地应力测试在五女峰公路隧道工程中的应用

■王岩

（吉林省地矿勘察设计研究院 吉林长春 130021）

地应力测试在五女峰公路隧道工程中的应用

■王岩

（吉林省地矿勘察设计研究院 吉林长春 130021）

采用水压致裂法对五女峰公路隧道地应力场测试，查明五女峰隧道围岩的现今地壳应力分布规律及工程区应力场状态。讨论受地应力影响隧道洞体轴线走向以及洞体横断面形状选取，分析施工时洞体围岩发生岩爆灾害的可能性。

五女峰隧道地应力分布应力状态工程应用

1 前言

集通高速公路五女峰隧道穿越吉林省东南部区域分水岭-老岭山脉，隧址区地层上部为凝灰质碎屑建造的侏罗系地层，下部为远古界集安群变质岩系。大地构造单元属于鸭绿江凹褶断束［1］，区内分布9条次生断层。隧道全长7930m，普遍埋深超200m，最大埋深565m，高地应力对隧道设计和施工影响显著，因此对隧道区地应力测试十分必要。

2 地应力测试方法及成果分析

2.1 测试方法

测试方法采用国际岩石力学学会试验方法委员会推荐的方法之一“水压致裂法”进行。水压致裂原地应力测量方法就是：利用一对可膨胀的封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔，然后通过泵入流体对该试验段(常称压裂段)增压，同时利用X-Y记录仪、计算机数字采集系统或数字磁带记录仪记录压力随时间的变化。对实测记录曲线进行分析，得到特征压力参数，再根据相应的理论计算公式，就可得到测点处的最大和最小水平主应力的量值以及岩石的水压致裂抗拉强度等岩石力学参数。

2.2 测试成果

对五女峰隧道SZK05孔进行10个测段地应力值随深度分布测试，测试深度100.0～500.0m，3个点应力方向测量，测量成果见表2-1和图2-1。

2.3 成果分析

根据测量成果绘制应力值随深度变化趋势图（见图2-2），并对其最大、最小水平主应力值和垂直应力值曲线进行回归分析，得到公式为：

式中：R为线性相关系数,H为埋深，σV为垂直应力，σH为最大水平主应力，σh为最小水平主应力。

根据测量成果和线性回归公式，测孔上部存在一定程度上的应力集中。测孔附近地应力状态基本表现为SH>Sh>SV。即:最大水平主应力大于最小水平主应力和垂直应力，水平构造应力作用为主。最大主应力方向为N60～72°E，优势方向为N67°E。水压致裂测试过程中获得钻孔孔壁岩石的原地抗张强度为3～6 MPa，最高达到8Mpa。

图2-1 五女峰隧道SZK05孔水压致裂应力测量印模结果

3 测试成果工程应用

3.1 测区地应力值大小分析

根据 《工程岩体分级标准》GB/50218-94地应力值划分方法及标准，对测区地应力值进行划分，结果见表1。

图2-2 SZK05孔应力值随深度变化图

表1 五女峰隧道场地地应力值

通过上表可知，隧址区洞体埋深小于189m区段为低应力区，189～390m区段为高应力区，埋深大于390m以下为极高应力区。

3.2 隧道洞体轴线选取及形状讨论

隧道洞体轴线与最大主应力方向夹角越小对隧道洞体围岩的稳定越有利［2］。实测隧址区最大水平主应力优势方向为N67°E，因此，拟建的隧道轴线走向应尽可能靠近N67°E。

3.3 围岩岩爆预测

岩爆发生是一种复杂的非线性动力学现象，其控制和影响因素众多，成因机理复杂［4］。单从切向应力准则对隧道围岩发生岩爆可能进行预测，切向应力准则首先由挪威学者巴顿提出，将围岩的切向应力（σe）与岩石的抗压强度（σc）之比作为判断岩爆及发生岩爆的等级依据。标准如下：

表2 岩爆及发生岩爆的等级划分标准

对于隧道横截面内作用的两向正应力分别为σn(即：Sn)和垂直应力SV。隧道断面形状近以为圆形，σe=3σn-SV。根据上述划分标准、岩石抗压强度、洞体走向，利用隧道最大、最小水平主应力和垂直应力回归线性方程反算隧址区发生不同等级岩爆的界线埋深，具体计算结果见表3。

表3 隧址区岩爆发生等级界线埋深

上述对岩爆危险性等级埋深的划分是从地应力角度考虑而得出的判断。五女峰隧道施工过程中，洞体埋深266～487m区段会发生轻微的岩爆，大于487m区段存在发生中等岩爆的可能性，其它区段基本不会发生岩爆。对于岩性软弱、裂隙发育的层段，断面会收敛变形发生片帮及冒顶。

4 结论

（1）五女峰隧道场地地应力值随埋深呈线性增加，地应力状态基本表现为SH>Sh>SV，，最大水平主应力大于最小水平主应力和垂直应力，水平构造应力作用为主。最大水平主应力方向为N60～72?E，优势方向为N67?E。

（2）区内埋深小于189m区段为低应力区，189～390m区段为高应力区，埋深大于390m以下为极高应力区。

（3）洞体轴线走向选择应尽可能靠近N67?E；横截面最佳开挖形状为长轴垂直的椭圆形，其长短轴之比为1.20。

（4）仅从地应力角度考虑预测五女峰隧道施工过程中，洞体埋深大于268m区段存在发生岩爆的可能性，其它区段基本不会发生岩爆。

致谢：感谢吉林省交通规划设计院提供资料！

［1］吉林省地质矿产局.吉林省区域地质志 ［M］.北京：地质出版社，1988.

［2］李曼，马平，孙强.洞室轴线走向与初始地应力关系对围岩稳定性的影响 [J].铁道建筑，2011， (07).

［3］E.Hoek和E.T.Brown.岩石地下工程 ［M］.北京：冶金工业出版社，1986.

［4］侯发亮等.地下洞室岩爆与围岩应力的关系 [J].杂岩石的建筑物国际学术讨论会文集，1986.

P315.72+7[文献码]B

1000-405X（2015）-11-222-2

王岩（1973～），男，高级工程师，研究方向为水工环。