鐵路隧道地應(yīng)力測試方案

1、某鐵路隧道地應(yīng)力測試與分析方案長江水利委員會長江科學(xué)院2009年5月研究目的為了研究某鐵路隧道的圍巖應(yīng)力狀態(tài)（或稱“地應(yīng)力”，下同）及施工期巖 暴發(fā)生的可能性，擬在該隧道典型斷面進(jìn)行水壓致裂法地應(yīng)力測試，并采用有 限元數(shù)值方式模擬地應(yīng)力散布、評價隧道施工期巖爆發(fā)生的可能與級別。地應(yīng)力測試與分析方案地應(yīng)力測量的常常利用方式有二維水壓致裂法和三維應(yīng)力解除法（參見 GB/T50266-99工程巖體實驗方式標(biāo)準(zhǔn)、SL264-2001水利水電工程巖石實驗 規(guī)程）。相對而言，水壓致裂法直接測量鉆孔橫斷面的主應(yīng)力量值，操作也更 簡單快捷；三維應(yīng)力解除法主要用于測量淺孔的三向應(yīng)力狀態(tài)，但量值需通過 巖石彈性參

2、數(shù)來計算取得。鑒于隧道開挖引發(fā)的應(yīng)力擾動區(qū)深達(dá)3040m，而且施工緊張，從技術(shù)和工 期兩方面綜合考慮，選擇水壓致裂法、在隧道內(nèi)部進(jìn)行地應(yīng)力測試。鉆孔水壓致裂法測試按照地質(zhì)條件，選擇巖石比較完整的隧道斷面，布置兩個淺鉆孔（一水平 孔，一鉛直孔，深度同為40m）,用水壓致裂法同時測量圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)和開 挖擾動區(qū)的應(yīng)力散布趨勢。每一個鉆孔內(nèi)，按照鉆孔巖芯柱狀圖，選擇巖石比較完整的深度區(qū)間，完 成68點常規(guī)水壓致裂法測試，并進(jìn)行壓裂痕方向印模（每孔至少2點），以取 得各測孔橫斷面內(nèi)主應(yīng)力大小及方向。地應(yīng)力場有限元模擬分析及巖爆評價為了從單斷面測試結(jié)果取得整個隧道大埋深區(qū)間的巖體應(yīng)力散布、評價施 工期

3、巖爆和圍巖穩(wěn)定性，擬結(jié)合巖體地質(zhì)力學(xué)條件、地形地貌條件和地應(yīng)力實 測資料，進(jìn)行應(yīng)力場數(shù)值模擬與回歸分析，取得地應(yīng)力的空間散布，給出地應(yīng) 力散布剖面?；谒淼姥鼐€地應(yīng)力散布，應(yīng)用巖石力學(xué)原理和有關(guān)技術(shù)規(guī)范，評價隧道 施工期發(fā)生巖爆的可能性及品級，并對隧道開挖與支護(hù)方案提出相應(yīng)的建議。測試的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與測試步驟執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：工程巖體實驗方式標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50266-99）、水利水電工 程巖石實驗規(guī)程（SL264-2001）及交通行業(yè)規(guī)范。水壓致裂法測試步驟（1）一占孔巖芯等資料，與地質(zhì)負(fù)責(zé)人一路選擇實驗段深度。（2）對鉆桿進(jìn)行密封及高壓實驗。（3）將橡膠封隔器定位于選定的壓裂段，并注水加壓，查驗巖石

4、 的不透水性。（4）對實驗段注水加壓進(jìn)行實驗，并全程收集壓力和流量與時間 的關(guān)系曲線。（5）當(dāng)泵壓上升至某一臨界（破裂壓力）時，巖石破裂。當(dāng)曲線 開始出現(xiàn)拐點并出現(xiàn)下滑時，關(guān)閉壓力泵，取得破裂面的剎時關(guān)閉壓力。（6）重復(fù)45步驟的加壓循環(huán)（3次以上）。（7）用特制印模器進(jìn)行破裂痕方向的記錄。附：水壓致裂法地應(yīng)力測量的大體原理大體原理：利用一對可膨脹的橡膠封隔器，在選定深度封隔一段完整的巖石鉆孔，然后 泵入流體對這段鉆孔增壓，直至鉆孔圍巖產(chǎn)生破裂。按照壓裂進(jìn)程中記錄的壓力-時間曲線 上的壓力特征值，求得鉆孔橫斷面內(nèi)的二個主應(yīng)力值。若鉆孔是沿鉛直方向，此二主應(yīng)力 即為最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力

