桃子垭深埋特长隧道地应力预测及复核*

2022-11-08朱海明张生魁刘忠明高桂云魏学勇

工程地质学报 2022年3期

朱海明张生魁刘忠明高桂云周昊魏学勇

(①中海建筑有限公司，深圳 518057，中国)(②应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085，中国)

0 引言

随着我国铁路、公路建设工程的迅速发展，隧道也逐步向长大、深埋方向发展，隧道围岩环境更易于遭受高地应力作用。高地应力会导致隧道围岩硬岩岩爆和软岩大变形问题，影响工程施工及运行安全，例如青藏线关角隧道(沈军明，2013)、兰武二线乌鞘岭隧道(钱伟平等，2007)和渝黔高铁天坪隧道(刘永刚，2017)、武都隧道(程炜等，2019)、成兰铁路软岩隧道(宋章等，2016)等均出现了不同程度的大变形或岩爆破坏(王成虎等，2011a; 杨汝华等，2019; 周航等，2020)。因而，地应力状态的确定对于隧道和其他地下工程的建设及风险评估具有重要的意义(冯雪磊等，2018)。然而，在勘察设计阶段，地应力测量的开展面临着交通条件、地形条件等诸多困难，尤其是长大深埋隧道，测试难度及成本大大提高。在这种情况下，就需要发展地应力的预测与复核方法，基于有限的地应力数据和勘察资料对隧道地应力状态的估算和预测(王成虎等，2014)。

王成虎等(2011b，2014)在Shoerey应力预测模型基础上，利用Hoek-Brown强度准则，对模型进行了修正，考虑了岩体变形模量和质量，从而发展了一种深埋隧道等线状工程的地应力量值预测方法，并成功应用到了某水电站引水隧道的工程区原地应力状态的预测。本文在此工作基础上，结合桃子垭深埋特长隧道工程对该预测方法进一步修正与检验，并通过多源的应力数据，约束工程区应力状态；同时，在桃子垭隧道开挖过程中开展了4个钻孔应力测试，进一步检验与复核工程区应力状态。

贵州省德江至习水高速公路正安至习水段桃子垭隧道为分离式特长隧道，进口位于桐梓县羊磴镇(间距约36m)，出口位于桐梓县木瓜镇木瓜村(间距约26m)，洞身穿过鸡公岭山脉(间距约34m)。左幅隧道(ZK56+730～ZK61+830)、右幅隧道(YK56+770～YK61+840)长度分别为5100m和5070m，最大埋深分别为978m和968m。隧址区位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱之凤冈NNE向构造变形区，地质构造极其复杂，基本构造格局以NNE向褶皱及断裂为主。依据贵州省德江至习水高速公路正安至习水段施工图设计阶段工程地质勘察报告(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，2018)，与桃子垭隧道工程区密切相关的褶皱有松坎向斜(图1)；相关的断层主要有楠木园断层(F1)、白毛坪断层(F2)，均为非活动性断层。隧址区地层众多，岩性多样，主要由白云质灰岩、泥岩和砂岩组成，多以Ⅳ级围岩为主，部分为Ⅴ级围岩，稳定性较差。

图1 桃子垭隧道区域地质构造纲要图

桃子垭隧道工程区岩性复杂，穿过煤层系、采空区、岩溶、地下水及老煤窑，几乎集合了所有不良地质，存在高地应力、地温、涌水、岩爆等潜在地质风险，其中高地应力可能导致的隧道开挖过程中围岩剥离、掉块、成型性差，埋深较大位置甚至出现围岩脆性破坏(岩爆)和软岩大变形。桃子垭隧道工程地质条件与渝黔高铁天坪隧道、新凉风垭隧道埋深基本相似。天坪隧道在施工过程中均出现了因高地应力带来的岩爆及软岩变形问题(李乐，2015; 刘永刚，2017)。隧道周边煤矿开采深度一般在540～800m，地质条件及埋深与桃子垭隧道基本相似，周边矿井埋深大于500m时，洞壁岩体有一定剥离、掉快和鼓凸，成形性稍差，应力增高，岩爆和软岩变形开始发生。因而，对于桃子垭隧道工程区的地应力状态预测及复核对于隧道工程设计、施工等具有重要的意义。

本研究在隧道勘察阶段1个钻孔的水压致裂地应力测量基础上，结合区域多源应力数据，通过利用修正的Sheorey模型对隧道沿线应力状态进行了预测；在隧道开挖施工过程中，我们开展了4个钻孔的地应力快速测试，对隧道围岩应力状态进行了复核，验证了预测结果的可靠性，为隧道设计及施工方案的及时变更及预算调整等提供有力的数据支撑。

