成达万高铁华蓥山隧道地应力测试与评价

丁茂林

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

1 工程概况

新建成都至达州至万州铁路华蓥山隧道位于四川省达州市境内，进口端（DK132+621）位于大竹县，出口端（DK141+369）位于渠县，全长8 748 m，最大埋深达500 m，线路呈近东西走向，采用“人”字坡形式敷设。华蓥山隧道位于四川盆地内川中丘陵区与川东平行岭谷区交界部位的华蓥山背斜构造带，隧址区地应力场复杂。通过开展深孔地应力测试获取隧址区的地应力大小与方向，评价隧道发生滑动失稳的危险性大小及岩爆等级，为隧道断面形状、结构及强度的设计提供依据。图1为华蓥山隧道平面示意图。

图1 华蓥山隧道平面示意图

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

华蓥山隧道位于川东平行岭谷之中低山区，横穿走向北北东向的华蓥山背斜北段。华蓥山背斜为典型的背斜山，构造地貌明显，山岭陡窄峻峭，峰峦层叠，隧道顶部为三叠系中统雷口坡组（T2l）灰岩溶蚀后形成的槽谷，两侧的三叠系上统须家河组砂岩（T3xj）形成挺拔的山脊，地表呈现为“一山两岭一槽”的中低山岩溶地貌形态，地面高程介于340～1 000 m。

2.2 地层岩性

华蓥山隧道出露基岩为中生代三叠系、侏罗系地层，主要包括侏罗系中统下沙溪庙组（J2xs）、新田沟组（J2x），中-下统自流井组（J1-2z）、下统珍珠冲组（J1z）和三叠系上统须家河组（T3xj）、中统雷口坡组（T2l）、下统嘉陵江组（T1j）；地层岩性以泥岩、砂岩及灰岩、泥灰岩为主。

2.3 地质构造

研究区位于扬子准地台川中台拗，为新华夏系第三沉降带四川沉降褶带，以华蓥山为界分为川中褶皱带和川东高陡断褶带两部分。川中褶皱带基底差异运动形迹微弱，无明显线性构造，多为平缓多高点弧形褶皱、鼻状背斜、短轴背斜等低平穹状构造，断裂少见；川东高陡断褶带具隔挡式构造的特点，背斜挤压紧密、向斜宽缓，局部断裂较发育，且与褶皱相伴而生。华蓥山隧道位于高陡断褶带具隔挡式构造的西侧，为一箱状复式褶皱，背斜轴北东10～25°，轴面倾向南东，地表呈现为北西翼陡、南东翼缓的不对称狭长半箱状斜歪背斜构造。隧道位于华蓥山背斜构造的北侧。图2 为华蓥山隧道区地质构造简图。

图2 华蓥山隧道区地质构造简图

3 地应力测量

3.1 测量方法

水压致裂法是目前最常用的岩石地应力测试方法，同时也是国际岩石力学学会的推荐方法之一，它具有操作简便、可在任意深度进行连续或重复测试、且测量速度快、获取参量多、测值可靠等特点，近年来在铁路工程中得到了广泛应用。水压致裂法测试程序主要分成2个部分：第一步是选取试验段，进行压裂测试，通过计算获得地应力大小；第二步是印模定向试验，先获得岩石破裂方向，再通过计算获取主应力方向[1-5]。本次华蓥山隧道地应力测量采用当前较为成熟、且广泛应用的水压致裂法。

3.2 水压致裂法地应力大小测量

新建成达万高铁华蓥山隧道地应力测量钻孔（SHYS15）位于华蓥山背斜西翼，里程DK138+523右15 m处的山坡上，孔口高程741 m，钻孔孔深410 m，水位埋深180 m。钻孔揭示岩性主要为深灰色、中-厚层状泥岩和砂岩，砂质、泥砂质结构，节理裂隙较发育，岩体较完整，岩芯以柱状、长柱状为主，局部呈短柱状。地应力计算时静水位综合深孔钻探以及地应力测量时多个不同时间点的测得的钻孔孔内水位进行取值，确定静水位埋深为180 m。

根据地应力测量的技术要求，现场实际测量过程中选择岩芯完整、节理裂隙不发育、钻孔孔壁光滑程度较好，且位于地下水之下的9段开展水压致裂地应力测量试验，以确保地应力测量结果能真实反映测点附近区域应力场。测量试验累计获得比较理想的测量曲线6段，其中心深度分别为234.00 m、308.00 m、343.00 m、365.00 m、381.00 m和392.50 m，测量段地层岩性主要为砂岩、泥质砂岩。

弹性力学作为水压致裂地应力测量的基本原理，它假设岩石为完整、弹性且具各向同性的介质，压裂液体（通常为水）相对岩体属非渗透体，且其中一个主应力（多为垂向应力）和钻孔轴向平行[6]。在基本满足上述假设和测试条件下，水压致裂曲线的标准形态一般呈现为：第一循环曲线中破裂压力点Pb清晰，岩石脆性破裂行为明显；第二至第五循环曲线中重张压力Pr、闭合压力Ps差异不明显，但水压裂隙重张和闭合拐点清晰。通过钻孔测量获得的6段曲线与水压致裂法标准曲线进行对照表明：孔中水压致裂地应力测量数据可靠，地应力测量结果能反映隧道所在工程区现今地应力环境[7]。典型压裂曲线见图3。根据水压致裂的假设、测量获得的压裂曲线和弹性力学模型理论，将隧道所在工程区的地应力环境简化为平面应力问题，通过选取不同发生压裂破坏段的破裂压力Pb、重张压力Pr和瞬时关闭压力Ps，室内计算得到各试验段最大、最小水平主应力及垂向应力值。水压致裂法典型压裂曲线如图3所示。

