引松供水工程總干線地應(yīng)力測試研究

趙憲女，焦景輝

(1.長春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林長春130012；2.吉林省水利水電勘測設(shè)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(diào)水，為吉林省中部地區(qū)的長春、四平及遼源市提供生產(chǎn)生活和農(nóng)業(yè)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(nèi)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(qū)的過度帶。對工程區(qū)地應(yīng)力的分布情況進(jìn)行研究，其成果可為隧道軸線布置、開挖方式、隧洞的穩(wěn)定性分析及隧道支護(hù)提供設(shè)計理論依據(jù)。

2010年，在隧道鉆孔1097號(樁號109+565.8)和支8號(樁號50+379)進(jìn)行了地應(yīng)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(zhì)條件

試驗區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬于吉黑褶皺系，在漫長的地殼演化過程中，經(jīng)歷了多次構(gòu)造運動，構(gòu)造格局多樣復(fù)雜，區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造活動期為加里東構(gòu)造旋回、華力西構(gòu)造旋回、阿爾卑斯構(gòu)造旋回，構(gòu)造走向主要為北東向和北西向構(gòu)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(gòu)造剝蝕地形(中低山丘陵)。

1097號鉆孔孔內(nèi)巖芯以花崗巖為主。其中，0～22.8 m為全風(fēng)化花崗巖，黃褐色，粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，已風(fēng)化成砂礫狀；22.8～27.4 m為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，肉紅色或銹黃色，顆粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育；27.4～77.3 m為弱風(fēng)化花崗巖，顆粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石堅硬致密，錘擊聲清脆，節(jié)理裂隙發(fā)育；77.3～85.0 m為微新花崗巖，顆粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)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(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈柱狀。

支8號鉆孔孔內(nèi)巖芯以花崗巖為主。其中，0～3.7 m為全風(fēng)化花崗巖，黃褐色，粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；3.7～11.5 m為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，肉紅色，顆粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；11.5～14.0 m為弱風(fēng)化花崗巖，肉紅色，顆粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育；14.0～26.8 m為微風(fēng)化花崗巖，肉紅色，顆粒結(jié)構(gòu)，成分以長石、石英、黑云母為主，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖芯呈柱狀；26.8～124.0 m為新鮮花崗巖，肉紅色，顆粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，其中在98.3 m以下，巖石由顆粒結(jié)構(gòu)變?yōu)榧?xì)粒結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖芯呈柱狀。

3 現(xiàn)場地應(yīng)力測試

3.1 水壓致裂法原理

水壓致裂法是國際巖石力學(xué)學(xué)會測試方法委員會推薦的巖石應(yīng)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(jù)壓裂試驗數(shù)據(jù)計算地應(yīng)力。該方法已廣泛應(yīng)用于水利水電、鐵路交通、礦山開發(fā)等巖石工程的各領(lǐng)域。水壓致裂法測量系統(tǒng)見圖1。

圖1 水壓致裂法測量系統(tǒng)

優(yōu)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(nèi)的連續(xù)或重復(fù)測試；②試驗結(jié)果計算不涉及巖石的物理力學(xué)參數(shù)，完全由測量記錄的壓力值決定，人為誤差影響小；③鉆孔承壓段長度可人為調(diào)整，根據(jù)經(jīng)驗大部分在1～2 m之間，減少了點應(yīng)力數(shù)據(jù)值計算偏差。其基本假定：圍巖為均質(zhì)的線性彈性體，鉆孔鉛直時，鉛直應(yīng)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(yīng)力(鉆孔橫斷面上最大主應(yīng)力σA和最小主應(yīng)力σB， 即有效應(yīng)力)控制[2- 4]。

3.2 地應(yīng)力測試

地應(yīng)力(或稱巖體初始地應(yīng)力)是人類工程活動之前存在于巖體內(nèi)部的應(yīng)力，是巖石工程的基本外荷載之一，主要由有效應(yīng)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(yīng)力，即地應(yīng)力。

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

式中，σt為巖石抗拉強(qiáng)度；K為孔隙滲透彈性系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)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(yīng)力代替上式有效應(yīng)力可得到

Pb=3σh-σH+σt-P0

σH=3σh-Pb-P0+σt

根據(jù)裂縫沿最小阻力路徑傳播的原理，關(guān)閉壓力泵維持裂縫張開的瞬時，關(guān)閉壓力Ps和圍巖最小水平主應(yīng)力σh相平衡，即

σh=Ps

巖石抗拉強(qiáng)度σt可根據(jù)現(xiàn)場對封隔段的卸壓-重新加壓的重復(fù)過程求出。在第1次加壓循環(huán)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(huán)過程中，因巖石破裂其抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(fā)生在孔壁切向應(yīng)力最小的部位，其延伸方向平行于最大主應(yīng)力方向，這是基于巖石連續(xù)均質(zhì)和各向同性的假設(shè)。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(yīng)力方向的側(cè)壓系數(shù)(σH/σz)。

