基于水壓致裂法的原地應(yīng)力測試分析與研究

李劍偉 何 勇

(四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610017)

0 引言

巖爆和大變形是高地應(yīng)力區(qū)地下工程開挖中常碰到的工程地質(zhì)問題，是一種人類活動誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害。國內(nèi)外已有記錄中，在數(shù)十個國家和地區(qū)的隧道工程、深井采礦工程中發(fā)生了巖爆和大變形問題，嚴(yán)重困擾和影響工程建設(shè)與安全，如川藏公路二郎山隧道巖爆、奧地利Tauern隧道圍巖大變形、烏鞘山隧道千枚巖大變形、國道317線鷓鴣山隧道圍巖大變形等[1]。

隨著西部交通的建設(shè)與發(fā)展，越來越多的深埋長大隧道隨之出現(xiàn)。由于該區(qū)域深埋隧道穿越的地質(zhì)山體多經(jīng)歷過強(qiáng)烈的構(gòu)造改造和淺表生改造，地質(zhì)環(huán)境及構(gòu)造復(fù)雜，地應(yīng)力高，隧道建設(shè)中發(fā)生與高地應(yīng)力密切相關(guān)的巖爆和大變形災(zāi)害日益增多，嚴(yán)重影響工程安全、質(zhì)量、造價與進(jìn)度。

深埋隧道的軟巖大變形已引起學(xué)者和工程技術(shù)人員的日益重視，張志強(qiáng)[2]提出“剪切臺階”的出現(xiàn)是發(fā)生大變形的標(biāo)志，何滿潮[3]對軟巖大變形機(jī)制進(jìn)行了細(xì)分，張祉道[4]提出了隧道大變形發(fā)生的條件與支護(hù)原則，姜云[5]研究了控制隧道大變形發(fā)生的類型，劉志春[6]提出了以綜合系數(shù)法為指標(biāo)的大變形分級方案。獲取較為準(zhǔn)確的地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)，對于判別和預(yù)測隧道大變形及變形等級等意義重大。

關(guān)于地應(yīng)力測試，利用水壓致裂法測試原地應(yīng)力在工程界內(nèi)已得到較為廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用，但由于種種原因，工程勘察中大多數(shù)深埋隧道并未進(jìn)行地應(yīng)力測試，無法提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)供設(shè)計使用，難免造成冒進(jìn)或保守，影響工程安全、造價等。本文結(jié)合建設(shè)中的白楊坪隧道，在鉆孔內(nèi)采用水壓致裂法測試原地應(yīng)力，對隧址區(qū)地應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行了分析與研究，并做了相應(yīng)的大變形預(yù)測，給出相應(yīng)工程建議措施，為類似區(qū)域深埋隧道的地應(yīng)力測試與勘察設(shè)計提供一定的參考。

1 隧道工程概況

白楊坪隧道進(jìn)口位于廣元市青川縣境內(nèi)，出口位于綿陽市平武縣境內(nèi)。隧道采用分離式雙線隧道，左洞長3 498 m，右洞長3 501 m，在公路行業(yè)屬特長隧道。單洞寬10.25 m，洞凈高5 m，隧道洞頂最大埋深約415 m。

工程區(qū)構(gòu)造單元上屬于松潘—甘孜造山帶中的丹巴—汶川弧形逆沖—滑脫疊置帶和摩天嶺逆沖—推覆帶，隧道位于白羊倒轉(zhuǎn)復(fù)向斜北西翼位置，青川—平武斷裂距離隧道北側(cè)約2.2 km，呈北東方向展布，隧道位于斷裂下盤。青川—平武斷裂為晚更新世活動斷裂，其未來最大潛在地震能力為7.0級。

隧道圍巖為絹云母千枚巖，地表巖體完整性較差，深孔取得的巖芯相對完整(見圖1)，巖層千枚理面產(chǎn)狀312°～350°∠64°～86°。

由于該千枚巖隧道距離青川平武斷裂較近，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，隧道開挖后由于卸荷作用使得圍巖進(jìn)行應(yīng)力的重新分布，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，且最大埋深超過400 m，發(fā)生大變形的可能性較大，因此在隧道的前期勘察工作中，選取合適方法進(jìn)行原地應(yīng)力測試，可為后續(xù)的設(shè)計、施工、變形預(yù)測等提供參考與依據(jù)。

