軟巖隧道地應力測試常用方法與評價綜合分析

朱源婷，黃 彪

（1.貴州省地質環境監測院，貴州 貴陽 550081；2.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

西南地區多山，高速公路或鐵路等工程修建時多以隧道的形式通過。包含隧道工程在內的地下工程是先受力，后開挖，并且地應力從開挖前到最終一直對圍巖起著作用。對于深埋隧道，高地應力對于路線通過形式的選擇及工程造價高低影響極大，因此，除地調、物探、鉆探取樣及常規的聲波等綜合測井測試分析手段之外，對深埋隧道還需要進行地應力專項測試分析。

以云南省某擬建高速公路軟巖隧道地應力專項測試分析過程為例，對軟巖隧道工程地應力測試常用方法與評價綜合分析過程中常見問題進行歸納與總結。

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，設計采用分離式隧道穿越大黑山，隧道全長近10 km，最大埋深達840 m。

2 工程地質條件

2.1 自然地理條件

擬建隧道位于橫斷山脈南段，附近海拔1 670～2 730 m，相對高差1 052 m；隧道軸線通過段最高海拔2 837 m，最低海拔1 781 m，相對最大高差1 056 m。場區屬剝蝕構造中山陡坡地貌單元，山脊呈長壟狀，山頂呈尖峰狀。溝谷多呈狹長型，以侵蝕下切為主，局部地勢相對低洼，切割較深。地形起伏較大，地勢較陡峻，地形復雜，地表植被較發育。

2.2 巖土體組成

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

2.3 地質構造

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

受構造和地層結構控制，區內基巖節理裂隙發育，延伸遠，切穿巖層面。風化裂隙多不規則，密度較大，呈網格狀；隧址區巖層產狀受構造影響，產狀多變。

3 地應力專項測試在該隧道勘察中的應用

3.1 隧道工程地應力測試方法介紹與選取

地應力研究發展至今，測試方法多種多樣，總體而言可以歸結為5 大類：包含基于巖芯的方法，基于鉆孔的方法、地質學方法、地球物理方法（或地震學方法）以及基于地下空間的方法。結合工程勘察中所普遍采用的常規物探、鉆探等手段，工程上地應力專項測試離不開深孔鉆探，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 工程常用地應力測試方法與深孔鉆探關系圖

水壓致裂法對于鉆孔的完整性要求很高，其利用一對可膨脹的封隔器在選定的測量深度封隔一段鉆孔，然后通過泵入流體對該試驗段(常稱壓裂段)增壓，同時利用計算機數字采集系統記錄壓力隨時間的變化。對實測記錄曲線進行分析，得到特征壓力參數，再根據相應的理論計算公式，就可得到測點處的最大和最小水平主應力的量值以及巖石的水壓致裂抗張強度等巖石力學參數。對于巖性較硬，鉆孔完整的情況采用該種方法測試的數據非常理想。

對于巖性破碎等軟巖情況，鉆探過程中利用套管保持鉆孔的完整性，試驗時拆除套管后孔壁坍塌破碎，無法放入儀器并進行原位測試。此時，只需要鉆進取芯過程中確保鉆速穩定，取出的巖芯柱面光滑、無螺痕，同時巖芯避免微裂隙發育的影響，即可利用室內巖石力學參數及巖心直徑變化特征來計算差應力值，該方法實施起來更便捷。