1 初始应力状态确定

在隧道勘察设计阶段，项目组在拟建隧道左幅ZK58+462与右幅YK58+474间开展了一个钻孔ZK3的水压致裂原地应力测量(刘朝跃等，2019)。结合该钻孔套管深度和岩芯状况，在568～658m的深度段内通过封隔器分段封隔开展了11个测试段的水压致裂地应力测量。各个试验段测试曲线重复性较好，在各个水压致裂测试循环的过程中的破裂压力Pb、重张压力Pr和瞬时闭合压力Ps清晰可见。利用计算机编程辅助确定各压裂段的特征值(王成虎等，2016)，并依据水压致裂地应力测量理论(Amadei et al.，1997)，就可以确定各压裂测试段的水平最大主应力SH和水平最小主应力Sh量值。计算结果见表1，表中P0为孔隙压力，通过钻孔水位(530m)进行估算；T为岩石抗拉强度；垂向应力Sv由上覆岩石的容重(取26.5kN·m-3)求解。由表1可知，在埋深550～600m范围的测段内，水平最大、最小主应力值在13.4～16.83MPa和7.32～9.71MPa之间，垂直主应力范围为13.92～14.49MPa；埋深600～660m范围内，水平最大、最小主应力范围分别为15.95～21.41 MP和9.38～14.49MPa，垂直主应力范围为15.11～16.17MPa。对于测量深度范围内，应力量值关系为SH>Sv>Sh，三向应力状态以水平应力作用为主，有利于走滑断层活动。

表1 ZK3钻孔水压致裂应力测量结果

在水压致裂测试结束后，可以通过电子罗盘自动定向印模封隔器，记录上述测试段的水压致裂裂缝，从而获得水平最大主应力的方向(表1)。3个印模段的水平最大主应力方向分别为N18°W、N15°W和N40°W，表明ZK3钻孔附近550～660m埋深位置的地应力场以NNW～NW向的挤压为主。

2 区域应力状态

对桃子垭隧道工程区附近的主要断裂资料进行统计分析，断裂主要分为3组，NE向、NW向和近NS向。按照构造地质学原理分析，NE向和NW向断层为共轭断层，构造上受统一的力源控制。依据构造地质学的理论分析，最大主应力σ1和最小主应力σ3应该分别位于断层线交角的平分线上，同时由图1和图2可知，该区域的主干断裂走向为近NS向，按照Anderson理论和莫尔-库仑理论分析(Amadei et al.，1997; 谢富仁等，2003; Zoback，2007; Zang et al.，2010)，一般岩石的摩擦系数在0.6～1.0之间(Byerlee，1978)，最大主应力方向和断层面走向的夹角范围为22.5°～30°，因而，NS向断裂的水平最大主应力方向应为NNW～NNE向，从而可以初步推出该区区域应力场方向为NNW～NNE。

图2 工程区主要断裂走向和倾角玫瑰统计图

利用上述构造形迹方法分析得到的应力场方向主要是反映的古构造应力场方向，对于现代地应力场方向，可以采用震源机制解以及震源机制解反演应力场的方法得到深部应力场方向及特征。隧址区隶属于中国华南地区(谢富仁等，2004)，崔效锋等(2005)利用震源机制解得到该区域整体的区域应力场方向为NWW向，约为290°左右，震源机制解类型主要是逆断型和走滑型。而按照蒋维强等(1992)对华南地区震源机制解的分区研究，工程区的平均主压应力轴方位为334°，即主压应力方向为NNW～NW。

为进一步分析区域应力场方向特征，我们采用基于震源机制解的应力反演方法，对贵州省桃子垭隧道周边区域应力场进行了反演。我们从数据库收集到区域内小震震源机制解82个，对应的断层应力状态如图3所示，其中以逆冲型(TF)为主，约占50%，其次是未确定型(UD)占32.93%，走滑型(SS)约占14.63%，表明该区域主压应力轴接近水平，而震源深度都集中在5～41km深度段，因而深部应力结为主。基于这些震源机制解反演出的应力方向如图4所示，其中最大主应力方向为NNW向(349.5°±3.7°)，倾角2.3°；中间主应力方位平均值为80.0°，倾角平均值为12.7°；最小主应力倾角平均值为76.9°，近似垂直方向(图4a)。应力形因子R(R=(σ1-σ2)/(σ1-σ3))的平均值为0.89±0.01(图4b)，接近1，说明中间主应力与最小主应力量值接近。另外，震源机制一致性参数misfit角度的平均值为34.1°，小于40°，表明应力场在空间上较为一致(Michael et al.，1990)。

