地应力测试在大埋深铁路隧道建设的应用研究

地应力测试在大埋深铁路隧道建设的应
用研究
（2.西南石油大学机电工程学院，四川成都，610500）
摘要：在大埋深高应力隧道建设过程中，在隧道掌子面附近采用水压致裂法
进行地应力测试，判定地应力等级并进行围岩稳定性分析，以全面指导隧道开挖
施工作业及人员安全防护，确保建设工程过程安全受控。

结果表明：所选测试点
位附近应力场为超高应力水平，根据岩爆分级标准（阈值），在测试点附近区域
的隧道施工过程中，存在中等岩爆活动的可能。

对可能发生岩爆地段施工时，建
议遵循“以防为主，防治结合”的原则，及时研究施工对策措施，做好施工前的
必要准备。

关键词：水压致裂法；地应力测试；高应力；岩爆
1
0引言
地应力是人类工程活动前，天然状态情况下岩体或岩层内部存在的天然应力。

岩爆也称冲击地压，因洞室开挖扰动导致岩体应力平衡被打破，应力重分布而积
聚高水平应力，岩体发生强烈的岩块弹射破坏，是一种因围岩动力失稳而导致的
极具破坏性的地质灾害。

主要发生在花岗岩与闪长岩等硬质岩且埋深极大的地段。

对于大埋深长隧道工程建设中，开展原地应力测量，确定隧道开挖区域内的原地应力状态，准确确定工程岩土力学属性，进行围岩稳定性分析，是确保隧道工程建设安全与工程设
计科学合理的关键一环[1]。

目前，地应力测量方法有应力解除法、水压致裂法、应变恢复测
量法和Kaiser法等［2］。

本文采用水压致裂法对万家山隧道大埋深高应力铁路隧道进行地应
力测试，并根据测试结果对其岩爆等级进行了评价分析。

1工程概况
新建铁路宜昌至郑万联络线万家山隧道位于湖北省境内中低山区，隧道总体
近南东—北西走向（约323°)，处于横溪和腾落溪之间，全长12841.01m，最大
埋深606.5m；位于黄陵背斜核部附近，隧址区出露地层主要为晚元古代黄陵叠加
复式深成侵入岩体和震旦系沉积盖组成，产状为110～153°∠5～13°，基地岩
系与沉积盖成间以明显的区域性角度不整合为界，构造样式表现出明显的不协调。

其中侵入岩地层约占总面积的80%，主要为花岗闪长岩，属硬质岩，岩体较完整，局部较破碎。

区域内构造作用强烈，断裂构造发育，主要以北西西向区域性板仓
河大断裂为主，其次为近东西向、北东向及近南北向断裂等。

2地应力测试与结果分析
2.1 水压致裂法地应力测试原理
水压致裂原地应力测试原理以三个假设为前提[3]：
(1) 岩石是线弹性和各向同性的；
(2) 岩石是完整的，压裂液体对岩石来说是非渗透的；
(3) 岩层中有一个主应力的方向和孔轴平行。

力学模型可简化为平面应力问题，两个主应力σ1和σ2作用在半径为a的圆孔无限大平板上，根据弹性力学分析，圆孔外任意一点M处应力为：
（1）
在公式（1）中，σr为径向应力，σθ为切向应力，τrθ为剪应力，r为M
点到圆孔中心的距离。

r=a，即为圆孔壁上的应力状态:
（2）
由式(2)可得出孔壁A、B两点及其对称处(A′，B′)的应力集中分别为:
（3）
（4）
若σ1＞σ2，由于圆孔周边应力的集中效应，则σA＜σB。

圆孔内施
加液压大于孔壁上岩石所能承受的应力时，最小切向应力的位置（A点、对称点A′）产生张破裂。

破裂沿垂直于最小主应力方向扩展，此时孔壁产生破裂的外
加液压P b称为临界破裂压力=孔壁破裂处的应力集中加上岩石的抗张强度T hf，即：
（5）
考虑岩石中所存在的孔隙压力P0
（6）
垂直钻孔中测试地应力最大、最小水平主应力分别为σH和σh，即σ1=σH，σ2=σh。

当压裂段的岩石被压破时，P b公式：
（7）
孔壁破裂后，若继续注液增压，裂缝将向纵深处扩展。

若停止注液增压，保
持压裂回路密闭，裂缝将停止延伸。

由于地应力场作用，裂缝将迅速趋于闭合。

裂缝处于临界闭合状态时的平衡压力称为瞬时关闭压力P s=垂直裂缝面最小水平
主应力，即：
（8）
再次对封隔段增压，裂缝重新张开时，形成破裂重新张开压力P r。

因岩石已
破裂，抗张强度T hf＝0， (7)式改写成：
（9）
(7)式减(9)式得到岩石原地抗张强度：
（10）
根据(8)、(9)式得到最大水平主应力σH公式：
（11）
测量上覆岩石岩性，垂向应力用同一岩体密度计算：
（12）
式中为岩石密度，g为重力加速度；h为上覆岩石埋深。

