引松供水工程总干线地应力测试研究

赵宪女，焦景辉

(1.长春工程学院机电工程学院，吉林长春130012；2.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021)

1 工程概况

吉林中部城市引松供水工程是从丰满松花湖调水，为吉林省中部地区的长春、四平及辽源市提供生产生活和农业供水的跨流域大型输水工程，输水总干线全长约110 km。其中，隧洞总长约98 km，是国内较长的有压引水隧洞之一。工程位于吉林省中部，是平原和山区的过度带。对工程区地应力的分布情况进行研究，其成果可为隧道轴线布置、开挖方式、隧洞的稳定性分析及隧道支护提供设计理论依据。

2010年，在隧道钻孔1097号(桩号109+565.8)和支8号(桩号50+379)进行了地应力测试工作[1]。试验方法采用水压致裂测量法。测试情况见表1。

表1 测试情况

2 基本地质条件

试验区地质构造属于吉黑褶皱系，在漫长的地壳演化过程中，经历了多次构造运动，构造格局多样复杂，区内主要构造活动期为加里东构造旋回、华力西构造旋回、阿尔卑斯构造旋回，构造走向主要为北东向和北西向构造体系，北西向为伊通—辉南断裂带，北东向为四平—德惠、伊兰—伊通断裂带；围岩主要以中硬～坚硬岩石为主；地貌单元主要有河谷堆积地形、剥蚀堆积地形和构造剥蚀地形(中低山丘陵)。

1097号钻孔孔内岩芯以花岗岩为主。其中，0～22.8 m为全风化花岗岩，黄褐色，粗粒结构，块状构造，已风化成砂砾状；22.8～27.4 m为强风化花岗岩，肉红色或锈黄色，颗粒结构，块状构造，节理裂隙发育；27.4～77.3 m为弱风化花岗岩，颗粒结构，块状构造，岩石坚硬致密，锤击声清脆，节理裂隙发育；77.3～85.0 m为微新花岗岩，颗粒结构，块状构造，岩石坚硬致密，锤击声清脆，矿物成分以长石、石英、黑云母为主，节理裂隙发育，岩芯呈柱状。

支8号钻孔孔内岩芯以花岗岩为主。其中，0～3.7 m为全风化花岗岩，黄褐色，粗粒结构，块状构造；3.7～11.5 m为强风化花岗岩，肉红色，颗粒结构，块状构造；11.5～14.0 m为弱风化花岗岩，肉红色，颗粒结构，块状构造，节理裂隙发育；14.0～26.8 m为微风化花岗岩，肉红色，颗粒结构，成分以长石、石英、黑云母为主，节理裂隙稍发育，岩芯呈柱状；26.8～124.0 m为新鲜花岗岩，肉红色，颗粒结构，块状构造，其中在98.3 m以下，岩石由颗粒结构变为细粒结构，节理裂隙稍发育，岩芯呈柱状。

3 现场地应力测试

3.1 水压致裂法原理

水压致裂法是国际岩石力学学会测试方法委员会推荐的岩石应力测量方法，是将一段钻孔利用封隔器封隔起来，再由压力泵注入高压水体，对试验测试段施压，直至孔壁开裂，最后再根据压裂试验数据计算地应力。该方法已广泛应用于水利水电、铁路交通、矿山开发等岩石工程的各领域。水压致裂法测量系统见图1。

图1 水压致裂法测量系统

优点主要有：①操作简单，周期短，试验不受孔深限制，能够完成任意钻孔深度内的连续或重复测试；②试验结果计算不涉及岩石的物理力学参数，完全由测量记录的压力值决定，人为误差影响小；③钻孔承压段长度可人为调整，根据经验大部分在1～2 m之间，减少了点应力数据值计算偏差。其基本假定：围岩为均质的线性弹性体，钻孔铅直时，铅直应力等于上覆岩层的自重压力，并简化为含有圆孔的无限大平板，水平方向受2个方向应力(钻孔横断面上最大主应力σA和最小主应力σB， 即有效应力)控制[2- 4]。

3.2 地应力测试

地应力(或称岩体初始地应力)是人类工程活动之前存在于岩体内部的应力，是岩石工程的基本外荷载之一，主要由有效应力和岩体的孔隙水压力P0组成，即σH=σA+P0、σh=σB+P0。式中，σH和σh为最大和最小水平主应力，即地应力。

