廣西某深埋特長公路隧道地應力分布特征研究

摘要：為探明廣西某高速公路隧道工程區(qū)的地應力分布特征，文章通過在該隧道工程區(qū)開展鉆孔水壓致裂地應力測試工作，分析了該隧道工程區(qū)的地應力分布特征。測試結果表明：（1）測區(qū)地應力分布滿足SH＞Sh＞Sv，地應力以水平構造應力為主，測區(qū)構造作用明顯；（2）根據(jù)鉆孔印模結果，工程區(qū)最大水平主應力優(yōu)勢方位在N29°～46°W，表明該隧道工程區(qū)現(xiàn)今地應力場以NNW～NW向擠壓為主，測試結果與周邊區(qū)域應力場方向基本一致；（3）對比本次試驗結果與工程區(qū)附近地應力數(shù)據(jù)，在埋深較淺處，試驗結果偏大，而在埋深較深處，兩者較為吻合，說明地形地貌對地應力具有一定的影響作用。

關鍵詞：隧道；地應力；水壓致裂法；構造應力

U451+.1A280893

0 引言

地應力是一種賦存在地殼中，未受到人為擾動的天然應力。由于不同的工程區(qū)具有不同的地質(zhì)條件，因此，不同工程區(qū)具有不同的地應力，有的工程區(qū)受到的地質(zhì)構造作用較大，導致巖體受到的水平向應力作用大于豎直向應力作用。有研究表明，很多地下工程的破壞就是由于地應力的作用導致，因此對于地下深埋暗挖工程，調(diào)查清楚工程區(qū)的地應力分布情況對工程穩(wěn)定性評價、設計和施工等具有重要的意義［1］。隨著科學技術的發(fā)展，水壓致裂地應力測量技術已逐步成為國際上公認的能較好地直接進行地應力測量的方法之一。該技術具有操作簡便、可在任意的深度進行連續(xù)或重復測試、測試速度快等優(yōu)點，因此近年來在國內(nèi)外被廣泛采用，也取得了一些研究成果。

為探明廣西某高速公路隧道工程區(qū)地應力分布特征，為工程施工方法的選擇以及支護設計參數(shù)的選取提供依據(jù)，在該隧道工程區(qū)開展了1個鉆孔的地應力測試工作。

1 項目概況及工程地質(zhì)條件

廣西某高速公路隧道設計為分離式越嶺特長隧道，隧道左、右線設計長度分別為4 067 m、4 053 m，左、右線最大埋深分別約為552.304 m、559.533 m。隧道工程區(qū)山體連綿起伏，地形起伏較大，地面高程為160～760 m，相對高差為600 m，自然坡度約為25°～45°，地表多覆蓋第四系殘坡積層，以下為泥盆系、寒武系地層，巖性以泥質(zhì)粉砂巖為主，局部夾砂巖，薄層～中厚層狀，巖體強～中風化，其中強風化層厚約為3.8～46.3 m，中風化層鉆探揭示的最大厚度為116.28 m。

2 地應力測試孔試驗布置

根據(jù)隧道區(qū)地形地貌條件及交通的便利性，此次地應力測試孔布置在隧道設計里程樁號ZK60+512.35/YK60+500左、右線的中間位置（見圖1），設計鉆孔深285 m，穿過隧道底板約10 m。

3 地應力測試成果

3.1 壓裂試驗結果

本次壓裂試驗在孔深154.71～264.00 m范圍內(nèi)進行。在試驗范圍內(nèi)，選取了13段作為試驗段，除去1段試驗加壓失敗外，其余12段試驗取得了較好的試驗結果。限于文章篇幅限制，本文僅給出孔底4段試驗段在壓裂過程中的壓力時程曲線，見圖2。

從圖2可以看出，各測試階段的曲線線型良好，各試驗段內(nèi)的巖石原地破裂壓力Pb、破裂面重張壓力Pr和破裂面瞬時閉合壓力Ps在各個循環(huán)階段清晰可見，試驗重復性較好。

3.2 最大水平主應力方向的確定

壓裂試驗結束后，使用自動定向印模器，選取在壓裂過程中破裂峰值明顯的3段（孔深154.71～155.33 m、167.22～167.84 m和211.53～212.15 m）進行最大主應力方向印模測定，印模結果見圖3。

從圖3可以看出，鉆孔印模主裂紋印痕清楚，水壓裂縫基本呈垂直展布狀態(tài)，并在孔壁兩側對稱出現(xiàn)，準確地反映了壓裂縫的性狀。根據(jù)印模結果，確定的最大水平主應力方向由淺至深分別為331、314和146，這說明測點附近最大水平主應力方向在N29°～46°W范圍。

3.3 水平主應力大小的確定

根據(jù)壓力時程曲線，可以直接得出巖石原地破裂壓力Pb、破裂面重張壓力Pr和破裂面瞬時閉合壓力Ps，根據(jù)以上參數(shù)，能夠計算出巖石的水平主應力（最大水平主應力SH和最小水平主應力Sh）以及巖石的抗拉強度T，具體計算方法見式（1）～式（3）［2］：

SH=3PS-Pr-P0（1）

Sh=PS（2）

T=Pb-Pr（3）

式中：P0——試驗段巖層的孔隙壓力，一般按試驗段地下水位的靜水壓力考慮［3］。

同時，根據(jù)巖石室內(nèi)試驗可以得到巖石的容重γ，按式（4）可估算出試驗段的垂直主應力Sv：

Sv=γ·h（4）

式中：h——試驗段深度。

根據(jù)以上公式，得到各試驗段的結果見表1。

分析表1中數(shù)據(jù)可知，不同深度試驗段上的三向應力均表現(xiàn)為SH＞Sh＞Sv，表明該隧道工程區(qū)的應力以水平構造應力作用為主，最大水平主應力值范圍為13.00～24.34 MPa，平均值為17.89 MPa；最小水平主應力范圍為8.28～12.03 MPa，平均值為17.89 MPa。同時，根據(jù)該鉆孔三段試驗段的印模結果，得出該隧道工程區(qū)最大水平主應力方向為N29°～46°W，表明該隧道工程區(qū)現(xiàn)今地應力場以NNW～NW向擠壓為主。

