基于HI应变计的首次断裂带岩体地应力监测

2022-02-02韩晓玉董志宏刘元坤

长江科学院院报 2022年12期

韩晓玉, 董志宏, 付平, 刘元坤

(长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

高地应力条件下的断裂带等软弱岩体开挖后易碎胀破裂甚至大变形失稳，严重影响线路工程建设进度和安全，对此需要了解软弱岩体地应力场。原位测量是准确确定岩体地应力的唯一方法，但常用测试方法中水压致裂法适用于脆硬性岩体；孔壁应变法和孔径变形法等套钻孔应力解除法由于软弱岩体在解除过程中岩心易破碎而难以应用。对此，张芳等[1]和郭建伟等[2]基于流变应力恢复理论分别研发了采用振弦和光纤光栅式传感装置的地应力测试系统，在长期监测的基础上可获取岩体三维应力状态。韩晓玉等[3-4]提出了快速测定软质岩体地应力的方法，研发了基于组合式单向液压枕测断裂带地应力的装置和方法。沈荣喜等[5]研发了基于静水压原理的三向应力传感装置，对煤岩体地应力进行了测量。上述技术方法为软弱岩体地应力探测提供了创新手段。

与此同时，在空心包体(HI)应变计式孔壁套钻孔解除法获得国际岩石力学与工程学会推荐[6]和广泛应用的基础上，韩晓玉等[7]对HI应变计等地应力测量技术的测量精度进行了研究，Martin等[8]、尹爱民等[9]尝试进行了软弱岩体地应力测试，刘元坤等[10]进行了白鹤滩水电站柱状节理玄武岩试验洞开挖期的应力扰动监测，瑞典的Dahnér等[11]通过在地下矿井里设置HI应变计实现了三维应力的高频次观测，刘宁等[12]实现了洞壁4.7 m部位隧道掘进机(TBM)掘进过程的应力监测。此外，李远等[13]研发了基于数字化双温补偿方法的岩体扰动应力长期监测系统，李子林等[14]和李天宇等[15]制作了只具有环向和轴向应变片的HI应变计，建立了围岩扰动应力云监测系统，可实时获得钻孔环向和轴向的扰动应力。

2021年8月，长江科学院采用深钻孔水泥净浆埋设HI应变计的方式，首次实施了活动断裂带岩体的三维地应力监测。本文对试验地质条件、试验布置、数据处理和计算过程进行了介绍，对试验结果和影响因素进行了讨论。

2 工程及地质概况

2.1 工程概况

滇中引水工程是云南省可持续发展的战略性基础工程，工程建成投入运行后可以从根本上解决滇中区的水资源短缺问题。工程受水区包括丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪及红河的35个县(市、区)，多年平均引水量34.03亿m3。工程由石鼓水源及输水总干渠组成，其中水源工程为石鼓大同取水，输水总干渠从丽江市玉龙县石鼓镇开始，终点为红河州蒙自。总干渠全长664 km，设计流量20～135 m3/s，共划分为6段。输水总干渠含隧洞58座，长612 km，占干线全长的92%。控制性工程为香炉山隧洞，最大埋深1 394 m。

2.2 地质概况

滇中引水工程输水总干渠穿越西部高山峡谷亚区、滇中高原亚区及滇东岩溶高原湖盆亚区，区域构造背景复杂。线路区内以NW、 NNW、近SN和NE向构造带为主体，断裂构造十分发育，部分属于区域性大断裂，第四纪至全新世活动强烈。受其影响，工程区地壳破碎，连续性差，区域构造应力场加之自适应的应力调整，形成了极为复杂的工程区地应力场。图1为香炉山隧洞段的深大活动断裂分布情况。

图1 香炉山隧洞深大活动断裂分布Fig.1 Location of deep active fault of Xianglushan tunnel

2.3 局部地质条件

龙蟠—乔后断裂为全新世深大活动断裂，走向NNE，倾向NW，倾角65°～70°，长度超过200 km。断裂由3条分支断裂组成，西支断裂(F10-1)为主干断裂。断裂南起乔后北岩峰场，沿黑潓江而上，经沙溪坝、剑川坝西侧，至龙蟠。该断裂有多期活动的复合性质，是滇西北地区重要孕震构造之一，近代地震沿断裂带频繁发生，晚更新世晚期和全新世仍有活动。水平和垂直位错速率分别为2.70～3.03、0.41～0.43 mm/a。

