湖北沪蓉西高速公路龙潭隧道地应力测试报告.doc

中国科学院武汉岩土力学研究所 沪蓉西高速公路金龙隧道 INSTITUTE OF ROCK AND SOIL MECHANICS, THE CHINESE ACADEMY OF SCIENCES 地应力试验研究报告 湖北沪蓉西高速公路金龙隧道地应力试验研究报告 中国科学院武汉岩土力学研究所 2005年9月1日 1 前 言 沪蓉国道主干线是我国最重要的公路主骨架的组成部分，是国家确定的公路重点建设项目之一。该公路在我省境内全长830公里，途经黄冈、黄石、鄂州、武汉、仙桃、潜江、荆州、宜昌、恩施等地市。其中宜昌至恩施段地处鄂西南山区，该地区山高谷深、地形条件复杂，隧道不仅长而且埋深大。在建的金龙隧道地处宜昌市长阳县境内，设计为上下行分离式隧道，右线长8620m，左线长8693m，是全国第二特长公路隧道。金龙隧道分为第八入口段和第九出口段两个标段，分别由中铁十九局集团有限公司和中铁十四局集团有限公司承担施工任务。 为了解金龙隧道穿越区域的地应力场的分布特征，受湖北沪蓉西高速公路建设指挥部委托，中国科学院武汉岩土力学研究所于2005年6月20日～7月10日，分别对八标和九标处两个钻孔采用水压致裂法进行了现场地应力试验，确定了场区地应力的大小和方向。 2 地应力的基本原理 2.1 地应力的基本概念 蓄存在岩体内部未受扰动的应力，称之为地应力Insitu stress 或Geostress，它是岩体中存在的一种固有力学状态，是岩体区别于其它固体如土体的最基本特征。 地应力的概念最早是由瑞士地质学家海姆Heim，1912提出。他认为，岩体中有应力存在，并处于近似静水压力状态。应力的大小等于上覆岩体的自重，即岩体中各个方向的应力均等于为岩体的重度，H为研究点的深度。此后，金尼克1926又根据弹性理论分析，假定岩体是均匀、连续的弹性介质，提出岩体的铅垂应力为，而水平应力应等于的假说为岩石的泊松比，为侧压系数。按照金尼克的理论，海姆假说只是金尼克假说在时的一个特例。 然而，随着地应力现场实测资料的积累，表明在浅层的地应力并不符合海姆和金尼克假说。瑞典哈斯特Hast.N于1952-1953年应用压磁式应力计在斯堪的纳维亚半岛的4个矿区进行了地应力实验。结果表明，实测的水平应力普遍比铅垂应力要高。此后，许多国家相继发展了多种在钻孔中测量地应力的方法，也都得到了相似的结论。1978年霍克和布朗Hoek Brown在研究了大量的实测地应力资料后指出，一般而言，岩体结构中的铅垂向地应力主要由上覆岩体的自重产生，水平向地应力介于同一深度的铅垂向地应力分量的一半到3倍左右，深部岩体距地表千米以上的应力状态，比较接近海姆假说。 2.2 地应力的组成部分和影响因素 地应力主要由五个部分组成，即岩体自重、地质构造、地形势、剥蚀作用和封闭应力。 自重应力是地心对岩体的引力。地质构造运动引起的应力，包括古地质构造运动应力和新构造运动应力，前者是地质历史上由于构造运动残留于岩体内部的应力，也称构造残余应力；后者是现今正在形成某种构造体系和构造型式的应力。地形势与剥蚀作用引起的应力仅仅表现在局部的应力场会受到影响。例如，高山峡谷或深切河谷底部的应力往往比较集中；地表剥蚀会使该处地应力的铅垂方向分量降低得较多，而水平分量基本保持不变。封闭应力是地壳经受高温、高压引起的岩石变形时，由于岩石颗粒的晶体之间发生摩擦，部分变形受到阻碍而将应力封闭在岩石之中，并处于平衡状态，即使卸载，其变形往往不能完全恢复，故称封闭应力。 一般认为，浅层岩体中地应力的分布有以下5个方面的影响因素。 