基于应力解除法在软岩深埋隧道地应力测试与分析

郑小洋 吴耀宗 胡赟 何小波

摘要 文章对深埋高地应力隧道工程实例，采用应力解除法对其地应力进行测试与分析，并针对高地应力地区隧道的施工提出了几点建议。测试结果表明，该次测试选取的三个点均位于极高地应力地带，在高地应力地区进行隧道施工时应该提前做好高地应力开挖及施工应对措施，避免变形或坍塌，确保支护及衬砌施作后的安全性；施工过程中应加强掌子面地质素描及围岩变形观测。

关键词 深埋隧道；高地应力；应力解除法

中图分类号 TU195文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）08-0134-03

0 引言

地应力是指原存于地壳地层中未受到工程扰动的天然应力，也称原岩应力或岩体初始应力[1]。在隧道工程中，地应力是使隧道结构产生变形甚至破坏的最根本作用力[2]，因此探明隧道结构所处区域地应力至关重要，尤其是在超大埋深、超大地应力地区。目前国内有现场测试、数值模拟和经验估计三类测试地应力的方法，毫无疑问现场测试是其中最为准确的测试方法[3]。

1 工程概况

篮家岩隧道是连接茂县和绵竹的控制性工程，隧址区地处龙门山深切割的中高山区，地形陡峻，地表冲沟发育，属中造蚀地貌，该区域地质构造作用强烈，褶皱和断裂发育，岩层具有变形强、变质低的特点。隧道进口里程K43+206，出口里程K51+355，全长8 149 m，隧道最大埋深为1 800 m，设计为单洞双线隧道。

K47+150段至隧道出口段地层岩性主要以千枚岩为主，千枚岩易发生塑性大变形，设计为单洞双线隧道。该隧道设计施工期间，有三个方面位居全国第一：①单洞两车道对向行车隧道+平导长度位居全国第一；②隧道埋深位居全国第一；③高地应力软岩大变形段落的长度位居全国第一。可见，篮家岩隧道埋深大，地质情况复杂。

2 地应力测试

2.1 地应力测试方法

目前国内地应力现场测试方法中使用最为广泛的两种分别为水压致裂法和应力解除法。水压致裂法是以弹性力学为理论基础，通过在现场选取一段基岩裸露的钻孔，用封隔器将上下两端密封起来；然后注入液体，加压直到孔壁破裂，并记录压力随时间的变化，并用印模器或井下电视观测破裂方位；然后根据获得的数据和弹性力学公式计算得到地应力的大小与方向[4]。应力解除法的原理是地下某点的岩体在应力作用下处于三向压缩状态，当人为解除其应力时，一定会发生弹性恢复，测定其恢复的应变，利用弹性力学公式则可算出岩体初始应力，即破坏联系，解除应力；弹性恢复，测出变形；根据变形，转求应力[5]。

应力解除法是目前历史最为悠久的一种地应力测试方法，具有许多的优点，如测量精度高、稳定性好、抗环境干扰能力强和对测量环境要求低等优点，该次隧道地应力测试选用的就是空心包体应力解除法。

