高海拔地区深孔地应力测试工艺研究与应用

于 新 凯, 全 海, 王 旭, 夏 骊 娜

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

高海拔地区深孔地应力测试工艺研究与应用

于 新 凯, 全 海, 王 旭, 夏 骊 娜

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

对高海拔地区深孔地应力测试的工艺进行了研究，改进了测试系统并将其应用于钻孔zk001，测试结果表明：测试方法及改进的测试系统均能满足试验要求。对高海拔地区深孔与低海拔地区浅孔在测试过程中的不同之处进行了总结。

高海拔地区；深孔；地应力测试；水压致裂法

1 概 述

进入二十一世纪以来，我国的交通、水利水电和能源等行业快速发展，人类在地壳活动空间的广度和深度不断地扩展和延伸，特别是近些年来，我国在高边坡、高地应力、深埋长隧洞等地形地貌复杂区兴建了众多的岩土工程，如官地水电站最大主应力达到38.4 MPa，锦屏二级水电站引水隧洞最大埋深达2 525 m。越来越多的数据证明：地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖往往能引起一系列与应力释放相关联的变形与破坏现象，进而对地应力场分布规律提出了更高的要求。研究地应力场分布规律最直接的途径就是进行地应力测试。因条件所限，截止目前，一些高海拔地区深孔地应力测试资料较少，因此，有必要对其进行研究，找出合适的测试方法。

2 地应力的测量方法

近半个多世纪，随着地应力测量工作的不断开展，各种测量方法和测量仪器也在不断发展，就世界范围而言，目前的主要测量方法达数十种之多。据国内外大多数人的观点，依据测量基本原理的不同，可将测量方法分为直接测量法和间接测量法两大类。

直接测量法是采用测量仪器直接测量和记录各种应力值，并由这些应力量与原岩应力之间的相互关系通过计算获得原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接量测法。

间接测量法是借助某些传感器元件或某些介质测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变、岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，然后由所测得的间接物理量的变化通过已知的公式计算岩体中的应力值。其中的套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的一种间接的测量方法。

在对岩体进行应力测试之前，应对工程区的区域地质构造、地形地貌条件及岩体应力特征等进行分析研究，结合设计方案和勘察工作的布置，根据建筑物类型及设计要求选择并确定测试方法。由于测试设备的限制，套孔应力解除法主要应用于有效深度15～20 m的浅钻孔应力解除。当测量深度较深时，一般采用水压致裂法进行测试。其可以利用现有的地质勘探孔进行测量，而不需要像套孔应力解除法那样专门钻孔，边钻孔边测量，操作简单。笔者以某工程钻孔zk001为例，对高海拔地区深孔水压致裂法的测试工艺进行了研究并予以阐述。

3 水压致裂法

3.1 水压致裂法原理

水压致裂法地应力测量的原理是建立在弹性力学基础之上的，并以下面三个假设为前提：(1)岩石是线性、均匀、各向同性的弹性体；(2)岩石是完整的，注入的流体按达西定律在岩石孔隙中流动；(3)岩层中有一个主应力的方向和孔轴平行。在上述理论和假设的前提下，水压致裂的力学模型可简化为一个平面应力问题。

水压致裂法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，得到特定的压力参数，再根据相应的理论计算公式即可得到测点处的平面主应力量值以及岩石的水压致裂抗拉强度等岩石力学参数。

3.2 测试设备的选型

试验设备包括高压水泵、水压致裂数据自动记录系统、试段封隔器及试验设备。

3.2.1 高压水泵

由于工程所在地区地应力测试资料较少，因而不能准确地估计地应力数值的大小。试验初期，选用额定流量为5 L/min、额定压力为50 MPa的高压往复泵进行试验。该水泵流量稳定，能够提供较高的试验压力，但由于其流量较小，试验过程中的压力上升缓慢且其重量达到270 kg，加之工作地点位于高海拔地区，交通不便，人工搬运亦较困难，因此我们又选用了流量可达16.6 L/min、工作压力为25 MPa的高压清洗泵，并对其进水口及出水口进行了改进，使其满足试验要求。该高压清洗泵流量大且其重量只有62 kg，携带方便，且试验过程中的破裂及重张的瞬间数据记录曲线下降较明显。但是，在有些位置采用该高压清洗泵进行试验时未能将岩石压裂，说明其破裂压力大于25 MPa，故对该测试系统进行了改进，将25 MPa的水泵与50 MPa的水泵并向使用。开始测试时，先使用25 MPa的水泵加压，若加压到25 MPa时岩石仍未压裂，则在保持不泄压的状态下关闭25 MPa水泵，打开50 MPa水泵继续试验，直到将岩石压裂为止。该系统缩短了加压时间，提高了系统的耐压能力(图1)。

