小型水压致裂法在断层破碎地层隧道地应力测试中的研究应用

邹友

摘   要：断层破碎地层隧道的地应力测试具有重要意义，不仅可掌握隧道地应力情况，更能为隧道的设计施工提供重大指导。以大亮山隧道断层破碎地层为研究对象，采用小型水压致裂法对地应力进行测试。本文对小型水压致裂法地应力测试原理、测试流程及测试设备进行了阐述，并对地应力测试结果进行了分析，以期掌握隧址区地应力分布，进而为隧道的设计施工提供重要参考。

关键词：断层破碎地层  隧道地应力测试  小型水压致裂法

中图分类号：U45                                    文献标识码：A                        文章編号：1674-098X（2019）05（b）-0042-04

1  工程概况

大亮山隧道位于云南省云县境内，海拔高程介于1197.60～2525.30m之间，属高中山构造剥蚀地貌区。隧道进口附近有南汀河断裂（F99），距隧道区约500m，自云县山盆地沿南桥河向西南经勐定、勐旨，顺南汀河过热水塘、勐简西北，经勐定清水河延入缅甸，全长约200km。该断裂在全新世活动剧烈，1000年以来发生过2次断错地表地震事件。地震的活动性较强，为发震断裂。断裂走向北东南西向，倾向138°～154°，倾角50°～70°，断裂带宽约70～150m。

2  地应力测试方法确定

地层原位地应力大小和方向测试对隧道设计及施工具有重大意义。通过原地应力测量，确定隧道围岩的现今地壳应力状态。根据地应力分布特征，结合隧道围岩的力学参数、围岩的工程地质特性等，给出隧址区地应力的赋存规律和基本特征，并进一步分析研究隧道开挖中发生岩爆以及大变形的可能性。地应力测试的CZK111-3号孔在测试过程中由于钻孔井壁不稳定，测试设备在上提过程中由于井壁掉块卡在井内400m处，且有150m左右的钢丝绳断落在井内;CZK111-5号孔由于孔壁不稳定，涌水、返砂等情况较严重。鉴于上述情况，决定采用小型水压致裂法进行地应力测试。小型水压致裂法地应力测量，是一种能够可靠而有效地测量地壳深部应力的方法，被认为是目前最可靠和有效的深层地应力测试方法。

3  地应力测试基本原理及流程

通过注入高压、小体积流体，测试层位中产生张性裂缝并向影响范围之外的原始地层扩展;接着终止注入流体，随压力下降裂隙逐渐闭合。基于理论分析降压曲线，得到裂隙破裂闭合压力及地层最小主应力。小型压裂地应力测量的基本原理见图1，基本流程见图2。

4  地应力测试设备

本次小型压裂地应力测试采用单回路地应力测试系统。测试施工设备示意图见图3，该测试系统由地表压力系统、地表压裂控制系统、地表数据采集系统和井下封隔器组成。封隔器通过钻杆连接到地表的压力系统。地表的压裂控制系统实现了压裂、稳流和回流测试的独立控制。数据采集系统选用地表数据采集系统，主要用于实时的施工压裂检测和分析，包括2个压力传感器（最大压力35MPa）、2个流量仪（最大压力35MPa）及1套数据接收系统，工作参数见表1。

5  地应力测试结果

对CZK111-3、CZK111-5号孔1个层位的小型压裂地应力测试结果进行分析。每个测试层位均是在75mm的裸眼测试孔中使用跨式封隔器系统进行测试，封隔器测试段间隔为0.7m。测试中使用的封隔器通过75mm绳索钻杆运送至测试层位。测试用清水通过钻杆注入至测试段。通过两个放置在地表的压力传感器实时记录注水压力，一个放置在井口，一个放置在泵的注入端。根据测试要求以及测试孔岩心、钻孔泥浆等实际情况，均选定1个测试段。测试层位、岩性及测试时间见表2。

表3总结了CZK111-3、CZK111-5号孔地应力测试结果。每个测试层位均可以看到明显的地层破裂压力行为，即在每个测试中均产生了裂缝。通过现场实时分析可以看到明显的裂缝闭合。地层最小主应力是通过小型压裂测试直接测量，竖向应力通过岩石密度估算（考虑岩石密度为2.60g/cm3），地层最大水平主应力是通过裂缝开裂（重张压力），地层最小主应力以及无限平面中圆孔周围的弹性力学应力解估算。在估算地层最大水平主应力时，做了以下假定：

