套心應力解除法在某深埋隧道地應力測量中的應用

李 洋，黃文龍

1.華北有色工程勘察院有限公司 河北 石家莊 050021; 2.河北省地礦局國土資源勘查中心 河北 石家莊 050051

1 引言

地應力狀態是評價深部巖石工程問題的先決條件,由此在各類深部巖石工程實施過程中準確測量地應力場的分布狀態顯得尤為重要[1-3]。目前測量地應力的主要方法有水壓致裂法、聲發射法（Kaiser法）和套心應力解除法等[4-6]，其中套芯應力接觸法是國際巖石力學學會試驗方法委員會頒布的確定巖石應力所推薦的方法之一，是目前國際上能較好地直接進行深孔應力測量的先進方法。該方法除可以直接測量地應力外還可間接測得隧道圍巖相關力學參數，并具有操作簡便、可進行連續或重復測試、測量速度快、測值可靠等特點[7]，因此近年來得到了廣泛應用，并取得大量的成果。文章將系統地介紹套心應力解除法的基本原理及該方法在某深埋鐵路隧道地應力測量中的應用，并與水壓致裂法、聲發射法（Kaiser法）進行簡要的分析比較，凸顯該方法在深埋隧道地應力測量中的意義。

2 套心應力解除法基本原理

鉆孔套心應力解除法基本原理是在鉆孔中安裝應變測量元件（空心包體），通過量測套心應力解除前后鉆孔孔徑變化、孔底應變變化、孔壁表面應變變化值來確定天然應力的大小和方向[8]。所謂套心應力解除是用一個較測量孔徑更大的巖心鉆，對測量孔進行同心套鉆，把安裝有傳感器元件的孔段巖體與周圍巖體隔離開來，以解除其天然受力狀態[9-14]，具體鉆孔空間形態及應變測量元件（空心包體）安裝位置見圖1。

圖1 套心應力解除法地應力測量過程Fig.1 The process of in-situ stress measurement by the sleeve core stress relief method

測量的關鍵應變測量元件是數字空心包體（見圖2），其被永久安裝到一個鉆孔中，可以實時顯示巖石的應變和溫度。儀器包含高精度的應變計和一個封裝的微控制器，可以連續監測應變，并通過串口反饋這些數據。應變值直接在應變計上被數字化，這樣可以消除因電纜的長度而產生的噪音和信號衰減。只有當讀數的時候才對應變計供電。這樣可以消除因長期供電而產生的熱效應。

圖2 數字空心包體Fig.2 Digital hollow body

每個空心包體內部安放有12組應變片，不同應變片按照不同的空間方位展布。具體空間方位見圖3，通過不同方位的應變片反饋的數據可以測量各向同性和各向異性巖體中的應力。同時在套芯接觸過程中與計算機連接的數據采集器可記錄每一組應變片的微電壓變化。通過后期軟件處理將微電壓轉變成微應變。

圖3 空心包體應變片分布圖Fig.3 Distribution of strain gauges in the hollow envelop

測量孔套心應力解除后獲得安裝有空心包體的巖芯，運用巖石率定義對應力解除完畢的巖芯施加圍壓，圍壓采取0 MPa、1.5 MPa、3 MPa、4.5 MPa、6 MPa、7.5 MPa和9 MPa，通過記錄所施加的圍壓與巖芯所產生的應變可得到圍巖的彈性模量、泊松比等力學參數（圖4），通過應力對解除過程中空心包體應變片所產生微電壓變化和巖石的彈性模量及泊松比等力學參數進行分析計算，即可得到地應力的大小和方向。

3 工程實例

3.1 工程概況

某隧道位于山西省長治市境內，屬中南鐵路大通道，進出口里程DK561+858～DK570+958，全長9.1 km，隧道最大埋深730 m，最小埋深約94 m，根據工程需要，兩處地應力測量點歷程分別為DK567+005和DK565+745，其埋深分別為408 m和380 m。

