小型水壓致裂法在斷層破碎地層隧道地應(yīng)力測試中的研究應(yīng)用

鄒友

摘? ?要：斷層破碎地層隧道的地應(yīng)力測試具有重要意義，不僅可掌握隧道地應(yīng)力情況，更能為隧道的設(shè)計施工提供重大指導(dǎo)。以大亮山隧道斷層破碎地層為研究對象，采用小型水壓致裂法對地應(yīng)力進行測試。本文對小型水壓致裂法地應(yīng)力測試原理、測試流程及測試設(shè)備進行了闡述，并對地應(yīng)力測試結(jié)果進行了分析，以期掌握隧址區(qū)地應(yīng)力分布，進而為隧道的設(shè)計施工提供重要參考。

關(guān)鍵詞：斷層破碎地層? 隧道地應(yīng)力測試? 小型水壓致裂法

中圖分類號：U45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（b）-0042-04

1? 工程概況

大亮山隧道位于云南省云縣境內(nèi)，海拔高程介于1197.60～2525.30m之間，屬高中山構(gòu)造剝蝕地貌區(qū)。隧道進口附近有南汀河斷裂（F99），距隧道區(qū)約500m，自云縣山盆地沿南橋河向西南經(jīng)勐定、勐旨，順南汀河過熱水塘、勐簡西北，經(jīng)勐定清水河延入緬甸，全長約200km。該斷裂在全新世活動劇烈，1000年以來發(fā)生過2次斷錯地表地震事件。地震的活動性較強，為發(fā)震斷裂。斷裂走向北東南西向，傾向138°～154°，傾角50°～70°，斷裂帶寬約70～150m。

2? 地應(yīng)力測試方法確定

地層原位地應(yīng)力大小和方向測試對隧道設(shè)計及施工具有重大意義。通過原地應(yīng)力測量，確定隧道圍巖的現(xiàn)今地殼應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)地應(yīng)力分布特征，結(jié)合隧道圍巖的力學(xué)參數(shù)、圍巖的工程地質(zhì)特性等，給出隧址區(qū)地應(yīng)力的賦存規(guī)律和基本特征，并進一步分析研究隧道開挖中發(fā)生巖爆以及大變形的可能性。地應(yīng)力測試的CZK111-3號孔在測試過程中由于鉆孔井壁不穩(wěn)定，測試設(shè)備在上提過程中由于井壁掉塊卡在井內(nèi)400m處，且有150m左右的鋼絲繩斷落在井內(nèi);CZK111-5號孔由于孔壁不穩(wěn)定，涌水、返砂等情況較嚴(yán)重。鑒于上述情況，決定采用小型水壓致裂法進行地應(yīng)力測試。小型水壓致裂法地應(yīng)力測量，是一種能夠可靠而有效地測量地殼深部應(yīng)力的方法，被認(rèn)為是目前最可靠和有效的深層地應(yīng)力測試方法。

3? 地應(yīng)力測試基本原理及流程

通過注入高壓、小體積流體，測試層位中產(chǎn)生張性裂縫并向影響范圍之外的原始地層擴展;接著終止注入流體，隨壓力下降裂隙逐漸閉合。基于理論分析降壓曲線，得到裂隙破裂閉合壓力及地層最小主應(yīng)力。小型壓裂地應(yīng)力測量的基本原理見圖1，基本流程見圖2。

4? 地應(yīng)力測試設(shè)備

本次小型壓裂地應(yīng)力測試采用單回路地應(yīng)力測試系統(tǒng)。測試施工設(shè)備示意圖見圖3，該測試系統(tǒng)由地表壓力系統(tǒng)、地表壓裂控制系統(tǒng)、地表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和井下封隔器組成。封隔器通過鉆桿連接到地表的壓力系統(tǒng)。地表的壓裂控制系統(tǒng)實現(xiàn)了壓裂、穩(wěn)流和回流測試的獨立控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用地表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要用于實時的施工壓裂檢測和分析，包括2個壓力傳感器（最大壓力35MPa）、2個流量儀（最大壓力35MPa）及1套數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，工作參數(shù)見表1。

5? 地應(yīng)力測試結(jié)果

對CZK111-3、CZK111-5號孔1個層位的小型壓裂地應(yīng)力測試結(jié)果進行分析。每個測試層位均是在75mm的裸眼測試孔中使用跨式封隔器系統(tǒng)進行測試，封隔器測試段間隔為0.7m。測試中使用的封隔器通過75mm繩索鉆桿運送至測試層位。測試用清水通過鉆桿注入至測試段。通過兩個放置在地表的壓力傳感器實時記錄注水壓力，一個放置在井口，一個放置在泵的注入端。根據(jù)測試要求以及測試孔巖心、鉆孔泥漿等實際情況，均選定1個測試段。測試層位、巖性及測試時間見表2。

