秦岭隧洞越岭段地应力测试成果分析

刘 伟，尹健民

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010)

随着社会的发展、在地下工程等领域，深埋地下洞室群不断涌现，并逐渐发展“长、大、深”特点的一种趋势[1]。在大埋深、高地应力等复杂地质条件下随之伴随出现各种地质灾害，如岩爆、大变形、突水等等[2]。

在诱发地质灾害的诸多因素中，其中地应力是引起地下工程变形和破坏的根本动力，同时也是进行围岩稳定性分析、工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件[3]。

已建和在建的工程实践表明，大量深埋地下洞室一般处于高地应力～极高地应力环境中，如滇中引水工程香炉山深埋长隧洞最大埋深1400m，最大水平主应力46MPa、锦屏二级水电站辅助B洞，埋深约2000m处测得最大压力应力可能达到90MPa[4- 5]。在引汉济渭工程的建设过程中面临因高地应力而引起的岩爆、大变形等灾害已成为急待解决的重大技术问题[6]。

1 工程地质概况

引汉济渭工程由黄金峡水利枢纽、黄三隧洞、三河口水利枢纽、秦岭隧洞越岭段等部分组成，如图1所示。

图1 引汉济渭工程示意图

其中秦岭深埋引水隧洞位于秦岭造山带岭脊高中山区及岭南中低山区中，地形起伏，地质构造异常复杂。主要涉及地层下元古界长角坝岩群黑龙潭岩组石英岩、印支期花岗岩、华力西期闪长岩以及断层碎裂岩，通过f7、QF4断层，断带物质为碎裂岩、糜棱岩。地构造单元上属秦岭褶皱系。如图2所示。

图2 秦岭输水隧洞地貌分区

秦岭隧洞全长81.779km，高程范围1050～2420m，洞室最大埋深约2000m。轴线走向主要为NS。岩性主要为花岗岩、闪长岩、大理岩、片麻岩、千枚岩、变质砂岩、石英岩、片麻岩等。如图3所示。工区位于秦岭岭脊高中山区及岭南中低山区，地形起伏。高程范围1050～2420m，洞室最大埋深约2000m。

图3 秦岭输水隧洞工程地质剖面

2 地应力测试原理

2.1 三维水压致裂法基本原理

三维水压致裂测试是在三个不同方向钻孔分别进行传统水压致裂测量，获得三个法方向的平面应力状态，再通过联立求解线性代数方程，获得测区三维地应力量值和方向[7]。

2.2 解除法测试原理

解除法是建立在弹性理论基础上，假设岩体介质为线弹性体，通过测量被钻进切割的岩心的弹性应变来计算测试部位的应力状态的一种地应力测试方法。通过测读套芯解除前后岩芯应变值，可计算得到三维地应力[8]。

3 测试结果及区域应力场分析

3.1 测试简介

为了探明秦岭隧洞围岩的初始应力状态，在秦岭隧洞岭南TBM段K38+850里程处花岗岩深埋隧洞试验段，采用三维水压致裂法和浅孔解除法进行地应力综合测量。左侧(朝黄池沟方向)布置了水平孔ZK2(面对边墙左侧)、ZK3(面对边墙右侧)及铅直孔ZK1。秦岭输水隧洞越岭段工程布置示意图如图4所示,钻孔布置示意图如图5所示。

图4 秦岭输水隧洞越岭段工程布置示意

3.2 三孔交汇三维水压致裂法测试结果分析

常规水压致裂法可以获得钻孔二维应力状态，因此，在深埋隧洞勘探试验洞内布置一组(3个测孔)三维水压致裂法地应力测试，即可获得其三维应力的空间分布。测试结果见表1—2及图6。

图6 各测孔截面大主应力沿孔深分布

表1 ZK2、ZK3孔水压致裂地应力测试结果

表2 ZK1孔水压致裂地应力测试结果

水平孔ZK2、ZK3，钻孔方位角分别为N55°E、N119°E，如图5所示。测试部位铅直埋深均约1270m，孔深30.0m，则上覆岩体自重应力为33.0MPa。ZK2孔在7.9～28.6m测深范围，最大主应力为41.8～55.5MPa，最小主应力为23.0～28.9MPa。ZK3孔在7.4～28.2m测深范围，最大主应力为50.5～53.6MPa，最小主应力26.9～29.6MPa。