（1）测试孔是竖直的，即岩层中的竖向主应力平行于孔轴;（2）测试孔在测试段内为圆形并且测试孔相对地层是无限小的，这个假定确保了弹性力学解的实用性;（3）岩层中的孔隙压力为静水压力;（4）岩石的渗透率较低，即在小型压裂过程中，测试孔内的流体压力不会在短时间内影响岩石的孔隙压力。如果以上假定不成立，需要重新由耦合的孔隙弹性力学估算大主应力。

测试结果具有高可信度，特征如下：（1）至少有4个周期未见泥浆返液;（2）明显的地层破裂;（3）从诊断性分析曲线中可以看到明显的裂纹闭合;（4）不同测试周期的裂缝闭合压力具有一致性;（5）使用不同的分析方法得到一致的裂缝闭合压力。测试结果达到了我们的质量保证、质量控制标准，因此，解释结果具有高可信度，表明不同周期得到的解释结果的一致性。

得到井底压力与净注水率施工曲线，见图3。地层的地应力大小和波速密切相关，根据钻孔勘探提供的波速数据结合小型压裂地应力测试的数据可以估算地应力的分布。理论上来说，地应力的分布主要取决于以下因素：（1）重力引起的水平向应力，即泊松效应;（2）流固耦合引起的应力变化，对目前测试的低孔隙度变质岩可以不考虑这个因素;（3）板块运动所引起的应力变化，即板块的挤压所引起的水平地应力的变化，这个因素和挤压所引起的应变以及地层的小应变弹性常数相关。通常，这个因素是通过和小型压裂地应力测试的结果做曲线拟合确定。

图4是通过波速计算的地应力分布，它和小型压裂地应力测试结果有较好的拟合度。CZK111-3号孔最小及最大主应力如式（1）所示，CZK111-5号孔最小及最大主应力如式（2）所示。

σh=0.01641 D+1.49358，σh=0.02506 D+2.35846     （1）

σh=0.01534 D+1.14712，σh=0.02478 D+2.24615     （2）

式中，D表示深度，单位m。地应力按照深度的分布曲线，见图4。

6  结语

本文以大亮山隧道断层破碎地层为研究对象，采用小型水压致裂法对地应力进行测试。本文对小型水压致裂法地应力测试原理、測试流程及测试设备进行了阐述，并对地应力测试结果进行了分析，以期掌握隧址区地应力分布，进而为隧道的设计施工提供重要参考。得到的主要结论如下：

（1）在断层破碎地层隧道地应力测试中，小型水压致裂法被证明是一种能够可靠而有效测量地壳深部应力的方法，可在类似地层隧道地应力测试中进行推广。

（2）对地应力测试结果进行分析，包括特征压力、主应力、抗拉强度及裂隙方位角等，以及井底压力随净注水率的施工曲线、地应力随深度的分布曲线。需要对以上结果进行综合分析，得到地应力分布情况，特别是可以对地应力随深度分布进行曲线拟合，以进行合理预测。

（3）得到地应力分布之后，可进一步对隧道施工期岩爆或围岩大变形进行预测，预测不同岩性、不同围岩等级下岩爆或大变形发生的可能性，为隧道设计施工提供重大借鉴。

参考文献

[1] 邬爱清，韩晓玉，尹健民，等.一种新型绳索取芯钻杆内置式双管水压致裂地应力测试方法及其应用[J].岩石力学与工程学报，2018，37（5）：1126-1133.

[2] 王成虎，邢博瑞.原生裂隙水压致裂原地应力测量的理论与实践新进展[J].岩土力学，2017，38（5）：1289-1297.

[3] 王建新，张策，郭啓良，等.水压致裂原地应力测试井下水压力数据采集系统及其应用研究[J].岩石力学与工程学报，2016，35（S2）：3971-3976.

[4] 景锋，盛谦，张勇慧，等.我国原位地应力测量与地应力场分析研究进展[J].岩土力学，2011，32（S2）：51-58.