2.2.1 地质构造对地应力的影响 地质构造对地应力的影响主要表现在影响应力的分布和传递方面； 在均匀应力场中，断裂构造对地应力量值和方向的影响是局部的； 在同一地质构造单元内，被断层或其它大结构面切割的各大块体中的地应力量值和方向均较一致，而靠近断裂或其它分离面附近，特别是在拐弯处、分叉处及两端，因为都是应力集中地带，其量值和方向均有较大变化； 在活动断层附近和地震区，地应力的量值和方向均有较大变化。 2.2.2 地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响 地形地貌对地应力的影响十分复杂，至今没有统一的结论。 剥蚀作用对地应力有显著的影响。剥蚀前，岩体内存在一定量值的铅垂应力和水平应力。剥蚀后，铅垂应力降低得较多，而水平应力降低得比较少，基本上保持原来的应力量值。 2.2.3 岩石力学性质对地应力的影响 从能量积累的观点来看，岩体地应力是能量积累与释放的结果。岩体地应力的上限必然受到岩体强度的限制。因此，岩石力学性质对地应力的影响是显而易见的。杰格尔Jaeger曾提出地应力与岩石的抗压强度成正比的概念。李光煜、白世伟通过大量的统计资料提出用岩体弹性模量E来评价岩石力学性质与地应力的关系。统计结果表明，E50GPa以上的岩体，岩体中的地应力一般为10～30MPa, 而E小于10GPa的岩体，地应力很少超过10MPa。他们的统计结果还表明，在相同的地质环境中，当岩体的弹性模量分别2GPa和100GPa时，地应力值分别为3MPa和30MPa。因此，弹性模量较大的岩体有利于地应力的积累，其地应力值也往往较高。 2.2.4 水对地应力的影响 水对岩体中地应力的影响是显而易见的。由于岩体中水的存在而形成的岩石孔隙水压力于岩石骨架承受的应力共同组成岩体的地应力。因此，孔隙水压力高的地区，岩体地应力的量值也会相应增加。 2.2.5 温度对地应力的影响 岩体温度对地应力的影响主要表现在两个方面地温梯度和岩体局部受温度影响。 一般而言，岩体温度应力为压应力，并随深度的增加而增加，因此，随着地温梯度的增加，地应力的量值有增加的趋势。 当岩体局部受温度影响时，由于温度分布不均匀，会产生收缩和膨胀，导致岩体内部产生应力，影响岩体的地应力量值。 2.3 地应力场的变化规律 由于地应力的非均匀性以及地质构造、地形和岩体力学特性等的影响，地应力的变化规律没有明显的确定性。但从实测资料来看，浅层深度小于3000m地应力总体上遵循如下的规律 2.3.1 地应力是一个相对稳定的非稳定应力场 岩体中地应力除地壳深层外，绝大多数是以水平应力为主的三向不等压的三维应力场。三个主应力的量值和方向随着空间位置和时间的变化而变化。 地应力在空间上的变化程度，就一个小范围来讲，例如一个水利枢纽工程或矿山工程，地应力的量值和方向从一个地段到另一个地段发生变化。但对大的区域整体而言，地应力的变化特别是最大主应力的方向是不大的，例如，我国华北地区，地应力的主导方向为北西西和近东西向。 地应力的量值和方向在时间上的变化，就人类工程活动所延续的时间而言，变化是缓慢的，可以忽略不计。 2.3.2 实测铅垂应力基本上等于上覆岩层重量 布朗Brown在总结世界上大量的地应力现场实验资料表明，在深度为252700m范围内，地应力的铅垂向分量基本上等于上覆岩层重量，除少数实验点偏离较远之外分散度小于5，其随深度的变化按照岩石重度成线性增加，如图2.1所示。 