基于應力解除法在軟巖深埋隧道地應力測試與分析

鄭小洋 吳耀宗 胡赟 何小波

摘要 文章對深埋高地應力隧道工程實例，采用應力解除法對其地應力進行測試與分析，并針對高地應力地區(qū)隧道的施工提出了幾點建議。測試結果表明，該次測試選取的三個點均位于極高地應力地帶，在高地應力地區(qū)進行隧道施工時應該提前做好高地應力開挖及施工應對措施，避免變形或坍塌，確保支護及襯砌施作后的安全性；施工過程中應加強掌子面地質(zhì)素描及圍巖變形觀測。

關鍵詞 深埋隧道；高地應力；應力解除法

中圖分類號 TU195文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0134-03

0 引言

地應力是指原存于地殼地層中未受到工程擾動的天然應力，也稱原巖應力或巖體初始應力[1]。在隧道工程中，地應力是使隧道結構產(chǎn)生變形甚至破壞的最根本作用力[2]，因此探明隧道結構所處區(qū)域地應力至關重要，尤其是在超大埋深、超大地應力地區(qū)。目前國內(nèi)有現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬和經(jīng)驗估計三類測試地應力的方法，毫無疑問現(xiàn)場測試是其中最為準確的測試方法[3]。

1 工程概況

籃家?guī)r隧道是連接茂縣和綿竹的控制性工程，隧址區(qū)地處龍門山深切割的中高山區(qū)，地形陡峻，地表沖溝發(fā)育，屬中造蝕地貌，該區(qū)域地質(zhì)構造作用強烈，褶皺和斷裂發(fā)育，巖層具有變形強、變質(zhì)低的特點。隧道進口里程K43+206，出口里程K51+355，全長8 149 m，隧道最大埋深為1 800 m，設計為單洞雙線隧道。

K47+150段至隧道出口段地層巖性主要以千枚巖為主，千枚巖易發(fā)生塑性大變形，設計為單洞雙線隧道。該隧道設計施工期間，有三個方面位居全國第一：①單洞兩車道對向行車隧道+平導長度位居全國第一；②隧道埋深位居全國第一；③高地應力軟巖大變形段落的長度位居全國第一。可見，籃家?guī)r隧道埋深大，地質(zhì)情況復雜。

2 地應力測試

2.1 地應力測試方法

目前國內(nèi)地應力現(xiàn)場測試方法中使用最為廣泛的兩種分別為水壓致裂法和應力解除法。水壓致裂法是以彈性力學為理論基礎，通過在現(xiàn)場選取一段基巖裸露的鉆孔，用封隔器將上下兩端密封起來；然后注入液體，加壓直到孔壁破裂，并記錄壓力隨時間的變化，并用印模器或井下電視觀測破裂方位；然后根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)和彈性力學公式計算得到地應力的大小與方向[4]。應力解除法的原理是地下某點的巖體在應力作用下處于三向壓縮狀態(tài)，當人為解除其應力時，一定會發(fā)生彈性恢復，測定其恢復的應變，利用彈性力學公式則可算出巖體初始應力，即破壞聯(lián)系，解除應力；彈性恢復，測出變形；根據(jù)變形，轉(zhuǎn)求應力[5]。

應力解除法是目前歷史最為悠久的一種地應力測試方法，具有許多的優(yōu)點，如測量精度高、穩(wěn)定性好、抗環(huán)境干擾能力強和對測量環(huán)境要求低等優(yōu)點，該次隧道地應力測試選用的就是空心包體應力解除法。