图3 震源机制解给出的断层应力状态

图4 基于震源机制解数据反演得到的应力主轴和应力形因子R的统计结果

为了更好地了解该区域的区域应力场状态，笔者查阅了最新维护的《中国大陆地壳应力环境基础数据库》(谢富仁等，2007)中桃子垭隧道工程区附近(纬度26.7°N～30.7°N，经度104.9°E～108.9°E)应力数据，绘出该区域的实测数据水平最大主应力方位玫瑰花图(图5)，优势方位为N15°～60°W。对比钻孔ZK3测得的应力方向与区域浅部实测应力方向一致。因而，桃子垭隧道工程区浅部现代应力场主应力方向为NNW～NW方向。

图5 桃子垭隧道工程区附近实测水平最大主应力方位统计结果

依据《中国大陆地壳应力环境基础数据库》，桃子垭隧道工程区周边实测应力量值见图6，其中新凉风垭隧道和渝黔线天坪隧道与桃子垭隧道邻近，新凉风垭隧道埋深大于400m洞身的水平最大主应力量值为8～20MPa，水平最小主应力为6～13MPa左右；天坪隧道DZ-5孔测段深度范围(550～800m)的水平最大主应力量值约为12～17MPa，水平最小主应力约为7～10MPa。由于桃子垭隧道ZK3孔和凉风垭隧道以及天坪隧道距离较近，地形地貌、地质条件、埋深基本相当，桃子垭隧道ZK3孔地应力测试数据与凉风垭隧道和天坪隧道的地应力数据反映的应力特征有可比性，桃子垭隧道ZK3孔的应力量值水平介于上述两隧道之间，且量值都在区域实测应力量值范围内，应力方向大体一致。

图6 工程区附近地应力随深度变化

综合上述构造地质学、地震学方法以及实测方法获得的桃子垭隧道工程区附近应力场结果，可以发现工程区现今应力场方向与构造行迹法得到的古应力场方向基本一致，水平构造应力仍然占一定主导作用，应力量值与区域实测应力量值范围一致；对于不同深度范围上，浅部实测数据显示应力方向以NNW～NW向为主，应力状态以走滑型为主，而深部震源机制解揭示的主应力优势方向为NNW向，应力状态转变以逆冲型为主。总的来说，利用浅部钻孔所获得的地应力方向是区域构造应力场和地表地形地貌等综合作用结果，通过多源数据的分析可以对隧道工程区应力场时空演化规律有较为深刻认识。

3 应力状态预测

由于测试条件和成本等限制，在工程勘察和施工阶段我们不可能通过密集布设钻孔来了解整个工程区的应力状态和隧道洞身部位的岩体工程地质特性，又因为长大深埋隧道属于线状工程，不适合采用数值模拟方法开展沿线应力状态预测(王成虎等，2014)，但是我们可以通过合理的理论假设再结合有限的地应力实测数据来对整个工程区的应力状态予以预测和确定。此处，笔者基于Hoek-Brown强度准则和修正的Sheorey模型(Sheorey，1994)开展桃子垭隧道沿线应力预测。

Sheorey模型(Sheorey，1994)，也称作静态黏弹热应力模型，将地球假设为一个不同物质分层的球形壳体，且在不同地壳和地幔分层及深度上的岩体物理力学性能随着深度的增加而变化，从而建立起水平应力量值与深度变化的关系。对于各向同性材料，有：

(1)

式中：σhor为水平应力量值；β为岩石线性膨胀系数；γ为岩石的重度；E和v分别为岩石弹性模量和泊松比；G为地壳中温度梯度；H为距地表的深度。考虑浅部地壳，取β=8.0×10-6℃-1，G=0.024℃·m-1，垂直应力取Sv=γH，则上式可以转换为水平应力与垂直应力比值k表示的关系式：

k=0.25+7E(1/H+0.001)

(2)

对于同一构造区域或构造单元，结合Hoek-Brown强度理论，可以对Sheorey模型进行修正，从而可以通过已知测点的应力量值来预测另一不同岩性和埋深区域的地应力状态，即修正的Sheorey模型(王成虎等，2009)：

(3)