4 工程區(qū)應力特征的討論與分析

通過對工程區(qū)一個鉆孔的地應力實地測量及結果分析，對鉆孔附近的地應力狀況有了一個初步的認識，但由于隧道工程區(qū)面積較大，區(qū)域工程地質(zhì)條件復雜，僅一個鉆孔的地應力資料，相比于整個隧道工程區(qū)只是一個側面，接下來本文將從工程區(qū)周邊區(qū)域應力場特征、工程區(qū)應力量值水平兩個方面對該隧道工程區(qū)的地應力狀態(tài)進行進一步的討論分析，以期得到一個更為準確的結論和認識。

4.1 工程區(qū)周邊區(qū)域應力場特征

廣西構造應力場受控于印度板塊和太平洋板塊對歐亞板塊的擠壓，在印度板塊向北和太平洋板塊向西擠壓過程中，引起了一定程度的區(qū)域性水平旋扭，從而決定了廣西現(xiàn)代水平構造和垂直構造的基本活動方式［4］。大量的工程實踐表明，我國的地應力場具有明顯的分區(qū)特征，并且區(qū)域應力場具有一定的空間和時間上的穩(wěn)定性［5］。蔣維強等［6］利用200多個小震震源機制解對華南地區(qū)的應力場進行了分析研究，將華南地區(qū)應力場細分為9個區(qū)，測區(qū)位于分區(qū)中的第Ⅲ區(qū)，其主壓應力軸方位為348°。將工程區(qū)鉆孔水壓致裂測試結果與周邊區(qū)域應力場進行對比，如圖4所示。

通過觀察圖4可知，測區(qū)水壓致裂測試結果與周邊區(qū)域應力場方向基本一致，這也進一步驗證了此次測試的可靠性。但是，由于此次水壓致裂測試具有一定的深度限制，而地震震源機制解更多的是反映地殼內(nèi)部的應力狀態(tài)，故導致測試結果與周邊區(qū)域應力場方向也存在一定的偏差。

4.2 工程區(qū)應力量值水平

統(tǒng)計分析本次試驗不同深度范圍內(nèi)的主應力測試結果如表2所示。

分析表2數(shù)據(jù)，對比深度154.71～199.12 m段和深度207.31～264.62 m段的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鉆孔淺部應力值較深部高，這主要是由于鉆孔布置在溝谷邊緣，受地形和地貌的影響，淺部應力集中，從而導致154.71～199.12 m段的測試應力值偏高。

同時，根據(jù)查閱《中國大陸地殼應力環(huán)境基礎數(shù)據(jù)庫》［7］，繪出工程區(qū)附近應力隨深度的變化數(shù)據(jù)圖，如圖5所示。

從圖5中可以看出，在埋深160 m左右，工程區(qū)附近水平最大主應力為2.57～12.2 MPa，水平最小主應力為1.57～7.02 MPa；埋深200～280 m左右的水平最大主應力為6.82～16.2 MPa，水平最小主應力為2.15～9.64 MPa；埋深300～500 m左右的水平最大主應力為6.1～29.1 MPa，水平最小主應力為4.1～15.1 MPa。

對比本次試驗結果，可以發(fā)現(xiàn)在埋深160 m左右的深度試驗所得的最大、最小水平應力值大小與工程區(qū)附近地應力數(shù)值相比偏大；而在埋深260 m左右的位置試驗所得的最大、最小水平應力值大小與工程區(qū)附近地應力數(shù)值相比較為吻合，這也進一步說明地形地貌對地應力具有一定的影響作用。

5 結語

通過采用水壓致裂地應力測試技術對廣西某高速公路隧道工程區(qū)進行現(xiàn)場實測，得出以下結論：

（1）測區(qū)地應力分布滿足SH＞Sh＞Sv，地應力以水平構造應力為主，測區(qū)構造作用明顯。

（2）根據(jù)鉆孔印模結果，工程區(qū)最大水平主應力優(yōu)勢方位在N29°～46°W，表明該隧道工程區(qū)現(xiàn)今地應力場以NNW～NW向擠壓為主，測試結果與周邊區(qū)域應力場方向基本一致。

（3）對比本次試驗結果與工程區(qū)附近地應力數(shù)據(jù)，在埋深較淺處，試驗結果偏大，而在埋深較深處，兩者較為吻合，說明地形地貌對地應力具有一定的影響作用。

參考文獻：

［1］徐干成，袁偉澤，李成學，等.某工程區(qū)水壓致裂法地應力測試及其分布特征研究［J］.現(xiàn)代隧道技術，2021，58（4）：163-169.

［2］GB/T 50266-2013，工程巖體試驗方法標準［S］.

［3］中國地震局地殼應力研究所.日本電力中央研究所.水壓致裂裂縫的形成和擴展研究［M］.北京：地震出版社，1999.

［4］鐘新基.廣西新構造運動的主要表現(xiàn)及構造應力場的分析［J］.華南地震，1981（1）：62-73.

［5］謝富仁，崔效鋒，趙建濤，等.中國大陸及鄰區(qū)現(xiàn)代構造應力場分區(qū)［J］.地球物理學報，2004，7（4）：654-662.

［6］蔣維強，林紀曾，趙 毅，等.華南地區(qū)的小震震源機制與構造應力場［J］.Earthquake Research in China，1992（1）：36-42.

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