三維水力致裂法測(cè)試秦嶺地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律研究

三維水力致裂法測(cè)試秦嶺地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律研究

1地應(yīng)力狀態(tài)描述隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加快，我國(guó)長(zhǎng)距離道路建設(shè)、節(jié)水天然氣等工程的推進(jìn)速度顯著加快。在地形復(fù)雜的山區(qū),地下工程建設(shè)已成為其必然的選擇,且長(zhǎng)、大、群、深”等地下工程所占比例也越來(lái)越大。受地應(yīng)力等諸多誘發(fā)因子影響,巖爆、大變形等工程事故時(shí)有發(fā)生,造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此,對(duì)地下工程地應(yīng)力進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試與分析顯得尤為重要?？茖W(xué)合理的地應(yīng)力測(cè)試工作為確定工程巖體力學(xué)屬性,進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析,實(shí)現(xiàn)巖石工程開挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要前提條件。本文通過三維水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量對(duì)陜西省引漢濟(jì)渭調(diào)水工程秦嶺隧洞的地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究,并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果,對(duì)該區(qū)域的地應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了討論。文章從地應(yīng)力的角度討論了對(duì)隧洞軸線的選擇,并對(duì)隧洞施工期巖爆進(jìn)行了預(yù)測(cè)。2家兔隧道概況引漢濟(jì)渭調(diào)水工程是“兩引八庫(kù)”重點(diǎn)水源工程和陜西省內(nèi)南水北調(diào)工程的骨干線路之一,該工程主要由黃金峽水庫(kù)、黃金峽泵站、黃三隧洞、三河口水利樞紐、秦嶺隧洞等五部分組成。秦嶺隧洞全長(zhǎng)81.779km,最大埋深為1990m,隧道軸線近似為NS,隧洞過水?dāng)嗝娌捎脠A拱直墻(過水?dāng)嗝鎸?.9m×6.5m)和圓形(開挖直徑7.2m)兩種形式。隧洞工程區(qū)域穿越商縣-丹鳳和山陽(yáng)-鳳鎮(zhèn)斷裂帶,主要包括秦嶺嶺南中低山區(qū)(Ⅰ)、秦嶺嶺脊高中山區(qū)(Ⅱ)、秦嶺嶺北中低山區(qū)(Ⅲ)三大地貌單元,區(qū)域內(nèi)地層巖性復(fù)雜多變,以變質(zhì)巖和巖漿巖為主,隧洞過兩條區(qū)域性大斷裂,本次地應(yīng)力測(cè)試分別位于秦嶺嶺北和嶺南中低山區(qū),測(cè)試區(qū)域內(nèi)主要巖性分別為花崗巖和片麻巖,巖體較完整,巖質(zhì)堅(jiān)硬。3常規(guī)壓裂試驗(yàn)水壓致裂法是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦的地應(yīng)力主要量測(cè)方法之一,該法具有測(cè)量深度大、操作簡(jiǎn)單,無(wú)需巖石力學(xué)參數(shù)參與計(jì)算等優(yōu)點(diǎn),是深部地應(yīng)力測(cè)量的最有效手段,但只能獲得鉆孔斷面的二維應(yīng)力狀態(tài)。為得到工程部位的全應(yīng)力張量,因此,引入三維水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試。三維水壓致裂法原理是基于傳統(tǒng)水壓致裂法的地應(yīng)力測(cè)量法,通過三個(gè)不同方向鉆孔的常規(guī)水壓致裂量測(cè),聯(lián)立求解獲得測(cè)區(qū)的三維應(yīng)力張量。