σci为完整岩石的单轴抗压强度；GSI为岩体强度指数，与岩体分级相关；mi、mb、s为经验参数。mi的取值范围在0.0000001～25之间，为反映完整岩石的软硬程度的参数；s取值范围在0～1之间，为反映岩体破碎程度的参数式中：H1、H2为距地表的不同深度；Erm1、Erm2为不同深度上原位岩体变形模量，由Hoek-Brown强度准则(Hoek et al.，1997)确定；k1、k2为不同深度的水平应力与垂直应力的比值。该模型考虑了原位岩体变形模量及其随深度变化，从而将岩性、结构面等信息考虑在应力预测中，可以有效地处理较为离散的实测应力值的归一化问题。

依据工程地质资料对隧道围岩基本岩体质量的描述(刘朝跃等，2019)，岩性以白云质灰岩、泥岩和砂岩为主，围岩级别以Ⅳ级围岩为主，部分为Ⅴ级围岩。利用Hoek-Brown准则(Hoek et al.，1997)及RocLab软件(Hoek et al.，2002)，可以估算ZK3钻孔附近的岩体强度和变形模量等参数，结果如表2所示。取钻孔附近完整岩石的单轴抗压强度为61MPa时，考虑地质体强度、破碎程度等因素后，岩体的变形模量为8793.77MPa，而岩体整体强度为20.14MPa。

表2 基于Hoek-Brown准则的ZK3钻孔周边岩体强度估算表

对于桃子垭深埋隧道工程，利用Sheorey模型式(2)对工程区周边实测地应力结果(图6)进行拟合，结果如图7所示。可以看出，当埋深超过300m时，侧压力系数的离散性开始降低且应力量值受地形地貌等的影响小，为保守起见，采用600m左右的侧压力系数kH=1.15、kh=0.67和k=0.9作为基准值开展应力量值预测。以该侧压力系数为参考值，并结合工程区围岩强度、等级、破碎程度等条件，参考表2计算岩体的模量及强度参数，从而利于修正的Sheorey模型式(3)，可以开展隧道沿线地应力量值的预测。由于修正的Sheorey模型考虑了岩体强度、围岩等级、结构面及破碎程度等，上述应力预测方法，对于断层带和地形陡变带同样适用。

图7 基于Sheorey理论的k值拟合图

沿着桃子垭隧道左幅、右幅隧洞轴线的应力值预测结果如图8所示，应力预测的量值随着隧道埋深的增加而增加，且应力量值与隧道围岩质量有关，随着围岩质量的降低而降低。埋深300m左右时，水平最大、最小主应力分别约为9.8MPa和6.6MPa；埋深600m左右时，水平最大、最小主应力分别约为16MPa和10MPa；埋深超过900m时，水平最大、最小主应力量值分别超过23MPa和15MPa。在钻孔ZK3处，左右幅隧道预测应力量值与实测应力量值较为一致，预测值在实测值所限定的应力值误差范围内。分析隧道不同埋深的三向应力，在浅部以水平应力作用为主，三向应力关系为SH>Sv≥Sh，在埋深超过600m时，水平最大主应力与垂直应力接近，三向应力值关系表现为SH≥Sv>Sh。这与区域三向应力关系有所不同，推测可能是岩体破碎带的卸荷作用等影响。

图8 基于修正的Sheorey模型的桃子垭隧道左右幅轴线应力预测结果与测试结果对比

4 应力状态复核

如前所述，天坪隧道及桃子垭隧道周围煤矿在施工或开采过程中出现了因高地应力带来的岩爆及软岩变形问题(李乐，2015; 刘永刚，2017)，而桃子垭隧道在实际开挖过程中，Ⅲ级围岩在500m左右埋深并没有发现明显的脆性破坏现象，Ⅳ、Ⅴ级围岩在560m也未发现明显的大变形现象。因而需要对现场地应力状态进行进一步测试，复核隧道沿线应力状态，一方面便于及时变更设计及施工方案，科学控制工程造价并保证施工和工程结构安全。另一方面，可以检验预测结果的可靠性。隧道开挖后隧洞内地应力检测，可以获得隧道当前埋深位置的真实原地应力值，从而为隧道设计和施工方案变更及预算调整等提供有力依据和数据支撑。

应力复核测点的选择主要依据桃子垭隧道周边隧道及煤矿开挖过程中岩爆或软岩变形可能发生的埋深、桃子垭隧道勘察设计阶段应力预测结果以及施工过程中围岩变形破坏情况，并结合隧道施工进度进行选择。首先天平隧道与桃子垭隧道埋深及地质条件类似，在开挖中发生了大变形，尤其是埋深较大位置，周边煤矿在开采过程中也出现岩爆或软岩变形问题，因而应力状态复核重点侧重埋深较大位置。其次，桃子垭应力预测结果显示，在埋深大于600m时，应力量值可能超过16MPa，