图5 地应力测试示意图

ZK1孔为铅直孔，孔深30.0m。在10.0～27.8m测深范围内，最大水平主应力为40.6～54.2MPa，最小水平主应力为22.2～28.64MPa，上覆岩体自重应力为33.3～33.7MPa。在测试范围内主应力量值主要表现为σH>σv>σh，最大水平主应力侧压系数σH/σv在1.2～1.6之间，测试部位岩体应力场以水平应力为主。最大水平主应力方向为N63°W～N77°W，平均主应力方向为N70°W。

水平孔ZK2、ZK3及铅直孔ZK1为三维水压致裂法的三个交汇钻孔，在此基础上，利用三向交汇钻孔进行了三维应力场计算。测试结果联合求解获得的空间应力张量见表3。

表3 ZK1、ZK2和ZK3三孔交汇三维水压致裂法结果

三维水压致裂法结果表明：测试部位的最大水平主应力量值为51.1MPa，最小水平主应力33.2MPa，铅直向应力为41.2MPa，表现为σH>σv>σh，最大水平主应力侧压系数σH/σv=1.2，说明测试部位岩体应力以水平应力为主。最大水平主应力方位为N73°

3.3 浅孔解除法测试结果

浅孔解除法地应力测试分别在水平钻孔ZK2和ZK3中进行。测试结果见表4—5。

表4 ZK2、ZK3钻孔解除法各测点地应力测量成果(一)

表5 ZK2、ZK3钻孔解除法各测点地应力测量成果(二)

浅孔解除法结果表明：ZK2、ZK3钻孔最大水平主应力量值分别在46.9～48.9MPa、48.5～49.2MPa之间，方位角分别在271°～290°、266°～283°之间；最小水平主应力量值分别在29.5～35.6MPa、31.4～33.6MPa之间；ZK2、ZK3钻孔最大主应力量值在58.7～62.0MPa、59.6～61.7MPa之间，方位角在259°～267°、277°～290°之间。地应力量值和方位均与三维水压致裂法测试结果接近。

3.4 工程区地应力测试结果分析

通过对2种试验结果进行对比分析可知，浅孔解除法测试地应力量值和方位均与三维水压致裂法测试结果接近，说明两种方法皆可行，可相互佐证。根据地应力测试结果，该区应力状态为σH≥σz>σh，应力场以水平应力为主，最大主应力方向为NWW～EW向，说明秦岭岭南区的最大水平主应力优势方向为NWW～EW向。

在干燥无水条件下的硬脆性岩体洞段环境中，开挖前岩体处于三向应力状态，且存储了大量的弹性能。开挖后，围岩应力状态转由三向变为二向应力状态。由此可能产生能量的急剧释放，使围岩发生岩爆。最大主应力σm为62.8MPa，处于极高应力水平，根据试验结果，取测试部位围岩单轴饱和抗压强度平均值Rc=195MPa，3.1

研究表明[11、12]，在以水平构造为主的应力场中，σH>σh>σz时，洞室轴线宜与最大水平主应力方向平行或成小角度相交布置；当σH>σz>σh时，最有利的夹角为：θ=1/2arccos((σH+σh-2σz)/(σH-σh))，对围岩稳定性最有利。最大主应力方位与隧道轴线优势夹角θ=84°之间。隧洞轴向为N7°E，最大水平主应力方位为N73°W，隧洞轴向与最大主应力呈80°夹角，与优势夹角仅仅相差4°，对洞室开挖围岩稳定性有利。

4 结论

通过采用三维水压致裂法和解除法对秦岭引水隧洞地应力场分布规律的综合测量，对地应力量值和方向进行了深入分析，得出以下主要结论:

(1)在引汉济渭岭南TBM段K38+850里程左侧(朝黄池沟方向)布置的三个钻孔进行水压致裂法地应力测试，并在此基础上，利用三向交汇钻孔的资料进行了三维应力场计算。

(2)综合考虑三维水压致裂法和浅孔解除法测试结果，与隧洞轴向优势夹角相一致，对洞室开挖围岩稳定性有利。施工期可能发生中等岩爆。必须选择合理的开挖方式，并在施工过程中采取必要的安全防护措施。

(3)本次实测地应力数据较少，建议在条件满足的情况下，采用不同的方法在不同地段进行对比测量。