3.2 工程地質條件

該隧道場地屬太行構造侵蝕中山區，地形起伏較大，地形復雜，相對高差約360 m。隧道呈東西展布，斜穿北傾的山體，隧道進口山體坡角30°左右，出口山體坡角50°。

該隧道所穿越的地層由老到新為古生界震旦系串嶺溝組（Z1ch）、古生界寒武系下統饅頭組（ε1m）、古生界寒武系下統毛莊組（ε1mz）、古生界寒武系中統徐莊組（ε2x）、古生界寒武系中統張夏組（ε2z）、古生界寒武系上統崮山組（ε3g）、 古生界寒武系上統長山組（ε3c）、古生界寒武系上統鳳山組（ε3f）、古生界奧陶系下統（O1）、 古生界奧陶系中統下馬家溝組（O2x），第四系上更新統坡洪積層（Q3dl+pl）黃土質砂黏土，兩測點處的地層為古生界寒武系下統饅頭組（ε1m）灰巖。

隧道場區位于新華夏系第二隆起帶太行山塊隆。隧道穿越一個向斜和一個背斜，在DK569+465處穿越一斷層，該斷層為正斷層，東傾，傾角約70°，落差約140米。場區地表巖石有溶蝕現象，淺部巖石風化，節理裂隙發育，將表層巖體切割成碎塊狀、大塊狀。

隧址地表水不發育，無常年性地表水體，調查期間均未見地表水。根據地下水賦存條件，水理性質及水力特征，場區地下水主要為松散巖類孔隙潛水、碳酸鹽類裂隙溶洞水和碎屑巖類裂隙水。

3.3 地應力測量及成果

依據套心應力解除法基本原理，在該隧道內選取了兩個測點進行地應力測量，在應力解除過程中數據采樣間隔為3 s。通過相配套的軟件對數據進行應變誤差和溫度誤差校正，選取應力解除過程中進尺深度分別為0 m、0.05 m、0.10 m、0.15 m、0.20 m、0.25 m、0.30 m、0.35 m、0.40 m和0.45 m的應變數據作為地應力分析基準。

3.3.1 DK567+005測點

該測點的具體測量數據見表1。其中第1～12列為應變片微電壓，第13列為在該進尺深度下溫度所對應的熱電偶讀數，第14列為進尺深度，第15列為時間。

表1 DK567+005處測點地應力計算基準數據Table 1 Baseline data for calculation of in-situ stress at DK567+005

該測點巖石率定試驗數據見表2。其中第1～12列為應變片微電壓變化值，第13列為圍壓大小，通過對數據的分析處理得到該測點圍巖的彈性模量為43.01 GPa，泊松比為 0.36。

表2 DK567+005處測點巖石率定數據Table 2 Rock calibration data at measurement point DK567+005

由上述測量數據可得微應變與圍壓、應力解除深度和解除時間的變化關系曲線，見圖5-圖7。在巖石率定中微應變隨著圍壓的增加而增加，微應變與應力解除深度和解除時間的變化關系曲線圖中各應變片的微應變值走勢具有較高的一致性，是該測點地應力狀態的反映。

圖5 DK567+005測點微應變與圍壓變化關系曲線Fig.5 The relationship between the micro-strain of DK567+005 measuring point and the change of confining pressure

圖7 DK567+005測點微應變與應力解除時間變化關系曲線Fig.7 The relationship curve between the micro strain of DK567+005 measuring point and the time of stress release

綜合分析上述測量數據，采用相應的配套軟件計算得DK567+005處測點地應力場狀態見表3。該測點最大主應力與最小主應力走向近垂直，中間主應力是上覆巖層重度的體現，這與地應力相關理論較為吻合，表明測量結果較為可靠。

表3 DK567+005處測點地應力測試成果Table 3 Ground stress test results of DK567+005 measuring points

圖6 DK567+005測點微應變與應力解除深度關系曲線Fig.6 The relationship between the micro-strain of DK567+005 measuring point and the depth of stress relief