具體而言,建立鉆孔坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系(如圖1所示),將應(yīng)力分量進(jìn)行坐標(biāo)變換,得到常規(guī)壓裂試驗(yàn)觀察值的方程組:σAij+σBij=σx[1-cos2αicos2(β0-βi)]+σy[1-cos2αisin2(β0-βi)]+σzcos2αi-τxycos2αisin2(β0-βi)–[τyzsin(β0-βi)+τzxcos(β0–βi)]sin2αi(1)(σAij-σBi)cos2ij=σx[1-(1+sin2αi)cos2(β0-βi)]+σy[1-(1+sin2αi)sin2(β0-βi)]-σzcos2αi-τxy(1+sin2αi)sin2(β0-βi)+[τyzsin(β0–βi)+τzxcos(β0–βi)]sin2αi(2)(σAij-σBi)sin2ij=(σx-σy)sinαisin2(β0-βi)-2τxysinαicos2(β0-βi)+2[τyzcos(β0–βi)-τzxsin(β0–βi)]cos2αi(3)式中:i=1,2,…,m(m≥3),m為測(cè)量鉆孔的個(gè)數(shù),σAij和σBij分別為常規(guī)壓裂試驗(yàn)下的鉆孔橫截面二維應(yīng)力狀態(tài),其中σAij為大次主應(yīng)力,σBij為小次主應(yīng)力,Aij為橫截面上鉆孔坐標(biāo)系水平軸xi與壓裂縫的逆向,通過上式建立線性代數(shù)方程進(jìn)行求解,得到三維地應(yīng)力量值和方向。三維水壓致裂法克服了傳統(tǒng)水壓致裂應(yīng)力測(cè)量法由于鉆孔與主應(yīng)力方向不一致而引起的測(cè)量誤差,提高了地應(yīng)力量測(cè)精度,在地應(yīng)力測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。4地應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)方案為研究秦嶺隧洞在嶺南與嶺北應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律,以便為隧洞設(shè)計(jì)及施工提供依據(jù),分別在秦嶺隧洞的嶺北6號(hào)試驗(yàn)洞和嶺南3號(hào)試驗(yàn)洞附近及深埋洞身測(cè)孔內(nèi)進(jìn)行了常規(guī)水壓致裂法和三維水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試,具體布置見表1。4.13試驗(yàn)洞合同結(jié)構(gòu)根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知,垂直孔LN-1測(cè)試的最大水平主應(yīng)力量值范圍為17.2～31.4MPa,最小水平主應(yīng)力12.6～17.8MPa。該孔中最大水平主應(yīng)力方位為N74°W,即近EW向,與測(cè)試區(qū)域秦嶺山脈走向及近EW向和NWW向構(gòu)造方位相符。LN-2孔的截面最大主應(yīng)力量值范圍為17.7～27.5MPa,截面最小主應(yīng)力11.8～15.3MPa;LN-3孔的截面最大主應(yīng)力量值范圍為17.1～27.9MPa,截面最小主應(yīng)力11.4～15.6MPa。圖2給出了3#試驗(yàn)洞各測(cè)孔主應(yīng)力與孔深的關(guān)系。由圖可知,該試驗(yàn)洞的三個(gè)測(cè)孔在測(cè)試范圍內(nèi),在淺于10～12m左右由于受洞室開挖卸荷裂隙影響,量值相對(duì)較低。因此,可以認(rèn)為洞室開挖應(yīng)力卸荷范圍為12m左右。通過聯(lián)立三個(gè)鉆孔的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行三維水壓地應(yīng)力計(jì)算可得3#試驗(yàn)洞三維水壓致裂法結(jié)果(見表2)。計(jì)算結(jié)果顯示,最大水平主應(yīng)力為21.7MPa,最小水平主應(yīng)力為14.1MPa,最大水平主應(yīng)力方位為N74°W,與常規(guī)該試驗(yàn)洞垂直鉆孔LN-1的測(cè)試結(jié)果相符。4.26開挖預(yù)應(yīng)力卸荷范圍6#試驗(yàn)洞中,LB-1孔的最大水平主應(yīng)力量值范圍為14.0～27.4MPa,最小水平主應(yīng)力11.9～15.2MPa,最大水平主應(yīng)力方位為N84°W,即近EW向。LB-2孔的截面最大主應(yīng)力量值范圍為17.0～24.5MPa,截面最小主應(yīng)力12.8～14.0MPa。LB-3孔的截面最大主應(yīng)力量值范圍為19.1～23.9MPa,截面最小主應(yīng)力10.9～14.4MPa。6#試驗(yàn)洞各測(cè)孔主應(yīng)力與孔深的關(guān)系見圖3。由圖可知,該試驗(yàn)洞的三個(gè)測(cè)孔在測(cè)試范圍內(nèi),在埋深10～15m左右由于受洞室開挖卸荷裂隙影響,量值相對(duì)較低。因此,可以認(rèn)為洞室開挖應(yīng)力卸荷范圍為15m左右。3#試驗(yàn)洞三維水壓致裂法結(jié)果(見表2)。計(jì)算結(jié)果顯示,最大水平主應(yīng)力為22.7MPa,最小水平主應(yīng)力為18.2MPa,最大水平主應(yīng)力方位為N84(W,與常規(guī)該試驗(yàn)洞垂直鉆孔LB-1的測(cè)試結(jié)果相符。