基于水壓致裂法的原地應力測試分析與研究

李劍偉 何 勇

(四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017)

0 引言

巖爆和大變形是高地應力區地下工程開挖中常碰到的工程地質問題，是一種人類活動誘發的地質災害。國內外已有記錄中，在數十個國家和地區的隧道工程、深井采礦工程中發生了巖爆和大變形問題，嚴重困擾和影響工程建設與安全，如川藏公路二郎山隧道巖爆、奧地利Tauern隧道圍巖大變形、烏鞘山隧道千枚巖大變形、國道317線鷓鴣山隧道圍巖大變形等[1]。

隨著西部交通的建設與發展，越來越多的深埋長大隧道隨之出現。由于該區域深埋隧道穿越的地質山體多經歷過強烈的構造改造和淺表生改造，地質環境及構造復雜，地應力高，隧道建設中發生與高地應力密切相關的巖爆和大變形災害日益增多，嚴重影響工程安全、質量、造價與進度。

深埋隧道的軟巖大變形已引起學者和工程技術人員的日益重視，張志強[2]提出“剪切臺階”的出現是發生大變形的標志，何滿潮[3]對軟巖大變形機制進行了細分，張祉道[4]提出了隧道大變形發生的條件與支護原則，姜云[5]研究了控制隧道大變形發生的類型，劉志春[6]提出了以綜合系數法為指標的大變形分級方案。獲取較為準確的地應力測試數據，對于判別和預測隧道大變形及變形等級等意義重大。

關于地應力測試，利用水壓致裂法測試原地應力在工程界內已得到較為廣泛的認可與應用，但由于種種原因，工程勘察中大多數深埋隧道并未進行地應力測試，無法提供較為準確的數據供設計使用，難免造成冒進或保守，影響工程安全、造價等。本文結合建設中的白楊坪隧道，在鉆孔內采用水壓致裂法測試原地應力，對隧址區地應力參數進行了分析與研究，并做了相應的大變形預測，給出相應工程建議措施，為類似區域深埋隧道的地應力測試與勘察設計提供一定的參考。

1 隧道工程概況

白楊坪隧道進口位于廣元市青川縣境內，出口位于綿陽市平武縣境內。隧道采用分離式雙線隧道，左洞長3 498 m，右洞長3 501 m，在公路行業屬特長隧道。單洞寬10.25 m，洞凈高5 m，隧道洞頂最大埋深約415 m。

工程區構造單元上屬于松潘—甘孜造山帶中的丹巴—汶川弧形逆沖—滑脫疊置帶和摩天嶺逆沖—推覆帶，隧道位于白羊倒轉復向斜北西翼位置，青川—平武斷裂距離隧道北側約2.2 km，呈北東方向展布，隧道位于斷裂下盤。青川—平武斷裂為晚更新世活動斷裂，其未來最大潛在地震能力為7.0級。

隧道圍巖為絹云母千枚巖，地表巖體完整性較差，深孔取得的巖芯相對完整(見圖1)，巖層千枚理面產狀312°～350°∠64°～86°。

由于該千枚巖隧道距離青川平武斷裂較近，區域地質構造較復雜，隧道開挖后由于卸荷作用使得圍巖進行應力的重新分布，容易出現應力集中，且最大埋深超過400 m，發生大變形的可能性較大，因此在隧道的前期勘察工作中，選取合適方法進行原地應力測試，可為后續的設計、施工、變形預測等提供參考與依據。

2 水壓致裂測試法原理

巖體中賦存的應力，稱之為地應力或者原巖應力。隨著地質構造運動的發展以及地形不斷的演變，又引起了地應力的集聚或者釋放，形成巖體中現存的原地應力。巖體中的原地應力受地質構造、成巖過程、巖體特征、地形地貌、巖體深度、地溫梯度等多種因素的影響，應力真實狀態非常復雜。為了更好地獲取巖體中的原地應力，最直接有效的方法就是進行地應力的測試。

目前巖體應力的主要測試方法有水壓致裂測試法、應力解除測試法、Kaiser效應測試法等。其中水壓致裂法多在勘察設計階段使用，應力解除法多在施工階段使用，而Kaiser效應測試法是依據巖石聲發射的Kaiser效應，判定試樣的先存應力，由此確定現場采巖芯地點的地應力。

工程中常采用的鉆孔水壓致裂法是通過測試取得垂直于鉆孔平面的最小水平主應力(Sh)的大小與方向，然后通過計算求得最大水平主應力(SH)。水壓致裂原地應力測量原理是以彈性力學為基礎，并基于以下3個基本假設[7]：

1)巖石是線型均勻、各向同性的彈性體；

2)巖石是完整的，壓裂液體對巖石來說是非滲透的；

3)主應力方向中有一個應力方向與鉆孔軸向平行。

在彈性力學理論和上述假設的前提下，水壓致裂力學模型可簡化為平面應力問題(見圖2)。

基本等效于兩個主應力σ1,σ2作用在中心有一圓孔(R=a)無限大的平板上，圓孔外距離中心距離為r處的任意點M徑向應力σr、切向應力σθ、剪應力τrθ分別為：

(1)