3.3.2 DK565+745測點

該測點的具體測量數據見表4，表中數據代表意義同上。

表4 DK565+745地應力計算基準數據Table 4 DK565+745 ground stress calculation benchmark data

該測點巖石率定試驗數據見表5，表中數據代表意義同上，通過對數據的分析處理得到該測點圍巖的彈性模量為42.24 GPa，泊松比為0.28。

表5 DK565+745處測點巖石率定數據Table 5 Rock calibration data at DK565+745 measurement points

由上述測量數據可得微應變與圍壓、應力解除深度和解除時間的變化關系曲線，見圖8-圖10。該測點與DK567+005測點類似，在巖石率定中微應變隨著圍壓的增加而增加，微應變與應力解除深度和解除時間的變化關系曲線圖中各應變片的微應變值走勢的一致性，亦是該測點地應力狀態的反映。

圖8 DK565+745測點微應變與圍壓變化關系曲線Fig.8 The relationship between the micro-strain of DK565+745 measuring point and the change of confining pressure

圖10 DK565+745測點微應變與應力解除時間變化關系曲線Fig.10 The relationship between the micro-strain of DK565+745 measuring point and the time of stress release

綜合分析上述測量數據，采用相應的配套軟件計算得DK565+745處測點地應力場狀態見表6。該測點最大主應力與最小主應力走向亦垂直，中間主應力也反映了上覆巖層的重度，與DK567+005測點類似，測量結果有較高的可靠性。

表6 DK565+745處地應力測試成果Table 6 DK565+745 ground stress test results

圖9 DK565+745測點微應變與應力解除深度關系曲線Fig.9 The relationship curve between the micro-strain of DK565+745 measuring point and the depth of stress relief

3.4 測量結果分析

兩個測點的結果最大主應力與最小主應力大小近似相等，空間產狀近似相同，二者具有較高的吻合性，二者相互印證結果更為可靠。中間主應力傾角均為70°左右，而非絕對垂直，這是由于隧道上覆巖土體形態變化較大，存在偏壓的可能；兩測點中間主應力大小有一定差別，這是由于中間主應力往往和測點上覆巖層的重度有關，DK567+005處埋深為408米，DK565+475處埋深380米，兩處測點的中間主應力與埋深具有很高的一致性。綜上所述，本次測量兩測點成果與普遍認識的地應力理論具有較高的一致性。

4 討論

目前對于地應力測量常用的水壓致裂法是以假設鉆孔方向是在主應力方向為前提的，其成果一般給出了垂直于鉆孔平面的最大和最小主應力的應力場特征，通常中間主應力是根據上覆巖層重度來計算的，往往是認為是豎直向下的，如果鉆孔方向偏離主應力方向（大于正負15°），得出的成果精度就會很有問題[15-18]。由于該隧道前期資料較少，采用水壓致裂法的先決條件受到很大局限，而且由于隧道上覆巖土體形態變化較大，存在偏壓，中間主應力并不是豎直向下的，因此采用水壓致裂法測量該隧道地應力會存在很大問題。聲發射法（Kaiser法）需現場采樣后在室內進行試驗，試樣在采樣和運輸過程中勢必會造成不可避免的擾動[19-20]，同時Kaiser效應點的判別存在很大的主觀性[21],某些巖石的Kaiser效應點所對應的巖石強度大于其單軸抗壓強度最大值，往往導致測試結果錯誤[22]。因此聲發射法需不斷改進測試方法，同時與其他測試方法相結合，才能提高其測試精度。套心應力解除法可以很好地避免上述問題，測得的地應力為三維成果，更具有可分析性與直觀性，其先后在雅安二郎山隧道、西藏嘎隆拉鐵路隧道、遂（遂寧）成（成都）高速鐵路云頂隧道、成貴鐵路大梁子隧道等工程的地應力測量中取得了良好的效果。