引松供水工程總干線地應力測試研究

趙憲女，焦景輝

(1.長春工程學院機電工程學院，吉林長春130012；2.吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林長春130021)

1 工程概況

吉林中部城市引松供水工程是從豐滿松花湖調水，為吉林省中部地區的長春、四平及遼源市提供生產生活和農業供水的跨流域大型輸水工程，輸水總干線全長約110 km。其中，隧洞總長約98 km，是國內較長的有壓引水隧洞之一。工程位于吉林省中部，是平原和山區的過度帶。對工程區地應力的分布情況進行研究，其成果可為隧道軸線布置、開挖方式、隧洞的穩定性分析及隧道支護提供設計理論依據。

2010年，在隧道鉆孔1097號(樁號109+565.8)和支8號(樁號50+379)進行了地應力測試工作[1]。試驗方法采用水壓致裂測量法。測試情況見表1。

表1 測試情況

2 基本地質條件

試驗區地質構造屬于吉黑褶皺系，在漫長的地殼演化過程中，經歷了多次構造運動，構造格局多樣復雜，區內主要構造活動期為加里東構造旋回、華力西構造旋回、阿爾卑斯構造旋回，構造走向主要為北東向和北西向構造體系，北西向為伊通—輝南斷裂帶，北東向為四平—德惠、伊蘭—伊通斷裂帶；圍巖主要以中硬～堅硬巖石為主；地貌單元主要有河谷堆積地形、剝蝕堆積地形和構造剝蝕地形(中低山丘陵)。

1097號鉆孔孔內巖芯以花崗巖為主。其中，0～22.8 m為全風化花崗巖，黃褐色，粗粒結構，塊狀構造，已風化成砂礫狀；22.8～27.4 m為強風化花崗巖，肉紅色或銹黃色，顆粒結構，塊狀構造，節理裂隙發育；27.4～77.3 m為弱風化花崗巖，顆粒結構，塊狀構造，巖石堅硬致密，錘擊聲清脆，節理裂隙發育；77.3～85.0 m為微新花崗巖，顆粒結構，塊狀構造，巖石堅硬致密，錘擊聲清脆，礦物成分以長石、石英、黑云母為主，節理裂隙發育，巖芯呈柱狀。

支8號鉆孔孔內巖芯以花崗巖為主。其中，0～3.7 m為全風化花崗巖，黃褐色，粗粒結構，塊狀構造；3.7～11.5 m為強風化花崗巖，肉紅色，顆粒結構，塊狀構造；11.5～14.0 m為弱風化花崗巖，肉紅色，顆粒結構，塊狀構造，節理裂隙發育；14.0～26.8 m為微風化花崗巖，肉紅色，顆粒結構，成分以長石、石英、黑云母為主，節理裂隙稍發育，巖芯呈柱狀；26.8～124.0 m為新鮮花崗巖，肉紅色，顆粒結構，塊狀構造，其中在98.3 m以下，巖石由顆粒結構變為細粒結構，節理裂隙稍發育，巖芯呈柱狀。

3 現場地應力測試

3.1 水壓致裂法原理

水壓致裂法是國際巖石力學學會測試方法委員會推薦的巖石應力測量方法，是將一段鉆孔利用封隔器封隔起來，再由壓力泵注入高壓水體，對試驗測試段施壓，直至孔壁開裂，最后再根據壓裂試驗數據計算地應力。該方法已廣泛應用于水利水電、鐵路交通、礦山開發等巖石工程的各領域。水壓致裂法測量系統見圖1。

圖1 水壓致裂法測量系統

優點主要有：①操作簡單，周期短，試驗不受孔深限制，能夠完成任意鉆孔深度內的連續或重復測試；②試驗結果計算不涉及巖石的物理力學參數，完全由測量記錄的壓力值決定，人為誤差影響??；③鉆孔承壓段長度可人為調整，根據經驗大部分在1～2 m之間，減少了點應力數據值計算偏差。其基本假定：圍巖為均質的線性彈性體，鉆孔鉛直時，鉛直應力等于上覆巖層的自重壓力，并簡化為含有圓孔的無限大平板，水平方向受2個方向應力(鉆孔橫斷面上最大主應力σA和最小主應力σB， 即有效應力)控制[2- 4]。

3.2 地應力測試

地應力(或稱巖體初始地應力)是人類工程活動之前存在于巖體內部的應力，是巖石工程的基本外荷載之一，主要由有效應力和巖體的孔隙水壓力P0組成，即σH=σA+P0、σh=σB+P0。式中，σH和σh為最大和最小水平主應力，即地應力。

