深埋山岭隧道地应力测试与分析研究

杨益彪 郭发贵 石远华

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

地应力是指在长期的地质过程中由于地质构造运动等因素使得地壳物质产生的内部应力，也称为岩体初始应力。由于地应力决定了工程岩土的基本力学属性，是引发诸多岩土开挖工程出现变形和破坏的基本作用力，因此，对工程区地应力的分析研究是分析围岩稳定性和科学指导岩土工程开挖设计的必要前提。特别是在深部矿山开采、深埋山岭隧道建设过程中所遇到的硬岩岩爆与软岩大变形等高地应力问题尤为突出，因高地应力问题未查清而导致重大设计变更及施工安全事故屡见不鲜。因此，深部岩体地应力分布与测试技术的研究已成为科研人员和工程界最关心的问题之一。因此，在工程项目勘察期间通过对深埋隧道的地应力进行测试，分析隧道洞身围岩的应力状态及其对围岩稳定性的影响，可有效指导隧道等地下洞室的设计与施工。

本文以云南省弥勒至玉溪高速公路工程登楼山隧道为例，通过对隧道勘察钻孔进行地应力测试，分析隧道工程区地应力特征，并对隧道工程区原地应力进行预测分析。

1 隧道工程地质概况

云南省弥勒至玉溪高速公路工程登楼山隧道工程区位于云南省玉溪市华宁县，经纬度为(103.07°E，24.15°N)～(102.97°E，24.15°N)。左幅隧道起讫桩号为ZK48+315-ZK59+315，全长11 000 m，进出口路线设计标高分别为1 375.83 m与1 586.40 m，隧道最大埋深838.1 m；右幅隧道起讫桩号为K48+300-K59+245，全长10 945 m，进出口路线设计标高分别为1 375.44 m与1 584.86 m，隧道最大埋深826.6 m。左右幅设计基线平面间距为30～45 m。

隧道工程区地处青藏高原东南缘，为川滇菱形断块、华南断块和临沧—思茅块体的交界部位。工程区位于扬子准地台滇东台褶带，根据地质调查，隧址区域发育多条断层，岩层总体上呈单斜产出，略有转折。根据区域地质资料及勘察工程地质断面图，隧道穿过共7条断层，断层方向主要为NW、SN和NE向。

隧道工程区覆盖层主要为粉质黏土(Qel+dl)和含碎石粉质黏土(Qel+dl)。工程区下伏基岩为三叠系中统(T2)砂岩、粉砂质泥岩夹粉砂岩、白云岩，下统(T1)玄武质粉砂质泥岩夹泥岩、粉砂岩，二叠系中统玄武岩组(P2β)玄武岩，下统栖霞、茅口组(P1q+m)石灰岩夹白云岩，石炭系上统马平组(C3m)石灰岩夹白云质灰岩、中统威宁组(C2w)鲕状灰岩夹微晶灰岩，下统大塘组上司段(C1ds)石灰岩夹生物灰岩、万寿山段(C1dw)砂岩、粉砂质泥岩，志留系上统玉龙寺群(S3y)泥灰岩与泥岩互层、粉砂质泥岩，寒武系下统龙王庙组(∈1l)白云岩、泥质白云岩夹粉砂岩、粉砂质泥岩，下统浪沧铺组(∈1c)粉砂质泥岩夹粉砂岩、石英砂岩，下统筇竹寺组(∈1q)灰绿色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，下统渔户村组(∈1y)石英砂质、白云岩磷块岩、含磷白云岩、粉砂质泥岩夹粉砂岩，震旦系上统灯影组(Zbdn)青灰、灰白色厚层块状白云岩和陡山沱组(Zbd)石英砂岩夹粉砂质泥岩、白云岩。

2 地应力测试原理与方法

目前地应力测试的方法已有10余种，印兴耀等[1]对直接测量和间接测量的各种测试方法进行了总结，贺永胜等[2]也对国内外地应力测量研究概况进行了综述。诸多研究表明，水压致裂法是目前国际上较为广泛采用、能较好地直接测量应力的先进方法，也是国际岩石力学学会试验方法委员会所推荐的测试方法之一。其原理是以弹性力学为基础，通过一定假设将岩石应力状态力学模型简化为一个平面应力问题，通过测量试验孔内岩石受压开裂的压力进而求取试验段的最大水平主应力、最小水平主应力，以及岩石的水压致裂抗张拉强度等相关岩石力学参数。

测试的具体操作为在勘察钻孔中选定的测量深度范围，利用一对可膨胀的封隔器封隔一段钻孔，然后通过泵入高压流体对该试验段进行增压，增压过程中利用X-Y记录仪与计算机数字采集系统或数字磁带记录仪记录压力随时间的变化，数据采集结束后再对实测记录曲线进行处理分析，进而得到测试特征压力参数。水压致裂法量测系统常采用单回路和双回路2种测试系统，测试系统简图见图1。

