深埋山嶺隧道地應力測試與分析研究

楊益彪 郭發貴 石遠華

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

地應力是指在長期的地質過程中由于地質構造運動等因素使得地殼物質產生的內部應力，也稱為巖體初始應力。由于地應力決定了工程巖土的基本力學屬性，是引發諸多巖土開挖工程出現變形和破壞的基本作用力，因此，對工程區地應力的分析研究是分析圍巖穩定性和科學指導巖土工程開挖設計的必要前提。特別是在深部礦山開采、深埋山嶺隧道建設過程中所遇到的硬巖巖爆與軟巖大變形等高地應力問題尤為突出，因高地應力問題未查清而導致重大設計變更及施工安全事故屢見不鮮。因此，深部巖體地應力分布與測試技術的研究已成為科研人員和工程界最關心的問題之一。因此，在工程項目勘察期間通過對深埋隧道的地應力進行測試，分析隧道洞身圍巖的應力狀態及其對圍巖穩定性的影響，可有效指導隧道等地下洞室的設計與施工。

本文以云南省彌勒至玉溪高速公路工程登樓山隧道為例，通過對隧道勘察鉆孔進行地應力測試，分析隧道工程區地應力特征，并對隧道工程區原地應力進行預測分析。

1 隧道工程地質概況

云南省彌勒至玉溪高速公路工程登樓山隧道工程區位于云南省玉溪市華寧縣，經緯度為(103.07°E，24.15°N)～(102.97°E，24.15°N)。左幅隧道起訖樁號為ZK48+315-ZK59+315，全長11 000 m，進出口路線設計標高分別為1 375.83 m與1 586.40 m，隧道最大埋深838.1 m；右幅隧道起訖樁號為K48+300-K59+245，全長10 945 m，進出口路線設計標高分別為1 375.44 m與1 584.86 m，隧道最大埋深826.6 m。左右幅設計基線平面間距為30～45 m。

隧道工程區地處青藏高原東南緣，為川滇菱形斷塊、華南斷塊和臨滄—思茅塊體的交界部位。工程區位于揚子準地臺滇東臺褶帶，根據地質調查，隧址區域發育多條斷層，巖層總體上呈單斜產出，略有轉折。根據區域地質資料及勘察工程地質斷面圖，隧道穿過共7條斷層，斷層方向主要為NW、SN和NE向。

隧道工程區覆蓋層主要為粉質黏土(Qel+dl)和含碎石粉質黏土(Qel+dl)。工程區下伏基巖為三疊系中統(T2)砂巖、粉砂質泥巖夾粉砂巖、白云巖，下統(T1)玄武質粉砂質泥巖夾泥巖、粉砂巖，二疊系中統玄武巖組(P2β)玄武巖，下統棲霞、茅口組(P1q+m)石灰巖夾白云巖，石炭系上統馬平組(C3m)石灰巖夾白云質灰巖、中統威寧組(C2w)鮞狀灰巖夾微晶灰巖，下統大塘組上司段(C1ds)石灰巖夾生物灰巖、萬壽山段(C1dw)砂巖、粉砂質泥巖，志留系上統玉龍寺群(S3y)泥灰巖與泥巖互層、粉砂質泥巖，寒武系下統龍王廟組(∈1l)白云巖、泥質白云巖夾粉砂巖、粉砂質泥巖，下統浪滄鋪組(∈1c)粉砂質泥巖夾粉砂巖、石英砂巖，下統筇竹寺組(∈1q)灰綠色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，下統漁戶村組(∈1y)石英砂質、白云巖磷塊巖、含磷白云巖、粉砂質泥巖夾粉砂巖，震旦系上統燈影組(Zbdn)青灰、灰白色厚層塊狀白云巖和陡山沱組(Zbd)石英砂巖夾粉砂質泥巖、白云巖。

