深埋长隧道地应力测量与岩爆预测分析

景
锋等 ： 深埋长 隧道地应力测 量与岩爆预测分析
８ １
平主应力随埋深总体上呈线性 关系变化 ， 见图 ２线性 回归关 系 ，
见 式 （） ２。
应力， “
２ ００
水 压 致 裂 法地 应 力 测 试 是 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， 直至压裂， 根据压裂过程 曲线 的压力特征值计算地应力 。该
的一个重要 因素。岩爆一般发生在完整性好 ， 质地坚硬 ， 岩性脆 的岩体 中。为了查明隧道 围岩岩性 及强度特 征 ， 以及 为后期岩 爆预测提供参 数 ， 进行 了常规 的室 内岩石 力学试 验 ， 结果 见表 １表 １中为 ２ 主要 围岩的单轴抗压 强度 。 ， 种
表 １ 两种主要围岩 单轴抗压强度试验 结果
爆倾 向性 。为优化设计并指导施 工， 在该隧道 布置 了 １ 个深钻孔进行 了水压致 裂法地应力测量 。介 绍 了水压 致裂法地应 力测试原理 ， 分析 了实测地应力 ， 及其与地形地貌和 区域 构造的关 系， 并在地应力分析的基础 上进 行 了多种 方法的岩爆预测。研 究表 明， 当隧道埋深超过 ４０ｎ后 ， 发生弱到 中岩爆的可 能， ０ ｌ 有 在施 工 中应 采取
果 见表 ２ 。
表 ２ 地 应 力 测量 结 果
图 ３ 测 点侧 压 系数 与 孔 深 关 系统 计 曲线
和 整体上随埋深增加而减小 ， 两者都小于 １表 明整个 ，
测 区地 应 力 场 以 自重 应 力场 为 主 ， 力状 态 为 ＞ 应 ＞ 。 埋
深大于 ４０ｍ后 ， 和 值 相对稳定 ， ７ 分别 约为 ０６ 和 ０８ 。 ．３ ．７ 侧压系数 的量值 和变化表 明， 随整个测 区以 自重应力场 为 主， 但仍有较强的构造应力 ， 整个测区地应 力主要受地形地貌 和 地质构造的综 合作用 。
（ ） 大水 平 主应力 方位 分 析。最 大水 平 主应力 方位 在 ３最
（ ）应力量值分 析。地 应力实测 结果表 明 ， 大 和最 小水 １ 最 Ｎ ０Ｅ～Ｎ ８Ｅ之间 ， １￣ １。 与山体走向 Ｎ Ｅ向较一致 。
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８ ２
人 民 长 江
供 了依 据 。
Ｒ／
Ｍａ Ｐ
均 ／ 密 ／ｌ 值 度 Ｉ
胁 （－ｌ ｇｌ ） ｃ一 ｌ
疋／ 疋均 ／ 密 ／ 值 度
Ｍａ Ｐ Ｍａ （ ａ一） Ｐ ｇ ｎ’ ．
室内试 验结果表 明， 火山岩 平均 值为 ８ ． Ｐ ， ４ ８Ｍ ａ 变粒岩
平均值为 ９ ． Ｐ。隧道 围岩强度 高 ， 脆 ， 利于发 生岩 ２ ９Ｍ ａ 性 有
长约 ４ｋ 沿线最 高海拔 １ ５ ｌ最大埋 深约 ６０ｎ， 深埋 特 ｍ， ０ｎ， ０ ２ ｌ属 长公路隧道 。
工程区地貌单元属 中低 山一丘陵地貌 ， 山势宏伟壮观 ， 山脉
整体为北东一南西走向 ， 与区内主要构造线 走 向一致 。区内 山 体相对高差 ２０ ０ ｌ山坡坡角 一般为 ２。 ０ ， ０ ～５０ｎ， ５ ～４￣地形 地貌成 因主要为构造侵蚀和剥蚀 。
图 ２ 最 大 和最 小水 平 主 应 力 沿 孔深 分 布 关 系
隧道 不同埋深条件下的地应力状 态可根据实测地应力和式 （） ２推算 。当隧道埋 深在 ２０～６０ｍ之 间时 ， 为 ５ ３ ６ １ ０ ０ ｄ ． ～１ ．
Ｍ ａ ｄ 为 ４５～ ． Ｐ ， ＂为 ５ ３ ３９Ｍ ａ Ｐ，＾ ． ９ ９Ｍ ａ Ｏ ｚ ． ～１． Ｐ 。
起硬脆性岩体在短时间内产生 的储 备弹性应 变能突然 、 快速 释
放， 并发生岩块剥落 、 弹射甚 至抛掷 、 突发性 的破裂 。岩 爆是 由