4.3最大水平主應(yīng)力場(chǎng)綜合3#試驗(yàn)洞和6#試驗(yàn)洞的測(cè)試結(jié)果可知:在兩個(gè)試驗(yàn)洞所測(cè)結(jié)果規(guī)律比較一致,最大水平主應(yīng)力大小主要為20～30MPa,應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)σH≥σZ>σh的特征,說(shuō)明構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)仍主導(dǎo)著該區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)。由于受洞室開挖卸荷裂隙影響,隧洞圍巖的卸荷松弛范圍在10～14m左右。最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W～NWW,與徐文龍?jiān)谙到y(tǒng)測(cè)量微斷層的位移參數(shù)的基礎(chǔ)上,通過采用滑動(dòng)矢量擬合法所獲得的該區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以NW-SE向擠壓為主的二期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征相符,進(jìn)一步說(shuō)明本區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜,與現(xiàn)代NE-SW擠壓構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)不同,而以殘余古構(gòu)造應(yīng)力為主的特點(diǎn)。結(jié)合本次試驗(yàn)成果和文獻(xiàn)的研究成果可知:秦嶺區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)地應(yīng)力量值在不受局部地形影響的前提下,在高程550～500m范圍內(nèi)達(dá)到30MPa左右,屬于高～極高應(yīng)力區(qū),應(yīng)引起工程施工的重視。該區(qū)最大水平主應(yīng)力方向以NW～EW為主,以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主導(dǎo)。至于殘余古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在不同區(qū)域的比重,有待進(jìn)行過全面系統(tǒng)地應(yīng)力測(cè)試研究后給出評(píng)價(jià),這將有助于從力學(xué)角度深入了解秦嶺區(qū)域的構(gòu)造演變規(guī)律并為越嶺工程提供科學(xué)指導(dǎo)。5對(duì)隧道軸線的選擇和巖爆的影響在地下工程設(shè)計(jì)及施工開挖過程中,地應(yīng)力的大小和方向?qū)Φ叵鹿こ逃兄匾绊?主要表現(xiàn)在對(duì)隧洞軸線的選擇和巖爆的影響。隧洞軸線方向主要受整個(gè)工程布置情況及地質(zhì)條件的影響,但地應(yīng)力的大小和方向?qū)λ兄匾挠绊?此外,在埋深較大,圍巖完整較好的高應(yīng)力水平區(qū)域,且?guī)r體堅(jiān)硬、干燥,發(fā)生巖爆的可能性也較大,在施工中應(yīng)采取合理開挖方案及相應(yīng)的預(yù)防措施。5.1重力為主時(shí)的巷道圍巖主應(yīng)力分析本次的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示:最大水平主應(yīng)力方向與隧洞軸線近似正交,當(dāng)以水平應(yīng)力為主時(shí),該應(yīng)力分布對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定是相對(duì)不利的,而當(dāng)以重力為主時(shí),隧洞軸線與最小水平主應(yīng)力近于平行,沿最大水平主應(yīng)力方向作用于隧洞圍巖上的剪力作用最小而對(duì)圍巖穩(wěn)定相對(duì)有利。針對(duì)本次所研究部位的地應(yīng)力狀態(tài)而言,處于深埋洞身段圍巖的最大水平主應(yīng)力與自重差值較小,且工程地質(zhì)背景中NW向斷裂構(gòu)造普遍,從力學(xué)和地質(zhì)角度分析可知,隧洞近NS向軸線布置是比較合理的。5.2巖爆剩余能量轉(zhuǎn)換巖爆是由于巖體中蓄存有高地應(yīng)力,在改變了巖體賦存的力學(xué)環(huán)境的情況下,巖體在變形破壞過程中所儲(chǔ)存的彈性變形能不僅能滿足巖體變形和破裂所消耗的能量,還有足夠的剩余能量轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,使逐漸被剝離的巖塊彈射出去。