在加压过程中，随着水压增大，孔壁切向应力逐渐下降，并转为拉应力。当拉应力大于等于岩石的抗拉强度σt时，在钻孔壁上将发生初始开裂缝，测量记录曲线出现拐点，此时压力就是岩石破裂压力Pb；当液压增加至岩石破裂压力Pb后，压力值急剧下降，根据海姆森给出的公式

式中，σt为岩石抗拉强度；K为孔隙渗透弹性系数，根据工程经验，1≤K≤2，试验岩石为非渗透性，K近似为1，则上式简化为

Pb-P0=3σB-σA+σt

再以地应力代替上式有效应力可得到

Pb=3σh-σH+σt-P0

σH=3σh-Pb-P0+σt

根据裂缝沿最小阻力路径传播的原理，关闭压力泵维持裂缝张开的瞬时，关闭压力Ps和围岩最小水平主应力σh相平衡，即

σh=Ps

岩石抗拉强度σt可根据现场对封隔段的卸压-重新加压的重复过程求出。在第1次加压循环过程中，其孔壁围岩破裂压力即为破裂压力Pb，在以后的加压循环过程中，因岩石破裂其抗拉强度σt=0，则裂缝重张压力Pr为

Pr=3σh-σH-P0

则可近似得到岩石抗拉强度σt为

σt=Pb-Pr

实测资料表明，水压致裂法引起的裂缝一般发生在孔壁切向应力最小的部位，其延伸方向平行于最大主应力方向，这是基于岩石连续均质和各向同性的假设。试验采用定向印膜器记录破裂缝的长度和方向。

图2 孔口测量记录

序号孔深/mPb/MPaPr/MPaPs/MPaP0/MPaσt/MPaσH/MPaσh/MPaσz/MPaλσH方位13854231220311402610438—2556—482905/453515030—36038674460512715216344—46506949320620543917631N49°E5697—593206/453918824—67438858460730885320144N50°E77917648380728754621435—883212488580836956622542N53°E

注：岩石容重取27 kN/m3，λ为最大水平主应力方向的侧压系数(σH/σz)。

4 测试结果分析

根据钻孔岩芯的完整性，在1097号和支8号2个钻孔中不同深度进行水压致裂地应力测试，其孔口测量记录曲线见图2(选取典型位置)。从图2可知，测量记录曲线线形符合水压致裂法测试的基本规律，各压力值特征明显，试验结果可以客观地反映测试部位的应力状态。

4.1 1097号钻孔

在孔深38.5～83.2 m范围内选取10段进行测试，成功取得8段测试资料，其中的3段进行了印模，测试结果见表2。从表2可知，1097号钻孔在38.5～83.2 m深度范围内的最大水平主应力σH为4.0～9.5 MPa，最小水平主应力σh为2.6～6.6 MPa，铅直应力σz为1.0～2.2 MPa。测深69.7 m时应力量值比临近测点明显低，不具代表性，主要是测试段附近岩石破碎引起的。

水平主应力量值随深度H变化关系(孔深69.7 m测值未考虑)见图3。从图3可知，应力测值均不同程度地随深度的增加而增大。拟合公式σH=0.113H-0.46；σh=0.071H-0.01。

图3 水平主应力测值随深度的变化关系

最大水平主应力方向为印模获得的水压裂缝走向。根据印模结果，最大水平主应力方向在N49°E～N53°E之间。与其附近断层Fw53和Fw53-1走向基本平行。

1097号钻孔位置的隧洞顶板埋深约52.0 m，底板埋深约57.3 m，隧洞围岩(埋深43～67 m)的最大水平主应力σH为4.5～7.1 MPa，最小水平主应力σh为3.5～5.2 MPa，铅直应力σz为1.50～1.76 MPa，围岩应力量值呈σH>σh>σz特征。隧洞围岩最大水平应力方向的侧压系数λ为3.0～4.4，λ相对较大的原因是该测孔位下山谷地形的底部，受地形的影响有一定的应力集中。

围岩为微新花岗岩，参考试验结果(干抗压强度Rd=117.8 MPa；饱和抗压强度Rc=83.6 MPa)并根据工程经验，取单轴饱和抗压强度Rc=80 MPa (仅针对可能发生岩爆的完整硬质脆性围岩)，则1097号钻孔围岩强度应力比Rc/σH=11.3～18.2(σH采用拟合计算值)，依据GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》，岩体应力量级为中低水平。

