■王巖

（吉林省地礦勘察設(shè)計研究院 吉林長春 130021）

地應(yīng)力測試在五女峰公路隧道工程中的應(yīng)用

■王巖

（吉林省地礦勘察設(shè)計研究院 吉林長春 130021）

采用水壓致裂法對五女峰公路隧道地應(yīng)力場測試，查明五女峰隧道圍巖的現(xiàn)今地殼應(yīng)力分布規(guī)律及工程區(qū)應(yīng)力場狀態(tài)。討論受地應(yīng)力影響隧道洞體軸線走向以及洞體橫斷面形狀選取，分析施工時洞體圍巖發(fā)生巖爆災(zāi)害的可能性。

五女峰隧道地應(yīng)力分布應(yīng)力狀態(tài)工程應(yīng)用

1 前言

集通高速公路五女峰隧道穿越吉林省東南部區(qū)域分水嶺-老嶺山脈，隧址區(qū)地層上部為凝灰質(zhì)碎屑建造的侏羅系地層，下部為遠古界集安群變質(zhì)巖系。大地構(gòu)造單元屬于鴨綠江凹褶斷束［1］，區(qū)內(nèi)分布9條次生斷層。隧道全長7930m，普遍埋深超200m，最大埋深565m，高地應(yīng)力對隧道設(shè)計和施工影響顯著，因此對隧道區(qū)地應(yīng)力測試十分必要。

2 地應(yīng)力測試方法及成果分析

2.1 測試方法

測試方法采用國際巖石力學(xué)學(xué)會試驗方法委員會推薦的方法之一“水壓致裂法”進行。水壓致裂原地應(yīng)力測量方法就是：利用一對可膨脹的封隔器在選定的測量深度封隔一段鉆孔，然后通過泵入流體對該試驗段(常稱壓裂段)增壓，同時利用X-Y記錄儀、計算機數(shù)字采集系統(tǒng)或數(shù)字磁帶記錄儀記錄壓力隨時間的變化。對實測記錄曲線進行分析，得到特征壓力參數(shù)，再根據(jù)相應(yīng)的理論計算公式，就可得到測點處的最大和最小水平主應(yīng)力的量值以及巖石的水壓致裂抗拉強度等巖石力學(xué)參數(shù)。

2.2 測試成果

對五女峰隧道SZK05孔進行10個測段地應(yīng)力值隨深度分布測試，測試深度100.0～500.0m，3個點應(yīng)力方向測量，測量成果見表2-1和圖2-1。

2.3 成果分析

根據(jù)測量成果繪制應(yīng)力值隨深度變化趨勢圖（見圖2-2），并對其最大、最小水平主應(yīng)力值和垂直應(yīng)力值曲線進行回歸分析，得到公式為：

式中：R為線性相關(guān)系數(shù),H為埋深，σV為垂直應(yīng)力，σH為最大水平主應(yīng)力，σh為最小水平主應(yīng)力。

根據(jù)測量成果和線性回歸公式，測孔上部存在一定程度上的應(yīng)力集中。測孔附近地應(yīng)力狀態(tài)基本表現(xiàn)為SH>Sh>SV。即:最大水平主應(yīng)力大于最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力，水平構(gòu)造應(yīng)力作用為主。最大主應(yīng)力方向為N60～72°E，優(yōu)勢方向為N67°E。水壓致裂測試過程中獲得鉆孔孔壁巖石的原地抗張強度為3～6 MPa，最高達到8Mpa。

圖2-1 五女峰隧道SZK05孔水壓致裂應(yīng)力測量印模結(jié)果

3 測試成果工程應(yīng)用

3.1 測區(qū)地應(yīng)力值大小分析

根據(jù) 《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》GB/50218-94地應(yīng)力值劃分方法及標(biāo)準(zhǔn)，對測區(qū)地應(yīng)力值進行劃分，結(jié)果見表1。

圖2-2 SZK05孔應(yīng)力值隨深度變化圖

表1 五女峰隧道場地地應(yīng)力值

通過上表可知，隧址區(qū)洞體埋深小于189m區(qū)段為低應(yīng)力區(qū)，189～390m區(qū)段為高應(yīng)力區(qū)，埋深大于390m以下為極高應(yīng)力區(qū)。

