秦岭北麓某勘探洞地应力测试实例分析研究

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

自20世纪30年代R. S. Lieurace在胡佛水坝下面的一个隧道中首次成功进行了原岩应力测量之后，国内外研究学者在过去的七十多年里对地应力测量做了大量的开创性工作，并且部分测量方法和设备已经在工程实践中得到了广泛的应用[1]。目前，国内外比较常用的测量方法有：套孔应力解除法、水压致裂法、Kaiser效应法[2][3]。套孔应力解除法由于深孔容易产生断芯问题，水压致裂法是目前实际测量中应用最为广泛，但其理论基础是地应力张量的一个主方向必须与钻孔轴向一致，影响了测量结果的可靠性，Kaiser效应法实际上测的是岩体在历史上所受的最大应力值[4]。不管哪种测量方法都有自身的不足，加上地应力状态复杂多变，开挖过程及测量过程都会对地应力测量结果产生影响，从而导致测量结果常常存在争执。针对此种情况，本文依秦岭北麓某勘探洞为例，在实测的基础上，从地质力学的角度，对地应力场主应力方向的地质标志作了分析，并给出地应力场的主应力方向，以校对现场实测的结果，从而也为地应力主应力方向的准确判定提供了另一种方法。

1 工程区地质概况及测试钻孔描述

1.1 工程区地质概况

该工程区整体地形南高北低，主要由秦岭中低山、渭河断陷盆地及黄土残塬三大地貌单元组成。工程区基岩主要出露泥盆系上泥盆统变质岩及燕山期花岗岩，第四系松散堆积层广泛分布于渭河断陷盆地及黄土残塬。某勘探洞揭露的主要为泥盆系上泥盆统的变质岩。构造发育，主要构造线走向以近东西向断裂为主，区内发育有全新世活动断裂秦岭北缘断裂。该断裂构成渭河盆地和秦岭山地的分界，断层走向EW向，倾向N，倾角60°～80°，长度大于150 km，以马召为界，东段全新世新活动性明显，西段晚更新世有过活动。

1.2 测试钻孔描述

所有测试钻孔均布置在某勘探洞中，测试钻孔参数见表1。所有钻孔的地应力测试均采用“双管法”水压致裂法进行[5][6][7]。地应力测试前，根据钻孔揭露的岩芯情况进行测段选定[8]，所有测段均选择在岩体相对完整的孔深位置(岩芯完整长度不少于1 m)进行。

表1 地应力测试钻孔参数表

2 勘探洞地应力场测试结果

2.1 地应力测试原理

地应力测试采用三维水压致裂法，其测试原理是[9][10]，在三维地应力测量区内布置三个不同方向的钻孔，分别进行常规水压致裂测量并获得各钻孔横端面内的平面应力；再对三个钻孔的平面应力测量结果进行联合求解，获得三维地应力量值和方向。三维地应力计算原理如下[11][12][13]：

图1 钻孔坐标系与大地坐标系的相对关系

建立钻孔坐标系o-XiYiZi，其钻孔的序号为i，倾角为αi，钻孔方向角为βi，钻孔坐标系与大地坐标系的相互关系如图1所示。设钻孔岩体的编号为j，采用测量仪器获得钻孔横截面上的二维应力状态：大次主应力σAij和小次主应力σBij以及σAij的方向Aij。横截面上二维应力状态与钻孔坐标系表达的应力分量对应的关系为：

σxi+σyi=σAij+σBij

(1)

σxi-σyi=(σAij-σBij)cos2Aij

(2)

2τxiyi=(σAij-σB ij)sin2Aij

(3)

公式(1)～(3)等号右边是实测值，左边为由钻孔坐标系表达的二维应力分量σxi，σyi，τxiyi的未知量。σxi，σyi，τxiyi通过应力分量坐标变换转换到由大地坐标系表达

与此同时，吉兹博士正通过分析S2的可变光谱，计算这颗恒星的速度变化。这两个团队竞争激烈、交替领先，双方都在寻找更大、更强的望远镜，都在孜孜不倦地探寻S2的真实性质。2012年，在S2最接近黑洞的这6个月里，根策尔博士和吉兹博士分享了当年的克劳福德天文学奖。克劳福德奖是几乎与诺贝尔奖齐名的重大科学奖项，每年1月公布获奖者，4月颁奖。

σxi=σxli12+σymi12+σzni12+2τxyli1mi1+2τyzmi1ni1+2τzxni1li1

(4)

σyi=σxli22+σymi22+σzni22+2τxyli2mi2+2τyzmi2ni2+2τzxni2li2

(5)

τxiyi=σxli1li2+σymi1mi2+σzni1ni2+τxy( li1mi2+mi1li2)+τyz(mi1ni2+ni1mi2)+τzx( ni1li2+li1ni2)