將式(1)中r取值為a，即可求得圓孔壁應力狀態。當孔內施加的液壓大于巖石所承受的應力時，最小切向應力A及其對稱點A′處產生張破裂。在孔壁破裂之后，如繼續增壓，則裂隙向深處擴展；若停止注入液體增壓，并保持壓裂回路密閉，裂縫將迅速趨于閉合。

裂縫處于臨界閉合狀態時的平衡壓力(瞬時關閉壓力Ps)，其值為最小水平主應力Sh。

根據理論推導，最大水平主應力SH計算公式為：

SH=3Ps·Pr·Po

(2)

其中，Pr為再次增壓后破裂重新張開壓力;Po為巖石孔隙壓力。

垂直應力SV一般表示為自重應力，根據上覆巖體重量進行計算。

測試中可計算巖石的原地抗張強度T，為臨界破裂壓力Pb與再次增壓后破裂重新張開壓力Pr的差值。

在實際測試中，假定鉆孔方向為自重應力(SV)的主應力方向，且初始開裂發生在鉆孔壁切向應力最小部位，即平行于最大主應力的方向，從而測定深部測點的三維狀態下的應力。

綜上所述，DBT技術操作簡便、無創，并且與FFDM相比，該影像技術對致密型乳腺腺體的篩查準確性、特異性均較占優勢，可作為今后臨床早期篩查乳腺癌的一種推薦手段。

由于水壓致裂測試法突出的優點是可以直觀地測得深部巖體內的地應力值，不需要借助巖石的彈性模量、泊松比等物理力學參數進行換算，且鉆孔深部的巖芯較為完整，故本文研究的隧道選取該方法進行測試。

3 測試方法與程序

3.1 水壓致裂測試方法

鉆孔內具體測試應力方法為：先將鉆孔內一定深度范圍內巖體上下兩端封隔，再通過泵入液體對該段增壓，隨著壓力持續升高直至鉆孔圍巖產生破裂。壓裂過程中記錄壓力、流量隨時間的變化，根據壓力—時間曲線及相關公式求出各應力的數值。最大主應力方位可根據印模定向，也可采用井下電視法確定，本文選取印模定向法。

3.2 測試程序

現場測試程序為：1)選擇試驗段；2)檢驗測量系統；3)安裝井下測量設備；4)座封；5)壓裂；6)關泵；7)卸壓。

水壓致裂法應力測量系統示意圖見圖3。

在測試過程中，盡可能選擇多段進行試驗，每段進行3個回次以上測試，密切記錄壓力值隨時間的變化，以便準確判斷巖體的破裂以及裂縫延伸、閉合等狀態。

3.3 印模定向

在壓裂測量試驗之后即進行印模定向，為獲取巖體內清晰的裂縫痕跡，需施加足夠的高壓，使得孔壁已產生的壓裂縫重新張開，便于特定的半硫化橡膠擠入裂縫，并保持相應的時間，使印模器表面印制與裂縫相對應的凸起印跡。

根據印痕和基線方位標志兩者之間的關系，計算出所測得的破裂面走向，即為最大水平主壓應力方向(見圖4)。

3.4 數據分析方法

根據記錄的壓力—時間曲線得到破裂壓力Pb(壓裂過程中第一循環回次的峰值壓力)，瞬時關閉壓力Ps以及裂縫的重新張開壓力Pr，計算出鉆孔內的最大水平主應力SH和最小水平主應力Sh等。

4 鉆孔內測試實例

4.1 孔內測試

在鉆孔白ZK02的80.00 m～268.00 m范圍內選擇了5個 測段進行了水壓致裂法的原地應力測試工作(見圖5)，每個測段均進行了3次以上的重復測試，獲取了有效壓裂曲線。

壓力—時間記錄曲線形態比較標準，裂隙破裂、重張、閉合等階段對應的各壓力點比較明確，地應力測量記錄的壓力—時間曲線見圖6。同時在鉆孔內選取了178.00 m和192.00 m兩個測段進行了印模試驗。

4.2 數據分析

4.2.1關鍵數據處理方法

破裂壓力Pb、重張壓力Pr可直接在壓力—時間曲線上取得，由于瞬時關閉壓力Ps直接確定最小水平主應力的大小，同時又參與最大水平主應力的計算，成為水壓致裂法測試中最重要的參數。

關于Ps的取值方法，國際巖石力學學會(ISRM 2003)推薦了單切線及雙切線法、dt/dp法、dp/dt法、Mauskat方法、壓力—流量法等5種方法，并要求在實際使用時采用其中兩種或兩種以上方法進行判讀[8]，以保證數據的準確性和可靠性。本次試驗中Ps的取值綜合使用了dt/dp法、dp/dt方法和Muskat法3種方法進行，并取3種方法的平均值。

