套心应力解除法在某深埋隧道地应力测量中的应用

李 洋，黄文龙

1.华北有色工程勘察院有限公司 河北 石家庄 050021; 2.河北省地矿局国土资源勘查中心 河北 石家庄 050051

1 引言

地应力状态是评价深部岩石工程问题的先决条件,由此在各类深部岩石工程实施过程中准确测量地应力场的分布状态显得尤为重要[1-3]。目前测量地应力的主要方法有水压致裂法、声发射法（Kaiser法）和套心应力解除法等[4-6]，其中套芯应力接触法是国际岩石力学学会试验方法委员会颁布的确定岩石应力所推荐的方法之一，是目前国际上能较好地直接进行深孔应力测量的先进方法。该方法除可以直接测量地应力外还可间接测得隧道围岩相关力学参数，并具有操作简便、可进行连续或重复测试、测量速度快、测值可靠等特点[7]，因此近年来得到了广泛应用，并取得大量的成果。文章将系统地介绍套心应力解除法的基本原理及该方法在某深埋铁路隧道地应力测量中的应用，并与水压致裂法、声发射法（Kaiser法）进行简要的分析比较，凸显该方法在深埋隧道地应力测量中的意义。

2 套心应力解除法基本原理

钻孔套心应力解除法基本原理是在钻孔中安装应变测量元件（空心包体），通过量测套心应力解除前后钻孔孔径变化、孔底应变变化、孔壁表面应变变化值来确定天然应力的大小和方向[8]。所谓套心应力解除是用一个较测量孔径更大的岩心钻，对测量孔进行同心套钻，把安装有传感器元件的孔段岩体与周围岩体隔离开来，以解除其天然受力状态[9-14]，具体钻孔空间形态及应变测量元件（空心包体）安装位置见图1。

图1 套心应力解除法地应力测量过程Fig.1 The process of in-situ stress measurement by the sleeve core stress relief method

测量的关键应变测量元件是数字空心包体（见图2），其被永久安装到一个钻孔中，可以实时显示岩石的应变和温度。仪器包含高精度的应变计和一个封装的微控制器，可以连续监测应变，并通过串口反馈这些数据。应变值直接在应变计上被数字化，这样可以消除因电缆的长度而产生的噪音和信号衰减。只有当读数的时候才对应变计供电。这样可以消除因长期供电而产生的热效应。

图2 数字空心包体Fig.2 Digital hollow body

每个空心包体内部安放有12组应变片，不同应变片按照不同的空间方位展布。具体空间方位见图3，通过不同方位的应变片反馈的数据可以测量各向同性和各向异性岩体中的应力。同时在套芯接触过程中与计算机连接的数据采集器可记录每一组应变片的微电压变化。通过后期软件处理将微电压转变成微应变。

图3 空心包体应变片分布图Fig.3 Distribution of strain gauges in the hollow envelop

测量孔套心应力解除后获得安装有空心包体的岩芯，运用岩石率定义对应力解除完毕的岩芯施加围压，围压采取0 MPa、1.5 MPa、3 MPa、4.5 MPa、6 MPa、7.5 MPa和9 MPa，通过记录所施加的围压与岩芯所产生的应变可得到围岩的弹性模量、泊松比等力学参数（图4），通过应力对解除过程中空心包体应变片所产生微电压变化和岩石的弹性模量及泊松比等力学参数进行分析计算，即可得到地应力的大小和方向。

3 工程实例

3.1 工程概况

某隧道位于山西省长治市境内，属中南铁路大通道，进出口里程DK561+858～DK570+958，全长9.1 km，隧道最大埋深730 m，最小埋深约94 m，根据工程需要，两处地应力测量点历程分别为DK567+005和DK565+745，其埋深分别为408 m和380 m。

3.2 工程地质条件

该隧道场地属太行构造侵蚀中山区，地形起伏较大，地形复杂，相对高差约360 m。隧道呈东西展布，斜穿北倾的山体，隧道进口山体坡角30°左右，出口山体坡角50°。

该隧道所穿越的地层由老到新为古生界震旦系串岭沟组（Z1ch）、古生界寒武系下统馒头组（ε1m）、古生界寒武系下统毛庄组（ε1mz）、古生界寒武系中统徐庄组（ε2x）、古生界寒武系中统张夏组（ε2z）、古生界寒武系上统崮山组（ε3g）、 古生界寒武系上统长山组（ε3c）、古生界寒武系上统凤山组（ε3f）、古生界奥陶系下统（O1）、 古生界奥陶系中统下马家沟组（O2x），第四系上更新统坡洪积层（Q3dl+pl）黄土质砂黏土，两测点处的地层为古生界寒武系下统馒头组（ε1m）灰岩。

隧道场区位于新华夏系第二隆起带太行山块隆。隧道穿越一个向斜和一个背斜，在DK569+465处穿越一断层，该断层为正断层，东倾，倾角约70°，落差约140米。场区地表岩石有溶蚀现象，浅部岩石风化，节理裂隙发育，将表层岩体切割成碎块状、大块状。

隧址地表水不发育，无常年性地表水体，调查期间均未见地表水。根据地下水赋存条件，水理性质及水力特征，场区地下水主要为松散岩类孔隙潜水、碳酸盐类裂隙溶洞水和碎屑岩类裂隙水。

3.3 地应力测量及成果

依据套心应力解除法基本原理，在该隧道内选取了两个测点进行地应力测量，在应力解除过程中数据采样间隔为3 s。通过相配套的软件对数据进行应变误差和温度误差校正，选取应力解除过程中进尺深度分别为0 m、0.05 m、0.10 m、0.15 m、0.20 m、0.25 m、0.30 m、0.35 m、0.40 m和0.45 m的应变数据作为地应力分析基准。

