新型雙管水壓致裂法地應力測試裝置及其應用

摘要： 提出一種新型雙管水壓致裂法地應力測試裝置，管路采用C型接頭的高壓雙層鋼絲膠管。在浙江省和福建省的16條隧道中進行測試應用，取得了較好的效果。結果表明：新型雙管水壓致裂法地應力測試裝置密封效果良好，能夠分別控制封隔段和壓裂段進行加壓、泄壓；在我國東南沿海地區，深部巖體中的天然應力場具有明顯的方向性，最大水平主應力與最小水平主應力比值為0.55～0.85，側壓系數為0.72～4.83，平均值為2.16。

關鍵詞： 地應力； 水壓致裂法； 雙管； 巖石力學

中圖分類號： TU 45文獻標志碼： A" "文章編號： 1000-5013（2024）06-0706-06

New Type of Double Pipe Hydraulic Fracturing Method In-Situ Stress Testing Device and Its Application

CHANG Fangqiang1， LIANG Xiaoyang1， HUANG Ziyan1，LIANG Kangkang2， QUAN Lulong2，CAO Yanan2， CHANG Fangwei2

（1. School of Civil Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021， China；

2. Deep Geotechnical Engineering Survey （Shandong） Limited Company， Weifang 261071， China）

Abstract： A new type of double pipe hydraulic fracturing in-situ stress testing device is proposed， using high-pressure double-layer steel wire rubber hoses with C-type joints in the pipeline. The new device are tested and applied in 16 tunnels in Zhejiang Province and Fujian Province， obtaining good results. The results show that the new double pipe hydraulic fracturing in-situ stress testing device has good sealing effect， and can control the pressure and relief of the sealing section and fracturing section separately. In the southeastern coastal areas of China， the natural stress field in deep rock masses has obvious directionality， with 0.55-0.85 ratio of maximum horizontal principal stress to minimum horizontal principal stress， the lateral pressure coefficient is 0.72-4.83， the average value is 2.16.

Keywords： in-situ stress； hydraulic fracturing method； double pipe； rock mechanics

地應力是地層巖體在長期地質過程中受到地球重力和構造應力共同作用而逐漸形成的，是地質構造形成與演化，以及區域地質穩定的重要影響因素［1］。近年來，隨著國家戰略的實施，一批大型深部地下工程陸續興建，相較于淺部巖體，深部巖體的非線性、不均質性和各向異性更加突出，深部巖體具有獨特的“三高一擾動”特性，即高應力、高地溫、高巖溶水壓和強烈的開采擾動［2-3］。

為了準確地測量深部巖體的地應力，國內外已提出了10余種方法，如水壓致裂法、扁千斤頂（壓力枕）法、剛性包體應力計法、聲發射法等。這些方法中，水壓致裂法由于能夠測量出巖體的原始應力狀態，應用最為廣泛。國內已有較多學者采用水壓致裂法測得一些巖體的天然應力［4-9］，測試設備大都采用地質鉆機自帶的鉆桿作為供壓管道，將封隔器連接在鉆桿端部，進行下放和供壓。由于鉆桿采用螺紋連接，故難以保障連接處不會出現滲漏泄壓，而壓力傳感器一般布設在地面上，造成實際施加的壓力比測得的數值更小。此外，水壓致裂法的操作和測試難度較大，多數學者的研究結果都是基于少數幾個鉆孔數據展開研究的，對地區統計的經驗性不強。基于此，本文提出一種新型雙管水壓致裂法地應力測試裝置，并在浙江省、福建省的16條隧道的深部鉆孔內進行測試，研究該區域地應力的分布規律。

1 水壓致裂法測試

水壓致裂法測試建立在彈性力學之上，基于以下3個假定：

1） 巖體連續、均勻、各向同性；2） 測點巖體為非滲透性，巖體為多孔介質，注入的流體按照達西定律在巖體空隙中流動；3） 鉆孔需與其中一個主應力保持平行。

采用水壓致裂法測試地應力是在兩端的封隔段膨脹后，將壓裂段進行密封，然后，在壓裂段內進行供壓（一般選擇水壓），采用壓裂的峰值、裂隙閉合時的關閉壓力和裂隙重新張開時的壓力（重張壓力）進行計算，確定水平向的最大主應力和最小主應力［4］。

水壓致裂法典型壓力變化曲線，如圖1所示。圖1中：pc，1為初始開裂壓力（峰值壓力）；ps為關閉壓力；pc，2為重張壓力；1～9為不同的測試階段。

假設深部巖體中存在的天然應力場，豎向應力σv=ρgH，ρ為上覆巖層容重，g為重力加速度，H為試驗段埋。取巖體垂直鉆孔平面進行分析，可得水壓致裂應力測量力學模型，如圖2所示。

