基于水压致裂法的深埋山岭隧道地应力特征分析及应用_王坛华.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202210032开放科学（资源服务）标识码（OSID）基于水压致裂法的深埋山岭隧道地应力特征分析及应用王坛华（1.福建省交通规划设计院有限公司，福州350004；2.近海公路建设与养护新材料技术应用交通运输行业研发中心，福州350004）摘要：以莆田至永定高速公路白鸽岭隧道地应力测试为例，介绍地应力测试基本原理和过程。通过分析多年积累的福建地区 16 个隧道实测地应力测试成果，采用回归分析法建立最大和平均侧压力系数与埋深的函数关系，并用于预测隧道地应力水平和判定岩爆等级。研究表明：乘幂函数能较好地反映 600 m 以内埋深地应力变化规律。其成果可供福建地区隧道地应力评价参考。关键词：水压致裂法；地应力；回归分析；侧压力系数；岩爆中图分类号：U452.1文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0165 06 0 引言根据我国现有工程岩体分级理论和工程实践 1，地应力是岩体基本质量指标 BQ 计算的 3 个主要修正系数之一。在地应力场与渗流场耦合作用下，地应力的大小、方向能影响裂隙张开度，进而影响裂隙渗透特性，基于裂隙发育特征的岩体渗透系数可能因地应力场发生弱化或强化，因此地应力场可间接影响岩体基本质量指标 BQ 值的地下水修正系数。因地应力场与断层节理等主要控制性结构面的相互关系，主要控制性结构面对围岩稳定性的影响可能加剧或减轻。地应力直接或间接影响岩体基本质量指标的 3 个修正系数，意味着地应力对围岩分级结果影响可达 1 至 2 级。孙广忠等2认为不仅高地应力状态，低地应力状态对隧道围岩稳定性和灾变性也有重要影响。众多学者在重大公路、铁路选线或工程实践中，对高地应力诱发工程风险进行了深入研究，潘智锋等3对新疆地区某深埋特长11 km 隧道钻孔，进行地应力实测并用于判定岩爆风险；陈仕阔等4研究了新川藏线穿越强构造区隧道工程面临的高地应力问题，建立了高应力背景下的选线模型；张朝强等5以某深埋特长 13 km 隧道为例，研究软岩地应力场与围岩破坏之间的关系，构建了以地应力为核心属性识别模型，成功用于判定岩爆风险等级；魏英华等6以地应力作为边界条件，对隧道岩爆机理进行数值模拟用以推测岩爆发生具体位置。在重大工程理论与实践研究中，地应力都是重要的控制性条件。因此，如何测定和获取地应力值对地下工程岩体分级分类、灾害预防、稳定性分析和预判具有重要意义。天然地应力状态通常是指未经人工扰动，以重力场和构造应力场为主，或有时叠加岩体物理化学变化及岩浆侵入作用等形成的应力，是一种初始应力状态。一般情况下天然应力处于相对稳定的状态，但在地壳升降、断层推挤及地震等活动下，天然应力场会发生大小和方向变化，这种改变极为复杂，后期应力场往往起主导作用。边坡开挖、洞室掘进、爆破等人工活动对天然应力场均造成不同程度扰动，形成二次应力场。福建省地处我国东南沿海，受华夏系、新华夏系构造活动影响强烈。受燕山期以来造山运动影响，侏罗系、白垩系地层广泛分布福建省北部、中部和东部沿海地区。福建地区大规模的火山运动和岩浆侵入活动，深刻改变福建地区地壳结构。地壳抬升剥蚀，以及太平洋板块、菲律宾板块向西挤压俯冲，诸多复杂的地质活动均在不同程度上改变天然地应力场，使天然地应力形成路径更加复杂。福建是多山的省份，山地密度居全国前列，在 收稿日期：2022 11 28基金项目：国家自然科学基金青年项目（42007261）；福建省自然科学基金项目（2021J05026）作者简介：王坛华（1981），男，福建宁德人。高级工程师，博士，主要从事公路工程勘察设计咨询工作。E-mail：。王坛华：基于水压致裂法的深埋山岭隧道地应力特征分析及应用 165 华南地区极具代表性，福建与浙赣粤山区地貌形态极为相似，但构造应力历史有所不同。隧道是福建地区公路常见的构造物类型，为满足长大深埋隧道勘察、设计和施工需要，必须获得隧道工程围岩地质条件，而地应力是最重要的隐性工程条件之一。地应力测试方法有钻孔孔径变形测量法、水压致裂法、钻孔孔壁应变测量法和岩体表面应力恢复测量法等7，但在勘察设计阶段最适用且实测效果较好的是水压致裂法，这也是国际岩石力学学会推荐的方法。本文以莆田至永定高速白鸽岭隧道 ZCS1A地应力测试为例，介绍水压致裂法地应力测试的基本原理与过程。由于勘测阶段地应力测试完全依赖深孔钻探，而深孔钻探风险高难度大，钻孔常因掉块、塌孔等导致试验失败，工程人员常面临无有效地应力数据的问题。通过对分布福建各地的 16 个山岭隧道实测地应力测试数据进行统计分析，寻找地应力发育特征和分布规律，为相似条件下福建地区山岭隧道工程应用提供技术支撑。1 工程概况 1.1 地形地貌与构造条件白鸽岭隧道全长 4.2 km，进出口高程约 295 m，最大埋深约 465 m，隧道区属低山地貌，地形起伏大，天然山坡坡度约 2040，局部达 50，隧址地表沟谷发育，切割较深，大多呈“V”型谷；主山脊走向为 NWW 向，其次以 NE 向为主，深沟四周山脊呈放射状。