在加壓過程中，隨著水壓增大，孔壁切向應力逐漸下降，并轉為拉應力。當拉應力大于等于巖石的抗拉強度σt時，在鉆孔壁上將發生初始開裂縫，測量記錄曲線出現拐點，此時壓力就是巖石破裂壓力Pb；當液壓增加至巖石破裂壓力Pb后，壓力值急劇下降，根據海姆森給出的公式

式中，σt為巖石抗拉強度；K為孔隙滲透彈性系數，根據工程經驗，1≤K≤2，試驗巖石為非滲透性，K近似為1，則上式簡化為

Pb-P0=3σB-σA+σt

再以地應力代替上式有效應力可得到

Pb=3σh-σH+σt-P0

σH=3σh-Pb-P0+σt

根據裂縫沿最小阻力路徑傳播的原理，關閉壓力泵維持裂縫張開的瞬時，關閉壓力Ps和圍巖最小水平主應力σh相平衡，即

σh=Ps

巖石抗拉強度σt可根據現場對封隔段的卸壓-重新加壓的重復過程求出。在第1次加壓循環過程中，其孔壁圍巖破裂壓力即為破裂壓力Pb，在以后的加壓循環過程中，因巖石破裂其抗拉強度σt=0，則裂縫重張壓力Pr為

Pr=3σh-σH-P0

則可近似得到巖石抗拉強度σt為

σt=Pb-Pr

實測資料表明，水壓致裂法引起的裂縫一般發生在孔壁切向應力最小的部位，其延伸方向平行于最大主應力方向，這是基于巖石連續均質和各向同性的假設。試驗采用定向印膜器記錄破裂縫的長度和方向。

圖2 孔口測量記錄

序號孔深/mPb/MPaPr/MPaPs/MPaP0/MPaσt/MPaσH/MPaσh/MPaσz/MPaλσH方位13854231220311402610438—2556—482905/453515030—36038674460512715216344—46506949320620543917631N49°E5697—593206/453918824—67438858460730885320144N50°E77917648380728754621435—883212488580836956622542N53°E

注：巖石容重取27 kN/m3，λ為最大水平主應力方向的側壓系數(σH/σz)。

4 測試結果分析

根據鉆孔巖芯的完整性，在1097號和支8號2個鉆孔中不同深度進行水壓致裂地應力測試，其孔口測量記錄曲線見圖2(選取典型位置)。從圖2可知，測量記錄曲線線形符合水壓致裂法測試的基本規律，各壓力值特征明顯，試驗結果可以客觀地反映測試部位的應力狀態。

4.1 1097號鉆孔

在孔深38.5～83.2 m范圍內選取10段進行測試，成功取得8段測試資料，其中的3段進行了印模，測試結果見表2。從表2可知，1097號鉆孔在38.5～83.2 m深度范圍內的最大水平主應力σH為4.0～9.5 MPa，最小水平主應力σh為2.6～6.6 MPa，鉛直應力σz為1.0～2.2 MPa。測深69.7 m時應力量值比臨近測點明顯低，不具代表性，主要是測試段附近巖石破碎引起的。

水平主應力量值隨深度H變化關系(孔深69.7 m測值未考慮)見圖3。從圖3可知，應力測值均不同程度地隨深度的增加而增大。擬合公式σH=0.113H-0.46；σh=0.071H-0.01。

圖3 水平主應力測值隨深度的變化關系

最大水平主應力方向為印模獲得的水壓裂縫走向。根據印模結果，最大水平主應力方向在N49°E～N53°E之間。與其附近斷層Fw53和Fw53-1走向基本平行。

1097號鉆孔位置的隧洞頂板埋深約52.0 m，底板埋深約57.3 m，隧洞圍巖(埋深43～67 m)的最大水平主應力σH為4.5～7.1 MPa，最小水平主應力σh為3.5～5.2 MPa，鉛直應力σz為1.50～1.76 MPa，圍巖應力量值呈σH>σh>σz特征。隧洞圍巖最大水平應力方向的側壓系數λ為3.0～4.4，λ相對較大的原因是該測孔位下山谷地形的底部，受地形的影響有一定的應力集中。

圍巖為微新花崗巖，參考試驗結果(干抗壓強度Rd=117.8 MPa；飽和抗壓強度Rc=83.6 MPa)并根據工程經驗，取單軸飽和抗壓強度Rc=80 MPa (僅針對可能發生巖爆的完整硬質脆性圍巖)，則1097號鉆孔圍巖強度應力比Rc/σH=11.3～18.2(σH采用擬合計算值)，依據GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》，巖體應力量級為中低水平。

