吉林省通化南部地區淺部工程地應力分析

王　巖，杜　軍

（1.吉林省地礦勘察設計研究院，吉林長春130012；2.遼寧工程勘察設計院，遼寧錦州121000）

吉林省通化南部地區淺部工程地應力分析

王巖*1，杜軍2

（1.吉林省地礦勘察設計研究院，吉林長春130012；2.遼寧工程勘察設計院，遼寧錦州121000）

通化南部地區公路、鐵路和水利等一些基礎設施的淺部地下工程（如隧道等）往往也面臨著較高的地應力環境。通過搜集該地區2組地下100～500m淺部巖體工程地應力實測資料，參照Hoek-Brown方法，分析討論該地區淺部巖體垂直應力、最大和最小水平主應力隨埋深的分布規律，以及區內不同地塊地應力大小、應力場方向的差異。

通化南部地區；淺部工程；地應力；應力場方向

1　地質背景

通化南部地區位于吉林省東南部，南與朝鮮民主主義人民共和國隔鴨綠江相望。地貌單元屬于鴨綠江與渾江之間的老嶺中低山區。大地構造單元屬于渾江陷褶斷束（Ⅱ）之鴨綠江凹褶斷束（Ⅲ）［1］北部。構造活動早期形成遼吉古裂谷，至中生代以韌塑性變形和塑性縱彎柔流褶皺變形［2］為主。新生代以來區內活動表現為繼承性、間歇性和改造性。鴨綠江斷裂帶位于區內南部，NE方向延伸，具有多期活動特點，斷裂帶南側為集安地震帶。渾江斷裂帶位于區域北部邊界，弧形展布，由數條斷層構成，斷面多傾向北西，局部傾向南東，傾角50°～60°。

2　Hoek-Brown方法與淺部工程

2.1Hoek-Brown方法［3］

E.T.Brown和E.Hoek統計了世界不同地區地應力測量結果，總結了垂直應力、水平平均主應力與垂直應力之比隨埋深分布規律，即：

式中：H——埋深；

σV——垂直應力；

σH——最大水平主應力；

σh——最小水平主應力。

2.2淺部工程

何滿潮等把國際巖石力學學會定義的硬巖發生軟化的深度作為深部工程與淺部工程的界限。即假設覆巖的容重為25kN/m3，則硬巖發生軟化的臨界深度為500m。因此將大于500m深度范圍的地下工程稱為深部工程，把小于500m范圍的地下工程稱為淺部工程。王明洋等基于分區破裂現象深度概念，根據圍巖的變形和破壞形態，界定淺部工程活動為坑道最大支撐壓力區不破壞的深度［3］。

3　地質應力測試方法與測試成果

3.1測試方法

收集的地區兩點地應力測式方法均采用水壓致裂原地應力測量方法，水壓致裂法為國際巖石力學學會試驗方法委員會所推薦的測定巖石應力方法之一，是目前直接進行孔內應力測量的先進方法。其原理如下：利用一對可膨脹的封隔器在選定的測量深度封隔一段鉆孔，然后通過泵入流體對該試驗段（常稱壓裂段）增壓，同時利用X-Y記錄儀、計算機數字采集系統記錄壓力隨時間的變化。對實測記錄曲線進行分析，得到特征壓力參數，再根據相應的理論計算公式，就可得到測點處的最大和最小水平主應力的量值以及巖石的水壓致裂抗拉強度等巖石力學參數。測試系統如圖1所示。

3.2測試成果

（1）通化抽水蓄能電站應力測試。抽水蓄能電站位于通化市區西南15km，對ZK12孔9個測段進行地應力值隨深度分布測試，測試深度100.0～301.7m，測試成果見圖2。

①ZK12孔在測量深域內最大水平主應力為7.6～14.5MPa，最小水平主應力3.8～8.4MPa，垂直應力為2.0～8.2MPa。

②測孔處最大、最小水平主應力值回歸計算公式為σH=0.035H+4.50；σh=0.023H+1.65；垂直應力值回歸計算公式為σV=0.0263H，鉆孔上部存在水平應力集中，地應力大小表現為σH＞σh＞σV，水平構造應力作用為主。