圖2中：σmax為最大水平主應力；σmin為最小水平主應力；pc為巖體孔壁位置受到的壓力；r為鉆孔半徑；X-X′為水平軸；Y-Y′為豎向軸；θ為中心角度。

當孔壁出現垂直裂縫時，孔壁上應力可用柯西應力集中解進行分析。當θ=0°時，環向應力σθ取到最小值；當σθ≤-σt（σt為巖體抗拉強度）時，孔壁開裂，裂隙形成，此時，最小主應力等于關閉應力，可得

σmax=σt+3σmin-pc，（1）

σmin=ps。（2）

通過水壓致裂試驗，確定pc，1，pc，2，ps，可計算出σmax，σmin。

需要指出的是，pc，1，pc，2，ps均為孔內測試位置處的數值，而在測試過程中，該位置處的數值應為地面處的實測值與孔內靜水壓力pw之和，其關系為

pc，1=pc，1，g+pw，（3）

pc，2=pc，2，g+pw，（4）

ps=ps，1，g+pw。（5）

式（3）～（5）中：pc，1，g，pc，2，g，ps，1，g分別為開裂壓力、重張壓力和關閉壓力的計算值。

2 新型雙管水壓致裂法地應力測試裝置

目前，國內使用的水壓致裂法儀器多為單回路方式，即單管方式。

單回路測試系統將鉆桿作為導管，封隔段與壓裂段加壓致裂時都通過該管道進行實驗［10-12］。首先，將封隔器運送至測試區域，再利用高壓泵通過導管對封隔段進行注液，達到設計壓力后，通過封隔器頂部的推拉開關將壓力由封隔段轉換到壓裂段內。這種裝置較為簡單，現場操作簡便，便于連續作業［13］，但容易產生以下兩個問題。

1） 地下所有加壓管路都通過鉆桿實現，鉆桿連接的密封性較差，在設計時并未考慮水壓密閉性問題。因此，在打壓過程中，管路會出現滲漏，導致壓力下降，測試結果可能失真。

2） 封隔段和壓裂段只能采用一套系統分時控制，無法同時進行控制，因此，在壓裂期間無法控制封隔壓力。

新型雙管水壓致裂法裝置主要由高壓泵站、數據采集系統、串聯封隔器、高壓膠管和開關等組成，如圖3所示。

放棄使用鉆桿，采用高壓膠管替代，對封隔器等裝置進行作業，達到封隔器輸送與試驗段加壓的目的。相較于傳統單回路裝置，高壓膠管具有更高的密封性，測試前可往管道內通入液體進行密封性檢查，確保測試期間獲得數據的準確性，同時，也更便于攜帶作業。裝置使用高壓膠管內部固定雙層鋼絲網，以增強強度，試驗前，對高壓膠管施加壓力至50 MPa，未見破壞跡象。高壓膠管每段長度為20～50 m，采用C型接頭連接，接頭處帶有橡膠密封圈。此外，采用雙回路系統，兩條獨立的高壓膠管分別向封隔段和壓裂段加壓，相較于傳統單回路裝置，新型裝置可更加高效、精確地控制封隔段與壓裂段壓力。試驗過程中，一旦發現封隔器壓力不夠，可隨時補壓，以保障數據測試的可靠性。

3 工程應用實例

為了進一步驗證新型雙管水壓致裂法地應力測試裝置的適用性，在浙江省和福建省的16條隧道勘察中進行測試。測試地點，如圖4所示。

測試區域均為山嶺隧道，地層巖性主要為第4系地層、侏羅系上統地層；浙江省測試區段的巖性多為強風化至中風化晶屑玻屑熔結凝灰巖，灰黃至灰色，玻屑塑變結構，主要以火山灰、漿屑為主，含少量長石、石英礦；福建省測試區段的巖性多為強風化至中風化花崗巖，灰白色至黃褐色，斑狀結構，主要含有石英、長石和黑云母，巖性堅硬。

地應力測試深度約為100～500 m。珠龍隧道ZLZK3鉆孔地應力測試曲線（測試深度h=253.0 m），如圖5所示。

圖5中：p為測試壓力。

由圖5可知：地應力測試曲線的上升段和下降段均較為明顯，巖石壓裂后重張段壓力均小于初始壓裂段，曲線較為均勻，測試較為理想。

關閉壓力的確定對水壓致裂法地應力計算非常重要。由式（2）可知，關閉壓力等于最小水平主應力，即水壓致裂法可直接測出最小水平主應力值。目前，比較常用的ps取值方法有拐點法、單切線法、雙切線法、Mauskat法及流量-壓力法等［14］。文中ps的取值方法主要采用拐點法，對于拐點不明顯的情況，則采用單切線法或雙切線法。