香炉山隧洞在桩号BK0+420至桩号BK0+726穿越龙蟠—乔后断裂西支断裂主断带及其影响带，宽约306 m。该主断带构造岩为碎裂岩、角砾岩、碎粒岩、碎粉岩及断层泥，胶结差，结构较松散，岩体破碎，围岩属特殊不良V类，围岩稳定问题突出，成洞条件差。

3 试验布置

3.1 试验位置

综合考虑地质条件和施工进度，在香炉山隧洞穿越龙蟠—乔后断裂带西支断裂(F10-1)洞段选取典型断面进行应力-应变监测。本监测断面实施前，监测洞段初衬施工完成时间超过3个月，隧洞变形接近稳定。试验部位隧洞轴线高程约2 025.5 m，总体走向SE161°。试验钻孔设置于主洞左侧，在2#施工支洞口(桩号BK0+512.1)下游侧桩号BK0+550 m处，钻孔直径130 mm，钻进方位N71°E，水平向钻进，终孔深度25.0 m，应变计埋设距离孔深24.0 m，试验部位开挖洞径为10.9 m，应变计布置在以洞轴线为中心的2.7倍洞径处。试验钻孔与香炉山隧洞、龙蟠-乔后断裂的位置关系如图2所示。监测钻孔及HI应变计安装位置如图3所示。

图2 监测钻孔及HI应变计安装位置示意图Fig.2 Schematic diagram of monitoring borehole and HI strain gauge installation position

图3 HI应变计安装位置Fig.3 Installation position of hollow inclusion strain gauge

3.2 试验设备及主要安装过程

基于HI应变计在三维应力测试和应力扰动监测的广泛应用，首次将其应用于断裂带岩体应力监测。应力监测元件为澳大利亚HI Thinwall Cell三向应变计。该应变计由嵌入环氧树脂筒中的12个电阻应变片组成，成品应变计环氧树脂筒外径为36 mm，筒上凸起包络直径38 mm，包体内径35 mm，中空树脂筒长约95 mm，其应变片空间布置如图4所示，应变片布置角度见表1。同钻孔埋设单轴应变计3支，分别在孔深2.0 m、10.0 m和20.0 m处。

图4 HI应变计应变片空间布置Fig.4 Location of hollow inclusion strain gauges

表1 应变片布置角度Table 1 Layout angles of strain gauges

断裂带钻孔稳定性差，使用不取心钻机快速成孔。该成孔方式无法钻进小孔粘结HI应变计，故采用水泥净浆灌浆埋设。为了保证HI应变计的对中安装，用细小钢筋焊接两个外环直径接近钻孔直径的同心圆环，中间连接后形成简易对中装置。HI应变计通过内圆环固定在第一个圆环外面，对中装置形状及HI应变计如图5所示。

将HI应变计在孔口连接采集扩展模块，扩展模块的数据和电源与主机DT80G相连。利用采集扩展模块的应变测试功能在孔口组建惠斯通半桥测试电路，另外一臂采用高精度电阻。应变计数据采集频率设置为1次/h，监测数据可通过主机外接无线模块进行云读数。本试验的主要时序节点：2021年7月30日成孔，随即采用热缩连接的PP质中空水管送往预定孔深。8月6日采用标号为425、水灰比为0.6∶1的水泥净浆进行灌浆封孔，8月28日开始数据采集。

4 监测数据分析及结果计算

4.1 试验原理及计算参数

空心包体式孔壁应变解除法地应力测试基于弹性理论，利用应变片解除前后的应变差值、应变片并非直接粘贴在钻孔岩壁上的修正系数、应变片布置尺寸及空间布置、钻孔尺寸及空间方位、以及岩体和HI材料的弹性参数计算岩体的绝对应力张量。其中具有三维地应力状态的钻孔岩壁上粘结HI应变计的应力状态和试验原理由多个文献[6,16]给出。采用HI应变计进行岩体应力监测无解除过程，但利用一时期的应变变化进行计算，所得结果反映该期间的应力变化。推论认为，以合适时间为起点的应力增量计算结果反映岩体、水泥净浆结石和HI应变计的应力耦合过程，并最终反映岩体应力场特征。