2 水壓致裂測試法原理

巖體中賦存的應(yīng)力，稱之為地應(yīng)力或者原巖應(yīng)力。隨著地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的發(fā)展以及地形不斷的演變，又引起了地應(yīng)力的集聚或者釋放，形成巖體中現(xiàn)存的原地應(yīng)力。巖體中的原地應(yīng)力受地質(zhì)構(gòu)造、成巖過程、巖體特征、地形地貌、巖體深度、地溫梯度等多種因素的影響，應(yīng)力真實狀態(tài)非常復(fù)雜。為了更好地獲取巖體中的原地應(yīng)力，最直接有效的方法就是進(jìn)行地應(yīng)力的測試。

目前巖體應(yīng)力的主要測試方法有水壓致裂測試法、應(yīng)力解除測試法、Kaiser效應(yīng)測試法等。其中水壓致裂法多在勘察設(shè)計階段使用，應(yīng)力解除法多在施工階段使用，而Kaiser效應(yīng)測試法是依據(jù)巖石聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)，判定試樣的先存應(yīng)力，由此確定現(xiàn)場采巖芯地點的地應(yīng)力。

工程中常采用的鉆孔水壓致裂法是通過測試取得垂直于鉆孔平面的最小水平主應(yīng)力(Sh)的大小與方向，然后通過計算求得最大水平主應(yīng)力(SH)。水壓致裂原地應(yīng)力測量原理是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，并基于以下3個基本假設(shè)[7]：

1)巖石是線型均勻、各向同性的彈性體；

2)巖石是完整的，壓裂液體對巖石來說是非滲透的；

3)主應(yīng)力方向中有一個應(yīng)力方向與鉆孔軸向平行。

在彈性力學(xué)理論和上述假設(shè)的前提下，水壓致裂力學(xué)模型可簡化為平面應(yīng)力問題(見圖2)。

基本等效于兩個主應(yīng)力σ1,σ2作用在中心有一圓孔(R=a)無限大的平板上，圓孔外距離中心距離為r處的任意點M徑向應(yīng)力σr、切向應(yīng)力σθ、剪應(yīng)力τrθ分別為：

(1)

將式(1)中r取值為a，即可求得圓孔壁應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)孔內(nèi)施加的液壓大于巖石所承受的應(yīng)力時，最小切向應(yīng)力A及其對稱點A′處產(chǎn)生張破裂。在孔壁破裂之后，如繼續(xù)增壓，則裂隙向深處擴(kuò)展；若停止注入液體增壓，并保持壓裂回路密閉，裂縫將迅速趨于閉合。

裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時的平衡壓力(瞬時關(guān)閉壓力Ps)，其值為最小水平主應(yīng)力Sh。

根據(jù)理論推導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力SH計算公式為：

SH=3Ps·Pr·Po

(2)

其中，Pr為再次增壓后破裂重新張開壓力;Po為巖石孔隙壓力。

垂直應(yīng)力SV一般表示為自重應(yīng)力，根據(jù)上覆巖體重量進(jìn)行計算。

測試中可計算巖石的原地抗張強(qiáng)度T，為臨界破裂壓力Pb與再次增壓后破裂重新張開壓力Pr的差值。

在實際測試中，假定鉆孔方向為自重應(yīng)力(SV)的主應(yīng)力方向，且初始開裂發(fā)生在鉆孔壁切向應(yīng)力最小部位，即平行于最大主應(yīng)力的方向，從而測定深部測點的三維狀態(tài)下的應(yīng)力。

綜上所述，DBT技術(shù)操作簡便、無創(chuàng)，并且與FFDM相比，該影像技術(shù)對致密型乳腺腺體的篩查準(zhǔn)確性、特異性均較占優(yōu)勢，可作為今后臨床早期篩查乳腺癌的一種推薦手段。

由于水壓致裂測試法突出的優(yōu)點是可以直觀地測得深部巖體內(nèi)的地應(yīng)力值，不需要借助巖石的彈性模量、泊松比等物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行換算，且鉆孔深部的巖芯較為完整，故本文研究的隧道選取該方法進(jìn)行測試。

3 測試方法與程序

3.1 水壓致裂測試方法

鉆孔內(nèi)具體測試應(yīng)力方法為：先將鉆孔內(nèi)一定深度范圍內(nèi)巖體上下兩端封隔，再通過泵入液體對該段增壓，隨著壓力持續(xù)升高直至鉆孔圍巖產(chǎn)生破裂。壓裂過程中記錄壓力、流量隨時間的變化，根據(jù)壓力—時間曲線及相關(guān)公式求出各應(yīng)力的數(shù)值。最大主應(yīng)力方位可根據(jù)印模定向，也可采用井下電視法確定，本文選取印模定向法。

