軟巖隧道地應(yīng)力測(cè)試常用方法與評(píng)價(jià)綜合分析

朱源婷，黃 彪

（1.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

西南地區(qū)多山，高速公路或鐵路等工程修建時(shí)多以隧道的形式通過(guò)。包含隧道工程在內(nèi)的地下工程是先受力，后開(kāi)挖，并且地應(yīng)力從開(kāi)挖前到最終一直對(duì)圍巖起著作用。對(duì)于深埋隧道，高地應(yīng)力對(duì)于路線通過(guò)形式的選擇及工程造價(jià)高低影響極大，因此，除地調(diào)、物探、鉆探取樣及常規(guī)的聲波等綜合測(cè)井測(cè)試分析手段之外，對(duì)深埋隧道還需要進(jìn)行地應(yīng)力專項(xiàng)測(cè)試分析。

以云南省某擬建高速公路軟巖隧道地應(yīng)力專項(xiàng)測(cè)試分析過(guò)程為例，對(duì)軟巖隧道工程地應(yīng)力測(cè)試常用方法與評(píng)價(jià)綜合分析過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行歸納與總結(jié)。

1 工程概況

某在建隧道為擬建高速公路的主要控制性工程，設(shè)計(jì)采用分離式隧道穿越大黑山，隧道全長(zhǎng)近10 km，最大埋深達(dá)840 m。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 自然地理?xiàng)l件

擬建隧道位于橫斷山脈南段，附近海拔1 670～2 730 m，相對(duì)高差1 052 m；隧道軸線通過(guò)段最高海拔2 837 m，最低海拔1 781 m，相對(duì)最大高差1 056 m。場(chǎng)區(qū)屬剝蝕構(gòu)造中山陡坡地貌單元，山脊呈長(zhǎng)壟狀，山頂呈尖峰狀。溝谷多呈狹長(zhǎng)型，以侵蝕下切為主，局部地勢(shì)相對(duì)低洼，切割較深。地形起伏較大，地勢(shì)較陡峻，地形復(fù)雜，地表植被較發(fā)育。

2.2 巖土體組成

場(chǎng)區(qū)巖土體主要為上部殘坡積層（Q4el+dl），基巖主要為白堊系上統(tǒng)云龍組（K2y）薄至中厚層狀泥質(zhì)砂巖、泥巖，巖性整體為軟巖。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

項(xiàng)目區(qū)域位于青藏滇緬印尼巨型構(gòu)造體系中段與經(jīng)向構(gòu)造體系相復(fù)合部位，以“歹”字型構(gòu)造體系的北北西向構(gòu)造帶為主，經(jīng)向構(gòu)造體系的南北向構(gòu)造次之。隧道位于漾江中生界褶皺區(qū)，主要褶皺線大體上呈北西向分布。

受構(gòu)造和地層結(jié)構(gòu)控制，區(qū)內(nèi)基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，延伸遠(yuǎn)，切穿巖層面。風(fēng)化裂隙多不規(guī)則，密度較大，呈網(wǎng)格狀；隧址區(qū)巖層產(chǎn)狀受構(gòu)造影響，產(chǎn)狀多變。

3 地應(yīng)力專項(xiàng)測(cè)試在該隧道勘察中的應(yīng)用

3.1 隧道工程地應(yīng)力測(cè)試方法介紹與選取

地應(yīng)力研究發(fā)展至今，測(cè)試方法多種多樣，總體而言可以歸結(jié)為5 大類：包含基于巖芯的方法，基于鉆孔的方法、地質(zhì)學(xué)方法、地球物理方法（或地震學(xué)方法）以及基于地下空間的方法。結(jié)合工程勘察中所普遍采用的常規(guī)物探、鉆探等手段，工程上地應(yīng)力專項(xiàng)測(cè)試離不開(kāi)深孔鉆探，常采用基于鉆孔的水壓致裂法和基于巖芯的巖芯直徑變形分析法（DCDA）。

