地應(yīng)力測量在隧道地質(zhì)中的應(yīng)用

地應(yīng)力測量在隧道地質(zhì)中的應(yīng)用

1巖爆發(fā)生的發(fā)生機(jī)制巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)巖石地下工程的常見災(zāi)害。通常，它通常表現(xiàn)為鱗片掉落、嚴(yán)重的片面，伴有聲音強(qiáng)烈反射、巖屑爆炸、能量突然釋放、孔室突然受損等現(xiàn)象，以及給人員、設(shè)備和建筑物的安全帶來巨大的破壞。為指導(dǎo)地下洞室合理的開挖設(shè)計與施工,如何在初期勘測階段判斷圍巖巖爆的可能性顯得非常重要。國內(nèi)外學(xué)者從多個途徑對巖爆的成因與觸發(fā)條件進(jìn)行了有益的探索,其中以地應(yīng)力因素作為巖爆發(fā)生的主要判別依據(jù)已逐漸成為共識?，F(xiàn)場地應(yīng)力測量是獲得地應(yīng)力值的重要手段。目前地應(yīng)力測量的方法有多種,如水壓致裂法、應(yīng)力解除法(如孔徑法、孔壁法及孔底法),聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)法等,其中水壓致裂法是迄今為止進(jìn)行深部地應(yīng)力測量最有效的手段,它具有很多突出優(yōu)點:資料整理不需要巖石彈性常數(shù)參與計算,巖壁受力范圍廣,可利用現(xiàn)有的地質(zhì)勘探鉆孔進(jìn)行測量,操作簡便等。本文介紹了某超長鐵路隧道水壓致裂法地應(yīng)力測量結(jié)果及地應(yīng)力場的趨勢分析,并預(yù)測了隧道圍巖發(fā)生巖爆的可能性。2隧道地質(zhì)概況位于福建省某在建鐵路的某隧道全長21.1km,最大埋深810m。隧址區(qū)為構(gòu)造剝蝕中低山地形,火山巖地貌,溝谷多為“V”形谷,線路經(jīng)過地區(qū)多為懸崖峭壁。在復(fù)雜的區(qū)域構(gòu)造背景下,區(qū)內(nèi)構(gòu)造顯得比較復(fù)雜,主要發(fā)育有脆性斷裂,褶皺不發(fā)育。測區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷裂主要有:北東(東)向斷裂、北(北)西向斷裂。測區(qū)內(nèi)主要斷層時代為燕山晚期,走向為北東(東)、北(北)西。在隧道地質(zhì)勘察中,利用兩個地質(zhì)鉆孔(ZK1和ZK2)進(jìn)行了水壓致裂法地應(yīng)力測量。ZK1附近有兩條張性斷層:F1斷層產(chǎn)狀160°∠80°,長度約1km,寬約1.5m,與線路夾角約20°;F2斷層產(chǎn)狀340°～345°/⊥,長度12.5km,寬約0.4m,與線路夾角80°。ZK2附近發(fā)育F3斷層,產(chǎn)狀60°∠75°,長度約6km,寬約1～8m,與線路夾角57°。該斷層帶內(nèi)巖石破碎,有石英脈貫入,斷層性質(zhì)為張性。上、下盤影響帶寬度各約20m,節(jié)理裂隙發(fā)育。另有F4斷層產(chǎn)狀為160°∠75°,長度>1.5km,寬約1m,斷層性質(zhì)為張性。F5斷層產(chǎn)狀為140°～160°∠80°,長度約10.5km,寬約1～13m,斷層性質(zhì)為壓性逆沖—左行平移。隧道地質(zhì)概況及測孔布置見圖1和圖2。ZK1鉆孔深度239m,主要為晶屑凝灰熔巖,在深度105m以下完整巖體中進(jìn)行地應(yīng)力測量。ZK2鉆孔深度361m,同為晶屑凝灰熔巖,在深度123m以下完整巖體中測量。3測量結(jié)果表明，地應(yīng)力的結(jié)果與分析3.1水平主應(yīng)力與巖石埋深的關(guān)系根據(jù)現(xiàn)場鉆孔巖芯的完整性選取合適的試驗段,在兩測孔均成功獲得10點壓裂資料,并計算各測點的最大、最小水平主應(yīng)力值。通過壓裂縫定向印模,獲得了最大水平主應(yīng)力方向。最大(小)水平主應(yīng)力值隨深度的分布關(guān)系見圖3。測量結(jié)果表明,ZK1測孔在105.0～225.0m深度范圍的最大水平主應(yīng)力為4.5～14.0MPa,最小水平主應(yīng)力為3.5～9.5MPa,鉛直應(yīng)力為2.8～6.1MPa。最大水平主應(yīng)力的側(cè)壓系數(shù)(λH=σH/σZ)為1.6～2.3,最小水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)(λh=σh/σZ)為1.6～1.9。根據(jù)測量資料進(jìn)行線性回歸,得出的水平主應(yīng)力與巖石埋深的擬合公式見式(1):{σH=0.0496H+2.3969σh=0.0339H+2.0259(1){σΗ=0.0496Η+2.3969σh=0.0339Η+2.0259(1)式中:σH為最大水平主應(yīng)力,σh為最小水平主應(yīng)力,H為巖石埋深。ZK2測孔在123.0～358.2m深度范圍的最大水平主應(yīng)力為8.4～12.5MPa,最小水平主應(yīng)力為6.5～9.9MPa,鉛直應(yīng)力為3.3～9.7MPa。