表3 支8号孔测试结果

图4 水平主应力测值随深度的变化关系

4.2 支8号钻孔

根据钻孔岩芯的完整程度，在孔深 30.5～121.1 m范围内选取14段进行测试，成功取得11段测试资料，并对其中的3 测段进行了印模，测试结果见表3。从表3可知，在30.5～121.1 m深度范围内的σH为1.9～7.7 MPa，σh为1.8～5.5 MPa，σz为0.8～3.3 MPa。部分测点应力测值比临近测点明显低(孔深98.2 m和112.0 m)，不具代表性，主要是测试部位附近岩石破碎引起的。

水平主应力量值随深度H变化关系见图4。从图4可知，应力测值均不同程度地随深度的增加而增大(孔深98.2 m及112.0 m测值未考虑)。拟合公式σH=0.059H+0.49；σh=0.045H+0.25。

最大水平主应力方向在N55°E～N60°E之间(深度107.5 m的印模方向为N52°W，可能受到附近裂隙密集带的影响，未予考虑)，与钻孔附近的Fw24断层及NE向节理走向基本平行。

支8号钻孔位置的隧洞顶板埋深约106.0 m，底板埋深约112.6 m，隧洞围岩(埋深96～122 m)的最大水平主应力σH为6.8～7.7 MPa，最小水平主应力σh为4.6～5.5 MPa，铅直应力σz为2.9～3.27 MPa，围岩应力量值呈σH>σh>σz特征。隧洞围岩最大水平应力方向上的测压力系数λ为2.2～2.6。

围岩为新鲜花岗岩，参考试验结果(干抗压强度Rd=143.3 MPa；饱和抗压强度Rc=88.6 MPa)并根据工程经验，取单轴饱和抗压强度Rc=85 MPa，则支8号钻孔围岩强度应力比Rc/σmax=11.1～13.8(σH采用拟合计算值)，岩体应力量级为中低水平。

4.3 综合分析

根据测试结果，1097号钻孔和支8号钻孔测试部位岩体应力场均呈σH>σh>σz的特征，表明该深度范围内的地应力场是水平应力起主导作用，主要受构造应力和山谷地形作用的影响，且应力测值均不同程度地随深度的增加而增大。

隧洞围岩最大水平主应力方向上的侧压力系数λ为2.1～4.4。1097号钻孔位于山谷底部，受地形的影响，存在一定的应力集中，其λ相对较大。支8号钻孔位于山坡地形，应力量值受到一定的卸荷影响，λ相对较小。

从区域地质构造来看，工程构造格架受区域性北东和北西向构造体系控制，区域内的断裂构造以压性为主。吉林地震局康力、刘志平等根据震源机制得到吉林省中部地区现代地壳应力场表现出以NE～NEE向的主压应力和NW～NNW向的主张应力为特点的区域应力场特征[5]。在工程区四平～长春方向，主压应力方向由NEE向向EW向逐渐偏转。根据测试结果，1097号钻孔的最大水平主应力方向在N49°E～N53°E之间，支8号钻孔在N55°E～N60°E之间，2个测孔最大水平主应力方位基本平行于区域构造方向，试验结果可靠。

5 结 语

根据地应力测试结果，1097号钻孔与支8号钻孔围岩强度应力比(Rc/σmax)均大于11，围岩应力量级皆为中低应力水平，不易发生岩爆，减少了施工中的岩爆预防措施和投资，现中部隧洞已贯通近80%，与实际围岩揭露情况相符。

隧道轴线布置在满足工程总体布置的前提下，力求构造简单、岩体完整稳定，也要考虑地应力的大小和方向的影响。在以水平应力为主的地应力场中，洞室轴线宜平行最大水平主应力方向(或小夹角)布置，否则边墙易产生变形和破坏。根据地应力测试结果，1097号钻孔和支8号钻孔最大水平主应力方向与中部隧道轴线的夹角分别为33°和25°，对围岩稳定比较有利，并与区域地质构造相印证。

[1] 齐文彪, 刘守伟, 刘阳, 等. 吉林省中部城市引松供水工程初步设计报告及相关试验报告[R]. 长春： 吉林省水利水电勘测设计研究院, 2011．

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