3.2 測試程序

現(xiàn)場測試程序為：1)選擇試驗段；2)檢驗測量系統(tǒng)；3)安裝井下測量設(shè)備；4)座封；5)壓裂；6)關(guān)泵；7)卸壓。

水壓致裂法應(yīng)力測量系統(tǒng)示意圖見圖3。

在測試過程中，盡可能選擇多段進(jìn)行試驗，每段進(jìn)行3個回次以上測試，密切記錄壓力值隨時間的變化，以便準(zhǔn)確判斷巖體的破裂以及裂縫延伸、閉合等狀態(tài)。

3.3 印模定向

在壓裂測量試驗之后即進(jìn)行印模定向，為獲取巖體內(nèi)清晰的裂縫痕跡，需施加足夠的高壓，使得孔壁已產(chǎn)生的壓裂縫重新張開，便于特定的半硫化橡膠擠入裂縫，并保持相應(yīng)的時間，使印模器表面印制與裂縫相對應(yīng)的凸起印跡。

根據(jù)印痕和基線方位標(biāo)志兩者之間的關(guān)系，計算出所測得的破裂面走向，即為最大水平主壓應(yīng)力方向(見圖4)。

3.4 數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)記錄的壓力—時間曲線得到破裂壓力Pb(壓裂過程中第一循環(huán)回次的峰值壓力)，瞬時關(guān)閉壓力Ps以及裂縫的重新張開壓力Pr，計算出鉆孔內(nèi)的最大水平主應(yīng)力SH和最小水平主應(yīng)力Sh等。

4 鉆孔內(nèi)測試實例

4.1 孔內(nèi)測試

在鉆孔白ZK02的80.00 m～268.00 m范圍內(nèi)選擇了5個 測段進(jìn)行了水壓致裂法的原地應(yīng)力測試工作(見圖5)，每個測段均進(jìn)行了3次以上的重復(fù)測試，獲取了有效壓裂曲線。

壓力—時間記錄曲線形態(tài)比較標(biāo)準(zhǔn)，裂隙破裂、重張、閉合等階段對應(yīng)的各壓力點比較明確，地應(yīng)力測量記錄的壓力—時間曲線見圖6。同時在鉆孔內(nèi)選取了178.00 m和192.00 m兩個測段進(jìn)行了印模試驗。

4.2 數(shù)據(jù)分析

4.2.1關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理方法

破裂壓力Pb、重張壓力Pr可直接在壓力—時間曲線上取得，由于瞬時關(guān)閉壓力Ps直接確定最小水平主應(yīng)力的大小，同時又參與最大水平主應(yīng)力的計算，成為水壓致裂法測試中最重要的參數(shù)。

關(guān)于Ps的取值方法，國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM 2003)推薦了單切線及雙切線法、dt/dp法、dp/dt法、Mauskat方法、壓力—流量法等5種方法，并要求在實際使用時采用其中兩種或兩種以上方法進(jìn)行判讀[8]，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。本次試驗中Ps的取值綜合使用了dt/dp法、dp/dt方法和Muskat法3種方法進(jìn)行，并取3種方法的平均值。

4.2.2主應(yīng)力值

白ZK02鉆孔內(nèi)地應(yīng)力測量的壓裂參數(shù)和主應(yīng)力值計算結(jié)果見表1。

表1 白ZK02鉆孔地應(yīng)力測量結(jié)果

測試結(jié)果表明，在鉆孔白ZK02中主應(yīng)力值隨地層深度增加而增加，三個主應(yīng)力的關(guān)系可表現(xiàn)為SH>Sh>SV。由此表明，垂直重力作用表現(xiàn)為最小主應(yīng)力，水平構(gòu)造應(yīng)力作用占主導(dǎo)，應(yīng)力狀態(tài)為逆斷型應(yīng)力狀態(tài)。

本文線性擬合了主應(yīng)力SH,Sh與深度的關(guān)系變化梯度式，結(jié)果及圖件(如圖7所示)如下。

SH=0.030H+12.683,r2=0.58；

Sh=0.016H+9.081,r2=0.67。

4.2.3主應(yīng)力方向

實測的2段印模結(jié)果(如圖8所示)表明，最大水平主應(yīng)力方向由淺部至深部分別為：N81°W，N72°W，白ZK02鉆孔最大主應(yīng)力方向為NWW方向，與區(qū)域應(yīng)力場基本一致。

5 大變形預(yù)測與實測效果對比分析

白楊坪隧道圍巖為強(qiáng)度低的絹云母千枚巖，隧道最大埋深達(dá)415 m，鉆孔內(nèi)80.0 m～268.0 m段落內(nèi)測試的最大水平主應(yīng)力值在15.2 MPa～21.72 MPa之間，隨著隧道埋深進(jìn)一步加大，最大水平地應(yīng)力值大于20 MPa，地應(yīng)力較高，具備發(fā)生圍巖大變形的條件。本文結(jié)合實測的地應(yīng)力數(shù)據(jù)對圍巖大變形進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合隧道施工中的實測效果進(jìn)行對比分析。