本试验岩体为活动断裂带的碎粒岩，未能成功进行岩石力学参数试验，其弹性模量设计建议值低于0.1 GPa，同时，HI应变计与岩体之间有水泥净浆结石，该情况下考虑所有介质的应力状态极为复杂，不存在解析解。分析认为：①断裂带碎粒岩流变特性明显，应变计包裹在水泥净浆结石中，岩体、水泥净浆结石和应变计最终将处于完全耦合状态，长期监测结果反映岩体应力场特征。②碎粒岩的流变特性对水泥结石材料与岩壁空间填充作用明显，实际成孔孔壁的二次应力效应不明显。③水泥净浆结石中由HI应变计所形成的圆柱形空间等同于地应力测试的“小钻孔”，HI应变计“粘结”在该孔“孔壁”上，其二次应力效应不可忽略。

综上分析，HI应变计通过测量水泥净浆结石应力状态间接反映岩体应力场，修正系数计算可以只考虑水泥净浆和HI材料。此外，由于无解除过程，计算过程中水泥净浆结石的弹性模量采用变形模量。HI弹性模量为2.6 GPa，泊松比为0.40，内外径分别为35 mm和36 mm。水泥净浆材料室内28 d龄期单轴压缩试验所得变形模量均值为6.0 GPa，泊松比均值为0.35。基于前述分析及试验数据得到修正系数K1—K4分别为1.006 5、1.011 0、1.004 5和0.998 9。

4.2 监测数据规律分析及计算初始日期确定

应力增量计算初始取值影响计算结果，一般做法是在HI应变计埋设后尽早读数，以便获得全过程数据。对HI应变计埋设后的耦合过程分析认为，只有在介质材料固结、岩体、水泥净浆结石和HI完全接触后的监测数据才能反映岩体应力的实际变化。本试验未能取得最初数据，确定计算初始日期具有重要意义。将每天的应变数据进行平均并随日期成图，结果见图6。图中包括隧洞向下游开挖的时序进度曲线，L为孔口至掌子面距离。

图6 应变与时间及隧洞开挖进度关系曲线Fig.6 Curves of strain versus time and tunnel excavation progress

由图6可以将监测期划分后6个时段。其中时段1自安装之日至2021年9月16日(以下本年度日期省略年度)，其中8月28日前未能取得试验数据，其后在时段1内E90、B45、C45和B135等多个应变片的应变值大幅变动；4个(共5个)切向应变片的应变值读数迅速减小，反映HI周向呈快速压缩态势，其中A90、B90、E90和F90四个应变片的应变改变值为(-695～-830)×10-6，仅C90应变值先变小后变大，期末变化值为104×10-6。在该时段的相关现象有：①香炉山主隧洞的下游掌子面恢复开挖，孔口至掌子面距离从15 m推进至45 m(1.4～4.1倍开挖洞径)；②同孔安装的最接近单轴应变计——20 m测点被持续轴向压缩，在9月16日达到最大值47×10-6(见图7)。图中“L”曲线由孔口至掌子面的距离数据绘制，反映了隧洞向下游开挖的进度。

图7 同钻孔单轴应变计的应变观测曲线Fig.7 Strain observation curves of uniaxial strain gauge in the same borehole

时段2接续时段1至该年度11月初，在该时段全部应变片的应变值变化趋缓，其中10月20日至29日因线缆断裂无监测数据，但上述趋势未变。时段3从11月5日至12月初，该时段所有应变片应变由平缓变化全部转变为快速减小趋势，11月11日线缆断裂，至11月24日和12月上旬数据恢复时，全部应变片的应变值再次趋于缓慢变化状态，推测11月中上旬有应变快速增加的过程。该变动现象反映了监测洞段存在一次较大范围的应力和变形调整。其他相关现象有：10月底在桩号BK0+660至BK0+680洞段的部分衬砌破裂，同钻孔埋设的10 m和2 m单轴应变计在10月底的应变监测数据陡然改变。