4 測試結(jié)果分析

根據(jù)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(jìn)行水壓致裂地應(yīng)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(guī)律，各壓力值特征明顯，試驗結(jié)果可以客觀地反映測試部位的應(yīng)力狀態(tài)。

4.1 1097號鉆孔

在孔深38.5～83.2 m范圍內(nèi)選取10段進(jìn)行測試，成功取得8段測試資料，其中的3段進(jìn)行了印模，測試結(jié)果見表2。從表2可知，1097號鉆孔在38.5～83.2 m深度范圍內(nèi)的最大水平主應(yīng)力σH為4.0～9.5 MPa，最小水平主應(yīng)力σh為2.6～6.6 MPa，鉛直應(yīng)力σz為1.0～2.2 MPa。測深69.7 m時應(yīng)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(yīng)力量值隨深度H變化關(guān)系(孔深69.7 m測值未考慮)見圖3。從圖3可知，應(yīng)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(yīng)力測值隨深度的變化關(guān)系

最大水平主應(yīng)力方向為印模獲得的水壓裂縫走向。根據(jù)印模結(jié)果，最大水平主應(yīng)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(yīng)力σH為4.5～7.1 MPa，最小水平主應(yīng)力σh為3.5～5.2 MPa，鉛直應(yīng)力σz為1.50～1.76 MPa，圍巖應(yīng)力量值呈σH>σh>σz特征。隧洞圍巖最大水平應(yīng)力方向的側(cè)壓系數(shù)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(yīng)力集中。

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

表3 支8號孔測試結(jié)果

圖4 水平主應(yīng)力測值隨深度的變化關(guān)系

4.2 支8號鉆孔

根據(jù)鉆孔巖芯的完整程度，在孔深 30.5～121.1 m范圍內(nèi)選取14段進(jìn)行測試，成功取得11段測試資料，并對其中的3 測段進(jìn)行了印模，測試結(jié)果見表3。從表3可知，在30.5～121.1 m深度范圍內(nèi)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(yīng)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(yīng)力量值隨深度H變化關(guān)系見圖4。從圖4可知，應(yīng)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(yīng)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(jié)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(yīng)力σH為6.8～7.7 MPa，最小水平主應(yīng)力σh為4.6～5.5 MPa，鉛直應(yīng)力σz為2.9～3.27 MPa，圍巖應(yīng)力量值呈σH>σh>σz特征。隧洞圍巖最大水平應(yīng)力方向上的測壓力系數(shù)λ為2.2～2.6。

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

4.3 綜合分析

根據(jù)測試結(jié)果，1097號鉆孔和支8號鉆孔測試部位巖體應(yīng)力場均呈σH>σh>σz的特征，表明該深度范圍內(nèi)的地應(yīng)力場是水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用，主要受構(gòu)造應(yīng)力和山谷地形作用的影響，且應(yīng)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(yīng)力方向上的側(cè)壓力系數(shù)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(yīng)力集中，其λ相對較大。支8號鉆孔位于山坡地形，應(yīng)力量值受到一定的卸荷影響，λ相對較小。

從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造來看，工程構(gòu)造格架受區(qū)域性北東和北西向構(gòu)造體系控制，區(qū)域內(nèi)的斷裂構(gòu)造以壓性為主。吉林地震局康力、劉志平等根據(jù)震源機(jī)制得到吉林省中部地區(qū)現(xiàn)代地殼應(yīng)力場表現(xiàn)出以NE～NEE向的主壓應(yīng)力和NW～NNW向的主張應(yīng)力為特點的區(qū)域應(yīng)力場特征[5]。在工程區(qū)四平～長春方向，主壓應(yīng)力方向由NEE向向EW向逐漸偏轉(zhuǎn)。根據(jù)測試結(jié)果，1097號鉆孔的最大水平主應(yīng)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(yīng)力方位基本平行于區(qū)域構(gòu)造方向，試驗結(jié)果可靠。

5 結(jié) 語

根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，1097號鉆孔與支8號鉆孔圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比(Rc/σmax)均大于11，圍巖應(yīng)力量級皆為中低應(yīng)力水平，不易發(fā)生巖爆，減少了施工中的巖爆預(yù)防措施和投資，現(xiàn)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(gòu)造簡單、巖體完整穩(wěn)定，也要考慮地應(yīng)力的大小和方向的影響。在以水平應(yīng)力為主的地應(yīng)力場中，洞室軸線宜平行最大水平主應(yīng)力方向(或小夾角)布置，否則邊墻易產(chǎn)生變形和破壞。根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，1097號鉆孔和支8號鉆孔最大水平主應(yīng)力方向與中部隧道軸線的夾角分別為33°和25°，對圍巖穩(wěn)定比較有利，并與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相印證。

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