围岩 的岩体强度 、 围岩应力状态 、 岩体构造环境 、 工程布置和施 工工艺等多种因素综合作用 的结果 。其 中岩性 和地应力在岩爆 预测 中， 占有最重要 的位置 。因此 ， 进行围岩岩性调查和岩体试
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第３ ９卷 第 １ 期
２ ８年 １ 月 ０ ０
人 民 长 江
Ｙａ ｇｚ Ｒｉ ｅ ｎ ｔｅ ｖｒ
Ｖ １ ３ Ｎ ．１ ｏ ．９， ｏ
Ｊｎ ． ２ ｏ ａ． ０８
文章 编 号 ：０ １ １９２０ ）１ ｏ０ ３ １０ —４７ （０ ８０ 一ｏ ８ 一ｏ
２Ｏ Ｏ８篮
理论和实践表明 ， 以自重应 力场 为主的应力场 中， 在 隧道轴 线 应与最大水平 主应 力垂直 。该 隧道总 体走 向为 Ｎ０ Ｅ 与最 ６￣ ， 大水平 主应力夹角约 ４ 。对 隧道 围岩稳定 性较有利 。 ８， 大量洞室开挖实践 表明 ， 当开挖体形状 能使顶板处 和侧 帮
隧道工程区位于闽西北隆起 带之浦城一洋源 隆起东北部 ， 位于北北东一北东向政和一海丰断 裂带 、 邵武一河源断 裂带 以
及北西 向宁德一 武夷 山断裂的 区域 内 ， 岩石 主要为坚硬 的火 山
岩 和变 粒 岩 。
２２ 隧道 围岩岩石 物理 力学试验 ．
大量的研究 结果表 明 ： 程区岩体 的岩性 是决定岩爆 发生 工
验， 并进行 现场地应力测量是研 究 围岩 变形破坏机理 和制定相 应加 固处理方案的基本依据 ｊ 。 某高速公路穿越武夷 山山 区， 将建 成长 约 ４ｋ 最 大埋深 ｍ， 达 ６０ｎ的深 埋隧道。本 文基于 室内岩石 力学试 验 ， 究 了隧 ２ ｌ 研 道 围岩 的物理力学性质 ， 通过 水压致裂法 地应力测量研 究 了隧 道 的地应力状态。最后基于隧道实测地应 力和围岩岩石力学性 质研究 的基础上 ， 利用多种岩爆判别准则 ， 对隧道岩爆发生 的部 位和等级进行了预测 ， 为隧道 的合理开挖 与支护方 案的制定提
３ Ｏ Ｏ
｛
８ｏ 《ｏ 一
直向测孔 的轴 向平行。因此 ， 对于垂直钻孔 ， 可将其力学模型简
化为一个平面问题 ， 即按照两个对称的均布载荷 ， 作用于无限大 平板 ， 平板中圆孔 四周应 力可按线 弹性 理论求 解 ， 见图 １ 最大 ， 与最小水平主应力分别记作 与 ｌ 。 ６ Ｊ
摘要 ： 岩爆等地质 灾害是深埋隧道施工 中常遇 到 的工程 地质 问题 ， 而地应 力测量 则是进 行 隧道 岩爆预测 的前
提 。 某 高速 公 路 穿越 武 夷 山 山 区 ， 建 成 最 大 埋深 达 ６０ｎ， 约 ４ｋ 的深 埋 长 隧道 ， 将 ２ ｌ长 ｍ 围岩 性 脆 强 度 高 ， 有 岩 具
爆。
２ 工程概况
２ １ 工 程地质概 况 ．
该工程地处武夷山 山脉中低山区 ， 隧道为左右线设 置 ， 隧道
收 稿 日期 ：０ ７ ０ —１ ２ｏ — ９ ０
３ 水压致裂法地应力测量原理和方法
国际岩石力学学会测试方法委员会 １８ ９７年颁布 了“ 测定岩
石应力的建议方法”推荐包括 Ｕ Ｂ ， ＳＭ型钻孔孔径变形测量法、
一
水压致裂缝沿 钻孔轴线及钻孔横截面上的最大主应力方向
起裂与扩展 ， 裂缝的方 向就是钻孔横截 面上的最大 主应力方 向。 ｄ 与 按下式计算 ：
＝
为隧道截面最大 主应力 ） 判断 ， ］ 当隧道埋深小 于５０ｍ时 ， ０ ，～ ＞７ 属 中低应力区 ； ｄ ， 隧道埋深大于 ５０ｍ后 ， ０ ４＜Ｒ，一 ｄ
Ｃ Ｉ （ ＳＲ ） ＳＲ Ｃ ＩＯ 型钻孔孔壁应变测量法 、 水压致裂测量法和岩体表
作者简介 ： 景
锋 ， 长江水利委 员会长江科 学院水利部岩 土力学与 工程重点试验室 ， 男， 工程师 ， 士。 硕
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第１ 期 面应 力的应力恢复测量法。
Ｈ ＝ ０． １５Ｈ ＋ ０． ５ ０２ ９ ２３