目前巖爆的主要預(yù)測(cè)方法有:最大主應(yīng)力判據(jù)、最大剪應(yīng)力判據(jù)、能量判據(jù)、陶振宇判據(jù)和沖擊性判據(jù)。根據(jù)圍巖力學(xué)參數(shù)及《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》可知,對(duì)于比較完整的花崗巖和片麻巖而言,Rc/σmax在嶺北區(qū)及嶺南區(qū)分別為4.4和3.6,說(shuō)明本次測(cè)試所處隧洞洞身段屬于高～極高應(yīng)力區(qū),發(fā)生巖爆的可能性較大,因此本文從地應(yīng)力角度著手,采用常用的的Russenes判別法和Turchaninov判別法兩種判別法進(jìn)行定性或定量的綜合評(píng)價(jià)。5.2.1巖爆烈度關(guān)系圖和點(diǎn)荷載強(qiáng)度is的對(duì)應(yīng)關(guān)系Russenes巖爆判別法是根據(jù)洞室的最大切向應(yīng)力σθ與巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is的關(guān)系,建立了巖爆烈度關(guān)系圖。把點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is換算成巖石的單軸抗壓強(qiáng)度Rc,并根據(jù)巖爆烈度關(guān)系圖判別是否有無(wú)巖爆發(fā)生。其判別關(guān)系如下:σθ/Rc<0.20,無(wú)巖爆;0.20≤σθ/Rc<0.30,弱巖爆;0.30≤σθ/Rc<0.55,中巖爆;σθ/Rc≥0.55,強(qiáng)巖爆。5.2.2圍巖巖爆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)Turchaninov巖爆判別法是根據(jù)科拉島希賓地塊礦井建設(shè)經(jīng)驗(yàn),提出了巖爆活動(dòng)性由洞室切向應(yīng)力σθ和軸向應(yīng)力σL之和與巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc之比值確定:(σθ+σL)/Rc≤0.3,無(wú)巖爆;0.3<(σθ+σL)/Rc≤0.5,有巖爆可能;0.5<(σθ+σL)/Rc≤0.8,肯定發(fā)生巖爆;(σθ+σL)/Rc>0.8,有嚴(yán)重巖爆。針對(duì)測(cè)試區(qū)域的隧洞圍巖主要為完整硬質(zhì)花崗巖及片麻巖,參考試驗(yàn)結(jié)果與工程經(jīng)驗(yàn),取隧洞圍巖的平均單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc為110MPa。根據(jù)Russenes判別法和Turchaninov判別法可知:隧洞埋深小于300m時(shí),施工期一般不會(huì)發(fā)生巖爆;埋深在300～500m范圍,可能發(fā)生輕微巖爆;埋深在500～1000m范圍,可能發(fā)生中等巖爆;埋深大于1000m時(shí),可能發(fā)生強(qiáng)巖爆。由于影響巖爆發(fā)生的因素很多,除地應(yīng)力因素外,還有巖石性狀、地質(zhì)構(gòu)造及開挖方式等。在應(yīng)用上述預(yù)測(cè)結(jié)論時(shí)應(yīng)對(duì)多種影響因素加以考慮,進(jìn)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。6測(cè)試區(qū)域主應(yīng)力分析通過采用三維水壓致裂法對(duì)秦嶺引水隧洞地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的分析,同時(shí)結(jié)合已有研究對(duì)隧洞洞身及峽谷區(qū)應(yīng)力量值和方向的綜合分析,可以得出以下結(jié)論:(1)秦嶺深埋引水隧洞測(cè)試部位最大水平主應(yīng)力大小主要為20～30MPa,應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)σH≥σZ>σh的特征,說(shuō)明構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)仍主導(dǎo)著該區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)。(2)測(cè)試部位最大水平主應(yīng)力方向以NW～EW為主,與相關(guān)文獻(xiàn)所得的結(jié)果一致,進(jìn)一步說(shuō)明研究區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力場(chǎng)中以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主導(dǎo);局部測(cè)試結(jié)果受峽谷地