5.1 大變形預(yù)測

印模結(jié)果表明鉆孔最大水平主應(yīng)力方向算術(shù)平均優(yōu)勢值為N76.5°W，與隧道軸線整體走向交角為15°左右，小于30°，相對而言，地應(yīng)力對隧道的作用整體影響稍小。

通過圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比(Rc/σmax)是評價和預(yù)測隧道圍巖大變形的一種主要方法，文中以計算的該指標(biāo)為依據(jù)，對隧道的圍巖進(jìn)行了大變形預(yù)測以及分級。白楊坪隧道各埋深處圍巖大變形分級預(yù)測見表2。

表2 圍巖大變形分級判別表

根據(jù)表2的計算結(jié)果表明，隧道埋深在190 m以下的段落發(fā)生大變形的可能性較小，隧道埋深在190 m以上的段落發(fā)生大變形的可能性更大，預(yù)測大變形等級為Ⅰ級。大變形等級為Ⅰ級的段落開挖后圍巖位移較大，持續(xù)時間較長；一般支護(hù)開裂或破損較嚴(yán)重，相對變形量3%～5%，圍巖自穩(wěn)時間短，以塑流型、彎曲型、滑移型變形模式為主，兼有剪切型變形[9]。

5.2 實測效果對比分析

根據(jù)白楊坪隧道左線ZK69+916.9斷面(埋深155 m)的拱頂、拱腰變形歷時曲線(見圖9)，顯示在隧道開挖之后的初期，拱頂下沉與拱腰收斂率均較大，其后在加強(qiáng)隧道初期支護(hù)后，拱頂下沉逐漸減小并穩(wěn)定，拱腰變形量相對拱頂較大，在進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)后，25 d左右時拱頂、拱腰變形均控制在規(guī)范要求范圍之內(nèi)，圍巖基本穩(wěn)定。

隧道拱頂、拱腰累計變形量僅占隧道寬度的0.29%，未達(dá)到圍巖大變形的級別[10]。隨著隧道進(jìn)一步施工，隧道埋深逐步加大，地應(yīng)力也相應(yīng)地增加，圍巖破碎且含水量較大段落自承能力容易喪失，應(yīng)變能釋放，可能會發(fā)生大變形破壞。建議進(jìn)一步加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)測，選擇合理的斷面形態(tài)進(jìn)行開挖，襯砌支護(hù)采用柔性與剛性相結(jié)合的綜合處治方法，預(yù)留變形量，短錨桿超前支護(hù)，中等長度的系統(tǒng)錨桿和少量補(bǔ)強(qiáng)錨桿綜合多重支護(hù)，及時做好封閉與支護(hù)，適當(dāng)提高襯砌剛度和適當(dāng)提前施作二次襯砌。根據(jù)圍巖—變形曲線適時調(diào)整支護(hù)抗力與支護(hù)柔性間的關(guān)系，使變形量與收斂速度受到控制。

6 結(jié)論與建議

1)鉆孔內(nèi)測試的最大水平主應(yīng)力值(SH)在15.2 MPa～21.72 MPa之間，隧道深部的最大水平主應(yīng)力值大于20 MPa，隧址區(qū)地應(yīng)力較高。

2)三個主應(yīng)力的關(guān)系為SH>Sh>SV，隧道圍巖段落中，水平構(gòu)造應(yīng)力作用占主導(dǎo)，應(yīng)力狀態(tài)為逆斷型應(yīng)力狀態(tài)。

3)印模結(jié)果顯示：最大水平主應(yīng)力方向為N81°W和N72°W，優(yōu)勢方位為NWW方向，與區(qū)域現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場方向較為吻合。

4)水壓致裂實測計算的地應(yīng)力計算與分析表明：埋深在190 m以下的千枚巖段落發(fā)生大變形的可能性較小，埋深在190 m以上的千枚巖段落發(fā)生大變形的可能性更高，預(yù)測大變形等級為Ⅰ級。

5)由于大變形受多種因素控制，成因極為復(fù)雜，建議施工過程中加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)測，選擇合理的斷面形態(tài)進(jìn)行開挖，襯砌支護(hù)采用柔性與剛性相結(jié)合的綜合處治方法，適當(dāng)容許圍巖變形、提前釋放地應(yīng)力，同時應(yīng)特別注意地下水與地質(zhì)構(gòu)造對圍巖穩(wěn)定性的影響。