表3總結(jié)了CZK111-3、CZK111-5號孔地應(yīng)力測試結(jié)果。每個測試層位均可以看到明顯的地層破裂壓力行為，即在每個測試中均產(chǎn)生了裂縫。通過現(xiàn)場實時分析可以看到明顯的裂縫閉合。地層最小主應(yīng)力是通過小型壓裂測試直接測量，豎向應(yīng)力通過巖石密度估算（考慮巖石密度為2.60g/cm3），地層最大水平主應(yīng)力是通過裂縫開裂（重張壓力），地層最小主應(yīng)力以及無限平面中圓孔周圍的彈性力學(xué)應(yīng)力解估算。在估算地層最大水平主應(yīng)力時，做了以下假定：

（1）測試孔是豎直的，即巖層中的豎向主應(yīng)力平行于孔軸;（2）測試孔在測試段內(nèi)為圓形并且測試孔相對地層是無限小的，這個假定確保了彈性力學(xué)解的實用性;（3）巖層中的孔隙壓力為靜水壓力;（4）巖石的滲透率較低，即在小型壓裂過程中，測試孔內(nèi)的流體壓力不會在短時間內(nèi)影響巖石的孔隙壓力。如果以上假定不成立，需要重新由耦合的孔隙彈性力學(xué)估算大主應(yīng)力。

測試結(jié)果具有高可信度，特征如下：（1）至少有4個周期未見泥漿返液;（2）明顯的地層破裂;（3）從診斷性分析曲線中可以看到明顯的裂紋閉合;（4）不同測試周期的裂縫閉合壓力具有一致性;（5）使用不同的分析方法得到一致的裂縫閉合壓力。測試結(jié)果達到了我們的質(zhì)量保證、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，因此，解釋結(jié)果具有高可信度，表明不同周期得到的解釋結(jié)果的一致性。

得到井底壓力與凈注水率施工曲線，見圖3。地層的地應(yīng)力大小和波速密切相關(guān)，根據(jù)鉆孔勘探提供的波速數(shù)據(jù)結(jié)合小型壓裂地應(yīng)力測試的數(shù)據(jù)可以估算地應(yīng)力的分布。理論上來說，地應(yīng)力的分布主要取決于以下因素：（1）重力引起的水平向應(yīng)力，即泊松效應(yīng);（2）流固耦合引起的應(yīng)力變化，對目前測試的低孔隙度變質(zhì)巖可以不考慮這個因素;（3）板塊運動所引起的應(yīng)力變化，即板塊的擠壓所引起的水平地應(yīng)力的變化，這個因素和擠壓所引起的應(yīng)變以及地層的小應(yīng)變彈性常數(shù)相關(guān)。通常，這個因素是通過和小型壓裂地應(yīng)力測試的結(jié)果做曲線擬合確定。

圖4是通過波速計算的地應(yīng)力分布，它和小型壓裂地應(yīng)力測試結(jié)果有較好的擬合度。CZK111-3號孔最小及最大主應(yīng)力如式（1）所示，CZK111-5號孔最小及最大主應(yīng)力如式（2）所示。

σh=0.01641 D+1.49358，σh=0.02506 D+2.35846? ? ?（1）

σh=0.01534 D+1.14712，σh=0.02478 D+2.24615? ? ?（2）

式中，D表示深度，單位m。地應(yīng)力按照深度的分布曲線，見圖4。

6? 結(jié)語

本文以大亮山隧道斷層破碎地層為研究對象，采用小型水壓致裂法對地應(yīng)力進行測試。本文對小型水壓致裂法地應(yīng)力測試原理、測試流程及測試設(shè)備進行了闡述，并對地應(yīng)力測試結(jié)果進行了分析，以期掌握隧址區(qū)地應(yīng)力分布，進而為隧道的設(shè)計施工提供重要參考。得到的主要結(jié)論如下：

（1）在斷層破碎地層隧道地應(yīng)力測試中，小型水壓致裂法被證明是一種能夠可靠而有效測量地殼深部應(yīng)力的方法，可在類似地層隧道地應(yīng)力測試中進行推廣。

（2）對地應(yīng)力測試結(jié)果進行分析，包括特征壓力、主應(yīng)力、抗拉強度及裂隙方位角等，以及井底壓力隨凈注水率的施工曲線、地應(yīng)力隨深度的分布曲線。需要對以上結(jié)果進行綜合分析，得到地應(yīng)力分布情況，特別是可以對地應(yīng)力隨深度分布進行曲線擬合，以進行合理預(yù)測。

（3）得到地應(yīng)力分布之后，可進一步對隧道施工期巖爆或圍巖大變形進行預(yù)測，預(yù)測不同巖性、不同圍巖等級下巖爆或大變形發(fā)生的可能性，為隧道設(shè)計施工提供重大借鑒。

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