4.2.2主應力值

白ZK02鉆孔內地應力測量的壓裂參數和主應力值計算結果見表1。

表1 白ZK02鉆孔地應力測量結果

測試結果表明，在鉆孔白ZK02中主應力值隨地層深度增加而增加，三個主應力的關系可表現為SH>Sh>SV。由此表明，垂直重力作用表現為最小主應力，水平構造應力作用占主導，應力狀態為逆斷型應力狀態。

本文線性擬合了主應力SH,Sh與深度的關系變化梯度式，結果及圖件(如圖7所示)如下。

SH=0.030H+12.683,r2=0.58；

Sh=0.016H+9.081,r2=0.67。

4.2.3主應力方向

實測的2段印模結果(如圖8所示)表明，最大水平主應力方向由淺部至深部分別為：N81°W，N72°W，白ZK02鉆孔最大主應力方向為NWW方向，與區域應力場基本一致。

5 大變形預測與實測效果對比分析

白楊坪隧道圍巖為強度低的絹云母千枚巖，隧道最大埋深達415 m，鉆孔內80.0 m～268.0 m段落內測試的最大水平主應力值在15.2 MPa～21.72 MPa之間，隨著隧道埋深進一步加大，最大水平地應力值大于20 MPa，地應力較高，具備發生圍巖大變形的條件。本文結合實測的地應力數據對圍巖大變形進行預測，并結合隧道施工中的實測效果進行對比分析。

5.1 大變形預測

印模結果表明鉆孔最大水平主應力方向算術平均優勢值為N76.5°W，與隧道軸線整體走向交角為15°左右，小于30°，相對而言，地應力對隧道的作用整體影響稍小。

通過圍巖強度應力比(Rc/σmax)是評價和預測隧道圍巖大變形的一種主要方法，文中以計算的該指標為依據，對隧道的圍巖進行了大變形預測以及分級。白楊坪隧道各埋深處圍巖大變形分級預測見表2。

表2 圍巖大變形分級判別表

根據表2的計算結果表明，隧道埋深在190 m以下的段落發生大變形的可能性較小，隧道埋深在190 m以上的段落發生大變形的可能性更大，預測大變形等級為Ⅰ級。大變形等級為Ⅰ級的段落開挖后圍巖位移較大，持續時間較長；一般支護開裂或破損較嚴重，相對變形量3%～5%，圍巖自穩時間短，以塑流型、彎曲型、滑移型變形模式為主，兼有剪切型變形[9]。

5.2 實測效果對比分析

根據白楊坪隧道左線ZK69+916.9斷面(埋深155 m)的拱頂、拱腰變形歷時曲線(見圖9)，顯示在隧道開挖之后的初期，拱頂下沉與拱腰收斂率均較大，其后在加強隧道初期支護后，拱頂下沉逐漸減小并穩定，拱腰變形量相對拱頂較大，在進一步加強支護后，25 d左右時拱頂、拱腰變形均控制在規范要求范圍之內，圍巖基本穩定。

隧道拱頂、拱腰累計變形量僅占隧道寬度的0.29%，未達到圍巖大變形的級別[10]。隨著隧道進一步施工，隧道埋深逐步加大，地應力也相應地增加，圍巖破碎且含水量較大段落自承能力容易喪失，應變能釋放，可能會發生大變形破壞。建議進一步加強超前地質預報和監測，選擇合理的斷面形態進行開挖，襯砌支護采用柔性與剛性相結合的綜合處治方法，預留變形量，短錨桿超前支護，中等長度的系統錨桿和少量補強錨桿綜合多重支護，及時做好封閉與支護，適當提高襯砌剛度和適當提前施作二次襯砌。根據圍巖—變形曲線適時調整支護抗力與支護柔性間的關系，使變形量與收斂速度受到控制。

6 結論與建議

1)鉆孔內測試的最大水平主應力值(SH)在15.2 MPa～21.72 MPa之間，隧道深部的最大水平主應力值大于20 MPa，隧址區地應力較高。

2)三個主應力的關系為SH>Sh>SV，隧道圍巖段落中，水平構造應力作用占主導，應力狀態為逆斷型應力狀態。

3)印模結果顯示：最大水平主應力方向為N81°W和N72°W，優勢方位為NWW方向，與區域現今構造應力場方向較為吻合。

4)水壓致裂實測計算的地應力計算與分析表明：埋深在190 m以下的千枚巖段落發生大變形的可能性較小，埋深在190 m以上的千枚巖段落發生大變形的可能性更高，預測大變形等級為Ⅰ級。

5)由于大變形受多種因素控制，成因極為復雜，建議施工過程中加強超前地質預報和監測，選擇合理的斷面形態進行開挖，襯砌支護采用柔性與剛性相結合的綜合處治方法，適當容許圍巖變形、提前釋放地應力，同時應特別注意地下水與地質構造對圍巖穩定性的影響。