按照勘察设计报告对应力状态的评估认为可能存在高应力破坏，因而应力状态复核测试点主要布置在埋深超过600m位置，初始设计是埋深每增加100m，在隧道左幅或者右幅布置一个应力复核钻孔进行水压致裂应力测量。在桃子垭隧道开挖施工过程中，我们结合上述测点选择原则依据施工进度安排，采用水压致裂法在右幅隧洞内进行了4个钻孔的原地应力测试，测点位置及埋深见表3。隧洞内钻孔深度在40m左右，相对勘察阶段的钻孔应力测量，可以比较容易地实现应力的快速检测。隧洞内水压致裂地应力测试的压力-时间结果见图9，在各个测段内测试曲线重复性好，且各个循环的特征压力清晰可见。

表3 应力复核测点及测试结果

图9 A8-2钻孔水压致裂压力-时间曲线

应力量值的计算结果如图8所示，其中在A7-1钻孔(埋深615～639m)内测试结果显示水平最大、最小主应力量值范围为12.24～19.58MPa和7.53～10.70MPa；A7-2钻孔的测试埋深766.10～776.25m，水平最大、最小主应力范围分别为10.88～14.77MPa和6.19～8.13MPa，平均值为12.77MPa和7.17MPa；A8-1在测点区域洞身部位(埋深799.35～831.05m)的水平最大主应力为8.67～20.97MPa，水平最小主应力为5.81～13.95MPa；A8-2钻孔测段的埋深最深(925～937m)，其水平最大主应力为21.15～23.58MPa左右，平均值为22.57MPa；水平最小主应力为11.49～13.41MPa左右，平均值为12.32MPa。4个钻孔的水平最大主应力优势方位为N16°W～N37°W范围内，该方位与勘察阶段应力测试结果一致，且与区域应力状态基本一致。

对比隧洞内实测地应力数据与基于修正的Sheorey模型的应力预测结果，可以发现除了A7-2钻孔外，其他钻孔实测数据与预测结果基本一致，说明基于修正的Sheorey模型可以在勘察设计阶段不具备应力测试条件或者为节约成本情况下，对应力状态进行初步的预测和评估。A7-2钻孔实测地应力量值较预测值偏低，一方面，从钻孔取芯结果来看，A7-2钻孔的岩芯破碎，岩体质量较差，且穿过煤层，在钻孔及地应力测试过程中出现大量煤层气冒出，测试过程中封隔器密封问题及煤层气存在都可能影响应力测试结果，导致应力测量结果偏低。另一方面在勘察设计阶段，对该位置附近岩石质量等的评价存在一定的高估，从而导致预测结果偏高。距离A7-2钻孔(YK58+760)约60m的开挖面(YK59+020)处围岩出现轻微破坏现象，掌子面有异常掉块、片帮，但不明显，没有观察到明显的高应力破坏现象，多为轻微变形破坏(图10)，进一步验证了应力量值预测和测试结果。另外，A8-1钻孔接近断裂破碎带，应力量值也略低于预测结果，其原因与上述情况类似，破碎带的存在一方面影响水压致裂地应力测试中密封问题，导致破裂压力偏低，应力量值偏低，另一方面目前应力预测是按照勘察划分桩号进行的，破碎带岩石质量评价可能存在高估情况。因而，在应力复核阶段，对于岩性变化复杂、构造存在等岩体质量较差情况下，建议一方面结合钻取的岩芯质量或钻孔图像扫描等，慎重选择水压致裂试验段，另一方面，建议采用小孔径水压致裂技术可以将水压致裂测试段减小，从而减小钻孔岩石质量对测试结果影响并增加测试数据量。

图10 掌子面(YK59+020)附近围岩照片

本研究在桃子垭隧道勘察设计阶段的初始应力测量及基于多源应力数据的应力场预测，为隧道的设计及施工提供了较为可靠的应力结果，指导隧道的设计及施工。然而在遇到岩性变化复杂、断层破碎带等构造时，应力状态预测的结果将依赖于前期岩性及围岩质量勘察结果。而隧道开挖后的应力测试及复核，可以快速有效地复核隧道围岩应力状态，从而进一步确定隧道沿线应力状态，提高隧道施工质量，并据此可及时调整与变更隧道施工方案，缩短施工工期、调整预算，保障工程的安全、顺利完成及高效的成本控制。