隧道所在地区是福建省中东部典型的火山地质地貌区，隧道北部、东部及南部分别为侏罗系白垩系火山地貌。隧道周边环状火山断裂与隧道呈较小角度相交，断裂带为其南部火山环状断裂带的一段，为具一定走滑性质的正断层，断层内岩石破碎，节理裂隙发育。隧道以西发育北西向断裂，可见花岗斑岩呈脉状大规模侵入。因此，白鸽岭隧址区地质构造条件较为复杂，地应力场受火山、断层、岩浆侵入、剥蚀等叠加影响。1.2 岩体工程地质性质隧址区地表上覆第四系残坡积黏性土层，层厚小于 4 m；下伏基岩为侏罗系南园组（J3n）凝灰熔岩、熔结凝灰岩，因火山喷发沉积作用，局部夹凝灰质粉砂泥岩。因岩浆侵入活动，局部发育花岗斑岩、辉绿岩脉等。经勘探和试验测试，隧道洞身围岩以微风化凝灰熔岩为主，抗压强度约 74150 MPa，饱和劈裂强度 8.7 MPa，黏聚力 5 MPa，内摩擦角 53。2 水压致裂法地应力测试 2.1 基本原理水压致裂法基于 3 个假定条件：岩体为均质、连续、各向同性的弹性介质；围岩为多孔介质并且岩体孔隙流服从达西定律；岩体中一个主地应力为铅垂方向并且大小等于上覆岩层压力8。设 H和 h分别为钻孔横截面上最大和最小水平主应力，Pw为钻孔承受注液压力，P0为孔隙水压力，t为围岩的抗拉强度，Pb为破裂压力。考虑岩体中的孔隙水压力等作用，钻孔承压段周围岩壁围岩产生破裂的应力条件为PbP0=3(hP0)(HP0)+tK（1）式中：K 为渗透系数，对于完整岩石可取 1。试验中加压至孔壁围岩破裂后，即关闭压裂泵，此时维持裂缝张开的瞬时关闭压力 Ps与裂纹面相垂直的最小水平主应力 h平衡，从而有h=Ps（2）H=3PsPb+tP0（3）当钻孔周边围岩初次破裂以后，对钻孔进行二次加压至破裂缝继续张开，此时的压力为重张压力 Pr。因围岩已破碎，抗拉强度为零，此时Pr=3hHP0（4）代入变换，得到H=3PsPrP0（5）结合试验中测量仪表读数和压力传感器各压裂参数特征值 Pb、Pr、Ps，可以确定钻孔最大主应力 H、最小水平主应力 h大小，同时根据印模器裂纹破裂方向记录可以确定最大水平主应力方向。典型压裂过程曲线，见图 1。15105测试压力/MPa4080120160200测试时间/sPbPrPs图1典型压裂过程曲线 2.2 适用条件根据岩体卸荷分带理论2，目标测试段在一定埋深以后受卸荷作用影响就逐渐减弱，构造应力居路基工程 166 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）于主导地位。因此，福建地区山岭隧道地应力测量段一般选择埋深 150 m 以下至隧道洞身范围。2.3 试验设备与步骤测试主要设备：钻孔承压段封隔系统，由两个串联封隔器组成，在两个封隔器间形成承压段承受液压；液压加压系统，实现对封隔器和钻孔承压段加压的管路系统，以及控制压力液体流向的推拉阀；测量和记录系统，包括压力传感器、流量传感器、压力表等。测试系统示意，见图 2。封隔器推拉阀承压试验段孔壁连接杆高压油泵测量和记录系统电脑传感器液压系统图2测试系统示意 地应力测试的主要步骤有：座封、注水加压、岩壁破裂、关泵、卸压、重张、解封、记录破裂缝方向等。2.4 试验成果针对 ZCS1A 钻孔，选取其中 11 段岩体较完整部位进行试验，剔除无效数据后获得了 8 段试验曲线，从测试曲线上读取各压裂参数特征值，并带入式（1）式（5），得到 ZCS1A 钻孔地应力测试成果，见表 1。各试验段的压力-时间关系曲线，见图 3，均较符合典型压裂过程曲线。表1ZCS1A 钻孔地应力测试成果深度/m抗拉强度/MPaH最大水平主应力/MPah最小水平主应力/MPav垂直应力/MPa最大水平主应力方向171.53.825.594.684.46216.83.567.235.355.64NE47253.12.207.736.106.58298.40.829.437.077.76334.61.3510.147.908.70370.90.8611.078.519.64407.14.8012.449.5910.58NE43425.24.5812.9110.0711.06 ZCS1A 钻孔实测最大、最小水平主应力与自重应力比值（侧压力系数）随岩层深度变化关系曲线，见图 4。测孔的应力值随深度的变化均呈增大趋势，但并不完全呈线性增加。侧压力系数随埋深增大整体呈减小趋势，但变化趋缓。