為保證地應力測試的精度，該隧道共選擇洞身鉆探深孔2 個，分別采用水壓致裂法和巖芯直徑變形分析法（DCDA）對隧址區地應力進行測試。

地應力現場水壓致裂和室內DCDA 測試見圖2。

圖2 地應力現場水壓致裂和室內DCDA 測試圖

3.2 地應力測試數據分析

地應力測試過程中，水壓致裂法共選取500～700 m 段不同深度8 個測段的水壓致裂法地應力測試，試驗中壓裂段長度選取了1.2 m，根據測試結果繪制了水壓致裂法鉆孔壓力與時間關系曲線，見圖3。DCDA法則選取該段每個測試深度段取2～4 塊巖芯，每個巖芯進行2 次以上直徑變形分析測試，并繪制鉆孔DCDA 測試原始和擬合曲線關系圖，見圖4，最后根據測點的水平最大主應力、水平最小主應力和垂向應力隨深度變化規律，計算出壓裂參數和主應力計算結果可以獲得水平主應力值隨深度變化特征，并給出了采用線性擬合的方式計算得到水平主應力隨深度變化梯度圖和公式，見圖5。可知主應力隨深度逐漸增大，符合通常的認知，隨著深度增加地應力的量值也逐漸增大，且地應力隨深度的變化關系總體上呈線性關系的相關性關系。

圖3 水壓致裂法鉆孔壓力與時間曲線關系圖

圖4 鉆孔DCDA 測試原始和擬合曲線關系圖

圖5 鉆孔地應力值隨深度分布特征圖

3.3 高地應力評價綜合分析

根據地應力定義，其指天然環境下地殼巖土體內某一點所固有的應力狀態，因此地應力是廣泛普遍存在的。工程應用中得到地應力數值大小后，最為重要的是高地應力評價明確場區是否存在高地應力（包含高地應力和極高地應力）以便采取對應的工程措施。根據公路工程行業標準《公路工程地質勘察規范》（JTG C20-2011） 附錄D 及《工程巖體分級標準》（GB/T 50218-2014）附錄C，工程巖體強度應力比法采用Rc與σmax的比值大小進行評價，當Rc/σmax介于4～7 時為高應力，小于4 時為高應力（其中Rc指巖石飽和單軸抗壓強度，σmax為垂直洞軸線方向的最大初始應力）。

據上述評價標準，評價該隧道不同深度地應力狀態,見表1。

表1 隧道不同埋深段地應力評價表

根據評價結果，隧道淺埋段都存在高地應力，與常規認知存在差異，評價結果極為保守。經過分析可知，高地應力是一個相對的概念，并且它與巖體所經受的應力歷史和巖體強度、巖石彈性模量等諸多因素有關，對于如何應用強度應力比來評價地應力的高低并沒有一致的標準，規范采用評價方法適用于通常高強度巖體，卻未必適合強度較低的軟巖地應力評價，經查閱相關文獻報告，中國地質科學院地質應力研究所推薦采用新巖體強度應力比地應力評價指標，具體評價標準,見表2。

表2 新巖體強度應力比地應力評價指標

據此對隧道不同深度地應力狀態進行評價，見表3。

表3 隧道不同埋深段地應力評價表-新巖體強度應力比

隧道埋深超過288 m 可能出現高應力狀態，與常規認識300 m 以上可能出現高地應力較為一致。

4 結論

本文通過對云南省某擬建高速公路隧道地應力專項測試和分析的過程，對隧道工程，地應力測試常用方法與軟巖隧道地應力評價綜合分析過程中所遇到的常見問題進行歸納總結，得出主要結論有：

（1） 地應力測試方法多樣，但工程上地應力測試離不開深孔鉆探，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），其本質依賴于鉆探，對鉆探成孔和巖芯取芯要求較高。

（2） 現場原位試驗的水壓致裂法精準度目前公認最高，但依賴鉆孔的完整性，甚至出現儀器放入鉆孔無法拔出導致儀器損失；巖芯法最為便捷簡單，沒有儀器損失風險，但對巖芯的要求較高，精度易受影響。

（3） 地應力評價采用的方法不同，結果也不一樣，規范上采用的方法通常適用于高強度巖體地區，巖體強度較低的軟巖采用規范方法評價易出現淺埋段高地應力，評價結果極為保守，與常規認知不符。新巖體強度應力比地應力評價指標在軟巖高地應力評價取得的結果更為合適。