基于水压致裂法的原地应力测试分析与研究

李剑伟 何 勇

(四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017)

0 引言

岩爆和大变形是高地应力区地下工程开挖中常碰到的工程地质问题，是一种人类活动诱发的地质灾害。国内外已有记录中，在数十个国家和地区的隧道工程、深井采矿工程中发生了岩爆和大变形问题，严重困扰和影响工程建设与安全，如川藏公路二郎山隧道岩爆、奥地利Tauern隧道围岩大变形、乌鞘山隧道千枚岩大变形、国道317线鹧鸪山隧道围岩大变形等[1]。

随着西部交通的建设与发展，越来越多的深埋长大隧道随之出现。由于该区域深埋隧道穿越的地质山体多经历过强烈的构造改造和浅表生改造，地质环境及构造复杂，地应力高，隧道建设中发生与高地应力密切相关的岩爆和大变形灾害日益增多，严重影响工程安全、质量、造价与进度。

深埋隧道的软岩大变形已引起学者和工程技术人员的日益重视，张志强[2]提出“剪切台阶”的出现是发生大变形的标志，何满潮[3]对软岩大变形机制进行了细分，张祉道[4]提出了隧道大变形发生的条件与支护原则，姜云[5]研究了控制隧道大变形发生的类型，刘志春[6]提出了以综合系数法为指标的大变形分级方案。获取较为准确的地应力测试数据，对于判别和预测隧道大变形及变形等级等意义重大。

关于地应力测试，利用水压致裂法测试原地应力在工程界内已得到较为广泛的认可与应用，但由于种种原因，工程勘察中大多数深埋隧道并未进行地应力测试，无法提供较为准确的数据供设计使用，难免造成冒进或保守，影响工程安全、造价等。本文结合建设中的白杨坪隧道，在钻孔内采用水压致裂法测试原地应力，对隧址区地应力参数进行了分析与研究，并做了相应的大变形预测，给出相应工程建议措施，为类似区域深埋隧道的地应力测试与勘察设计提供一定的参考。

1 隧道工程概况

白杨坪隧道进口位于广元市青川县境内，出口位于绵阳市平武县境内。隧道采用分离式双线隧道，左洞长3 498 m，右洞长3 501 m，在公路行业属特长隧道。单洞宽10.25 m，洞净高5 m，隧道洞顶最大埋深约415 m。

工程区构造单元上属于松潘—甘孜造山带中的丹巴—汶川弧形逆冲—滑脱叠置带和摩天岭逆冲—推覆带，隧道位于白羊倒转复向斜北西翼位置，青川—平武断裂距离隧道北侧约2.2 km，呈北东方向展布，隧道位于断裂下盘。青川—平武断裂为晚更新世活动断裂，其未来最大潜在地震能力为7.0级。

隧道围岩为绢云母千枚岩，地表岩体完整性较差，深孔取得的岩芯相对完整(见图1)，岩层千枚理面产状312°～350°∠64°～86°。

由于该千枚岩隧道距离青川平武断裂较近，区域地质构造较复杂，隧道开挖后由于卸荷作用使得围岩进行应力的重新分布，容易出现应力集中，且最大埋深超过400 m，发生大变形的可能性较大，因此在隧道的前期勘察工作中，选取合适方法进行原地应力测试，可为后续的设计、施工、变形预测等提供参考与依据。

2 水压致裂测试法原理

岩体中赋存的应力，称之为地应力或者原岩应力。随着地质构造运动的发展以及地形不断的演变，又引起了地应力的集聚或者释放，形成岩体中现存的原地应力。岩体中的原地应力受地质构造、成岩过程、岩体特征、地形地貌、岩体深度、地温梯度等多种因素的影响，应力真实状态非常复杂。为了更好地获取岩体中的原地应力，最直接有效的方法就是进行地应力的测试。

目前岩体应力的主要测试方法有水压致裂测试法、应力解除测试法、Kaiser效应测试法等。其中水压致裂法多在勘察设计阶段使用，应力解除法多在施工阶段使用，而Kaiser效应测试法是依据岩石声发射的Kaiser效应，判定试样的先存应力，由此确定现场采岩芯地点的地应力。

工程中常采用的钻孔水压致裂法是通过测试取得垂直于钻孔平面的最小水平主应力(Sh)的大小与方向，然后通过计算求得最大水平主应力(SH)。水压致裂原地应力测量原理是以弹性力学为基础，并基于以下3个基本假设[7]：

