钻孔套心应力解除法在米仓山隧道中的应用

李黎龙

(巴陕高速公路有限责任公司， 四川巴中 636000)



钻孔套心应力解除法在米仓山隧道中的应用

李黎龙

(巴陕高速公路有限责任公司， 四川巴中 636000)

【摘要】隧道开挖产生临空面，在初始高地应力作用下围岩向临空面产生变形，软岩隧道面临大变形、坍塌，硬岩隧道面临岩爆、掉块等施工风险，两者均对隧道施工带来了极大的安全隐患。准确的获得隧址区地应力分布特征，评价围岩稳定性，指导隧道工程设计和施工，是保证工程安全高效的必要途径。

【关键词】公路隧道；地应力；套心法；隧道施工

储存在岩体内部未受到扰动的应力称之为地应力，地应力可以分为两类，原地应力和诱发应力，而原地应力主要来自五个方面：岩体自重、地质构造活动、万有引力、封闭应力和外部荷载。地应力具有多来源性且受到多种因素的影响，特别是地质活跃地区和板块邻接地区，地壳岩体地应力分布复杂多变[1-4]。

而随着交通工程的长足发展，隧道在公路及铁路建设中，以减少行车距离、缩短运行时间、提高行车安全、节约地面用地等优势日益成为交通工程中重要的线型方式。地应力是隧道围岩压力产生的根本来源，特别是深埋隧道，地应力与深度呈线性比例增大，地质条件恶化，破碎体增多，带来了深部地压、作业面环境恶化等一系列问题。隧道穿越高地应力区域，开挖引起大变形、坍塌、掉块、岩爆等隐患的几率大大增加，严重影响施工安全与效率。所以准确获得深埋隧道的原地应力状态，并指导设计和施工，是确保工程施工安全、高效的必要途径[5-6]。

1工程概况

米仓山隧道位于国高网G69银川至百色高速公路，四川巴中至陕西汉中段川陕交界位置，穿越米仓山国家森林公园，为左右行分离的特长隧道，里程长约13.8km，单洞双车道净宽10.25m，为目前西南地区最长的公路隧道，是本项目出川的咽喉工程。

隧址区属中深切割的侵蚀-构造剥蚀地貌，呈块状山地形，海拔约835～2 200m，相对高差约1 365m，属高中山地形地貌。区内闪长岩山体陡峻，山顶呈尖峰；沉积岩山峰一般浑圆，在山体上横向冲沟发育，形成峡谷、陡崖等地貌。地形地貌受地层岩性和地质构造控制，在隧道中部一带多形成宽缓的溶蚀、剥蚀槽状地形，在两侧白云岩、变质砂岩分布地带常形成鳍脊陡坡、悬崖。隧道进口带自然斜坡坡角一般20～51°，出口带自然坡度26～49°，局部地形上形成高约45～200m的悬崖、陡壁。

为获得隧道围岩的地应力状态，评价围岩稳定性，指导隧道工程施工，特对米仓山隧道进行地应力测量。

2地应力测量原理和实施

2.1原理方法

套心法的全称为钻孔套心应力解除法。基本原理是在钻孔中安装变形或应变测量元件(位移传感器或应变计)，通过量测套心应力解除前后，钻孔孔径变化或孔底应变变化或孔壁表面应变变化值来确定天然应力的大小和方向。

2.2仪器

套心法所采用的仪器型号及规格如表1所示。

表1　试验检测设备

2.3地应力现场测量实施

2.3.1应力计的结构

应力计是由嵌入环氧树脂筒中的12个电阻应变片组成，将3枚应变花(每枚应变花有4个应变片)沿环氧树脂筒园周相隔120°粘贴，如图1所示，然后再用环氧树脂浇注外层，使电阻应变片嵌在筒壁内。环氧树脂圆筒有一个用来装粘结剂的内腔和一个环氧树脂柱塞。使用前需对应力计加密封圈。使用时，将圆筒内腔装满粘结剂，然后将柱塞插入内腔约2cm深处，用铝丝穿过固定销小孔将其固定(图2)。柱塞的另一端有一导向定位棒，以使应力计顺利安装在所需要的位置上。安装时要保证应变花A与定向销子的母线之间夹角为90°。将应力计送入钻孔中指定位置后，用力推动安装杆，可使铝丝切断，继续推进可使粘结剂经柱塞小孔流出，进入应力计和小孔孔壁之间的间隙里。经过一定的时间粘结剂固化后，即可进行套芯解除。

图1　应变花位置分布

1、电缆：2、定向销；3、8、密封圈；4、环氧树脂筒；5、粘胶剂；6、固定销；7、栓塞；9、导向杆；10、应变玫瑰花图2　KX-81型应力计结构示意

2.3.2钻孔套芯应力解除步骤

套芯应力解除法的过程是：在需要测量应力的地方，打一个φ130mm的钻孔，至13m时，将孔底磨平，再打一个喇叭孔(起导正作用)，在大孔中心钻一个φ36～36.5mm的测量小孔，测量孔的深度约为290mm，然后在测孔中安装测量探头，探头引线与孔外测量仪器相接，测得初始值。绝对应力测量在测量小孔外，再用φ130mm口径的钻头同心钻进，开挖应力解除槽，在钻进过程中，导线从钻杆中心穿过，由水节头处引出与测量仪器相连，监视解除过程中的变化，随着应力解除槽的加深，岩芯逐渐与外界应力场相隔离，岩芯发生弹性恢复，仪器测值随着发生变化，直至仪器读数不再变化时，停止钻进，取出岩芯。