(6)

式中：li1，mi1，ni1和li2，mi2，ni2分别为钻孔坐标系轴xi和轴yi相对于大地坐标系的方向余弦，它们的表达式列于表2。

表2 钻孔坐标系轴xi 和轴yi相对于大地坐标系的方向余弦

把表2中钻孔坐标系轴xi和轴yi相对于大地坐标系的方向余弦代入公式(2)、(3)，并联合式(1)，得到完整性好的岩体段的观测值方程：

(σAij-σBij)sin2Aij=(σx-σy)sinαisin2(β0-βi)-2τxysinαicos2(β0-βi)+ 2[τyzcos(β0-βi)-τzxsin(β0-βi)]cosαii = 1～m(m≥3)

(7)

对上述公式(公式(1)～公式(7))联合分析得知，对钻孔中完整性好的岩石段进行测量，对有破裂缝记录的试验岩石段，可获得3个试验观测值方程，无破裂缝记录的试验岩石段，可获得1个试验观测值方程，三式联合计算，就可确定三维地应力状态。

2.2 地应力测试过程及测试结果

根据测试可得出应力值的大小，同时也要确定应力大小方向，其测试过程为：座封→注水加压→岩壁致裂→关泵→卸压→重张→解封→破裂缝方向记录。从而确定了钻孔横截面内的最大主应力方向。

2.3 地应力测试结果分析

2.3.1 应力量值

(1)钻孔横截面应力量值分析

测试结果为各钻孔横截面内的最大与最小主应力量值(见表3)，其变化幅度较大，这主要与钻孔所在的岩体完整性有关。岩体相对完整且裂隙不发育的试验点的测段，岩体应力值较高，钻孔横截面的最大主应力高达17.5 MPa；而在岩体完整性较差且裂隙较发育的试验点，各测段的岩体应力值相对较低，钻孔横截面的最大主应力低至3.1 MPa左右。

(2)三维应力量值分析

三维水压致裂法的应力计算结果见表4。试验点第一主应力σ1量值约12.2 MPa，第三主应力σ3约4.8 MPa，铅直向应力分量约12.0 MPa。

表3 某勘探洞试验点常规水压致裂法地应力测量结果

表4 试验点三孔水压致裂法三维应力计算结果

2.3.2 应力方位

从三维水压致裂法的应力计算结果可知，最大水平应力方位分布在N92°～97°E之间，即近东西向。与试验区秦岭山脉总体走向基本平行，符合地应力场分布的一般规律。同时与该区所分布的近东西向断裂方位基本一致。

3 施工期勘探洞稳定性评价

根据前文对勘探洞地应力测试结果可知，地应力因素对勘探洞成洞性影响较大，并定性评价了该勘探洞开挖过程中可能存在岩爆现象。现根据《工程岩体分级标准》(GB50218-2014)，从岩石单轴饱和抗压强度Rc、岩石坚硬程度及地应力之间的对应关系[14][15]，综合评价施工期勘探洞的稳定性：根据试验结果，岩石单轴抗压强度(Rc)为60 MPa。隧洞横截面内的最大实测初始应力σmax约12 MPa，Rc/σmax=5.0，依据《工程岩体分级标准》(GB50218-2014)，该区属次高应力区。从实际测试的地应力来看，勘探洞的成洞性较好，整体基本稳定，但在勘探洞开挖中偶有出现弱岩爆现象及洞室围岩局部掉块现象，局部洞段稳定性差。

此外，除了地应力可能导致的弱岩爆现象之外，施工过程中，出于施工安全的考虑，还要考虑洞室岩石性状、地质构造发育情况以及地下水等多种因素的影响，将这些因素综合考虑，最后采取合理的开挖方式，并在隧洞开挖过程中及时采取一定的安全措施。

4 结语

(1)通过对工程区某勘探试验洞现场三维水压致裂法地应力测试，可以评价测区地应力分布状态。根据测试结果可知，试验点第一主应力σ1量值约12.2 MPa，第三主应力σ3约4.8 MPa。

(2)综合单孔测试与三维应力计算结果可知，最大水平应力方位角分布在N92°～97°之间(即近东西向)，与试验区秦岭山脉总体走向基本平行，符合地应力场分布的一般规律。同时与该区所分布的近东西向断裂方位基本一致，同时也说明了地应力测试水压致裂法在实际工程中的应用有一定的可行性，其地应力的测量结果能为地下工程项目(各类隧道)设计施工方案的合理选择提供重要的科学依据。

(3)从地应力测试成果来看，勘探洞的成洞条件较好，整体稳定，但在较大深埋段、岩体完整性较好的隧洞段，可能存在弱岩爆及洞壁局部坍塌掉块危险，局部稳定性差。