ｄ ＾＝ ０ ０ ３５ ＋１ ７ ４ ． １ Ｈ ．５
（） ２
冒
图 １ 水 压 致 裂 法 地 应 力测 试 平面 应 力 状 态 示意
式中 Ｈ为岩体垂直埋深。 根据 Ｒ，一 （ 为岩 石单轴抗 压强度 ， Ｒ 此处取 为 ９ ａ ０ＭＰ ，
间进行 的岩体开挖 ， 破坏 了岩 体原始地应 力状态而 引起一 系列 与地应力释放相关联的变形和破 坏现象 ， 其不仅 恶化了岩体 的
工程条件 ， 同时也对工程建筑物造成直接危 害， 其中岩爆则是深 埋 长隧道 的主要地质灾害之一ｕ 。 ｊ 岩爆作为一种复杂的动力失稳现象 ， 是在 高应力条件下 ， 引
＜７ 属 中高应力 区。 ， （ ）应力构成 分析。 ２ 实测侧压系数 ＾ （＂ ａ）和 ＾ （ｈａ ） Ｏ ／ Ｈ Ｏ ／： ＂ 随深度变化曲线 见图 ３ 。
侧压系数
０４ ． ０６ ０８ ｌＯ
ｏ Ｈ＝ ３Ｐ ，一 Ｐ 一 Ｐ ｏ
Ｌ １
式 中 为维持裂缝张开的瞬时关 闭压力 ； ， 尸 为裂缝 重张压 力； 尸 为孔 隙水压力 。另外 ， ｎ 垂直应 力 由上覆 岩石 重量计算 ， 裂缝 方 向由定 向印模 器确定 。
合 理 的 开挖 方 式和 安 全 防 爆 措施 。
关
键
词： 深埋隧道 ；地应力 ； 岩爆 ； 水压致裂法
文献 标 识 码 ： Ａ
中 图 分 类号 ：Ｕ ５ ４５
１ 概 述
随着交通 、 水利水 电和能源等各类工程建设 的发展 ， 人类 的 活动空 间不断向地壳深部发展 ， 将兴建 各类深埋洞室 ， 如锦屏 二 级水 电站引水洞最大埋深 达 ２５０ｎ ０ ｌ 。越来越 多的工 程实例表 明， 随着隧道埋深 的增加 ， 地应 力也迅速增大 ， 地下工程施工期
４ 地应 力测试结果及分析
４ １ 地应 力测量 结果及 分析 ．
在进 行 水 压致 裂法 地 应 力 测 量 时 ， 虑 到 浅 部 地 形 地 貌 对 考 测量 结 果 影 响 大 ， 浅 部 测 量 结 果 对 研 究 隧 道 部 位 的 地 应 力 状 且
一
３Ｏ Ｏ
｛
训
态作用不大。因此 ， 仅进行 了 ２０ｍ以下深度 的地 应力测量 ， ０ 结
表 ３ 岩爆 分 级 评 价标 准
处的压应力值基本相等时 ， 就是该应 力场下 的最佳形状 ， 其短 长
轴之比等于原岩在洞室截面上的两个主应力之 比。根据地应 力 实测和推算 ， 隧道 埋深 在 ３０～６０ｍ之间 时 ， 当 ０ ０ 洞室横 截而上
的 Ｒ ｓ ｎｓ ｕｓ ｅ 判据 、 ｕ ｈｎ ｏ 据和 Ｈ ｅ ｅ Ｔ ｒ ａｉ ｖபைடு நூலகம் ｃ ｎ ｏｋ判据 进 行岩 爆预 测。 其 中 Ｒ ｓ ｎｓ Ｈ ｅ ｕｓ ｅ 和 ｏｋ判据基 于 Ｒ ／ｏ 为最大 切 向应 力 ） ｅ ￣ｔ（ ｒ 判
断 ， Ｔ ｒ ａｉ ｖ 据考虑 了洞 轴 向应 力 钆 影 响 ， 于（ ｏ＋ 而 ｕｃ ｎ ｏ 判 ｈ ｎ 基 ｔ ｒ 钆 ）足 判别岩爆 。３ ， 种岩爆相应 的岩爆等级的界限值见表 ３ 。
５ １ ０ １ ５
方法 以测量深度深 ， 资料整理时不需要岩石弹性参 数参 与计 算 ，
以及可避免“ ” 力状态 的局 限性 和地 质条件 不均 匀性 等优 点 应
点， 在水利水 电、 交通 、 山等行业 的岩石 工程 以及地 球动力学 矿
—
研究 的各个领域得 到了广泛应用 。
大量研究表明 ， 多数情况下 ， 竖直主应力与上覆岩层 自重一 致 。对 于较深测孔 ， 可假设 岩体 中的一 个主应力 的方 向与竖
深 埋 长 隧道 地 应 力测 量 与岩 爆预 测分 析
景 锋 边 智 华 杨 火 平２ 刘 元 坤
（ ． 江 水 利 委 员会 长 江科 学 院 ， １长 湖北 武 汉 ４ ０１ ； ２ 长 江 水 利 委 员 会 长 江 三 峡勘 测 研 究 院 有 限公 司 ， 北 宜 昌 ４ ３０） ３０ ０ ． 湖 ４０ ３