图3 水压致裂法典型压裂曲线

3.3 印模法地应力方向测量

为确定隧道工程区内最大主应力方向，在水力压裂试验完成后，根据岩石的抗拉强度值，综合考虑各试验段获得的岩石破裂压力与重张压力，在孔内选取其中3段开展定向印模试验。根据定向印模得到的水力压裂诱发裂缝，结合双侧裂缝与基线的形态分布与井下电磁罗盘记录的基线方位角，综合确定隧道工程区内最大水平主应力方向。通过印模法测量隧道工程区最大水平主应力方位为N57°W～N73°W，平均为N64°W。各试验段经数据分析计算获得的成果详见表1。

表1 钻孔水压致裂地应力测量成果表

3.4 地应力成果分析

根据隧道钻孔孔内测量及室内计算分析得出：试验深度内最大水平主应力（SH）为9.14～15.10 MPa、最小水平主应力（Sh）为6.14～9.90 MPa、垂向应力（Sv）为6.20～10.40 MPa，岩石抗拉强度为3.90～6.69 MPa，水平主应力随深度增加近似线性增大；3个主应力之间的关系总体表现为SH＞Sv＞Sh，呈走滑型应力状态，与华蓥山断裂带走滑断层运动特征较相符，一定程度上反映华蓥山背斜构造带现今活动对该区地壳浅层应力场的影响；位于扬子地台西北侧的研究区域西南侧受印度板块推挤、西侧受青藏高原走滑断层向东侧移、东南侧受华南块体阻挡等多因素综合影响，现近构造应力场以NW～NWW向为主导，隧道工程区内最大水平主应力方位角平均N64°W，与区域构造应力场主压应力方位基本一致。

4 滑动危险性评价

4.1 断层失稳摩擦滑动准则

Anderson断层理论指出地壳应力状态和断层的活动性之间有密切关系，库伦摩擦滑动准则假定断层面内聚力为零的条件下，如果剪应力τ大于等于滑动摩阻力μσn，断层面将发生滑动失稳，其中μ是根据试验确定的断层“摩擦系数”，σn是断层面上的正应力。引入主应力和有效应力的概念，有效最大与最小主应力之比可以表示为“摩擦系数”的函数[8]：

式中，σ1，σ3为断裂外围最大与最小主应力，P0为孔隙压力。国内外的研究和实测表明，在地壳浅部低渗透率岩石中孔隙压力与水柱静压力大致相等。最大有效主应力与最小有效主应力之比小于此值则断层面稳定，若大于或等于此值则断层沿方位合适的面可能发生滑动。

4.2 滑动危险性评价

依据隧道工程区水压致裂地应力测量结果，孔隙压力P0按测试期间水位平均埋深180 m取值。由公式（1）计算出地应力测量深度内最大、最小有效主应力比值及断裂失稳摩擦滑动临界下限、上限值见表2。隧道工程区浅层最大、最小有效主应力值表。根据计算结果可知：隧道工程区地壳浅层最大、最小有效主应力比值为1.46～1.67，平均为1.56，该值远低于临界摩擦系数为0.6、1.0时断裂滑动失稳的临界下限值3.12、5.83，表明该区地壳浅层构造应力处于相对较低的水平，构造应力积累强度导致发生滑动失稳的危险极小。

表2 隧道工程区浅层最大、最小有效主应力比值表

5 隧道围岩岩爆预测分析

5.1 岩爆产生条件

岩爆是地下洞室开挖过程中，临空面岩体突然以爆炸形式表现出来的破坏现象，通常发生岩爆必须具备一定的条件：一是工程区属近代构造活动区，地应力较高，地质构造使岩体内储存有较大的应变能，具备发生岩爆所需能量；二是岩体坚硬、完整，抗压强度高，回弹变形很小，且变形特性属于脆性破坏类型；三是岩体储能能力强，岩体干燥，当开挖断面形状不规则时可为临空面岩体发生弹射、爆裂等动力破坏现象提供能量，且发生破坏时多具有较强的冲击性[9]。

5.2 隧道岩爆危险性分析

根据华蓥山隧道深孔地应力测试数据进行分析，华蓥山隧道洞身部位在400 m埋深附近的最大切向应力σθmax=35.38 MPa，该段砂岩的饱和单轴抗压强度σc=66.84 Mpa，应力比σθmax/σc=0.53，通过最常用的Hoek判别法进行判定，当0.42＜σθmax/σc≦0.56时，局部可能存在轻微岩爆，发生大面积岩爆的可能性小。

6 结论

通过对华蓥山隧道深孔采用水压致裂法进行地应力测量，揭示出隧道工程区钻孔在测量深度内最大水平主应力方向为N64°W，与隧址区所在的华蓥山山脉构造应力场方向基本一致，均呈现为NWW方向；同时测量获得的最大、最小水平主应力随测试深度的增加而增大，与垂向应力同步呈线性增长；隧道工程区地壳浅层3个主应力之间的关系总体表现为SH＞Sv＞Sh，为走滑型应力状态，与华蓥山断裂带走滑断层运动特征较相符，经评价构造应力积累强度导致发生滑动失稳的危险极小；隧道开挖过程中存在发生大面积岩爆的可能性小；华蓥山隧道的断面形状、结构及强度可按常规受力状态进行设计。