3.2.2 水压致裂数据自动记录系统

采用了水压致裂数据自动记录系统。该系统可实时显示压力与时间的关系曲线，操作简单，抗干扰能力强。

3.2.3 试验设备。

钻孔孔径为130 mm与110 mm。选用了与其直径相匹配的封隔器，直径分别为126 mm及106 mm。加工后的封隔器橡胶囊有效长度为910 mm，并在其上下接头处加套了与上下接头等长度的、外径尺寸介于封隔器与孔径之间的钢环，并对钢环外壁进行了刻槽处理，处理过的钢环能够加速水流通过，便于提放设备。依据岩体应力测试规程，要求试验段长度应大于测试孔直径的6倍。因此而将试验段设备长度定为800 mm。试验选用单回路测试系统，通过前端的转换开关可对封隔器及试验段分别加压。为确保转换开关处具有良好的密封性，我们针对以往试验过程中O型橡胶密封圈易坏的缺陷，对转换开关内部密封圈槽及O型密封圈进行了改进，试验结果证明：改进后的、带槽口的密封圈密封性良好且不易损坏。

图1 改进的试验系统示意图

3.3 试验段及试验顺序的选择

选择试验段时，先进行全孔段的压水试验，并根据钻孔电视反映的情况，结合钻孔岩芯完整性状况选择岩体较完整、吕荣值小的试验位置进行试验。

试验顺序主要有自上而下和自下而上两种，采用自上而下的试验顺序，若岩石出现压裂垮块时会导致其下部无法继续进行试验，而采用自下而上的试验顺序不仅可以避免该风险，还能够减少上下钻杆的时间，省时省力，因此，最终选用了自下而上的顺序进行试验。

4 试验结果

zk001钻孔孔深650 m，0～120 m段孔径为150 mm，岩芯较破碎，全部采用套管护孔；120～350 m段孔径为130 mm，岩芯较好，选择了7段进行试验；320～350 m之间为断层影响带，岩石破碎明显，用套管护孔，未进行试验；350～650 m段孔径为110 mm，岩芯较好，选择了18段进行试验。孔口高程3 470 m处的岩性以混合花岗片麻岩为主，试验成果见表1。最大水平主应力与最小水平主应力随孔深的变化关系见图2。

表1 水压致裂成果表

注：SH为平面最大主应力；Sh为平面最小主应力；Sv为岩体自重应力。

图2 平面最大主应力SH与平面最小主应力Sh随孔深的变化关系曲线图

由表1及图2可以看出：

(1)在孔深410 m左右位置，由于岩芯较完整，储能条件较好，最大水平主应力较高，可能存在小范围的应力集中区，除此之外，其它位置处的最大、最小主应力值均随深度的增加呈现增大的趋势。对最大水平主应力及最小水平主应力绘制随孔深的变化曲线、进行线性回归计算可得回归方程：

SH=0.061 3H-5.345

Sh=0.043 6H-2.289

计算得出回归方程的复相关系数R分别为0.916 1和0.953 4，相关性较好，说明SH与Sh的测值随深度变化较为稳定。

(2)对于平面最大主应力与岩体自重应力的比值，在25个测点中有8个点的比值超过2，最大比值为2.7，最小比值为1.38，平均比值为1.93，反映出该孔地应力状态以水平应力为主。仅从SH量值看，属于中等偏高应力。

(3)平面最大主应力方向为N16°～23°E，与其它测试方法得到的结果较吻合。

5 结 语从整个测试过程及测试成果看，运用水压致裂法测试高海拔地区深孔地应力是可行的，改进后的测试系统简单实用，缩短了加压时间，具有较好的测试效果。该孔最大、最小主应力值随深度的增加呈现增大的趋势，地应力状态主要以水平应力为主。仅从SH量值看，属于中等偏高应力。高海拔地区进行深孔与低海拔地区进行浅孔试验相比，在进行地应力试验时，实际操作过程中应注意以下几点：(1)由于钻孔较深，试验过程中上下钻杆及设备时费时费力，因此，设备下孔前，一定要确保整套设备密封良好。此次试验通过对转换开关的密封圈进行改进，取得了较好的密封效果；(2)若孔内有承压水、钻杆及设备放置困难时，可下放至一定深度后向钻杆及封隔器内注水以平衡静水压力，便于下放设备且能够减少水压力对设备的挤压损害；(3)对于在高海拔地区深孔进行水压致裂地应力测试，试验水泵应根据实际情况进行合理选择，在满足流量的情况下可进行多种水泵的组合使用，试验结果证明：浅孔时，可选择工作压力较低的水泵进行试验；随着孔深的增加，破裂压力会相应增加，从而需要采用工作压力高的水泵进行试验，在不确定破裂压力大小的情况下，可进行两种水泵之间的并向组合使用。此外，在高海拔地区交通不便的情况下，应尽量选择重量轻的水泵，以便于运输;(4)高海拔地区常常伴随高寒现象，因此，必须保证电子设备在适宜的工作温度中运行。

[1] 景 锋.中国大陆浅层地壳地应力场分布规律及工程扰动特征研究[D].中国科学院武汉岩土力学研究所,2009.

[2] 蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2013.

[3] 水电水利工程岩体应力测试规程，DL/T5367-2007[S].

(责任编辑：李燕辉)

2016-12-24

TV7；[TV221.2];TU192;TV522

B

1001-2184(2017)01-0001-03

于新凯(1989-)，男，山东莱芜人，助理工程师，硕士，研究方向：岩土试验;

全 海(1974-)，男，四川巴中人，副主任，高级工程师，学士，研究方向：岩石力学试验及检测；

王 旭(1993-)，男，河南洛阳人，助理工程师，学士，研究方向：岩土试验；

夏骊娜(1985-)，女，四川万州人，工程师，学士，研究方向：岩石试验.