10525 50 75 100 125150175 200测试压力/MPa测试时间/s（a）测深171.5 m105测试压力/MPa20025 50 75 100 125150175测试时间/s（c）测深253.1 m175 200105测试压力/MPa25 50 75 100 125150测试时间/s（d）测深298.4 m175 200105测试压力/MPa25 50 75 100 125 150测试时间/s（f）测深370.9 m15105测试压力/MPa175 20025 50 75 100 125150测试时间/s（g）测深407.1 m15105测试压力/MPa25 50 75 100 125 150175 200测试时间/s（h）测深425.2 m105测试压力/MPa2575125175225测试时间/s（b）测深216.8 m225105测试压力/MPa2575125175测试时间/s（e）测深334.6 m00000000图3ZCS1A 钻孔测试段压力时间曲线 最大水平应力最小水平应力自重应力450400350300250200150468101214应力/MPa埋深/m0.80.91.01.11.21.31.41.5最大侧压力系数侧压力系数最小侧压力系数图4钻孔地应力深度变化曲线 3 福建地区地应力变化规律分析 限于深部岩体地应力测试数据稀缺，以往研究难以获取具有统计意义的地区地应力信息，而将地应力变化和侧压力系数简单概括为线性关系。现将分布于福建省不同地区的 16 座山岭隧道深部地应力实测数据进行统计分析。其山岭隧道地应力测试点，见表 2。各个隧道实测地应力成果，最大主应力与自重应力的比值，即最大侧压力系数 并不是固定的，王坛华：基于水压致裂法的深埋山岭隧道地应力特征分析及应用 167 同一个钻孔在不同深度 值是变化的，最大约2.43，最小 0.66，平均 1.30。最小主应力与自重应力比值也有类似特点，最大约 1.79，最小约 0.61，平均 0.96。可见地应力分布是复杂多变的，大部分情况下第一、第三主应力是近水平的，自重应力近似为第二主应力。也有少部分情况下自重应力成为第一主应力，如宁武高速地坪隧道，分析其原因可能与造山运动、断层活动和沟谷深切侧向卸荷等因素有关。为研究水平地应力与自重应力间的变化规律，考虑到各测段实测点数量差异较大，现将各隧道 值按不同深度分段归类统计分析，即将各实测数据按 50 m 为一档，求其平均值和最大值，获得不同深度条件下的侧压力系数，见表 3。表2福建地区山岭隧道地应力测试点隧道名称（公路）位置测深范围/m实测点数岐山隧道(湄渝)莆田11755811白鸽岭隧道(莆永)永春1714258贵新隧道(福州绕城)福州2253558高山隧道(双福)福安2553955油车岭隧道(沈海复线)宁德1554009茅坪隧道(宁光)光泽2303516石鼓山隧道(甬莞)南安1884128黄竹山隧道(京台)闽侯20449810地坪隧道(宁上)政和3414727石壁炉隧道(宁上)福安2403206岩山隧道(厦沙)安溪1704729铜岩隧道(沈海复线)福安1024149北山隧道(沈海复线)宁德1713645箬溪隧道(长深)建瓯1832706联建隧道(云平)平和9227415贵岭隧道(沙厦)顺昌1302928 表3不同深度条件下的侧压力系数深度/m平均侧压力系数最大侧压力系数1001501.792.441502001.532.352002501.301.712503001.281.573003501.281.613504001.171.404004501.111.264505001.011.125005501.111.145506001.101.10 侧压力系数沿深度方向的变化曲线，拟合趋势线，见图 5。1002003004005006001.01.52.03.02.5y=8.3081x0.329R2=0.9266y=8.3081x0.329R2=0.9266侧压力系数最大侧压力系数平均侧压力系数y=39.414x0.567R2=0.9463埋深/m图5侧压力系数与埋深关系 当埋深较浅时，最大侧压力系数与平均侧压力系数相差较大，当埋深逐渐增大，二者逐渐趋同，即地应力逐渐趋向静水压力状态。分别对比指数函数、线性函数、对数函数及幂函数拟合效果，其拟合函数相关系数，见表 4。表4拟合函数相关系数函数名称指数函数线性函数对数函数乘幂函数二次多项式最大侧压力系数0.91820.86630.94270.94360.9506平均侧压力系数0.80880.76380.89650.92660.9408 二次多项式的相关系数 R2最大，线性函数最小，分析认为采用乘幂函数拟合效果较佳。最大=39.414h0.567（6）平均=8.3081h0.329（7）式中：最大为最大侧压力系数；平均为平均侧压力系数；h 为埋深。基于埋深 600 m 以内的实测数据统计，公式适用于埋深 600 m 以内的隧道，涵盖福建地区大部分公路隧道。当埋深大于 600 m 或计算 值小于 1 时，可认为已接近静水压力状态，值取 1。4 岩爆预测分析地应力测试成果对地下工程岩体稳定性计算分析、围岩松动圈扩展形态特征分析、裂隙岩体渗透特性和地下水涌水量计算、以及硬质岩体岩爆和软质岩体大变形等具有重要的实用价值。岩爆分析是地应力成果在深埋特长隧道最常见的应用之一。4.1 岩爆预测方法常见的高地应力特征标志2有围岩产生岩爆、剥离，收敛大变形，软弱夹层挤出，岩芯饼化，开挖无渗水，开挖过程瓦斯突出等。