吳同山隧道地應(yīng)力測試的方法與成果

吳同山隧道地應(yīng)力測試的方法與成果摘要：近年來，國內(nèi)高速公路工程掀起建設(shè)熱潮，對于山區(qū)高速公路，隧道的地質(zhì)條件和設(shè)計具有重要意義。筆者以福建省永春至永定高速公路吳同山隧道為例，對其地應(yīng)力條件的測試方法作以說明，對類似隧道工程有一定的參考價值。關(guān)鍵詞：高速公路隧道地應(yīng)力地質(zhì)勘察Abstract:inrecentyears,domestichighwayengineeringaconstructionboom,forthemountainousareahighway,thegeologicalconditionsandtunneldesignisofgreatsignificance.TheauthorquaninfujianprovincehighwaytunnelyongdingtoWuTongShanasanexample,thegroundstresstestmethodoftheconditionstoexplaintothesimilartunnelprojectisofsomereferencevalue.Keywords:highwaytunnelgeostressgeologicalinvestigation1項目概況1.1工程概況擬建的吳同山隧道位于福建省安溪縣湖頭鎮(zhèn)，總體呈北東?南西向曲線形展布。隧道采用分離式，其中左洞起訖樁號ZK8+217?ZK11+394，總長3177m；右洞起訖樁號K8+215?K11+390,總長3175m；凈空（寬x高）均為10.25x5.0m。設(shè)計時速80km/h，最大埋深489m，屬特長隧道。1.2隧址區(qū)地質(zhì)概況本隧道在區(qū)域地質(zhì)上位于閩西南拗陷帶與閩東火山斷拗帶之間，區(qū)內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育，在地質(zhì)歷史上先后經(jīng)歷了加里東、印支、燕山和喜山期重大構(gòu)造運動，致使區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜及巖漿侵入頻繁，奠定了本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造基礎(chǔ)。區(qū)域地震抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，峰值頻譜周期為0.45s，設(shè)計地震分組屬第二組。隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌，地形起伏大，進出口均與山間溝谷盆地相連，切割深度10?25m，最大高程742.5m，最小高程188.5m，相對高差554m。山體表層為殘積粘性土（Qel），層厚一般2.00?5.50m；下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)南園組凝灰?guī)r、流紋巖（J3nb）及燕山早期侵入花崗巖（y52（3）c）,其中花崗巖與凝灰?guī)r、流紋巖呈侵入不整合接觸關(guān)系，接觸帶內(nèi)巖層蝕變較強烈，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，多破碎呈碎塊狀，對隧道洞身圍巖穩(wěn)定性有一定影響。微風化花崗巖層新鮮堅硬，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，為隧道洞身主要圍巖。2隧道的地應(yīng)力條件2.1測試方法及步驟勘察期間根據(jù)鉆孔SZK吳7#巖芯的完整性，在鉆孔不同深度采用水壓致裂測量法進行測試。本方法是國際巖石力學學會測試方法委員會于1987年頒布的測定巖石應(yīng)力的建議方法之一，其原理是利用一對可膨脹的橡膠封隔器，在預(yù)定的測試深度封隔一段鉆孔，然后泵入液體對該段鉆孔施壓，根據(jù)壓裂過程曲線的壓力特征值計算地應(yīng)力，使用的設(shè)備示意圖見圖1。本方法具有以下突出優(yōu)點：（1）測量深度大；（2）資料整理時不需要巖石彈性參數(shù)參與計算，可以避免因巖石彈性參數(shù)取值不準引起的誤差；（3）巖壁受力范圍較廣（鉆孔承壓段長），可以避免“點”應(yīng)力狀態(tài)的局限性和地質(zhì)條件不均勻性的影響；（4）操作簡單，測試周期短。因此，本方法被廣泛應(yīng)用于水利水電、交通、礦山等領(lǐng)域。圖1水壓致裂法測試設(shè)備示意圖在進行水壓致裂測試之前，對鉆孔進行檢查，包括巖芯完整性指標RQD、透水率、鉆孔傾斜度等參數(shù)，根據(jù)工程的需要選擇合適的壓裂段。同時現(xiàn)場對壓力傳感器進行標定，對每根加壓鉆桿進行密封檢驗。本次測試主要步驟如下：（1） 坐封：通過鉆桿將兩個可膨脹的橡膠封隔器放置到選定的壓裂段，加壓使其膨脹、坐封于孔壁上，形成承壓段空間。（2） 注水加壓：通過鉆桿推動轉(zhuǎn)換閥后，液壓泵對壓裂段注水加壓（此時封隔器壓力保持不變），鉆孔孔壁承受逐漸增強的液壓作用。（3） 巖壁破裂：在足夠大的液壓作用下，孔壁巖體沿阻力最小的方向出現(xiàn)破裂，該破裂將在垂直于截面最小主應(yīng)力的平面內(nèi)延伸。與之相應(yīng)，當泵壓上升到臨界破裂壓力Pb后，由于巖體破裂導(dǎo)致壓力值急劇下降。（4） 關(guān)泵：關(guān)閉壓力泵，泵壓迅速下降，然后隨著壓裂液滲入到巖層，泵壓下降緩慢。當壓力降到使裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時的壓力，即垂直于裂縫面的最小主應(yīng)力與液壓回路達到平衡時的壓力，稱為瞬時關(guān)閉壓力Ps。