2 地應力測試原理與方法

目前地應力測試的方法已有10余種，印興耀等[1]對直接測量和間接測量的各種測試方法進行了總結，賀永勝等[2]也對國內外地應力測量研究概況進行了綜述。諸多研究表明，水壓致裂法是目前國際上較為廣泛采用、能較好地直接測量應力的先進方法，也是國際巖石力學學會試驗方法委員會所推薦的測試方法之一。其原理是以彈性力學為基礎，通過一定假設將巖石應力狀態力學模型簡化為一個平面應力問題，通過測量試驗孔內巖石受壓開裂的壓力進而求取試驗段的最大水平主應力、最小水平主應力，以及巖石的水壓致裂抗張拉強度等相關巖石力學參數。

測試的具體操作為在勘察鉆孔中選定的測量深度范圍，利用一對可膨脹的封隔器封隔一段鉆孔，然后通過泵入高壓流體對該試驗段進行增壓，增壓過程中利用X-Y記錄儀與計算機數字采集系統或數字磁帶記錄儀記錄壓力隨時間的變化，數據采集結束后再對實測記錄曲線進行處理分析，進而得到測試特征壓力參數。水壓致裂法量測系統常采用單回路和雙回路2種測試系統，測試系統簡圖見圖1。

圖1 水壓致裂法量測系統

3 地應力測試結果分析

為了解登樓山隧道洞身圍巖的地應力大小和分布狀態，本研究選取勘察鉆孔DZK2采用水壓致裂法進行了地應力測試，測試現場照片見圖2。DZK2位于隧道主洞ZK51+533-ZK52+580之間，孔深為505.2 m，鉆探揭露的巖性為中風化厚層狀石灰巖。

圖2 DZK2地應力測試現場照片

3.1 地應力大小

本次研究在DZK2孔253.98～300.97 m的深度范圍內進行了7段壓裂測量，孔壓力-時間記錄曲線見圖3。

圖3 DZK2孔壓力-時間記錄曲線

由圖3可知，7個試驗段各個循環的破裂壓力、重張壓力、閉合壓力均具有較好的重復性，且表征較明顯。因此，依據我國現行國家標準GB/T 50266-2013《工程巖體試驗方法標準》中關于水壓致裂法測試成果處理的要求[3]，可由7個試驗段各測段處的重張壓力與閉合壓力分別計算出相應測段處的最大水平主應力與最小水平主應力值，應力值與測試深度的關系見圖4。

圖4 DZK2孔應力與測試深度的關系

由圖4可知，DZK2孔在253.98～300.97 m的深度范圍內所測得的最大水平主應力值范圍為8.55～11.23 MPa，最小水平主應力范圍為4.88～6.21 MPa，垂直主應力范圍為5.85～6.92 MPa。分析DZK2孔不同深度上的三向應力大小可知，三向應力值關系表現為SH>Sv>Sh，表明在本次測試深度范圍內其地應力以水平應力作用為主，也即表明工程區的地殼淺部水平應力起主導作用。

依據中國地震局地殼應力研究所編制的《中國大陸地殼應力環境基礎數據庫》[4]，隧道工程區附近(范圍：緯度23°N～28°N，經度101°E～105°E)的實測數據水平最大主應力和水平最小主應力隨深度變化關系見圖5。

圖5 工程區附近地應力與深度的變化關系

圖5表明，在深度為250～300 m范圍時，水平最大主應力值范圍為2.84～13.23 MPa，水平最小主應力值范圍為1.94～10.37 MPa；深度為500 m左右的水平最大主應力值范圍為15～20.4 MPa，水平最小主應力值范圍為7～12.9 MPa。本次研究登樓山隧道ZDK2鉆孔在深度為250～300 m的測試結果與工程區附近應力場基本相符。

3.2 地應力方向

在對ZDK2鉆孔壓裂結束后，選取在該孔壓裂過程中破裂峰值明顯的3個測試段落使用自動定向印模器進行最大主應力方向印模測定。這3個測試段落的深度分別為268.27～268.62 m、277.77～278.12 m和282.53～282.88 m，各段印模結果見圖6。