2.3.3钻孔要求

在进行地应力测量的地方，打一个φ130mm的钻孔，钻孔水平向上，倾角为5°。钻孔钻至10m时，将孔底磨平，再打一个喇叭孔(起导正作用)，在大孔中心钻一个φ36～36.5mm的测量小孔，测量孔的深度约为290mm，然后在测孔中安装测量探头，探头引线与孔外测量仪器相接，测得初始值。如果是进行相对值测量，设备安装工作就此结束，此后间隔

一段时间再测探头的数值，就可测出应力随时间的变化情况。绝对应力测量是在测量小孔外，再用φ130mm口径的钻头同心钻进，开挖应力解除槽(图3)。

图3　钻孔示意

3米仓山工程实例

3.1现场测试

测量位置位于陕西省汉中市南郑县桃巴高速公路米仓山隧道JC1标段主洞左线ZK40+770右侧，地面标高1 446m，设计高度943m左右，埋深503m。孔深10.27m，安装角度153.8°。钻孔的倾角为3°，钻孔方位角为240°。现场测试钻孔布置如图4所示。

图4　钻孔布置

根据现场钻孔测点所记录的数据，并绘制应力解除曲线。根据应力解除曲线测得12枚应变片的稳定应变值，如图5所示。

从应力解除曲线可以得到测点12个应变计稳定的应变值如表2所示。

表2　测点12个应变计稳定的应变值

图5　应力解除曲线

3.2三维主应力计算

(1)

(2)

(3)

(4)

上式中εθ、εz、γθz分别为空心包体应力计中的应变计的环向应变、轴向应变和剪切应变； 为与钻孔轴即Z轴成ε±45°方向的应变；σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx为6个原岩应力分量。

主应力由式(1)～式(4)迭代法求解，计算结果如表3所示。

从测试结果可知，该测点有两个主应力方向接近于水平，其与水平方向夹角不大于10°，另有一主应力方向接近于垂直，其与垂直方向夹角不大于10°。

4结论及施工建议

对饱水状态下的试件进行单轴压缩实验，获得ZK40+770处岩石饱和单轴抗压强度Rc=78.7MPa，Rc/σmax=3.2，因此主洞左线ZK40+770处属于极高应力区。

表3　三维主应力计算结果

注：地应力分量以大地坐标系为参考，大地坐标为Z轴向上，Y轴向北，X轴向东，主应力方位由北起顺时针计算，倾角上倾为正，下倾为负。

为使隧道能够正常施工，防止岩爆的发生，建议采取如下措施：

(1)加强监测预报、严格施工管理措施。

①在高风险地段加强岩爆地质分析超前预报预测工作；

②加强施工组织与管理，提高安全防范意识;及时清除危石，加强人员设备的防护措施；

③针对岩爆灾害，制定突发性事件应急预案。

(2)改善围岩物理力学特性及其应力条件。

①岩爆地段进行钻爆法施工时，应短进尺掘进，减小药量和爆破频率，并控制光爆效果，以减少围岩表层应力集中现象。

②在掌子面采用超前注水应力解除，即在下一循环开挖前，先沿掌子面布置一定数量钻孔，并向孔内注高压水，使围岩深部裂隙进一步扩展，减少岩石内部应力，且钻孔长度应超前循环进尺5～6m。同时为保证效果，可在孔底小爆破后，注入高压水，使其能沿钻孔裂隙进入岩体降低其强度，使之软化增加岩石变形能力，易于能量缓慢释放。在孔底小爆破可将应力转移到岩体深处，防止开挖面引力集中。

③开卸压槽，如果巷道两边墙上应力较高而集中，可在两边墙上开凿一个槽。由于该槽的存在，围岩变形可向槽中扩展。增大围岩变形能力。使巷遭周围应力有剃于稳定缓慢变化。应力峰值转移至岩体深处。而且也可缓解顶扳上的应力集中。

(3)锚喷柔性支护

预防岩爆发生的初期支护采用挂网锚喷支护。锚杆能迅速提高表层围岩的径向应力，提高围岩的自稳能力；挂网的主要作用是与锚杆、混凝土、格栅钢架形成一个整体，增加整体的支撑力；喷射混凝土的主要作用是及时封闭围岩，防止围岩风化，同时提供一定的支护力，使围岩在约束状态下缓慢变形从而释放岩体中的部分能量，降低岩爆发生的可能性。

参考文献

[1]陈群策，丰成君，孟文，等. 5·12汶川地震后龙门山断裂带东北段现今地应力测量结果分析[J]. 地球物理学报，2012(12):3923-3932.

[2]陈志敏. 高地应力软岩隧道围岩压力研究和围岩与支护结构相互作用机理分析[D].兰州交通大学，2012.

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[6]向波，李玉文. 米仓山深埋特长隧道综合勘察技术应用[J]. 西南公路，2013(2):225-230.

[作者简介]李黎龙(1983～)，男，本科，工程师，从事隧道施工管理。

【中图分类号】U455.49

【文献标志码】B

[定稿日期]2016-03-01