］。近年來(lái)，隨著國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，一批大型深部地下工程陸續(xù)興建，相較于淺部巖體，深部巖體的非線性、不均質(zhì)性和各向異性更加突出，深部巖體具有獨(dú)特的“三高一擾動(dòng)”特性，即高應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓和強(qiáng)烈的開(kāi)采擾動(dòng)［2-3］。

為了準(zhǔn)確地測(cè)量深部巖體的地應(yīng)力，國(guó)內(nèi)外已提出了10余種方法，如水壓致裂法、扁千斤頂（壓力枕）法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法、聲發(fā)射法等。這些方法中，水壓致裂法由于能夠測(cè)量出巖體的原始應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)用最為廣泛。國(guó)內(nèi)已有較多學(xué)者采用水壓致裂法測(cè)得一些巖體的天然應(yīng)力［4-9］，測(cè)試設(shè)備大都采用地質(zhì)鉆機(jī)自帶的鉆桿作為供壓管道，將封隔器連接在鉆桿端部，進(jìn)行下放和供壓。由于鉆桿采用螺紋連接，故難以保障連接處不會(huì)出現(xiàn)滲漏泄壓，而壓力傳感器一般布設(shè)在地面上，造成實(shí)際施加的壓力比測(cè)得的數(shù)值更小。此外，水壓致裂法的操作和測(cè)試難度較大，多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果都是基于少數(shù)幾個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)展開(kāi)研究的，對(duì)地區(qū)統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)性不強(qiáng)?；诖?，本文提出一種新型雙管水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試裝置，并在浙江省、福建省的16條隧道的深部鉆孔內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，研究該區(qū)域地應(yīng)力的分布規(guī)律。

1 水壓致裂法測(cè)試

水壓致裂法測(cè)試建立在彈性力學(xué)之上，基于以下3個(gè)假定：

1） 巖體連續(xù)、均勻、各向同性；2） 測(cè)點(diǎn)巖體為非滲透性，巖體為多孔介質(zhì)，注入的流體按照達(dá)西定律在巖體空隙中流動(dòng)；3） 鉆孔需與其中一個(gè)主應(yīng)力保持平行。

采用水壓致裂法測(cè)試地應(yīng)力是在兩端的封隔段膨脹后，將壓裂段進(jìn)行密封，然后，在壓裂段內(nèi)進(jìn)行供壓（一般選擇水壓），采用壓裂的峰值、裂隙閉合時(shí)的關(guān)閉壓力和裂隙重新張開(kāi)時(shí)的壓力（重張壓力）進(jìn)行計(jì)算，確定水平向的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力［4］。

水壓致裂法典型壓力變化曲線，如圖1所示。圖1中：pc，1為初始開(kāi)裂壓力（峰值壓力）；ps為關(guān)閉壓力；pc，2為重張壓力；1～9為不同的測(cè)試階段。

假設(shè)深部巖體中存在的天然應(yīng)力場(chǎng)，豎向應(yīng)力σv=ρgH，ρ為上覆巖層容重，g為重力加速度，H為試驗(yàn)段埋。取巖體垂直鉆孔平面進(jìn)行分析，可得水壓致裂應(yīng)力測(cè)量力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2中：σmax為最大水平主應(yīng)力；σmin為最小水平主應(yīng)力；pc為巖體孔壁位置受到的壓力；r為鉆孔半徑；X-X′為水平軸；Y-Y′為豎向軸；θ為中心角度。

當(dāng)孔壁出現(xiàn)垂直裂縫時(shí)，孔壁上應(yīng)力可用柯西應(yīng)力集中解進(jìn)行分析。當(dāng)θ=0°時(shí)，環(huán)向應(yīng)力σθ取到最小值；當(dāng)σθ≤-σt（σt為巖體抗拉強(qiáng)度）時(shí)，孔壁開(kāi)裂，裂隙形成，此時(shí)，最小主應(yīng)力等于關(guān)閉應(yīng)力，可得