图2.1 地应力的铅垂向分量随深度的变化规律 2.3.3 水平应力分量普遍大于铅垂应力分量 国内外地应力现场实验结果表明，在较浅地层中，地应力的水平向应力分量绝大多数大于铅垂向分量。最大水平向应力与铅垂向应力比值侧压系数一般为0.55.5，大部分在0.81.2之间。最大值甚至达到30或更大。 目前，国内外习惯采用两个水平方向应力的平均值与铅垂向应力的比值的比值来表示侧压系数。此比值一般在0.55.0之间，我国的实测值大多数在0.33.0之间，如表2.1所示。 2.3.4 平均水平应力与铅垂应力比值侧压系数同深度之间关系 侧压系数是表征地区地应力特性的主要指标之一。一般而言，该值随深度增加而减小，但在不同区域，有较大差异。布朗Brown根据图2.1的统计结果提出下式来描述这种变化趋势 1 已有的现场实验资料也表明（图2.2），在钻孔深度较浅小于1000米时，比较分散，数值也较大。随着深度的增加，的分散减小，并且向趋于1附近集中，类似前述的海姆假说的静水压力状态。 表2.1的统计结果 国家名称 百分比 比值 1.2 中国 32 40 28 2.09 澳大利亚 0 22 78 2.95 加拿大 0 0 100 2.56 美国 18 41 41 3.29 挪威 17 17 66 5.56 瑞典 0 0 100 4.99 南非 41 24 35 2.50 前苏联 51 29 20 4.30 其它地区 37.5 37.5 25 1.96 2.3.5 最大水平主应力方向与地质构造的关系 岩体中现存的最大水平主应力方向主要取决于现在的地质构造应力场。现场实验结果表明，最大主应力方向与地质构造的关系十分复杂，有的地区最大主应力场方向与构造线垂直，有的则平行。 图2.2 地应力的侧压系数随深度的变化规律 2.4 我国地应力场的区域划分 根据大量的现场实验结果，我国地应力场的最大水平主应力方向有较明显的分区特征，如图2.3所示。 华北地区，主压应力方向以太行山为界，太行山以东的华北平原及其周边山区，其主压应力方向为近东西向；太行山以西，主压应力方向近东南。 秦岭构造带以南，主压应力方向为北西西至北西向。 东北地区主压应力方向以北东东为主。 西部地区测得的主压应力方向以北北东方向为主，个别近东南方向。 地应力量值在我国的东西部地区有较大的差别。东部地区的地应力量值比较低，在300m深度内，一般地应力最大值为8MPa左右。西部地区，地应力量值比较高。例如，在四川二滩水电站实测的水平最大主应力量值在河谷应力集中处高达40-65MPa。 图2.3 我国地应力场的最大水平主应力方向分布 3 水压致裂法试验介绍 国际岩石力学学会测试方法委员会1987年颁布了“测定岩石应力的建议方法”。包括USBM型钻孔孔径变形计的钻孔孔径变形测量法、CSIRCSIRO型钻孔三轴应变计钻孔孔壁应变测量法、水压致裂法和岩体表面应力的应力恢复测量法。 与其它三种测量方法相比，水压致裂法具有以下其它优点 （1）测量深度深； （2）资料整理时不需要岩石弹性参数参与计算，可以避免因岩石弹性参数取值不准引起的误差； （3）岩壁受力范围较广钻孔承压段程度可达1-2米，可以避免“点”应力状态的局限性和地质条件不均匀性的影响； （4）操作简单，测试周期短。 因此，水压致裂法广泛地应用于水电、交通、矿山等岩石工程以及地球动力学研究的各个领域。 3.1 水压致裂法基本原理 水压致裂法地应力测量利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度封隔一段钻孔，然后泵入液体对该段钻孔施压，根据压裂过程曲线的压力特征值计算地应力。 