③應力場狀態以NEE向擠壓為主，最大水平主應力方向一般為N64°～83°E，優勢方向N74°E。

（2）五女峰隧道應力測式。五女峰隧道位于通化市區東南83km，對SZK05孔10個測段進行地應力值隨深度分布測試，測試深度100.0～500.0m，測試成果見圖3。

圖1　雙回路水壓致裂應力測量系統

圖2　電站孔內應力值隨深度變化圖

圖3　隧道孔內應力值隨深度變化圖

①SZK05孔在測量深域內最大水平主應力為4.0～19.0MPa，最小水平主應力3.0～14.0MPa，垂直應力為2.0～13.0MPa。

②測孔處最大、最小水平主應力值回歸計算公式為σH=0.034H+1.56；σh=0.023H+0.94；垂直應力值回歸計算公式為σV=0.0265H，鉆孔上部也存在水平應力集中，地應力大小表現為σH＞σh＞σV，水平構造應力作用為主。

③應力場狀態以NEE向擠壓為主，最大水平主應力方向為N60°～72°E，優勢方向為N67°E。

4　應力分布規律討論

分析總結上述2個工程應力測試成果，得出淺部工程地應力規律如下：

（1）垂直主應力隨深度增加呈直線型增加，相應地最大、最小水平主應力也隨深度而逐步增大，兩向水平應力呈近似平行的2條直線，發展趨勢隨深度增加與垂直應力的差值逐漸減少。

（2）兩測試點均表現出鉆孔上部均存在一定程度的水平應力集中。

（3）三向主應力大小關系如下：σH＞σh＞σV，表明相應工程區應力場均以水平構造應力作用為主，并有隨深度線性增加趨勢，區內深部存在逆斷層型應力狀態。

（4）區內應力場狀態以NEE向擠壓為主，最大水平主應力優勢方向NEE，與中國大陸應力場方向［4］基本一致。

5　區塊間應力差異分析討論

（1）垂直應力。2個測點垂直應力分別為σV=0.0263H、σV=0.0265H，垂直應力與埋深的線性關系明顯，回歸的相關性很好，應力變化梯度接近。表明通化南部地區相同埋深不同區塊淺部垂直應力值大小基本一致，應力大小基本由上覆巖體重量引起的。與Hoek-Brown方法的統計結果相比較，應力變化梯度略小于Hoek-Brown統計關系式中的0.027，應力大小與深度關系符合Hoek-Brown方法中垂直應力統計關系式。

（2）水平主應力。兩地回歸式中的最大水平主應力和最小水平主應力的梯度系數基本相等，表明通化南部地區淺部工程的最大、最小水平主應力變化量隨工程埋深變化量基本相等；但常數項前者明顯要大于后者，表明區域內淺部巖體既已存在明顯的水平應力事實，同時也反映不同區塊既已存在的水平應力大小差異明顯?？偨Y該區水平主應力大小關系式如下：

式中：C1、C2——既已存在的最大水平主應力、最小水平主應力。

（3）應力場方向。區內最大水平主應力優勢方向均為NEE，不同區塊最大水平主應力優勢方向略有差異。

6　結論

（1）通化南部地區淺部工程巖體垂直應力隨埋深增大而增大，垂直應力與埋深有良好的線性關系。垂直應力大小基本由上覆巖體重量引起的，應力變化梯度略小于Hoek-Brown統計關系式中的0.027。

（2）兩向水平應力隨埋深近似呈線性關系變化，發展趨勢隨深度增加與垂直應力的差值逐漸減少。區域內淺部巖體存在顯著水平應力，不同地塊應力大小差異明顯。

（3）區內三向主應力關系為：σH＞σh＞σV。

（4）區內應力場狀態以水平構造應力作用為主，最大水平主應力優勢方向NEE。

［1］吉林省地質礦產局.吉林省區域地質志［M］.北京：地質出版社，1988.

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［11］龔曉南.土力學［M］.北京：中國建筑工業出版社，2002.

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1004-5716（2016）02-0020-03

2015-09-24

2015-10-23

王巖（1973-），男（漢族），遼寧大連人，高級工程師，現從事水工環技術工作。