σmax=σt+3σmin-pc，（1）

σmin=ps。（2）

通過(guò)水壓致裂試驗(yàn)，確定pc，1，pc，2，ps，可計(jì)算出σmax，σmin。

需要指出的是，pc，1，pc，2，ps均為孔內(nèi)測(cè)試位置處的數(shù)值，而在測(cè)試過(guò)程中，該位置處的數(shù)值應(yīng)為地面處的實(shí)測(cè)值與孔內(nèi)靜水壓力pw之和，其關(guān)系為

pc，1=pc，1，g+pw，（3）

pc，2=pc，2，g+pw，（4）

ps=ps，1，g+pw。（5）

式（3）～（5）中：pc，1，g，pc，2，g，ps，1，g分別為開(kāi)裂壓力、重張壓力和關(guān)閉壓力的計(jì)算值。

2 新型雙管水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試裝置

目前，國(guó)內(nèi)使用的水壓致裂法儀器多為單回路方式，即單管方式。

單回路測(cè)試系統(tǒng)將鉆桿作為導(dǎo)管，封隔段與壓裂段加壓致裂時(shí)都通過(guò)該管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［10-12］。首先，將封隔器運(yùn)送至測(cè)試區(qū)域，再利用高壓泵通過(guò)導(dǎo)管對(duì)封隔段進(jìn)行注液，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，通過(guò)封隔器頂部的推拉開(kāi)關(guān)將壓力由封隔段轉(zhuǎn)換到壓裂段內(nèi)。這種裝置較為簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便，便于連續(xù)作業(yè)［13］，但容易產(chǎn)生以下兩個(gè)問(wèn)題。

1） 地下所有加壓管路都通過(guò)鉆桿實(shí)現(xiàn)，鉆桿連接的密封性較差，在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮水壓密閉性問(wèn)題。因此，在打壓過(guò)程中，管路會(huì)出現(xiàn)滲漏，導(dǎo)致壓力下降，測(cè)試結(jié)果可能失真。

2） 封隔段和壓裂段只能采用一套系統(tǒng)分時(shí)控制，無(wú)法同時(shí)進(jìn)行控制，因此，在壓裂期間無(wú)法控制封隔壓力。

新型雙管水壓致裂法裝置主要由高壓泵站、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、串聯(lián)封隔器、高壓膠管和開(kāi)關(guān)等組成，如圖3所示。

放棄使用鉆桿，采用高壓膠管替代，對(duì)封隔器等裝置進(jìn)行作業(yè)，達(dá)到封隔器輸送與試驗(yàn)段加壓的目的。相較于傳統(tǒng)單回路裝置，高壓膠管具有更高的密封性，測(cè)試前可往管道內(nèi)通入液體進(jìn)行密封性檢查，確保測(cè)試期間獲得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)，也更便于攜帶作業(yè)。裝置使用高壓膠管內(nèi)部固定雙層鋼絲網(wǎng)，以增強(qiáng)強(qiáng)度，試驗(yàn)前，對(duì)高壓膠管施加壓力至50 MPa，未見(jiàn)破壞跡象。高壓膠管每段長(zhǎng)度為20～50 m，采用C型接頭連接，接頭處帶有橡膠密封圈。此外，采用雙回路系統(tǒng)，兩條獨(dú)立的高壓膠管分別向封隔段和壓裂段加壓，相較于傳統(tǒng)單回路裝置，新型裝置可更加高效、精確地控制封隔段與壓裂段壓力。試驗(yàn)過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)封隔器壓力不夠，可隨時(shí)補(bǔ)壓，以保障數(shù)據(jù)測(cè)試的可靠性。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

為了進(jìn)一步驗(yàn)證新型雙管水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試裝置的適用性，在浙江省和福建省的16條隧道勘察中進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試地點(diǎn)，如圖4所示。

測(cè)試區(qū)域均為山嶺隧道，地層巖性主要為第4系地層、侏羅系上統(tǒng)地層；浙江省測(cè)試區(qū)段的巖性多為強(qiáng)風(fēng)化至中風(fēng)化晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，灰黃至灰色，玻屑塑變結(jié)構(gòu)，主要以火山灰、漿屑為主，含少量長(zhǎng)石、石英礦；福建省測(cè)試區(qū)段的巖性多為強(qiáng)風(fēng)化至中風(fēng)化花崗巖，灰白色至黃褐色，斑狀結(jié)構(gòu)，主要含有石英、長(zhǎng)石和黑云母，巖性堅(jiān)硬。

地應(yīng)力測(cè)試深度約為100～500 m。珠龍隧道ZLZK3鉆孔地應(yīng)力測(cè)試曲線（測(cè)試深度h=253.0 m），如圖5所示。

圖5中：p為測(cè)試壓力。

由圖5可知：地應(yīng)力測(cè)試曲線的上升段和下降段均較為明顯，巖石壓裂后重張段壓力均小于初始?jí)毫讯危€較為均勻，測(cè)試較為理想。

關(guān)閉壓力的確定對(duì)水壓致裂法地應(yīng)力計(jì)算非常重要。由式（2）可知，關(guān)閉壓力等于最小水平主應(yīng)力，即水壓致裂法可直接測(cè)出最小水平主應(yīng)力值。目前，比較常用的ps取值方法有拐點(diǎn)法、單切線法、雙切線法、Mauskat法及流量-壓力法等［14］。文中ps的取值方法主要采用拐點(diǎn)法，對(duì)于拐點(diǎn)不明顯的情況，則采用單切線法或雙切線法。