图1 水压致裂法量测系统

3 地应力测试结果分析

为了解登楼山隧道洞身围岩的地应力大小和分布状态，本研究选取勘察钻孔DZK2采用水压致裂法进行了地应力测试，测试现场照片见图2。DZK2位于隧道主洞ZK51+533-ZK52+580之间，孔深为505.2 m，钻探揭露的岩性为中风化厚层状石灰岩。

图2 DZK2地应力测试现场照片

3.1 地应力大小

本次研究在DZK2孔253.98～300.97 m的深度范围内进行了7段压裂测量，孔压力-时间记录曲线见图3。

图3 DZK2孔压力-时间记录曲线

由图3可知，7个试验段各个循环的破裂压力、重张压力、闭合压力均具有较好的重复性，且表征较明显。因此，依据我国现行国家标准GB/T 50266-2013《工程岩体试验方法标准》中关于水压致裂法测试成果处理的要求[3]，可由7个试验段各测段处的重张压力与闭合压力分别计算出相应测段处的最大水平主应力与最小水平主应力值，应力值与测试深度的关系见图4。

图4 DZK2孔应力与测试深度的关系

由图4可知，DZK2孔在253.98～300.97 m的深度范围内所测得的最大水平主应力值范围为8.55～11.23 MPa，最小水平主应力范围为4.88～6.21 MPa，垂直主应力范围为5.85～6.92 MPa。分析DZK2孔不同深度上的三向应力大小可知，三向应力值关系表现为SH>Sv>Sh，表明在本次测试深度范围内其地应力以水平应力作用为主，也即表明工程区的地壳浅部水平应力起主导作用。

依据中国地震局地壳应力研究所编制的《中国大陆地壳应力环境基础数据库》[4]，隧道工程区附近(范围：纬度23°N～28°N，经度101°E～105°E)的实测数据水平最大主应力和水平最小主应力随深度变化关系见图5。

图5 工程区附近地应力与深度的变化关系

图5表明，在深度为250～300 m范围时，水平最大主应力值范围为2.84～13.23 MPa，水平最小主应力值范围为1.94～10.37 MPa；深度为500 m左右的水平最大主应力值范围为15～20.4 MPa，水平最小主应力值范围为7～12.9 MPa。本次研究登楼山隧道ZDK2钻孔在深度为250～300 m的测试结果与工程区附近应力场基本相符。

3.2 地应力方向

在对ZDK2钻孔压裂结束后，选取在该孔压裂过程中破裂峰值明显的3个测试段落使用自动定向印模器进行最大主应力方向印模测定。这3个测试段落的深度分别为268.27～268.62 m、277.77～278.12 m和282.53～282.88 m，各段印模结果见图6。

图6 DZK2最大主应力方向印模结果

由图6可见，3个测试段的测试结果清楚反映了试验段压裂缝的性状，水压裂缝竖直展布且主裂纹印痕清晰，并近对称地分布于在孔壁两侧。由此确定的各测试段最大水平主应力(SH)的方向，由浅至深分别为N30°W、N55°W和N9°W，说明DZK2钻孔附近的最大主应力方向在N9°～55°W，也即表明测试孔附近的地应力场以NNW向挤压为主。

登楼山隧道工程区位于中国滇东地区，属中国大陆及邻区现代构造应力场分区的B219川滇应力区，崔效锋等[5]指出在川滇应力区断层滑动的最大主应力优势分布方位为NNW-SSE向(方位角340°)。依据中国地震局地壳应力研究所编制的《中国大陆地壳应力环境基础数据库》所搜集的数据，在小江断裂带附近(范围：纬度23°N～28°N，经度101°E～105°E)的水平最大主应力优势方位为N18°～36°W。综上所述，利用地质学和地震学方法获得的滇东区域应力场方向为N18°～36°W，或为NNW～NW向。而本次研究通过登楼山隧道DZK2钻孔测试获得的应力场方向为N9°～55°W，为近NNW～NW向。该测试结果表明隧道工程区应力场主要承受构造水平应力，与大的区域构造应力场基本保持一致。

4 隧道工程区原地应力预测分析

目前国际上对地应力计算预测认可度较高的是以Sheorey建立的静态黏弹热应力模型为基础发展出来的一系列预测模型。Sheorey模型是将地壳、地幔,以及地核分别作为不同物态的物质分层分析不同深度岩体的基本物理力学指标等随地壳深度增加而增加等问题[6]。由于Sheorey在研究过程中没有明确岩石与岩体、弹性模量与变形模量之间的区别，导致Sheorey模型所代表的是上地壳岩体内一般情况下的水平应力分布情况，而实测值往往与这种一般趋势有所差别。因此，通过Hoek-Brown强度准则[7]对岩体的强度等进行修正后再采用Sheorey模型预测地应力得到的结果与实测值更为接近，该方法也称为修正的Sheorey公式。王成虎等[8]采用该方法对川藏铁路沿线深埋区域的地应力值进行预测分析，朱海明等[9]则分析预测了桃子垭隧道沿线应力。