水压致裂法地应力测量原理以弹性力学平面问题为基础，并引入了如下三个假设 1 围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体； 2 围岩为多孔介质时，注入的流体按达西定律在岩体孔隙中流动； 3 岩体中地应力的一个主方向为铅垂方向，与铅垂向测孔一致，大小等于上覆岩层的压力。 根据弹性理论，当在具有应力场的岩体中钻一钻孔，钻孔周边岩体将产生二次应力场图3.1，它与地应力之间的关系如下 2 式中，为钻孔半径，为径向距离，为极径与轴X的夹角，Z为钻孔轴向，指向孔口。为岩石泊松比，为原始轴向主应力由上覆岩石自重确定。 图3.1岩体中含一钻孔的应力分布 在钻孔孔壁处的应力状态为 3 注意到地应力场中的一主应力为钻孔轴线方向，有，同时，坐标轴X取在钻孔截面的最大水平主应力方向，为方便起见去掉式3中的上标，式3为 4 式中，和分别为钻孔横截面上最大和最小水平主应力，为极角，以逆时针为正。 当钻孔承压注液受压时，围岩即产生附加应力场。根据无限厚壁圆筒弹性理论解，围岩产生的附加应力场为 5 在钻孔孔壁处，注液受压引起的围岩应力状态为 6 水压致裂法地应力测量钻孔岩壁上的应力状态，是地应力二次应力场与液压引起的附加应力场的叠加，即 7 水压致裂法地应力测量的经典理论采用最大单轴拉应力破坏准则。在这种破坏准则的制约下，式7中轴向应力仅仅与地应力状态有关，与液压大小无关，它与径向应力仅仅提供了钻孔岩壁三维应力状态的条件，与围岩产生破裂状况无关，一般不讨论。对围岩破裂起控制作用的是切向应力，当钻孔承压段注液受压后，切向压力以液压等量值降低，最后转化为拉应力状态。 水压致裂法地应力测量时，破裂缝产生在钻孔岩壁上拉应力最大的部位。由式7可知，在钻孔岩壁极角或的位置上，也就是最大水平主应力方向，钻孔岩壁的切向应力最小压应力为正，其量值为 8 由式8可知，当液压增加时，钻孔岩壁切向应力逐渐下降为拉应力状态，随着液压的增加，拉应力也逐渐增加，当拉应力等于或大于围岩的抗拉强度时，钻孔岩壁出现裂缝。这时承压段的液压就是破裂压力。因此，钻孔承压段周围岩壁围岩产生破裂不考虑孔隙水压力的应力条件为 9 在深层岩体中，还存在孔隙水压力，因此，岩体中的有效应力为。考虑岩体中的孔隙水压力等作用，钻孔承压段周围岩壁围岩产生破裂的应力条件为海姆森 10 式中，K为孔隙渗透弹性参数，可在试验室内确定，其变化范围为。对非渗透性岩石，K值近似等于1，则上式可简化为 11 钻孔周壁围岩破裂以后，立即关闭油泵，这时维持裂缝张开的瞬时关闭压力与裂纹面相垂直的最小水平主应力得到平衡，考虑到孔隙水压力，有 12 根据式11，最大水平主应力为 13 当钻孔周边围岩第一次破裂以后破裂压力为，对钻孔进行重复注液压至破裂缝继续张开，这时的压力为重张压力。由于围岩已经破碎，它的抗拉强度近似为零，根据式11，重张压力为 14 因此，式13为 15 综上所述，水压致裂法地应力测量中，根据试验过程中得到的、、、即可以由式12、15确定钻孔最大、最小水平主应力大小，同时可以根据印模器记录的裂纹破裂方向确定最大水平主应力方向。 3.2 水压致裂法地应力测量的主要设备 水压致裂法地应力测量的主要设备由三个部分组成一是钻孔承压段的封隔系统，它由串连在一起的两个封隔器组成。跨接封隔器座封之后，在两个封隔器之间形成一个钻孔承压段的空间，承受逐渐增大的液压。二是加压系统，包括大流量高压力的液压泵，对封隔器和钻孔承压段分别加压的管路系统以及地面上可以自由控制压力液体流向的推拉阀；三是测量和记录系统，包括函数记录仪、压力传感器、流量传感器、压力表等。 