對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試位置處的鉆孔直徑為76 mm，由鉆孔取出的巖芯可知，巖體完整性良好，巖體呈長(zhǎng)柱狀、堅(jiān)硬，均能滿(mǎn)足水壓致裂條件。水壓致裂測(cè)試完成后，采用帶定位方向的水下攝像頭記錄破裂的方向和裂縫長(zhǎng)度。

各鉆孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

4 測(cè)試結(jié)果與討論

4.1 水平應(yīng)力具有較強(qiáng)的方向性

由實(shí)測(cè)結(jié)果可知：深部巖體中的天然應(yīng)力場(chǎng)具有明顯的方向性，破裂方向位于NW18°～NW45°；最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力比值為0.55～0.85，這與華北地區(qū)的數(shù)據(jù)［10］基本接近。因此，東南沿海巖體中水平應(yīng)力有強(qiáng)烈的方向性和各向異性，在成因歷史過(guò)程中，受到明顯的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制。

4.2 水平應(yīng)力與深度的關(guān)系

水平主應(yīng)力隨深度的變化情況，如圖6所示。由圖6可知：該測(cè)試區(qū)域處于中、低地應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力狀態(tài)較穩(wěn)定。通常情況下，巖體中的水平應(yīng)力隨深度的增大而增大，文獻(xiàn)［15-16］采用應(yīng)力解除法和水壓致裂法等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得水平應(yīng)力與深度的線性關(guān)系式，但也指出數(shù)據(jù)離散性較大。文中測(cè)試結(jié)果中，最小水平主應(yīng)力與深度基本呈正相關(guān)關(guān)系，但最大水平主應(yīng)力與深度的相關(guān)性較差。

4.3 水平應(yīng)力普遍大于豎向應(yīng)力

除仙靈旗隧道外，其他隧道的水平應(yīng)力普遍大于豎向應(yīng)力，最大水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力的比值（側(cè)壓系數(shù)）一般為0.72～4.83，多數(shù)大于1.00，平均值為2.16，表明該區(qū)域的最大水平主應(yīng)力與豎向應(yīng)力存在一定差異，水平應(yīng)力作用較為明顯，也說(shuō)明該區(qū)域受到較大的水平構(gòu)造應(yīng)力控制。三向主應(yīng)力的關(guān)系為σmaxgt;σmingt;σv，該種形式應(yīng)力對(duì)逆斷層活動(dòng)有利。各地區(qū)側(cè)壓系數(shù)的對(duì)比，如圖7所示。由圖7可知：浙江省和福建省的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與世界多數(shù)地區(qū)的數(shù)值基本接近。由此可知，在我國(guó)東南沿海地區(qū)，在深度100 m以下，水平構(gòu)造應(yīng)力作為主導(dǎo)，對(duì)逆斷層活動(dòng)有利。此外，需注意隧道設(shè)計(jì)時(shí)，過(guò)大的側(cè)壓系數(shù)也可能導(dǎo)致邊墻部分承受較大的圍巖壓力［17］。

4.4 測(cè)試注意事項(xiàng)

地應(yīng)力的測(cè)試設(shè)備常較為笨重，需要的管路較多，如在仙靈旗隧道測(cè)試時(shí)，最大測(cè)試深度為503.0 m，需要超過(guò)1 000 m的管路。管路在放入孔內(nèi)和提升時(shí)，需注意管路與鋼絲繩必須保持同步，否則，管路容易彎曲、折疊，被卡在孔壁上，因此，可以將管路與鋼絲繩每隔20～30 m長(zhǎng)度上用鎖扣鎖住，防止管路沿鋼絲繩滑落。封隔器直徑必須與孔徑相適應(yīng)，一般情況下，封隔器的直徑有許多種類(lèi)，直徑過(guò)大，下放有時(shí)困難，直徑過(guò)小，則可能影響封隔效果。文中裝置封隔器直徑為68 mm，能夠封隔75，90 mm的孔徑。正常情況下，封隔器在5～10 min即可基本泄壓完畢，但有時(shí)管路不慎出現(xiàn)彎曲折疊等問(wèn)題，會(huì)影響封隔器泄壓，地面上的壓力表無(wú)法顯示出封隔器內(nèi)的壓力，因此，封隔器的泄壓盡量維持時(shí)間長(zhǎng)一些，如果可行泄壓時(shí)間做到30 min以上，若泄壓不完全就提升封隔器，有可能被卡在孔壁上，無(wú)法提升，導(dǎo)致封隔器和管路等卡死在孔內(nèi)。加上碎塊狀巖體可能出現(xiàn)塌塊，地應(yīng)力的測(cè)試存在被卡孔內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)，建議若鉆孔同時(shí)做其他測(cè)試，如波速、孔內(nèi)攝像等，地應(yīng)力測(cè)試最好放在最后進(jìn)行。