3.2 隧道洞體軸線選取及形狀討論

隧道洞體軸線與最大主應(yīng)力方向夾角越小對隧道洞體圍巖的穩(wěn)定越有利［2］。實測隧址區(qū)最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向為N67°E，因此，擬建的隧道軸線走向應(yīng)盡可能靠近N67°E。

3.3 圍巖巖爆預(yù)測

巖爆發(fā)生是一種復(fù)雜的非線性動力學(xué)現(xiàn)象，其控制和影響因素眾多，成因機理復(fù)雜［4］。單從切向應(yīng)力準(zhǔn)則對隧道圍巖發(fā)生巖爆可能進行預(yù)測，切向應(yīng)力準(zhǔn)則首先由挪威學(xué)者巴頓提出，將圍巖的切向應(yīng)力（σe）與巖石的抗壓強度（σc）之比作為判斷巖爆及發(fā)生巖爆的等級依據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)如下：

表2 巖爆及發(fā)生巖爆的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

對于隧道橫截面內(nèi)作用的兩向正應(yīng)力分別為σn(即：Sn)和垂直應(yīng)力SV。隧道斷面形狀近以為圓形，σe=3σn-SV。根據(jù)上述劃分標(biāo)準(zhǔn)、巖石抗壓強度、洞體走向，利用隧道最大、最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力回歸線性方程反算隧址區(qū)發(fā)生不同等級巖爆的界線埋深，具體計算結(jié)果見表3。

表3 隧址區(qū)巖爆發(fā)生等級界線埋深

上述對巖爆危險性等級埋深的劃分是從地應(yīng)力角度考慮而得出的判斷。五女峰隧道施工過程中，洞體埋深266～487m區(qū)段會發(fā)生輕微的巖爆，大于487m區(qū)段存在發(fā)生中等巖爆的可能性，其它區(qū)段基本不會發(fā)生巖爆。對于巖性軟弱、裂隙發(fā)育的層段，斷面會收斂變形發(fā)生片幫及冒頂。

4 結(jié)論

（1）五女峰隧道場地地應(yīng)力值隨埋深呈線性增加，地應(yīng)力狀態(tài)基本表現(xiàn)為SH>Sh>SV，，最大水平主應(yīng)力大于最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力，水平構(gòu)造應(yīng)力作用為主。最大水平主應(yīng)力方向為N60～72?E，優(yōu)勢方向為N67?E。

（2）區(qū)內(nèi)埋深小于189m區(qū)段為低應(yīng)力區(qū)，189～390m區(qū)段為高應(yīng)力區(qū)，埋深大于390m以下為極高應(yīng)力區(qū)。

（3）洞體軸線走向選擇應(yīng)盡可能靠近N67?E；橫截面最佳開挖形狀為長軸垂直的橢圓形，其長短軸之比為1.20。

（4）僅從地應(yīng)力角度考慮預(yù)測五女峰隧道施工過程中，洞體埋深大于268m區(qū)段存在發(fā)生巖爆的可能性，其它區(qū)段基本不會發(fā)生巖爆。

致謝：感謝吉林省交通規(guī)劃設(shè)計院提供資料！

［1］吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)局.吉林省區(qū)域地質(zhì)志 ［M］.北京：地質(zhì)出版社，1988.

［2］李曼，馬平，孫強.洞室軸線走向與初始地應(yīng)力關(guān)系對圍巖穩(wěn)定性的影響 [J].鐵道建筑，2011， (07).

［3］E.Hoek和E.T.Brown.巖石地下工程 ［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1986.

［4］侯發(fā)亮等.地下洞室?guī)r爆與圍巖應(yīng)力的關(guān)系 [J].雜巖石的建筑物國際學(xué)術(shù)討論會文集，1986.

P315.72+7[文獻碼]B

1000-405X（2015）-11-222-2

王巖（1973～），男，高級工程師，研究方向為水工環(huán)。