本研究依据登楼山隧道勘察资料中关于隧道围岩基本岩体质量的描述，利用Hoek-Brown强度准则对钻孔周边的岩体强度及变形模量进行估算，进而基于修正后的岩体变形模量采用Sheorey模型进行数据处理和拟合曲线，从而得到登楼山隧道DZK2测试深度范围的实测k值图见图7。

图7 登楼山隧道实测k值图

同时，结合《中国大陆地壳应力环境基础数据库》所收集的数据与本次研究的实测数据，按照Hoek-Brown公式对应力数据进行拟合，得到拟合结果见图8。由图8可见，当测试深度超过300 m时，侧压力系数的离散性开始逐渐降低，即表明应力值受地形地貌等因素的影响也在减小。因此，综合考虑其他不利因素而采用500 m左右的侧压力系数的拟合值(kH=1.55和kh=0.85)作为基准值对登楼山隧道的应力量值进行预测。

图8 工程区修正的Sheorey公式的k值拟合结果

根据上述介绍，本研究基于Hoek-Brown准则(修正的Sheorey公式)对隧道区的地应力数据进行预测的结果见图9。

图9 登楼山隧道地应力随深度变化的预测值

由图9可见，隧道工程区的应力随着埋深的增大而增大，当埋深为300～500 m范围时，水平最大主应力与水平最小主应力值范围分别为7.12～15.98 MPa和3.91～8.76 MPa；当埋深为500～835 m范围时，水平最大主应力与水平最小主应力值范围分别为12.29～28.78 MPa和6.74～15.78 MPa。而如图5所示的工程区附近实测地应力随深度变化关系，在深度为300～500 m时，水平最大主应力与水平最小主应力值范围分别为4.3～22.8 MPa和2.8～14.3 MPa，在深度为500～800 m时，水平最大主应力与水平最小主应力值范围分别为9.97～29.7 MPa和7.14～18.9 MPa。由此可以看出，本次研究的预测结果与本区域周边的实测应力值整体较一致，局部应力稍有偏低。

目前国内外对高地应力的定义尚未达成统一的认识，工程实践中大多将初始应力大于20 MPa定为高地应力，依据我国现行国家标准《工程岩体分级标准》(GB/T 50218-2014)中采用岩石强度应力比Rc/σmax(Rc为岩石抗压强度，σmax为最大初始应力)来划分高地应力级别，其中规定Rc/σmax<4时为极高应力，Rc/σmax=4～7时为高应力[10]。根据登楼山隧道工程勘察资料中的岩石抗压强度，以及采用修正的Sheorey公式预测得到的隧道区不同深度水平最大主应力，可以得到隧道岩石强度应力比Rc/σmax随深度的变化关系见图10。

图10 登楼山隧道岩石强度应力比Rc/σmax随深度变化的关系

由图10可见，当隧道埋深为180～250 m时，Rc/σmax=4～7，则该深度范围为高应力；当隧道埋深大于250 m时，Rc/σmax<4，则该深度为极高应力。因此，隧道施工时在埋深大于180 m的段落可能会出现较轻微的岩爆与大变形等由高地应力引发的问题，当隧道埋深大于250 m时则可能会产生明显的岩爆与大变形等。由于登楼山隧道洞身范围岩性众多，且岩质较硬的灰岩、砂岩与岩质较软的泥质粉砂岩、泥岩等相间分布，因此隧道设计与施工中应根据洞身各段围岩岩性和应力状态有针对性地对岩爆和大变形问题采取相应的预防治理措施。

5 结语

本文通过对登楼山隧道DZK2钻孔采用水压致裂法进行地应力测试，系统地分析了DZK2钻孔的地应力测试结果，得出了测试深度范围的应力实测值与应力场方向，并通过修正的Sheorey模型公式预测了隧道其它埋深范围的应力分布，可得到以下结论。

1)DZK2孔在253.98～300.97 m的深度范围内测得的最大水平主应力值范围为8.55～11.23 MPa，最小水平主应力范围为4.88～6.21 MPa，垂直主应力范围为5.85～6.92 MPa，测试结果与隧道工程区附近应力场相基本符合。在本次测试深度范围内，三向应力值关系表现为SH>Sv>Sh，地应力以水平应力作用为主，表明该地区在地壳浅部水平应力占主导地位。

2)由DZK2钻孔测试获得的应力场方向为N9°～55°W，为近NNW～NW向。表明隧道工程区应力场主要受到构造水平应力作用，且与大的区域构造应力场基本一致。

3)隧道工程区的地应力预测结果表明工程区的应力状态一般随着埋深的增大而增大，埋深为300～500 m时，水平最大、最小主应力值范围分别为7.12～15.98 MPa和3.91～8.76 MPa，埋深为500～835 m时，水平最大、最小主应力分别为12.29～28.78 MPa和6.74～15.78 MPa。本次预测结果与该区域周边的应力值整体较一致，局部应力稍有偏低。隧道埋深为180～250 m时，Rc/σmax=4～7，为高应力；隧道埋深大于250 m时，Rc/σmax<4，为极高应力。