5 結(jié)論

1） 新型雙管水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試裝置采用C型接頭的雙層鋼絲高壓膠管代替鉆桿，密封效果良好，通過(guò)地面控制系統(tǒng)能夠分別控制封隔段和壓裂段進(jìn)行加壓、泄壓，避免封隔段壓力衰減的問(wèn)題。

2） 我國(guó)東南沿海地區(qū)，深埋巖體中的天然應(yīng)力場(chǎng)具有明顯的方向性，破裂方向位于NW18°～NW45°，最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力比值為0.55～0.85。水平主應(yīng)力隨深度的增大而增大，最小主應(yīng)力與埋深的正相關(guān)關(guān)系明顯，但最大主應(yīng)力與埋深的相關(guān)性較差。

3） 側(cè)壓系數(shù)一般為0.72～4.83，大部分大于1.00，平均值為2.16，隧道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意側(cè)壓?jiǎn)栴}。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 賀永勝，王啟睿，劉恩來(lái)，等.深部巖體地應(yīng)力分布及測(cè)試技術(shù)研究進(jìn)展［J］.防護(hù)工程，2021，43（4）：71-78.

［2］ 王金安，李飛.復(fù)雜地應(yīng)力場(chǎng)反演優(yōu)化算法及研究新進(jìn)展［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，44（2）：189-205.

［3］ 李飛，周家興，王金安.基于稀少樣本數(shù)據(jù)的地應(yīng)力場(chǎng)反演重構(gòu)方法［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2019，44（5）：1421-1431.

［4］ 呂情緒.保德煤礦地應(yīng)力測(cè)試及分布特征分析［J］.煤礦機(jī)械，2021，42（8）：99-102.

［5］ 蔡美峰.深部水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究及其在萬(wàn)福煤礦超千米深部測(cè)量中的應(yīng)用［D］.北京：北京科技大學(xué)，2006.

［6］ 馬鵬，趙國(guó)平，張永永，等.錦屏超高壓巖體水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)研制與應(yīng)用［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012，29（8）：58-61，66.

［7］ 李金鎖，彭華，馬秀敏，等.水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試方法在云南大理－麗江鐵路隧道工程中的應(yīng)用［J］.地質(zhì)通報(bào)，2006（5）：644-648.

［8］ 曾昭友.水壓致裂法測(cè)試礦井軟巖巷道地應(yīng)力研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40（12）：31-34.DOI：10.13199/j.cst.2012.12.37.zengzhy.019.

［9］ 趙國(guó)平，陳文華，馬鵬，等.水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試在水電工程中的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，30（11）：77-82.

［10］ 郭文雕，王顯軍，楊樹(shù)新.論述原地應(yīng)力測(cè)量水壓致裂法發(fā)展?fàn)顩r［J］.決策探索（中），2018（11）：34-36.

［11］ 林旭東.水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試法在煤礦底板突水預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)煤炭，2019，45（6）：49-52.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2019.06.010.

［12］ 鄔愛(ài)清，韓曉玉，尹健民，等.一種新型繩索取芯鉆桿內(nèi)置式雙管水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試方法及其應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，37（5）：1126-1133.

［13］ 王海忠.單回路水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)的研制與應(yīng)用［J］.地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集，2004（增刊1）：39-44.

［14］ 邢博瑞.單孔三維水壓致裂原位地應(yīng)力測(cè)量應(yīng)用研究［D］.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2014.

［15］ 景鋒，勝謙，張勇慧，等.中國(guó)大陸淺層地殼實(shí)測(cè)地應(yīng)力分布規(guī)律研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（10）：2056-2062.

［16］ 康紅普，伊丙鼎，高富強(qiáng)，等.中國(guó)煤礦井下地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫(kù)及地應(yīng)力分布規(guī)律［J］，煤炭學(xué)報(bào)，2019，44（1）：30-40.

［17］ 徐能雄，張彬，武雄，等.巖體力學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2020.

（責(zé)任編輯： "錢(qián)筠" 英文審校： 方德平）

通信作者： 常方強(qiáng)（1980-），男，副教授，博士，主要從事海洋工程、巖土工程的研究。E-mail：changfq@hqu.edu.cn。https：∥hdxb.hqu.edu.cn/