表3 支8號孔測試結果

圖4 水平主應力測值隨深度的變化關系

4.2 支8號鉆孔

根據鉆孔巖芯的完整程度，在孔深 30.5～121.1 m范圍內選取14段進行測試，成功取得11段測試資料，并對其中的3 測段進行了印模，測試結果見表3。從表3可知，在30.5～121.1 m深度范圍內的σH為1.9～7.7 MPa，σh為1.8～5.5 MPa，σz為0.8～3.3 MPa。部分測點應力測值比臨近測點明顯低(孔深98.2 m和112.0 m)，不具代表性，主要是測試部位附近巖石破碎引起的。

水平主應力量值隨深度H變化關系見圖4。從圖4可知，應力測值均不同程度地隨深度的增加而增大(孔深98.2 m及112.0 m測值未考慮)。擬合公式σH=0.059H+0.49；σh=0.045H+0.25。

最大水平主應力方向在N55°E～N60°E之間(深度107.5 m的印模方向為N52°W，可能受到附近裂隙密集帶的影響，未予考慮)，與鉆孔附近的Fw24斷層及NE向節理走向基本平行。

支8號鉆孔位置的隧洞頂板埋深約106.0 m，底板埋深約112.6 m，隧洞圍巖(埋深96～122 m)的最大水平主應力σH為6.8～7.7 MPa，最小水平主應力σh為4.6～5.5 MPa，鉛直應力σz為2.9～3.27 MPa，圍巖應力量值呈σH>σh>σz特征。隧洞圍巖最大水平應力方向上的測壓力系數λ為2.2～2.6。

圍巖為新鮮花崗巖，參考試驗結果(干抗壓強度Rd=143.3 MPa；飽和抗壓強度Rc=88.6 MPa)并根據工程經驗，取單軸飽和抗壓強度Rc=85 MPa，則支8號鉆孔圍巖強度應力比Rc/σmax=11.1～13.8(σH采用擬合計算值)，巖體應力量級為中低水平。

4.3 綜合分析

根據測試結果，1097號鉆孔和支8號鉆孔測試部位巖體應力場均呈σH>σh>σz的特征，表明該深度范圍內的地應力場是水平應力起主導作用，主要受構造應力和山谷地形作用的影響，且應力測值均不同程度地隨深度的增加而增大。

隧洞圍巖最大水平主應力方向上的側壓力系數λ為2.1～4.4。1097號鉆孔位于山谷底部，受地形的影響，存在一定的應力集中，其λ相對較大。支8號鉆孔位于山坡地形，應力量值受到一定的卸荷影響，λ相對較小。

從區域地質構造來看，工程構造格架受區域性北東和北西向構造體系控制，區域內的斷裂構造以壓性為主。吉林地震局康力、劉志平等根據震源機制得到吉林省中部地區現代地殼應力場表現出以NE～NEE向的主壓應力和NW～NNW向的主張應力為特點的區域應力場特征[5]。在工程區四平～長春方向，主壓應力方向由NEE向向EW向逐漸偏轉。根據測試結果，1097號鉆孔的最大水平主應力方向在N49°E～N53°E之間，支8號鉆孔在N55°E～N60°E之間，2個測孔最大水平主應力方位基本平行于區域構造方向，試驗結果可靠。

5 結 語

根據地應力測試結果，1097號鉆孔與支8號鉆孔圍巖強度應力比(Rc/σmax)均大于11，圍巖應力量級皆為中低應力水平，不易發生巖爆，減少了施工中的巖爆預防措施和投資，現中部隧洞已貫通近80%，與實際圍巖揭露情況相符。

隧道軸線布置在滿足工程總體布置的前提下，力求構造簡單、巖體完整穩定，也要考慮地應力的大小和方向的影響。在以水平應力為主的地應力場中，洞室軸線宜平行最大水平主應力方向(或小夾角)布置，否則邊墻易產生變形和破壞。根據地應力測試結果，1097號鉆孔和支8號鉆孔最大水平主應力方向與中部隧道軸線的夾角分別為33°和25°，對圍巖穩定比較有利，并與區域地質構造相印證。

[1] 齊文彪, 劉守偉, 劉陽, 等. 吉林省中部城市引松供水工程初步設計報告及相關試驗報告[R]. 長春： 吉林省水利水電勘測設計研究院, 2011．

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[4] 尤明慶. 水壓致裂法測量地應力方法的研究[J]. 巖土工程學報, 2005, 27(3)： 350- 353．

[5] 康力, 劉志平, 盤曉東, 等. 吉林省中部地區現今構造活動及現代地殼應力場特征的探討[J]. 東北地震研究, 2001, 17(1)： 69- 75．