圖1 工程常用地應(yīng)力測(cè)試方法與深孔鉆探關(guān)系圖

水壓致裂法對(duì)于鉆孔的完整性要求很高，其利用一對(duì)可膨脹的封隔器在選定的測(cè)量深度封隔一段鉆孔，然后通過(guò)泵入流體對(duì)該試驗(yàn)段(常稱壓裂段)增壓，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng)記錄壓力隨時(shí)間的變化。對(duì)實(shí)測(cè)記錄曲線進(jìn)行分析，得到特征壓力參數(shù)，再根據(jù)相應(yīng)的理論計(jì)算公式，就可得到測(cè)點(diǎn)處的最大和最小水平主應(yīng)力的量值以及巖石的水壓致裂抗張強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù)。對(duì)于巖性較硬，鉆孔完整的情況采用該種方法測(cè)試的數(shù)據(jù)非常理想。

對(duì)于巖性破碎等軟巖情況，鉆探過(guò)程中利用套管保持鉆孔的完整性，試驗(yàn)時(shí)拆除套管后孔壁坍塌破碎，無(wú)法放入儀器并進(jìn)行原位測(cè)試。此時(shí)，只需要鉆進(jìn)取芯過(guò)程中確保鉆速穩(wěn)定，取出的巖芯柱面光滑、無(wú)螺痕，同時(shí)巖芯避免微裂隙發(fā)育的影響，即可利用室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)及巖心直徑變化特征來(lái)計(jì)算差應(yīng)力值，該方法實(shí)施起來(lái)更便捷。

為保證地應(yīng)力測(cè)試的精度，該隧道共選擇洞身鉆探深孔2 個(gè)，分別采用水壓致裂法和巖芯直徑變形分析法（DCDA）對(duì)隧址區(qū)地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。

地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂和室內(nèi)DCDA 測(cè)試見(jiàn)圖2。

圖2 地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂和室內(nèi)DCDA 測(cè)試圖

3.2 地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)分析

地應(yīng)力測(cè)試過(guò)程中，水壓致裂法共選取500～700 m 段不同深度8 個(gè)測(cè)段的水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試，試驗(yàn)中壓裂段長(zhǎng)度選取了1.2 m，根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制了水壓致裂法鉆孔壓力與時(shí)間關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。DCDA法則選取該段每個(gè)測(cè)試深度段取2～4 塊巖芯，每個(gè)巖芯進(jìn)行2 次以上直徑變形分析測(cè)試，并繪制鉆孔DCDA 測(cè)試原始和擬合曲線關(guān)系圖，見(jiàn)圖4，最后根據(jù)測(cè)點(diǎn)的水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力和垂向應(yīng)力隨深度變化規(guī)律，計(jì)算出壓裂參數(shù)和主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以獲得水平主應(yīng)力值隨深度變化特征，并給出了采用線性擬合的方式計(jì)算得到水平主應(yīng)力隨深度變化梯度圖和公式，見(jiàn)圖5。可知主應(yīng)力隨深度逐漸增大，符合通常的認(rèn)知，隨著深度增加地應(yīng)力的量值也逐漸增大，且地應(yīng)力隨深度的變化關(guān)系總體上呈線性關(guān)系的相關(guān)性關(guān)系。

圖3 水壓致裂法鉆孔壓力與時(shí)間曲線關(guān)系圖

圖4 鉆孔DCDA 測(cè)試原始和擬合曲線關(guān)系圖

圖5 鉆孔地應(yīng)力值隨深度分布特征圖

3.3 高地應(yīng)力評(píng)價(jià)綜合分析

根據(jù)地應(yīng)力定義，其指天然環(huán)境下地殼巖土體內(nèi)某一點(diǎn)所固有的應(yīng)力狀態(tài)，因此地應(yīng)力是廣泛普遍存在的。工程應(yīng)用中得到地應(yīng)力數(shù)值大小后，最為重要的是高地應(yīng)力評(píng)價(jià)明確場(chǎng)區(qū)是否存在高地應(yīng)力（包含高地應(yīng)力和極高地應(yīng)力）以便采取對(duì)應(yīng)的工程措施。根據(jù)公路工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20-2011） 附錄D 及《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218-2014）附錄C，工程巖體強(qiáng)度應(yīng)力比法采用Rc與σmax的比值大小進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)Rc/σmax介于4～7 時(shí)為高應(yīng)力，小于4 時(shí)為高應(yīng)力（其中Rc指巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，σmax為垂直洞軸線方向的最大初始應(yīng)力）。