圖6 DZK2最大主應力方向印模結果

由圖6可見，3個測試段的測試結果清楚反映了試驗段壓裂縫的性狀，水壓裂縫豎直展布且主裂紋印痕清晰，并近對稱地分布于在孔壁兩側。由此確定的各測試段最大水平主應力(SH)的方向，由淺至深分別為N30°W、N55°W和N9°W，說明DZK2鉆孔附近的最大主應力方向在N9°～55°W，也即表明測試孔附近的地應力場以NNW向擠壓為主。

登樓山隧道工程區位于中國滇東地區，屬中國大陸及鄰區現代構造應力場分區的B219川滇應力區，崔效鋒等[5]指出在川滇應力區斷層滑動的最大主應力優勢分布方位為NNW-SSE向(方位角340°)。依據中國地震局地殼應力研究所編制的《中國大陸地殼應力環境基礎數據庫》所搜集的數據，在小江斷裂帶附近(范圍：緯度23°N～28°N，經度101°E～105°E)的水平最大主應力優勢方位為N18°～36°W。綜上所述，利用地質學和地震學方法獲得的滇東區域應力場方向為N18°～36°W，或為NNW～NW向。而本次研究通過登樓山隧道DZK2鉆孔測試獲得的應力場方向為N9°～55°W，為近NNW～NW向。該測試結果表明隧道工程區應力場主要承受構造水平應力，與大的區域構造應力場基本保持一致。

4 隧道工程區原地應力預測分析

目前國際上對地應力計算預測認可度較高的是以Sheorey建立的靜態黏彈熱應力模型為基礎發展出來的一系列預測模型。Sheorey模型是將地殼、地幔,以及地核分別作為不同物態的物質分層分析不同深度巖體的基本物理力學指標等隨地殼深度增加而增加等問題[6]。由于Sheorey在研究過程中沒有明確巖石與巖體、彈性模量與變形模量之間的區別，導致Sheorey模型所代表的是上地殼巖體內一般情況下的水平應力分布情況，而實測值往往與這種一般趨勢有所差別。因此，通過Hoek-Brown強度準則[7]對巖體的強度等進行修正后再采用Sheorey模型預測地應力得到的結果與實測值更為接近，該方法也稱為修正的Sheorey公式。王成虎等[8]采用該方法對川藏鐵路沿線深埋區域的地應力值進行預測分析，朱海明等[9]則分析預測了桃子埡隧道沿線應力。

本研究依據登樓山隧道勘察資料中關于隧道圍巖基本巖體質量的描述，利用Hoek-Brown強度準則對鉆孔周邊的巖體強度及變形模量進行估算，進而基于修正后的巖體變形模量采用Sheorey模型進行數據處理和擬合曲線，從而得到登樓山隧道DZK2測試深度范圍的實測k值圖見圖7。

圖7 登樓山隧道實測k值圖

同時，結合《中國大陸地殼應力環境基礎數據庫》所收集的數據與本次研究的實測數據，按照Hoek-Brown公式對應力數據進行擬合，得到擬合結果見圖8。由圖8可見，當測試深度超過300 m時，側壓力系數的離散性開始逐漸降低，即表明應力值受地形地貌等因素的影響也在減小。因此，綜合考慮其他不利因素而采用500 m左右的側壓力系數的擬合值(kH=1.55和kh=0.85)作為基準值對登樓山隧道的應力量值進行預測。