2.2 测试设备

此次应力解除法使用设备如下：

（1）防爆智能型采集仪。

（2）KX-2002型空心包体应力计。

（3）KX-2002型围压率定仪。

（4）KX-2002型定向仪。

（5）专用Φ130 mm薄壁金刚石取芯钻头。

（6）专用Φ130 mm磨平金刚石钻头。

（7）专用Φ130 mm锥形金刚石钻头。

（8）专用Φ36 mm实心金刚石钻头。

（9）洗孔器、导向器等配件。

空心包体地应力测量相关设备，如图1所示。

2.3 地应力测试步骤

应力解除法测试地应力的主要步骤：

（1）测点选择。该次地应力测试选择测点有三个，如表1所示。

（2）钻大孔。在测点的预定方向利用钻机打应力解除孔，直到不受除了钻孔以外其他工程影响的位置。该次隧道地应力测试钻孔直径均为130 mm。

（3）取出岩芯并用平钻头磨平孔底。

（4）锥形钻头打漏斗状喇叭口。

（5）钻小孔。在大孔的同心位置钻一个小孔，保证小孔垂直，孔壁光滑。该次隧道地应力测试小孔直径均为36 mm。

（6）安装贴有应变花的测试探头，读取初读数。

（7）套钻包有探头的岩芯进行应力释放。

（8）读取终读数。

地应力测试步骤图解，如图2所示。

3 测试结果及分析

3.1 现场测试结果

在钻孔的过程中，岩芯的受力会逐渐解除，这一期间空心包体应力计记录的12个应变值会不断变化，记录值会在空心包体应力计被钻孔全部覆盖后趋于稳定，这一稳定值即为用于计算地应力的最终应变值[6]。3个测点应力解除后的最终稳定应变值如表2所示。

3.2 室内试验

从现场测试点附近取得岩芯后，在实验室中加工得到标准试件，通过室内试验确定岩芯弹性模量，具体数值如表3所示。

3.3 地应力计算结果

根据实测的应变数据、测点岩石力学参数及钻孔的几何参数，使用地应力计算专用计算机软件，即可分析计算得出该测点的地应力分量及主应力的大小和方向，地应力测试计算结果如表4和表5所示。

3.4 地应力计算结果分析

从检测结果中可以看出：

（1）篮家岩隧道PDK48+753测点处的埋深为1 077 m，该次在测点处测得的原位地应力σ1在58.4 MPa范围内，σ2、σ3的值在20～30 MPa。该段围岩地应力已超出高地应力范畴，属于极高地应力，而掌子面揭露岩性为千枚岩（软岩）夹有灰岩（硬岩）。因此，产生极高地应力的原因除与隧道埋深相关外，还与岩体中岩性不均，导致应力集中有关。

（2）篮家岩隧道PDK48+270测点处的埋深为1 353 m，该次在测点处测得的原位地应力σ1在54.9 MPa范围内，σ2、σ3的值在20～30 MPa。该段围岩地应力已超出高地应力范畴，属于极高地应力。

（3）篮家岩隧道PDK47+984测点处的埋深为1 595 m，该次在测点处测得的原位地应力σ1在58.7 MPa范围内，σ2、σ3的值在20～30 MPa。该段围岩地应力已超出高地应力范畴，属于极高地应力。

3.5 高地应力段落支护措施

所测三处测点的地应力值均为极高地应力，针对该段落极高地应力对隧道安全带来的风险，应加强支护措施，根据实际地质情况选用的衬砌支护参数为导洞采用PG2型衬砌、主洞采用ZG2型衬砌，支护参数如表6所示。

4 结论与建议

该文中所测三处测点的地应力值均为极高地应力，针对极高地应力区隧道施工，提出以下施工建议：

（1）提前释放应力。建议隧道施工应做好高地应力开挖措施，提前释放地应力及排放可能存在高压地下水等（如开挖时先采用潜孔钻超前打孔，或采用CD或CRD法短进尺进行开挖，超前钻孔和小断面开挖有利于高地应力的释放）。避免变形或坍塌，确保支护及衬砌施作后的安全性。

（2）施工过程中应加强掌子面地质素描及围岩变形观测。

（3）加强支护措施。建议应加强超前支护、初期支护参数，加大开挖及初期支护预留变形量。

参考文献

[1]郭伟杰， 龚成， 李晶. 地应力测量方法及其需要注意的问题[J]. 价值工程， 2010（25）： 136-137.

[2]关宝树. 隧道力学概论[M]. 成都：西南交通大学出版社， 1993.

[3]代聪. 高地应力场软岩隧道开挖与支护研究[D]. 成都：西南交通大学， 2018.

[4]秦鹏渊， 高玉璞， 李明杰. 钻孔水压致裂法测地应力的探讨[J]. 科技创业刊， 2017（7）： 133-135.

[5]蔡美峰. 地应力测量原理和技术[M]. 北京：科学出版社， 2000．

[6]徐俊. 钻孔应力解除法（空心包体应变计）地应力测试两个关键问题研究[D]. 株洲：湖南工业大学， 2018.