據(jù)上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)該隧道不同深度地應(yīng)力狀態(tài),見(jiàn)表1。

表1 隧道不同埋深段地應(yīng)力評(píng)價(jià)表

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，隧道淺埋段都存在高地應(yīng)力，與常規(guī)認(rèn)知存在差異，評(píng)價(jià)結(jié)果極為保守。經(jīng)過(guò)分析可知，高地應(yīng)力是一個(gè)相對(duì)的概念，并且它與巖體所經(jīng)受的應(yīng)力歷史和巖體強(qiáng)度、巖石彈性模量等諸多因素有關(guān)，對(duì)于如何應(yīng)用強(qiáng)度應(yīng)力比來(lái)評(píng)價(jià)地應(yīng)力的高低并沒(méi)有一致的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范采用評(píng)價(jià)方法適用于通常高強(qiáng)度巖體，卻未必適合強(qiáng)度較低的軟巖地應(yīng)力評(píng)價(jià)，經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)告，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)應(yīng)力研究所推薦采用新巖體強(qiáng)度應(yīng)力比地應(yīng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)表2。

表2 新巖體強(qiáng)度應(yīng)力比地應(yīng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)

據(jù)此對(duì)隧道不同深度地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，見(jiàn)表3。

表3 隧道不同埋深段地應(yīng)力評(píng)價(jià)表-新巖體強(qiáng)度應(yīng)力比

隧道埋深超過(guò)288 m 可能出現(xiàn)高應(yīng)力狀態(tài)，與常規(guī)認(rèn)識(shí)300 m 以上可能出現(xiàn)高地應(yīng)力較為一致。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)云南省某擬建高速公路隧道地應(yīng)力專項(xiàng)測(cè)試和分析的過(guò)程，對(duì)隧道工程，地應(yīng)力測(cè)試常用方法與軟巖隧道地應(yīng)力評(píng)價(jià)綜合分析過(guò)程中所遇到的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)，得出主要結(jié)論有：

（1） 地應(yīng)力測(cè)試方法多樣，但工程上地應(yīng)力測(cè)試離不開(kāi)深孔鉆探，常采用基于鉆孔的水壓致裂法和基于巖芯的巖芯直徑變形分析法（DCDA），其本質(zhì)依賴于鉆探，對(duì)鉆探成孔和巖芯取芯要求較高。

（2） 現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)的水壓致裂法精準(zhǔn)度目前公認(rèn)最高，但依賴鉆孔的完整性，甚至出現(xiàn)儀器放入鉆孔無(wú)法拔出導(dǎo)致儀器損失；巖芯法最為便捷簡(jiǎn)單，沒(méi)有儀器損失風(fēng)險(xiǎn)，但對(duì)巖芯的要求較高，精度易受影響。

（3） 地應(yīng)力評(píng)價(jià)采用的方法不同，結(jié)果也不一樣，規(guī)范上采用的方法通常適用于高強(qiáng)度巖體地區(qū)，巖體強(qiáng)度較低的軟巖采用規(guī)范方法評(píng)價(jià)易出現(xiàn)淺埋段高地應(yīng)力，評(píng)價(jià)結(jié)果極為保守，與常規(guī)認(rèn)知不符。新巖體強(qiáng)度應(yīng)力比地應(yīng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)在軟巖高地應(yīng)力評(píng)價(jià)取得的結(jié)果更為合適。