图3.2为本项目采用的轻型封隔器示意图，总长约3.4m，胶筒长1.2m，座封后形成的液压段长度为1m。 图3.2轻型封隔器示意图 3.3 水压致裂法测试步骤 水压致裂法地应力测量的压力管路系统分双管加压系统和单管加压系统。双管加压系统的管路是高压油管和钻杆，试验过程中，通过高压油管和钻杆对封隔器和钻孔压力段加压。单管加压系统的管路是钻杆，试验过程中，依靠安装在钻孔孔口的推拉阀控制压力液体的流向，分别对封隔器和钻孔压裂段加压。本次试验中采用单管系统。 水压致裂法地应力测量的具体方框图如图3.3所示，相应的压裂过程曲线如图3.4。 在进行正式水压致裂测试之前，必须对钻孔的透水率、钻孔倾斜度等进行检查，同时根据工程的需要选择合适的压裂段, 并对每根加压钻杆进行密封检验。水压致裂法测试步骤如下 1 座封通过钻杆将两个可膨胀的橡胶封隔器放置到选定的压裂段，加压使其膨胀、座封于孔壁上，形成承压段空间。 2 注水加压通过钻杆推动转换阀后，液压泵对压裂段注水加压（此时封隔器压力保持不变），钻孔孔壁承受逐渐增强的液压作用。 3 岩壁致裂在足够大的液压作用下，孔壁沿阻力最小的方向出现破裂，该破裂将在垂直于横截面上最小主应力的平面内延伸。与之相应，当泵压上升到临界破裂压力后，由于岩石破裂导致压力值急剧下降。 4 关泵关闭压力泵后，泵压迅速下降，然后随着压裂液渗入到岩层泵压下降缓慢。当压力降到使裂缝处于临界闭合状态时的压力，即垂直于裂缝面的最小主应力与液压回路达到平衡时的压力，称为瞬时关闭压力。 5 卸压打开压力阀卸压，使裂缝完全闭合，泵压记录降为零。 6 重张按2至5步骤连续进行三到四次加压循环，以便取得合理的压裂参数，以判断岩石破裂和裂缝延伸的过程。 7 解封压裂完毕后，通过钻杆拉动转换阀，使封隔器内液体通过钻杆排出，此时封隔器收缩恢复原状，即封隔器解封。 8 破裂缝方向记录采用定向印模器，通过扩张印模胶筒外层的生橡胶以及能自动定向的定向器记录破裂缝的长度和方向。 图3.3 水压致裂法地应力测量程序 图3.4水压致裂法地应力测量压裂过程曲线 4 测试结果 4.1 参数确定 压力参数、、、是水压致裂法地应力测量计算地应力量值的依据，通常根据压裂过程曲线特征的位置确定。一般地，破裂压力取为第一次压裂循环增压曲线的峰值。重张压力采用第二次及其以后压裂循环曲线压力上升部分拐点处的压力。由于压力上升部分曲线变化较陡，也可以把偏离直线或近似直线处的压力视为重张压力，如图4.1所示。对于瞬时关闭压力通常采用破裂压力和重张压力之后压裂循环曲线下降部分拐点处的压力。对于拐点不明显的情况，可采用切线法和双切线法，如图4.2所示。岩体孔隙水压力可采用孔隙水压力计测量确定。实测结果表明，一般情况下，岩体中的孔隙水压力大体相当于静水压力，因此，在没有实际测量孔隙水压力的情况下可以用该测段的静水压力代替孔隙水压力。本项目中采用各钻孔测段的静水压力代替孔隙水压力，计算式为，其中，为水的重度，H为岩层深度。 同时，根据上述章节的分析，钻孔各测段的垂直向主应力确定为，式中，为岩层的重度，取为25000N/m3，H为岩层深度。 图4.1 依据压力循环曲线确定、示意图 图4.2 拐点法、切线法以及双切线法确定示意图 4.2 实测结果 4.2.1 八标钻孔水压致裂地应力测试成果 八标钻孔位于桩号YK66713附近，距隧道入口处约1200m。在孔深范围内，获得了5段实测水压致裂地应力试验曲线，其测量结果如表4.1所示。