1)岩石是线型均匀、各向同性的弹性体；

2)岩石是完整的，压裂液体对岩石来说是非渗透的；

3)主应力方向中有一个应力方向与钻孔轴向平行。

在弹性力学理论和上述假设的前提下，水压致裂力学模型可简化为平面应力问题(见图2)。

基本等效于两个主应力σ1,σ2作用在中心有一圆孔(R=a)无限大的平板上，圆孔外距离中心距离为r处的任意点M径向应力σr、切向应力σθ、剪应力τrθ分别为：

(1)

将式(1)中r取值为a，即可求得圆孔壁应力状态。当孔内施加的液压大于岩石所承受的应力时，最小切向应力A及其对称点A′处产生张破裂。在孔壁破裂之后，如继续增压，则裂隙向深处扩展；若停止注入液体增压，并保持压裂回路密闭，裂缝将迅速趋于闭合。

裂缝处于临界闭合状态时的平衡压力(瞬时关闭压力Ps)，其值为最小水平主应力Sh。

根据理论推导，最大水平主应力SH计算公式为：

SH=3Ps·Pr·Po

(2)

其中，Pr为再次增压后破裂重新张开压力;Po为岩石孔隙压力。

垂直应力SV一般表示为自重应力，根据上覆岩体重量进行计算。

测试中可计算岩石的原地抗张强度T，为临界破裂压力Pb与再次增压后破裂重新张开压力Pr的差值。

在实际测试中，假定钻孔方向为自重应力(SV)的主应力方向，且初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小部位，即平行于最大主应力的方向，从而测定深部测点的三维状态下的应力。

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由于水压致裂测试法突出的优点是可以直观地测得深部岩体内的地应力值，不需要借助岩石的弹性模量、泊松比等物理力学参数进行换算，且钻孔深部的岩芯较为完整，故本文研究的隧道选取该方法进行测试。

3 测试方法与程序

3.1 水压致裂测试方法

钻孔内具体测试应力方法为：先将钻孔内一定深度范围内岩体上下两端封隔，再通过泵入液体对该段增压，随着压力持续升高直至钻孔围岩产生破裂。压裂过程中记录压力、流量随时间的变化，根据压力—时间曲线及相关公式求出各应力的数值。最大主应力方位可根据印模定向，也可采用井下电视法确定，本文选取印模定向法。

3.2 测试程序

现场测试程序为：1)选择试验段；2)检验测量系统；3)安装井下测量设备；4)座封；5)压裂；6)关泵；7)卸压。

水压致裂法应力测量系统示意图见图3。

在测试过程中，尽可能选择多段进行试验，每段进行3个回次以上测试，密切记录压力值随时间的变化，以便准确判断岩体的破裂以及裂缝延伸、闭合等状态。

3.3 印模定向

在压裂测量试验之后即进行印模定向，为获取岩体内清晰的裂缝痕迹，需施加足够的高压，使得孔壁已产生的压裂缝重新张开，便于特定的半硫化橡胶挤入裂缝，并保持相应的时间，使印模器表面印制与裂缝相对应的凸起印迹。

根据印痕和基线方位标志两者之间的关系，计算出所测得的破裂面走向，即为最大水平主压应力方向(见图4)。

3.4 数据分析方法

根据记录的压力—时间曲线得到破裂压力Pb(压裂过程中第一循环回次的峰值压力)，瞬时关闭压力Ps以及裂缝的重新张开压力Pr，计算出钻孔内的最大水平主应力SH和最小水平主应力Sh等。

4 钻孔内测试实例

4.1 孔内测试

在钻孔白ZK02的80.00 m～268.00 m范围内选择了5个 测段进行了水压致裂法的原地应力测试工作(见图5)，每个测段均进行了3次以上的重复测试，获取了有效压裂曲线。

压力—时间记录曲线形态比较标准，裂隙破裂、重张、闭合等阶段对应的各压力点比较明确，地应力测量记录的压力—时间曲线见图6。同时在钻孔内选取了178.00 m和192.00 m两个测段进行了印模试验。

4.2 数据分析

4.2.1关键数据处理方法

破裂压力Pb、重张压力Pr可直接在压力—时间曲线上取得，由于瞬时关闭压力Ps直接确定最小水平主应力的大小，同时又参与最大水平主应力的计算，成为水压致裂法测试中最重要的参数。

关于Ps的取值方法，国际岩石力学学会(ISRM 2003)推荐了单切线及双切线法、dt/dp法、dp/dt法、Mauskat方法、压力—流量法等5种方法，并要求在实际使用时采用其中两种或两种以上方法进行判读[8]，以保证数据的准确性和可靠性。本次试验中Ps的取值综合使用了dt/dp法、dp/dt方法和Muskat法3种方法进行，并取3种方法的平均值。