时段4接续时段3至2022年1月底，该期间各应变片应变值缓慢变化，部分应变片应变值呈缓慢增长趋势。时段5接续时段4至2022年3月初，该期间各应变值平缓变小或接近稳定，与其他监测仪器显示围岩变形和应变趋于稳定的现象一致。时段6从2022年3月初开始，该期间采集扩展模块损坏，多次尝试修复但监测数据不稳定，该期间及以后的数据未采用。

综合应变片变化规律及同时期相关现象判断，时段1期间多个应变片应变的大幅变动原因在于洞室开挖的空间效应造成监测部位岩体应力扰动，岩体应力扰动加速了岩体变形，并使得岩体、水泥净浆结石和HI应变计迅速接触耦合。9月16日是多个应变片应变值和同孔最接近单轴应变计应变值变化趋势改变的日期，显示三者全方位接触基本完成，故以该日期作为计算初始时间具有重要意义。以该日期应变为计算初始应变值的增量应变随时间变化的曲线如图8所示。由图8可知，在时段2和时段4多数应变片总体呈现出较为明显的线性变化趋势，体现了岩体、水泥净浆和HI应变计的应力不断耦合的过程，而时段5多数应变片应变增量接近停止或缓慢负增长，可认为三者的应力耦合过程基本结束。

图8 增量应变-时间曲线Fig.8 Curves of incremental strain versus time

4.3 应变数据处理及结果计算

利用长江科学院空心包体式孔壁应变解除法的计算程序[16]，基于上述参数、应变计空间布置数据和增量应变数据进行应力增量计算。计算过程中将12个应变片的增量应变数据均输入程序中，由该程序采用数理统计最小二乘法原理、基于增量应变数据残差平方和最小原则获取最佳一组数据进行应力增量计算，最终结果如图9所示。图中σ1、σ2、σ3为应力增量计算结果的第一、第二和第三主应力，σH和σh分别为应力增量计算结果的最大和最小水平主应力分量，α1、α2和α3为各主应力的倾角，β1、β2、β3和αH分别为各主应力和最大水平主应力的方位角。

图9 主应力形式的增量计算结果Fig.9 Calculation results of principal stress increments and principal stress angle increments

由图9可知，在时段2应力增量计算结果的主应力量值先减小后增加，显示岩体、水泥净浆结石和HI进一步耦合。时段3应力量值和方向明显变动，显示监测洞段有一次明显的应力和变形调整。在时段4和时段5，各主应力量值变动范围较小，各主应力角度保持不变，反映该期间监测部位岩体扰动因素减少，岩体、水泥净浆结石和HI应变计的应力耦合过程接近结束，计算结果主要反映岩体应力。两期间σ1的变动范围为10.3～15.0 MPa，α1为10°～28°，β1为262°～267°。σ2的变动范围为3.1～4.6 MPa，α2为58°～79°，β2为61°～115°。σ3的变动范围为0.2～1.8 MPa，α3为1°～14°，β3为173°～181°。σH和σh的变动范围分别为10.1～13.9 MPa和0.2～1.8 MPa，αH为83°～87°。

5 结果讨论

5.1 计算初始取值影响

本试验取得监测数据始于8月28日，以该日期作为计算初始日期的结果显示：期间1的9月1日至9月16日，计算结果的主应力量值和角度剧烈变动，其中σ1由3.3 MPa变为6.3 MPa，σ2由0.3 MPa变为-1.9 MPa，σ3由-1.2 MPa变为-6.8 MPa，α2由39°变为70°，α3由40°变为12°。期间4和期间5的σ1值超过20 MPa，远大于以9月16日为计算初始日期的结果。σ3在全部期间表现为拉应力，应力状况与未完全约束岩块进行二维加载的情况类似。综上所述及4.2小节的监测应变规律分析有以下结论：①8月28日岩体与水泥净浆结石和HI组合体未完全接触，隧洞开挖施工的空间效应造成岩体应力扰动，加速了岩体、水泥净浆结石和HI应变计的接触和应力耦合。②以8月28日为初始计算日期不能完全反映岩体的应力变化，而以9月16日作为计算初始日期较为合理。③以9月16日为计算初始日期减少了洞室开挖造成的应力扰动影响和灌浆不饱满导致的岩体与水泥净浆结石未完全接触的影响。④两计算初始日期计算结果的β1均为缓倾角270°左右，表明HI应变计首先并持续受到缓倾角W向第一主压应力的影响，该方向应为监测部位岩体的最大主应力方向。