卸壓：打開壓力閥卸壓，使裂縫完全閉合，泵壓記錄歸零。重張：按(2)?(5)步驟連續(xù)進行多次加壓循環(huán)，以便取得合理的壓裂參數(shù)，以判斷巖石破裂和裂縫延伸的過程。解封：壓裂完畢后，通過鉆桿拉動轉(zhuǎn)換閥，使封隔器內(nèi)液體通過鉆桿排除，此時封隔器收縮恢復(fù)原狀，即封隔器解封。破裂縫方向記錄：采用定向印模器，通過擴張印模筒外層的生橡膠和能自動定向的定向器記錄破裂縫的長度和方向。2.2測試成果應(yīng)力量值測試后各項數(shù)據(jù)基本符合水壓致裂法測試的一般規(guī)律，各壓力特征值比較明顯。鉆孔SZK吳7#在160.6?379.9m測試深度范圍內(nèi)的最大水平主應(yīng)力oH為5.5?13.3MPa，最小水平主應(yīng)力oh為4.1?10.5MPa，鉛直應(yīng)力z為4.3?10.3MPa。測試成果詳見下表1。測試部位隧道圍巖為微風化花崗巖，參考試驗結(jié)果并根據(jù)工程經(jīng)驗，取單軸飽和抗壓強度Rc=80MPa，測試區(qū)域的Rc/omax=6.3(omax為垂直洞軸線方向的最大初始應(yīng)力)，依據(jù)《工程巖體分級標準》(GB/50218-94)，巖體應(yīng)力量級為高應(yīng)力水平。表1SZK吳7#鉆孔水壓致裂法地應(yīng)力測試成果表注：1、Pb-巖石破裂壓力，Pr-裂縫重張壓力，Ps-瞬時閉合壓力，P0-巖石孔隙壓力，ot-巖石抗拉強度，oH-最大水平主應(yīng)力，oh-最小水平主應(yīng)力，oz-鉛直(自重)應(yīng)力，入最大水平主應(yīng)力方向的側(cè)壓系數(shù)(oH/oz)。破裂壓力、重張壓力及關(guān)閉壓力為測點孔口壓力值；2、巖石容重取為27kN/m3，測試時鉆孔水位位于孔口以下45m。測壓系數(shù)測深范圍內(nèi)測段的最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù) oH/z絕大多數(shù)在1.1?1.3之間，隧道圍巖處應(yīng)力場主要呈aH>az>費1征，說明該深度范圍內(nèi)地應(yīng)力場水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用，主要受構(gòu)造應(yīng)力和山谷地形作用的影響。（3） 應(yīng)力方位鉆孔所得破裂縫方向比較一致，最大水平主應(yīng)力方向范圍為 N22°W?N40°W,平均方位為N31°W，與隧址區(qū)沿線內(nèi)主要斷裂構(gòu)造走向基本一致，主要裂縫印模見下圖2。（4） 地應(yīng)力量值與埋深的關(guān)系通過擬合，獲得的水平主應(yīng)力量值隨深度（H，單位m）的變化關(guān)系見下式及圖3,可以看出：在測試深度范圍內(nèi)，應(yīng)力量值隨深度的增加而增大。（5）地應(yīng)力場與隧道軸線布置隧道軸線方向主要受整體工程布置情況及地質(zhì)條件決定，但地應(yīng)力的大小和方向?qū)λ兄匾绊?。研究表明，在以水平?gòu)造為主的應(yīng)力場中，洞H=298.9mH=343.9mH=370.9m圖2鉆孔SZK吳2#水壓致裂法壓裂縫印模圖圖3水平主應(yīng)力測值隨深度的變化關(guān)系圖室軸線最好平行最大水平主應(yīng)力方向布置，否則邊墻將產(chǎn)生嚴重的變形和破壞。根據(jù)本隧道地應(yīng)力測試結(jié)果，測孔深部最大水平主應(yīng)力方向N40°W）與隧道軸線方向（約78°）夾角較大（約62°），對隧道圍巖的穩(wěn)定性相對不利。2.3隧道圍巖的地應(yīng)力場評估本次測試最大測深為379.9m，小于隧道的最大埋深（約489m）。因此，需對可能發(fā)生巖爆的深埋段隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)進行粗略估計?？咨?72m以下測段的最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)在1.1?1.3之間。對于埋深大于測孔深度的深埋段隧道，需對測試結(jié)果進行適當外延，估計適用埋深的隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)。依據(jù)測試結(jié)果及已有工程經(jīng)驗，重點針對可能發(fā)生巖爆的深埋段隧道，初步建議隧道綜合應(yīng)力場如下式所表述（H為隧道圍巖埋深，單位m）。實測最大水平主應(yīng)力方位為N22°W?N40°W,建議深埋段隧道圍巖的最大水平主應(yīng)力方向為N40ºW。據(jù)上式粗略估計最大埋深處(約489m)圍巖最大水平主應(yīng)力為17.2MPa，屬高應(yīng)力水平。2.4施工期間隧道巖爆預(yù)測針對完整硬質(zhì)隧道圍巖，參考試驗結(jié)果與工程經(jīng)驗，取單軸飽和抗壓強度Rc=80MPa。隧道施工開挖期巖爆預(yù)測評價結(jié)果如下表2所示。綜合以上測試成果，當隧道埋深小于225m時，施工期一般不會發(fā)生巖爆；隧道埋深在225?370m范圍，可能發(fā)生輕微巖爆；隧道埋深大于370m時，可能發(fā)生中等巖爆。由于影響巖爆發(fā)生的因素很多，除地應(yīng)力因素外，還有巖體性狀、地質(zhì)構(gòu)造及開挖方式等。在應(yīng)用上述預(yù)測結(jié)論時應(yīng)對多種影響因素加以考慮，進行綜合分析，必須選擇合理的開挖方式，并在施工過程中采取必要的安全措施。表2吳同山隧道巖爆判別表Russenes法Turchaninov法巖爆烈度oO/RcH/m巖爆烈度（oO+oL）/RcH/m無巖爆<0.2 <225無