3.3.1 DK567+005测点

该测点的具体测量数据见表1。其中第1～12列为应变片微电压，第13列为在该进尺深度下温度所对应的热电偶读数，第14列为进尺深度，第15列为时间。

表1 DK567+005处测点地应力计算基准数据Table 1 Baseline data for calculation of in-situ stress at DK567+005

该测点岩石率定试验数据见表2。其中第1～12列为应变片微电压变化值，第13列为围压大小，通过对数据的分析处理得到该测点围岩的弹性模量为43.01 GPa，泊松比为 0.36。

表2 DK567+005处测点岩石率定数据Table 2 Rock calibration data at measurement point DK567+005

由上述测量数据可得微应变与围压、应力解除深度和解除时间的变化关系曲线，见图5-图7。在岩石率定中微应变随着围压的增加而增加，微应变与应力解除深度和解除时间的变化关系曲线图中各应变片的微应变值走势具有较高的一致性，是该测点地应力状态的反映。

图5 DK567+005测点微应变与围压变化关系曲线Fig.5 The relationship between the micro-strain of DK567+005 measuring point and the change of confining pressure

图7 DK567+005测点微应变与应力解除时间变化关系曲线Fig.7 The relationship curve between the micro strain of DK567+005 measuring point and the time of stress release

综合分析上述测量数据，采用相应的配套软件计算得DK567+005处测点地应力场状态见表3。该测点最大主应力与最小主应力走向近垂直，中间主应力是上覆岩层重度的体现，这与地应力相关理论较为吻合，表明测量结果较为可靠。

表3 DK567+005处测点地应力测试成果Table 3 Ground stress test results of DK567+005 measuring points

图6 DK567+005测点微应变与应力解除深度关系曲线Fig.6 The relationship between the micro-strain of DK567+005 measuring point and the depth of stress relief

3.3.2 DK565+745测点

该测点的具体测量数据见表4，表中数据代表意义同上。

表4 DK565+745地应力计算基准数据Table 4 DK565+745 ground stress calculation benchmark data

该测点岩石率定试验数据见表5，表中数据代表意义同上，通过对数据的分析处理得到该测点围岩的弹性模量为42.24 GPa，泊松比为0.28。

表5 DK565+745处测点岩石率定数据Table 5 Rock calibration data at DK565+745 measurement points

由上述测量数据可得微应变与围压、应力解除深度和解除时间的变化关系曲线，见图8-图10。该测点与DK567+005测点类似，在岩石率定中微应变随着围压的增加而增加，微应变与应力解除深度和解除时间的变化关系曲线图中各应变片的微应变值走势的一致性，亦是该测点地应力状态的反映。

图8 DK565+745测点微应变与围压变化关系曲线Fig.8 The relationship between the micro-strain of DK565+745 measuring point and the change of confining pressure

图10 DK565+745测点微应变与应力解除时间变化关系曲线Fig.10 The relationship between the micro-strain of DK565+745 measuring point and the time of stress release

综合分析上述测量数据，采用相应的配套软件计算得DK565+745处测点地应力场状态见表6。该测点最大主应力与最小主应力走向亦垂直，中间主应力也反映了上覆岩层的重度，与DK567+005测点类似，测量结果有较高的可靠性。

表6 DK565+745处地应力测试成果Table 6 DK565+745 ground stress test results

图9 DK565+745测点微应变与应力解除深度关系曲线Fig.9 The relationship curve between the micro-strain of DK565+745 measuring point and the depth of stress relief

3.4 测量结果分析

两个测点的结果最大主应力与最小主应力大小近似相等，空间产状近似相同，二者具有较高的吻合性，二者相互印证结果更为可靠。中间主应力倾角均为70°左右，而非绝对垂直，这是由于隧道上覆岩土体形态变化较大，存在偏压的可能；两测点中间主应力大小有一定差别，这是由于中间主应力往往和测点上覆岩层的重度有关，DK567+005处埋深为408米，DK565+475处埋深380米，两处测点的中间主应力与埋深具有很高的一致性。综上所述，本次测量两测点成果与普遍认识的地应力理论具有较高的一致性。

4 讨论

目前对于地应力测量常用的水压致裂法是以假设钻孔方向是在主应力方向为前提的，其成果一般给出了垂直于钻孔平面的最大和最小主应力的应力场特征，通常中间主应力是根据上覆岩层重度来计算的，往往是认为是竖直向下的，如果钻孔方向偏离主应力方向（大于正负15°），得出的成果精度就会很有问题[15-18]。由于该隧道前期资料较少，采用水压致裂法的先决条件受到很大局限，而且由于隧道上覆岩土体形态变化较大，存在偏压，中间主应力并不是竖直向下的，因此采用水压致裂法测量该隧道地应力会存在很大问题。声发射法（Kaiser法）需现场采样后在室内进行试验，试样在采样和运输过程中势必会造成不可避免的扰动[19-20]，同时Kaiser效应点的判别存在很大的主观性[21],某些岩石的Kaiser效应点所对应的岩石强度大于其单轴抗压强度最大值，往往导致测试结果错误[22]。因此声发射法需不断改进测试方法，同时与其他测试方法相结合，才能提高其测试精度。套心应力解除法可以很好地避免上述问题，测得的地应力为三维成果，更具有可分析性与直观性，其先后在雅安二郎山隧道、西藏嘎隆拉铁路隧道、遂（遂宁）成（成都）高速铁路云顶隧道、成贵铁路大梁子隧道等工程的地应力测量中取得了良好的效果。