5、。最大水平主應(yīng)力方位可按照印模器肯定的破裂痕 方位而得。豎直方向主應(yīng)力近似按上覆巖石的容重計算。由于直測量應(yīng)力量值，且能代表較大體積的應(yīng)力狀態(tài)，水壓致裂法結(jié)果比其它方式靠得 住，是現(xiàn)今測量地應(yīng)力場的主要方式，測量深度可達(dá)1000米。長江科學(xué)院巖基所1980s年 代初掌握該項技術(shù)以來，已為近百項大型工程提供測試服務(wù)（見長江科學(xué)院簡介）。最近 幾年與美國、澳大利亞等境外單位競標(biāo)取得了多個周邊國家的水壓致裂法地應(yīng)力測試。測試設(shè)備與計算軟件（1）水壓致裂法地應(yīng)力測試設(shè)備若干（2）數(shù)據(jù)自動收集儀若干（3）地應(yīng)力測試的數(shù)據(jù)處置程序全套（4）Ansys、Flac3D等正版數(shù)值分析軟件 全套進(jìn)度安排內(nèi)工作時間

6、1提前10天通知進(jìn)場（設(shè)備準(zhǔn)備與運(yùn)輸）:地應(yīng)力測試（鉆孔深度小于100m）35天/孔3，數(shù)據(jù)處理、應(yīng)力場有限元模擬分析20天現(xiàn)場工作周期（2孔）610 天6.主要人員配置尹健民 46歲教高艾凱 29歲工程師汪洋 29歲工程師國法剛 33歲工程師博士/巖石力學(xué)/副所長項目負(fù)責(zé)本科/巖土工程負(fù)責(zé)現(xiàn)場測試分析博士/巖石力學(xué)有限元分析本科/工程物探/現(xiàn)場測試與分析7.甲方配合內(nèi)容（1）鉆機(jī)及臺班人員，天天兩班作業(yè)，每孔配合時間35天（2）鉆孔直徑要求：75mm或90mm，用帶擴(kuò)孔器的金剛石 鉆具造孔，孔徑均勻；成孔后應(yīng)由清水洗孔；（3）開孔要求：開孔段應(yīng)設(shè)置護(hù)管，且護(hù)管高出地表20厘米（指 鉛直孔，以

7、防掉渣）。開孔段直徑不限，只需護(hù)管內(nèi)徑不小于測試鉆孔 直徑。（4）鉆桿要求：狀態(tài)完好，由乙方指導(dǎo)對接頭撤卸與密封后，可 經(jīng)受高水壓力；（5）測試需要鉆機(jī)及鉆機(jī)人員配合（測試儀器由鉆桿下到預(yù)定的 測點位置、并通過鉆桿內(nèi)管施加水壓），配合人員應(yīng)服從測試人員指揮。（6）電源220V/ 5KW、知足鉆機(jī)的清水水源；（7）提供構(gòu)造地質(zhì)資料與地質(zhì)報告，提供編排完整的鉆孔巖芯；（8）為乙方測試人員提供食宿方便，費用由乙方承擔(dān)。依據(jù)見2002年建設(shè)部工程設(shè)計與工程勘探收費標(biāo)準(zhǔn)，以上配合內(nèi)容，除 特別說明之外，費用由甲方承擔(dān)，并由甲方編制預(yù)算和組織實施。8.經(jīng)費預(yù)算按照市場行情，并計入洞內(nèi)作業(yè)等難度系數(shù)，水壓致裂法地應(yīng)力測試單價 萬/點。對于必然深度的鉆孔