4.2.2主应力值

白ZK02钻孔内地应力测量的压裂参数和主应力值计算结果见表1。

表1 白ZK02钻孔地应力测量结果

测试结果表明，在钻孔白ZK02中主应力值随地层深度增加而增加，三个主应力的关系可表现为SH>Sh>SV。由此表明，垂直重力作用表现为最小主应力，水平构造应力作用占主导，应力状态为逆断型应力状态。

本文线性拟合了主应力SH,Sh与深度的关系变化梯度式，结果及图件(如图7所示)如下。

SH=0.030H+12.683,r2=0.58；

Sh=0.016H+9.081,r2=0.67。

4.2.3主应力方向

实测的2段印模结果(如图8所示)表明，最大水平主应力方向由浅部至深部分别为：N81°W，N72°W，白ZK02钻孔最大主应力方向为NWW方向，与区域应力场基本一致。

5 大变形预测与实测效果对比分析

白杨坪隧道围岩为强度低的绢云母千枚岩，隧道最大埋深达415 m，钻孔内80.0 m～268.0 m段落内测试的最大水平主应力值在15.2 MPa～21.72 MPa之间，随着隧道埋深进一步加大，最大水平地应力值大于20 MPa，地应力较高，具备发生围岩大变形的条件。本文结合实测的地应力数据对围岩大变形进行预测，并结合隧道施工中的实测效果进行对比分析。

5.1 大变形预测

印模结果表明钻孔最大水平主应力方向算术平均优势值为N76.5°W，与隧道轴线整体走向交角为15°左右，小于30°，相对而言，地应力对隧道的作用整体影响稍小。

通过围岩强度应力比(Rc/σmax)是评价和预测隧道围岩大变形的一种主要方法，文中以计算的该指标为依据，对隧道的围岩进行了大变形预测以及分级。白杨坪隧道各埋深处围岩大变形分级预测见表2。

表2 围岩大变形分级判别表

根据表2的计算结果表明，隧道埋深在190 m以下的段落发生大变形的可能性较小，隧道埋深在190 m以上的段落发生大变形的可能性更大，预测大变形等级为Ⅰ级。大变形等级为Ⅰ级的段落开挖后围岩位移较大，持续时间较长；一般支护开裂或破损较严重，相对变形量3%～5%，围岩自稳时间短，以塑流型、弯曲型、滑移型变形模式为主，兼有剪切型变形[9]。

5.2 实测效果对比分析

根据白杨坪隧道左线ZK69+916.9断面(埋深155 m)的拱顶、拱腰变形历时曲线(见图9)，显示在隧道开挖之后的初期，拱顶下沉与拱腰收敛率均较大，其后在加强隧道初期支护后，拱顶下沉逐渐减小并稳定，拱腰变形量相对拱顶较大，在进一步加强支护后，25 d左右时拱顶、拱腰变形均控制在规范要求范围之内，围岩基本稳定。

隧道拱顶、拱腰累计变形量仅占隧道宽度的0.29%，未达到围岩大变形的级别[10]。随着隧道进一步施工，隧道埋深逐步加大，地应力也相应地增加，围岩破碎且含水量较大段落自承能力容易丧失，应变能释放，可能会发生大变形破坏。建议进一步加强超前地质预报和监测，选择合理的断面形态进行开挖，衬砌支护采用柔性与刚性相结合的综合处治方法，预留变形量，短锚杆超前支护，中等长度的系统锚杆和少量补强锚杆综合多重支护，及时做好封闭与支护，适当提高衬砌刚度和适当提前施作二次衬砌。根据围岩—变形曲线适时调整支护抗力与支护柔性间的关系，使变形量与收敛速度受到控制。

6 结论与建议

1)钻孔内测试的最大水平主应力值(SH)在15.2 MPa～21.72 MPa之间，隧道深部的最大水平主应力值大于20 MPa，隧址区地应力较高。

2)三个主应力的关系为SH>Sh>SV，隧道围岩段落中，水平构造应力作用占主导，应力状态为逆断型应力状态。

3)印模结果显示：最大水平主应力方向为N81°W和N72°W，优势方位为NWW方向，与区域现今构造应力场方向较为吻合。

4)水压致裂实测计算的地应力计算与分析表明：埋深在190 m以下的千枚岩段落发生大变形的可能性较小，埋深在190 m以上的千枚岩段落发生大变形的可能性更高，预测大变形等级为Ⅰ级。

5)由于大变形受多种因素控制，成因极为复杂，建议施工过程中加强超前地质预报和监测，选择合理的断面形态进行开挖，衬砌支护采用柔性与刚性相结合的综合处治方法，适当容许围岩变形、提前释放地应力，同时应特别注意地下水与地质构造对围岩稳定性的影响。