岩爆是发生在相对高地应力状态下完整坚硬岩石所发生的脆性破裂现象。判定岩爆的常见方法有岩石强度应力比法、陶振宇判据、应力强度比法、Russenes 判据、Turchaninov 判别法、Hoek 判别法等，这些方法本路基工程 168 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）质上都是基于应力与强度的比值关系，即更高的地应力表征更高的能量蓄积，而岩石强度体现了岩石抵抗能量释放的能力，判定标准，见表 5。表5岩爆判别方法与分级表判别方法判别公式判据阈值岩爆分级岩石强度应力比法Rc/max47轻微岩爆24中等岩爆12强烈岩爆1极强岩爆陶振宇判据Rc/max5.514.5轻微岩爆2.55.5中等岩爆0.9极强岩爆Russenes判据Is(50)/max0.150.20轻微岩爆0.0830.15中等岩爆0.083强烈岩爆 岩石饱和单轴抗压强度值 Rc和点荷载强度Is(50)是最常见的岩石强度指标之一，根据工程岩体分级标准 1，二者之间存在换算关系 Rc=22.82 Is(50)0.75。max为 最大主应力；max为隧道开挖面最大切应力。考虑实测地应力方向与隧道洞轴向不一定正交，测得最大、最小水平主应力值及其方向，计算隧道横断面上的应力分量9。横=12(H+h)+12(Hh)cos2（8）式中：为隧道截面与最大主应力夹角。max=3横v（横v）3v横（横v）（9）4.2 案例分析以福建省漳州至永安联络线官田隧道为例9，隧址区属低山地貌，地形起伏较大，隧道全长6 151 m，最大埋深 695 m，属于深埋隧道。隧道洞身围岩主要为微风化砂岩、粉砂岩，以、级围岩为主。施工过程中在不同深度位置遇到轻微-强烈等不同程度的岩爆。以隧道中部 K53+450K55+390 为研究对象，该段埋深 430695 m，岩石 Rc值取 40 MPa。重度取 26 kN/m3，计算得 最大=（1.261.00）。v=(11.3118.07)MPa；横=(14.2518.07)MPa；max=(31.4436.14)MPa；考虑隧道开挖中不利最大主应力方向组合，max值可取 横值。带入岩爆判据得到岩爆判别与分级成果，见表 6。表6岩爆判别与分级成果判别方法计算值岩爆分级岩石强度应力比法2.812.21中等岩爆陶振宇判据2.812.21中-强烈岩爆岩石应力强度比法0.790.90强烈岩爆Russenes判据0.0670.058强烈岩爆 以上 max是基于弹性力学圆形开孔假设条件计算所得，实际隧道开挖断面一般是马蹄形的，断面上不可避免存在突变点，因此其应力集中程度较圆形洞室更为强烈。本隧道岩爆发生是大概率事件，判定结果为中等岩爆以上，综合考虑工程风险因素，本段隧道以中等-强烈岩爆为主，个别应力集中段可表现为极强烈岩爆。工程实施表明：该隧道在 K53+450K53+920、K54+900K55+390、K54+240K54+530 等段落发生不同程度的岩爆现象，其程度从中等至强烈表现为：岩壁劈啪作响、岩石板状劈裂、岩石发生清脆爆裂、强烈层状剥离等。这是厚层微风化砂岩粉砂岩类在高地应力下的典型表现特征，与岩爆等级划分基本一致。5 结语本文通过原理分析、数据统计分析和工程应用，对水压致裂法成果及岩爆应用进行研究。（1）通过回归分析建立最大、平均侧压力系数与埋深（600 m 以内）的乘幂函数关系，相关系数分别为 0.943 6 和 0.926 6。（2）埋深越浅侧压力系数越离散，当埋深大于 600 m 时，侧压力系数接近 1，近似为静水压力状态。（3）隧道岩爆分析表明：基于乘幂函数所得的地应力成果及岩爆分级与工程实际相符。（4）本乘幂函数可作为福建地区相似条件下地应力测算参考，也可作为无实测地应力时估算之用。参考文献(References)：1 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.工程岩体分级标准:GB/T 502182014S.北京:中国计划出版社,2015.Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the Peoples Republic王坛华：基于水压致裂法的深埋山岭隧道地应力特征分析及应用 169 of China,General Administration of Quality Supervision,Inspection andQuarantine of the Peoples Republic of China.Standard for engineeringclassification of rock mass:GB/T 502182014S.Beijing:China Plan-ning Press,2015.2 孙广忠,孙毅.岩体力学原理M.北京:科学出版社,2011:27 30.SUN G Z,SUN Y.Principle of rock mass mechanicsM.Beijing:Science Press,2011:27 30.3 潘智锋,刘存林,孙治国,等.