各测段压力时间曲线如图4.34.7，地应力测量破裂缝记录见图4.8。 表4.1 钻孔DZ-2-01水压致裂测试成果表 深度 /m 破裂压力 /MPa 重张压力 /MPa 关闭压力 /MPa 孔隙压力 /MPa 抗拉强度 MPa 最大水平主应力 /MPa 最小水平 主应力 /MPa 垂直 应力 /MPa 最大水平主应力 方向 28.10 5.36 3.77 3.31 0.28 1.59 6.44 3.59 7.20 24.16 6.43 4.45 3.89 0.24 1.98 7.46 4.13 7.10 NE81 16.34 7.78 7.75 5.20 0.16 － 8.01 5.36 6.90 11.44 4.55 3.07 2.59 0.11 1.48 4.81 2.70 6.78 6.54 5.05 3.47 2.32 0.06 1.58 3.55 2.38 6.65 注隧道埋深约260米 图4.3 八标钻孔28.10m压力时间曲线 图4.4 八标钻孔24.16m压力时间曲线 图4.5 八标钻孔16.34m压力时间曲线 图4.6 八标钻孔11.44m压力时间曲线 图4.7 八标钻孔6.54m压力时间曲线 图4.8 八标钻孔24.16m地应力测量破裂缝记录示意图 4.2.2 九标钻孔水压致裂地应力测试成果 九标钻孔位于桩号73114处，距隧道出口约1000m。在孔深范围内，成功获得了3段实测水压致裂地应力试验曲线，其测量结果如表4.2所示。各测段压力时间曲线见图4.94.11，地应力测量破裂缝记录见图4.12。 表4.2 九标钻孔水压致裂测试成果表 深度 /m 破裂压力 /MPa 重张压力 /MPa 关闭压力 /MPa 孔隙压力 /MPa 抗拉强度MPa 最大水平主应力 /MPa 最小水平主应力 /MPa 垂直应力 /MPa 最大水平主应力方向 27.12 4.50 3.95 3.34 0.27 0.55 6.34 3.61 4.68 19.28 3.98 3.52 3.09 0.19 0.46 5.94 3.28 4.48 NE74 11.44 3.49 3.13 2.91 0.11 0.71 5.71 3.02 4.28 注埋深约160米 图4.9 九标钻孔27.12m压力时间曲线钻孔 图4.10 九标钻孔19.28m压力时间曲线钻孔 图4.11 九标钻孔11.44m压力时间曲线钻孔 图4.12 九标钻孔27.12m地应力测量破裂缝记录示意图 5 结论 本次现场试验各测试段的压力－时间关系曲线均符合理论曲线，压裂过程中的规律性好，无异常现象。印模器上印迹清晰，因此，本次试验数据具有较好的可靠性。 通过对2个钻孔的水压致裂地应力试验结果的分析研究，可以得到如下结论 （1）在测试深度范围内，八标钻孔最大水平主应力值为8.01MPa；九标钻孔最大水平主应力值为6.34MPa。 （2）实测范围内，各钻孔的最大水平主应力方向为近似东西向。其中，八标钻孔的最大水平主应力方向约为N81E；九标钻孔的最大水平主应力方向约为N74E。 致 谢 本研究工作得到湖北沪蓉西高速公路建设指挥部、中铁十九局集团有限公司和中铁十四局集团的大力支持和帮助，在此深表谢意 参考文献 1. 周思孟等.复杂岩体若干岩石力学问题.北京中国水利水电出版社，1998.6 2. 李光煜、白世伟.岩体应力的现场研究.岩土力学，1979.1 3. 刘允芳等.岩体地应力于工程建设.湖北科学技术出版社,2000.9 4. 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