5.2 监测结果影响因素分析

(1)洞室开挖空间效应的应力扰动影响。一般认为，隧洞开挖造成的围岩应力扰动区半径一般为3～5倍洞直径[17]，其外为原岩应力区。本试验中HI应变计实际埋设位置为2.7倍开挖洞径，接近原岩应力区。前述应变数据规律分析、计算结果分析、同孔单轴应变计监测数据的佐证和计算初始取值的影响分析表明：期间1的监测数据变化由多种因素造成，其中有洞室开挖空间效应造成的应力扰动影响。

(2)监测隧洞段的应力和变形调整影响。应变片应变变化规律分析显示，在期间3各应变片应变值均有一次较大改变。应力增量计算结果显示，11月10日至12月5日，σ1由-3.7 MPa变为10.9 MPa，σ2由-4.7 MPa变为4.3 MPa，σ3由-7.9 MPa变为2.3 MPa，应力量值变化剧烈。同时期，同钻孔的单轴应变计(见图7)和附近的其他监测设备均有明显反应；桩号BK0+660至BK0+680洞段衬砌在10月底出现破裂。上述情况说明，在期间3整个监测洞段有一次较大范围的应力和变形调整。

(3)其他影响因素。①水泥净浆埋设HI应变计方式的对中装置和安装杆等装置导致岩体应力场再分布，影响试验结果。②全面考虑岩体、水泥净浆结石和HI应变计的修正系数计算方法待研究，本试验采用的修正系数计算方法有偏差。③HI应变计监测结果计算基于弹性理论，断裂带岩体和水泥基材料弹性参数试验及其取值方法待研究。④长时间监测过程中，采集设备、环氧树脂材料、通讯线路等受环境影响易产生数据误差。上述影响因素需要进一步研究。

5.3 与已有试验结果对比

本试验的HI应变计埋设部位接近原岩应力区，通过试验布置和数据处理，试验结果应总体反映原岩应力。已有近场地应力试验钻孔[18-19]为TSZK53和XLZK4。其中TSZK53钻孔位于玉龙县九河乡白汉场水库西北侧，靠近龙蟠—乔后断裂，孔口高程2 400.7 m，孔深412.3 m。揭露岩层主要为白云岩、白云质灰岩。测试深度在274.7～384.1 m范围的最大水平主应力为11.1～12.0 MPa，最小水平主应力为7.4～9.3 MPa，最大水平主应力方向为106°～111°(或286°～291°)，为E—SEE向(或W—NWW向)。

XLZK4钻孔位于玉龙县九河白族乡白汉场，属于龙蟠—乔后断裂带，孔口高程2 382.4 m，孔深385.1 m，试验孔深207～380 m。试验范围内岩质呈较疏松～较坚硬状，岩体完整性较差。其中孔深319 m以上为主断带，岩性主要为角砾灰岩夹板岩，其下为断层带物质，岩性主要为角砾灰岩夹灰质白云岩。孔深300 m以下试段的σH为12.3～13.7 MPa，σh为9.8～11.2 MPa，αH为44°(或224°)，为NE向(或SW向)。

结果对比显示，本试验与已有试验结果的σH量级接近，本试验增量计算结果反映岩体原岩应力量值。应力增量计算结果的αH集中为近EW向，处于两测孔试验结果之间，角度偏差分别为19°～28°和39°～43°，与实测结果比较接近。综上所述，本试验结果反映龙蟠—乔后断裂带岩体地应力场特征。