對地應力進行測試，測試位置處的鉆孔直徑為76 mm，由鉆孔取出的巖芯可知，巖體完整性良好，巖體呈長柱狀、堅硬，均能滿足水壓致裂條件。水壓致裂測試完成后，采用帶定位方向的水下攝像頭記錄破裂的方向和裂縫長度。

各鉆孔地應力測試結果，如表1所示。

4 測試結果與討論

4.1 水平應力具有較強的方向性

由實測結果可知：深部巖體中的天然應力場具有明顯的方向性，破裂方向位于NW18°～NW45°；最大水平主應力與最小水平主應力比值為0.55～0.85，這與華北地區的數據［10］基本接近。因此，東南沿海巖體中水平應力有強烈的方向性和各向異性，在成因歷史過程中，受到明顯的現代構造應力場的控制。

4.2 水平應力與深度的關系

水平主應力隨深度的變化情況，如圖6所示。由圖6可知：該測試區域處于中、低地應力區域，應力狀態較穩定。通常情況下，巖體中的水平應力隨深度的增大而增大，文獻［15-16］采用應力解除法和水壓致裂法等進行統計，可得水平應力與深度的線性關系式，但也指出數據離散性較大。文中測試結果中，最小水平主應力與深度基本呈正相關關系，但最大水平主應力與深度的相關性較差。

4.3 水平應力普遍大于豎向應力

除仙靈旗隧道外，其他隧道的水平應力普遍大于豎向應力，最大水平應力與豎向應力的比值（側壓系數）一般為0.72～4.83，多數大于1.00，平均值為2.16，表明該區域的最大水平主應力與豎向應力存在一定差異，水平應力作用較為明顯，也說明該區域受到較大的水平構造應力控制。三向主應力的關系為σmaxgt;σmingt;σv，該種形式應力對逆斷層活動有利。各地區側壓系數的對比，如圖7所示。由圖7可知：浙江省和福建省的統計結果與世界多數地區的數值基本接近。由此可知，在我國東南沿海地區，在深度100 m以下，水平構造應力作為主導，對逆斷層活動有利。此外，需注意隧道設計時，過大的側壓系數也可能導致邊墻部分承受較大的圍巖壓力［17］。

4.4 測試注意事項

地應力的測試設備常較為笨重，需要的管路較多，如在仙靈旗隧道測試時，最大測試深度為503.0 m，需要超過1 000 m的管路。管路在放入孔內和提升時，需注意管路與鋼絲繩必須保持同步，否則，管路容易彎曲、折疊，被卡在孔壁上，因此，可以將管路與鋼絲繩每隔20～30 m長度上用鎖扣鎖住，防止管路沿鋼絲繩滑落。封隔器直徑必須與孔徑相適應，一般情況下，封隔器的直徑有許多種類，直徑過大，下放有時困難，直徑過小，則可能影響封隔效果。文中裝置封隔器直徑為68 mm，能夠封隔75，90 mm的孔徑。正常情況下，封隔器在5～10 min即可基本泄壓完畢，但有時管路不慎出現彎曲折疊等問題，會影響封隔器泄壓，地面上的壓力表無法顯示出封隔器內的壓力，因此，封隔器的泄壓盡量維持時間長一些，如果可行泄壓時間做到30 min以上，若泄壓不完全就提升封隔器，有可能被卡在孔壁上，無法提升，導致封隔器和管路等卡死在孔內。加上碎塊狀巖體可能出現塌塊，地應力的測試存在被卡孔內的風險，建議若鉆孔同時做其他測試，如波速、孔內攝像等，地應力測試最好放在最后進行。

5 結論

1） 新型雙管水壓致裂法地應力測試裝置采用C型接頭的雙層鋼絲高壓膠管代替鉆桿，密封效果良好，通過地面控制系統能夠分別控制封隔段和壓裂段進行加壓、泄壓，避免封隔段壓力衰減的問題。

2） 我國東南沿海地區，深埋巖體中的天然應力場具有明顯的方向性，破裂方向位于NW18°～NW45°，最大水平主應力與最小水平主應力比值為0.55～0.85。水平主應力隨深度的增大而增大，最小主應力與埋深的正相關關系明顯，但最大主應力與埋深的相關性較差。

3） 側壓系數一般為0.72～4.83，大部分大于1.00，平均值為2.16，隧道設計時應注意側壓問題。

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（責任編輯： "錢筠" 英文審校： 方德平）

通信作者： 常方強（1980-），男，副教授，博士，主要從事海洋工程、巖土工程的研究。E-mail：changfq@hqu.edu.cn。https：∥hdxb.hqu.edu.cn/