圖8 工程區修正的Sheorey公式的k值擬合結果

根據上述介紹，本研究基于Hoek-Brown準則(修正的Sheorey公式)對隧道區的地應力數據進行預測的結果見圖9。

圖9 登樓山隧道地應力隨深度變化的預測值

由圖9可見，隧道工程區的應力隨著埋深的增大而增大，當埋深為300～500 m范圍時，水平最大主應力與水平最小主應力值范圍分別為7.12～15.98 MPa和3.91～8.76 MPa；當埋深為500～835 m范圍時，水平最大主應力與水平最小主應力值范圍分別為12.29～28.78 MPa和6.74～15.78 MPa。而如圖5所示的工程區附近實測地應力隨深度變化關系，在深度為300～500 m時，水平最大主應力與水平最小主應力值范圍分別為4.3～22.8 MPa和2.8～14.3 MPa，在深度為500～800 m時，水平最大主應力與水平最小主應力值范圍分別為9.97～29.7 MPa和7.14～18.9 MPa。由此可以看出，本次研究的預測結果與本區域周邊的實測應力值整體較一致，局部應力稍有偏低。

目前國內外對高地應力的定義尚未達成統一的認識，工程實踐中大多將初始應力大于20 MPa定為高地應力，依據我國現行國家標準《工程巖體分級標準》(GB/T 50218-2014)中采用巖石強度應力比Rc/σmax(Rc為巖石抗壓強度，σmax為最大初始應力)來劃分高地應力級別，其中規定Rc/σmax<4時為極高應力，Rc/σmax=4～7時為高應力[10]。根據登樓山隧道工程勘察資料中的巖石抗壓強度，以及采用修正的Sheorey公式預測得到的隧道區不同深度水平最大主應力，可以得到隧道巖石強度應力比Rc/σmax隨深度的變化關系見圖10。

圖10 登樓山隧道巖石強度應力比Rc/σmax隨深度變化的關系

由圖10可見，當隧道埋深為180～250 m時，Rc/σmax=4～7，則該深度范圍為高應力；當隧道埋深大于250 m時，Rc/σmax<4，則該深度為極高應力。因此，隧道施工時在埋深大于180 m的段落可能會出現較輕微的巖爆與大變形等由高地應力引發的問題，當隧道埋深大于250 m時則可能會產生明顯的巖爆與大變形等。由于登樓山隧道洞身范圍巖性眾多，且巖質較硬的灰巖、砂巖與巖質較軟的泥質粉砂巖、泥巖等相間分布，因此隧道設計與施工中應根據洞身各段圍巖巖性和應力狀態有針對性地對巖爆和大變形問題采取相應的預防治理措施。

5 結語

本文通過對登樓山隧道DZK2鉆孔采用水壓致裂法進行地應力測試，系統地分析了DZK2鉆孔的地應力測試結果，得出了測試深度范圍的應力實測值與應力場方向，并通過修正的Sheorey模型公式預測了隧道其它埋深范圍的應力分布，可得到以下結論。

1)DZK2孔在253.98～300.97 m的深度范圍內測得的最大水平主應力值范圍為8.55～11.23 MPa，最小水平主應力范圍為4.88～6.21 MPa，垂直主應力范圍為5.85～6.92 MPa，測試結果與隧道工程區附近應力場相基本符合。在本次測試深度范圍內，三向應力值關系表現為SH>Sv>Sh，地應力以水平應力作用為主，表明該地區在地殼淺部水平應力占主導地位。

2)由DZK2鉆孔測試獲得的應力場方向為N9°～55°W，為近NNW～NW向。表明隧道工程區應力場主要受到構造水平應力作用，且與大的區域構造應力場基本一致。

3)隧道工程區的地應力預測結果表明工程區的應力狀態一般隨著埋深的增大而增大，埋深為300～500 m時，水平最大、最小主應力值范圍分別為7.12～15.98 MPa和3.91～8.76 MPa，埋深為500～835 m時，水平最大、最小主應力分別為12.29～28.78 MPa和6.74～15.78 MPa。本次預測結果與該區域周邊的應力值整體較一致，局部應力稍有偏低。隧道埋深為180～250 m時，Rc/σmax=4～7，為高應力；隧道埋深大于250 m時，Rc/σmax<4，為極高應力。