2.2 测试点位选择与钻孔
万家山隧道应力分区测试点位选择在DK34+430处，埋深约283.59m，属高应
力区。

采用地勘钻机在底板靠近右边墙处进行Φ75mm垂直孔取芯钻探，钻深30m，岩芯如图1所示（岩性黑云母花岗闪长岩），岩样单轴饱和抗压强度为88.1～94.9MPa。

2.3 地应力测试及数据分析与处理
根据地层岩芯情况，确定了11.3-11.8m和17.15-17.65m两个段位采用水压
致裂法作为地应力测试压裂段，获得地层压裂与裂缝重张压力时程曲线如图2和
图3所示。

压力时程曲线标准、各压裂段重张压力、闭合压力在各次循环中清晰、明确，压裂参数具有良好的一致性，各个循环曲线规律性很强。

采用单切线法[4]
确定测段破裂压力p b、水压致裂面的瞬时闭合压力p s、测段处钻杆内水柱压力p w、裂缝重张压力p r以及岩层的孔隙水压力p0。

根据确定的压力参数及相关计算公式，得到测段岩体的最大水平主应力σH、最小水平主应力σh。

岩体压裂后采用印模定向法对裂缝方位进行测定，确定最大水平主应力方向。

地应力测试中，采用了武汉长盛TS-C1201智能钻孔三维电视成像仪对压裂裂缝
方位进行成像测量，成像如图4所示。

11.3-11.8m段位裂缝破裂方位为N21°E。

结合万家山隧道总体近南东—北西走向（约323°），确定裂缝破裂方向，即与
隧道走向（轴线）方向的夹角约为54～58°。

图1 钻孔岩芯
图2 11.3-11.8m段位的压裂与裂缝重张压力时程曲线
图3 17.15-17.65m段位的压裂与裂缝重张压力时程曲线
图4 11.3-11.8m段位裂缝破裂方向
地应力测量垂直孔轴线方向的最大初始应力：
（13）
式中，σH和σh为实测的最大、小水平主应力，M Pa；α为最大水平主应力与隧道走向夹角。

3 万家山隧道地应力状态与岩爆分级评价
岩爆分级系数S：
（14）
由式（14）可得岩爆等级系数分别为3.85和3.89。

根据岩爆分级标准（阈值），两段水压致裂地应力测试结果均在2～4范围内。

因此，在本钻孔的隧道洞身附近，地应力水平高，属极高应力区，存在中等岩爆活动。

表1 DK34+430水压致裂法地应力测试表
号
破
裂方向
()
测
段深度
(
m)
压裂参数
(MPa)
主应
力值(MPa)
(
MPa)
P
b
P
r
P
s
P
w
P
N
21°E
1
1.30-
1
1.80
1
8.25
1
4.89
1
2.78
.12
.12
2
3.57
1
2.90
2
2.87
N
17°E
1
7.15-
1
7.65
2
1.21
1
4.36
1
2.58
.17
.17
2
3.55
1
2.75
2
2.62
4 结论与建议
通过对埋深高应力隧道DK34+430位置垂直孔钻探进行水压致裂地应力测试，结果表明：隧道洞身附近区域地应力水平属于极高应力区，存在中等岩爆活动可能。

建议在极高应力区进行隧道开挖作业时：
4.1可能发生岩爆段落，加强超前地质预报与岩爆监测预警，重点预报掌子
面前方围岩岩性、构造、强度、完整性、地下水情况等，并与爆破振动监控相结
合进行综合分析；
4.2施工中根据岩爆特点，必要时选择更多点位开展地应力测试；
4.3对于预测中等及以上岩爆区段，还应开展爆破振动监测和预警工作；做
好岩爆发生的时间、位置、强度、频率等岩爆事件基本信息记录，总结岩爆规律，指导后续施工；
4.4在岩爆区段进行施工作业，对作业人员进行安全风险技术交底，并在现
场进行施工超前地质预报预警告知及风险因素告示牌。

开挖支护时为作业人员配
备防爆服、防暴头盔等安全防护用品及应急物资储备工作，距掌子面前方5m范
围设置安全防控区，在施工过程中加强人员及机械的防护；
4.5采用光面爆破开挖，确保开挖轮廓圆顺，减少应力集中，每循环进尺不
大于3m；增加开挖面喷雾射水，在开挖爆破后及时进行高压喷水，使开挖面充分
湿润；及时进行掌子面及洞周初喷混凝土，必要时加强初期支护增设钢筋网片和
锚杆，及时根据岩爆程度结合周边眼在轮廓线位置打设50超前应力释放孔，孔
间距及外插角根据岩爆多发部位及大小确定，同时在应力释放孔中喷灌高压水。

参考文献：
[1] 郭啟良, 伍法权,钱卫平,等. 乌鞘岭长大深埋隧道围岩变形与地应力关
系的研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(11): 2194～2199.
[2] 刘允芳，尹健民，刘元坤，等．地应力测量方法和工程应用[M]. 武汉: 湖北科学技术出版社，2014．
[3] 中国地震局. DB/T14《原地应力测量水压致裂法和套芯解除法技术规范》[S].北京.中国标准出版社.2018年.
[4] 陈兴强. 水压致裂法地应力测量常见误差与修正[J]. 铁道建筑, 2020, 60(3): 158-161.
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