基于地应力测试的公路隧道岩爆预测分析 J.公路,2020,65（5）:353 356.PAN Z F,LIU C L,SUN Z G,et al.Prediction and analysis of rock burstin Highway Tunnel Based on in-situ stress test J.Highway,2020,65（5）:353 356.4 陈仕阔,李涵睿,周航,等.基于岩爆危险性评价的川藏铁路某深埋硬岩隧道线路方案比选研究 J.水文地质工程地质,2021,48（5）:81 90.CHEN S K,LI H R,ZHOU H,et al.Route selection of deep-lying andhard rock tunnel in the Sichuan-Tibet Railway based on rock burst riskassessment J.Hydrogeology&Engineering Geology,2021,48（5）:81 90.5 张朝强,田乐,刘博.深埋软岩隧道开挖地应力场与围岩破坏机制分析 J.公路,2016,61（1）:228 234.ZHANG C Q,TIAN L,LIU B.Analysis of deformation and failuremechanism of the high geotectonic stress soft rock tunnel during con-struction J.Highway,2016,61（1）:228 234.6 魏英华,柳飞.高地应力隧道岩爆机理数值模拟分析 J.现代隧道技术,2020,57（6）:46 54.WEI Y H,LIU F.Numerical simulation analysis of the rockburstmechanism in the tunnel with high geostress J.Modern TunnellingTechnology,2020,57（6）:46 54.7 谭展,范柱国,严飞,等.九顶山隧道地应力特征及岩爆预测 J.工程勘察,2017,45（9）:21 25.TAN Z,FAN Z G,YAN F,et al.Analysis on ground stress characteristicsand prediction of rock burst in Jiuding mountain tunnel 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Offshore Areas,Fuzhou 350004,China）Abstract:Taking the in-situ stress test of Baigeling Tunnel of PutianYongding Expressway as an example,thispaper introduces the basic principle and process of in-situ stress test.By analyzing the measured in-situ stress testresults of 16 tunnels in Fujian area accumulated over the years,this paper uses regression analysis to establish thefunctional relationship between the maximum and average lateral pressure coefficients and the buried depth,which is used to predict the tunnel in-situ stress level and determine the rock-burst grade.The research shows thatthe multiplicative power function can better reflect the change law of in-situ stress within 600 m.Its researchresults can provide a reference for the evaluation of in-situ stress of tunnels in Fujian area.Keywords:hydraulic fracturing method；in-situ stress；regression analysis；lateral pressure coefficient；rockburst路基工程 170 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）