2.2 測試設備

此次應力解除法使用設備如下：

（1）防爆智能型采集儀。

（2）KX-2002型空心包體應力計。

（3）KX-2002型圍壓率定儀。

（4）KX-2002型定向儀。

（5）專用Φ130 mm薄壁金剛石取芯鉆頭。

（6）專用Φ130 mm磨平金剛石鉆頭。

（7）專用Φ130 mm錐形金剛石鉆頭。

（8）專用Φ36 mm實心金剛石鉆頭。

（9）洗孔器、導向器等配件。

空心包體地應力測量相關設備，如圖1所示。

2.3 地應力測試步驟

應力解除法測試地應力的主要步驟：

（1）測點選擇。該次地應力測試選擇測點有三個，如表1所示。

（2）鉆大孔。在測點的預定方向利用鉆機打應力解除孔，直到不受除了鉆孔以外其他工程影響的位置。該次隧道地應力測試鉆孔直徑均為130 mm。

（3）取出巖芯并用平鉆頭磨平孔底。

（4）錐形鉆頭打漏斗狀喇叭口。

（5）鉆小孔。在大孔的同心位置鉆一個小孔，保證小孔垂直，孔壁光滑。該次隧道地應力測試小孔直徑均為36 mm。

（6）安裝貼有應變花的測試探頭，讀取初讀數(shù)。

（7）套鉆包有探頭的巖芯進行應力釋放。

（8）讀取終讀數(shù)。

地應力測試步驟圖解，如圖2所示。

3 測試結果及分析

3.1 現(xiàn)場測試結果

在鉆孔的過程中，巖芯的受力會逐漸解除，這一期間空心包體應力計記錄的12個應變值會不斷變化，記錄值會在空心包體應力計被鉆孔全部覆蓋后趨于穩(wěn)定，這一穩(wěn)定值即為用于計算地應力的最終應變值[6]。3個測點應力解除后的最終穩(wěn)定應變值如表2所示。

3.2 室內(nèi)試驗

從現(xiàn)場測試點附近取得巖芯后，在實驗室中加工得到標準試件，通過室內(nèi)試驗確定巖芯彈性模量，具體數(shù)值如表3所示。

3.3 地應力計算結果

根據(jù)實測的應變數(shù)據(jù)、測點巖石力學參數(shù)及鉆孔的幾何參數(shù)，使用地應力計算專用計算機軟件，即可分析計算得出該測點的地應力分量及主應力的大小和方向，地應力測試計算結果如表4和表5所示。

3.4 地應力計算結果分析

從檢測結果中可以看出：

（1）籃家?guī)r隧道PDK48+753測點處的埋深為1 077 m，該次在測點處測得的原位地應力σ1在58.4 MPa范圍內(nèi)，σ2、σ3的值在20～30 MPa。該段圍巖地應力已超出高地應力范疇，屬于極高地應力，而掌子面揭露巖性為千枚巖（軟巖）夾有灰?guī)r（硬巖）。因此，產(chǎn)生極高地應力的原因除與隧道埋深相關外，還與巖體中巖性不均，導致應力集中有關。

（2）籃家?guī)r隧道PDK48+270測點處的埋深為1 353 m，該次在測點處測得的原位地應力σ1在54.9 MPa范圍內(nèi)，σ2、σ3的值在20～30 MPa。該段圍巖地應力已超出高地應力范疇，屬于極高地應力。

（3）籃家?guī)r隧道PDK47+984測點處的埋深為1 595 m，該次在測點處測得的原位地應力σ1在58.7 MPa范圍內(nèi)，σ2、σ3的值在20～30 MPa。該段圍巖地應力已超出高地應力范疇，屬于極高地應力。

3.5 高地應力段落支護措施

所測三處測點的地應力值均為極高地應力，針對該段落極高地應力對隧道安全帶來的風險，應加強支護措施，根據(jù)實際地質(zhì)情況選用的襯砌支護參數(shù)為導洞采用PG2型襯砌、主洞采用ZG2型襯砌，支護參數(shù)如表6所示。

4 結論與建議

該文中所測三處測點的地應力值均為極高地應力，針對極高地應力區(qū)隧道施工，提出以下施工建議：

（1）提前釋放應力。建議隧道施工應做好高地應力開挖措施，提前釋放地應力及排放可能存在高壓地下水等（如開挖時先采用潛孔鉆超前打孔，或采用CD或CRD法短進尺進行開挖，超前鉆孔和小斷面開挖有利于高地應力的釋放）。避免變形或坍塌，確保支護及襯砌施作后的安全性。

（2）施工過程中應加強掌子面地質(zhì)素描及圍巖變形觀測。

（3）加強支護措施。建議應加強超前支護、初期支護參數(shù)，加大開挖及初期支護預留變形量。

參考文獻

[1]郭偉杰， 龔成， 李晶. 地應力測量方法及其需要注意的問題[J]. 價值工程， 2010（25）： 136-137.

[2]關寶樹. 隧道力學概論[M]. 成都：西南交通大學出版社， 1993.

[3]代聰. 高地應力場軟巖隧道開挖與支護研究[D]. 成都：西南交通大學， 2018.

[4]秦鵬淵， 高玉璞， 李明杰. 鉆孔水壓致裂法測地應力的探討[J]. 科技創(chuàng)業(yè)刊， 2017（7）： 133-135.

[5]蔡美峰. 地應力測量原理和技術[M]. 北京：科學出版社， 2000．

[6]徐俊. 鉆孔應力解除法（空心包體應變計）地應力測試兩個關鍵問題研究[D]. 株洲：湖南工業(yè)大學， 2018.