最大水平主應(yīng)力的側(cè)壓系數(shù)(λH=σH/σZ)為1.2～2.5,最小水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)(λh=σh/σZ)為0.9～2.0。根據(jù)測量資料進(jìn)行線性回歸,得出的水平主應(yīng)力與巖石埋深的擬合公式見式(2):{σH=0.0199H+5.6219σh=0.0166H+4.0693(2){σΗ=0.0199Η+5.6219σh=0.0166Η+4.0693(2)式中:σH為最大水平主應(yīng)力,σh為最小水平主應(yīng)力,H為巖石埋深。壓裂縫定向印模結(jié)果顯示,ZK1孔的最大水平主應(yīng)力方向為N48°～53°E;ZK2孔的最大水平主應(yīng)力方向N71°～77°E。3.2zk2測孔應(yīng)力分布及地質(zhì)構(gòu)造由圖3可知,兩測孔水平主應(yīng)力量值隨深度增大的線性趨勢明顯。相對而言,ZK1孔的水平主應(yīng)力值(σH和σh)隨深度增大的梯度約為ZK2孔的兩倍。鉆孔巖芯與地質(zhì)資料表明,這個差別與兩測孔所處的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境有關(guān),測孔ZK1位于F1及F2兩斷層的復(fù)合部位或其影響帶內(nèi),應(yīng)力分布復(fù)雜,特別是ZK1孔105.0m測點正好處于斷層帶內(nèi),兩個主應(yīng)力很接近。因此,F1測孔獲得的應(yīng)力分布規(guī)律僅能代表測孔附近局部應(yīng)力,式(1)更適合反映斷層處的應(yīng)力狀態(tài)。ZK2測孔距離斷層較遠(yuǎn),測量深度相對較大,所以測量成果受地質(zhì)構(gòu)造的影響較小,更能代表隧道區(qū)完整巖體的應(yīng)力分布趨勢。ZK2測孔底部(即埋深230m的隧道圍巖)的水平主應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)λH=σH/σZ=1.3,λh=σh/σZ=1.0。其它部位隧道圍巖埋深多在250～800m,隨著埋深增大,側(cè)壓力系數(shù)有所減小。依據(jù)ZK2鉆孔的測量成果,建議采用式(3)所示應(yīng)力分布關(guān)系作為整個隧道圍巖的地應(yīng)力趨勢:?????σH=1.15γHσh=0.9γHσZ=γH(3){σΗ=1.15γΗσh=0.9γΗσΖ=γΗ(3)式中:σH為最大水平主應(yīng)力,σh為最小水平主應(yīng)力,σZ為鉛直應(yīng)力,H為巖石埋深。根據(jù)地質(zhì)資料,隧道穿越的山脈走向為NNE,測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要為NE(E)及NNW向斷裂,且NEE向斷裂為左行平移斷層(圖2)。而實測最大水平主應(yīng)力方向為NE～NEE,與地形及構(gòu)造條件相符,故建議整個隧道圍巖最大水平主應(yīng)力方向為N70°E。4隧道施工期間巖爆評價分析4.1巖爆的強(qiáng)度理論常用的巖爆研究方法主要有強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論、失穩(wěn)理論等,其中強(qiáng)度理論是從巖石強(qiáng)度和地應(yīng)力關(guān)系的角度來分析巖爆發(fā)生的可能。本文采用三種基于強(qiáng)度理論的巖爆判別法。4.1.1巖爆烈度計算Russenes巖爆判別法是根據(jù)洞室的最大切向應(yīng)力σθ與巖石點荷載強(qiáng)度Is的關(guān)系,建立了巖爆烈度關(guān)系圖。把點荷載強(qiáng)度Is換算成巖石的單軸抗壓強(qiáng)度RC,并根據(jù)巖爆烈度關(guān)系圖判別是否有無巖爆發(fā)生。其判別關(guān)系式如下:???????????σθ/RC<0.200.20≤σθ/RC<0.300.30≤σθ/RC<0.50σθ/RC≥0.55無巖爆弱巖爆中巖爆強(qiáng)巖爆(4){σθ/RC<0.20無巖爆0.20≤σθ/RC<0.30弱巖爆0.30≤σθ/RC<0.50中巖爆σθ/RC≥0.55強(qiáng)巖爆(4)4.1.2軸抗壓強(qiáng)度rc之比值的確定Turchaninov巖爆判別法是根據(jù)科拉島希賓地塊的礦井建設(shè)經(jīng)驗,提出了巖爆活動性由洞室切向應(yīng)力σθ和軸向應(yīng)力σL之和與巖石單軸抗壓強(qiáng)度RC之比值確定:???????????(σθ+σL)/RC≤0.30.3<(σθ+σL)/RC≤0.50.5<(σθ+σL)/RC≤0.8(σθ+σL)/RC>0.8無巖爆有巖爆可能肯定發(fā)生巖爆有嚴(yán)重巖爆(5){(σθ+σL)/RC≤0.3無巖爆0.3<(σθ+σL)/RC≤0.5有巖爆可能0.5<(σθ+σL)/RC≤0.8肯定發(fā)生巖爆(σθ+σL)/RC>0.8有嚴(yán)重巖爆(5)4.1.3分子質(zhì)量比對Hoek等總結(jié)了南非采礦巷道圍巖破壞的觀測結(jié)果,提出了對巖爆分級的判別式:σθ/RC=???????????0.340.420.560.70少量片幫嚴(yán)重片幫需重型支護(hù)有嚴(yán)重巖爆(6)σθ/RC={0.34少量片幫0.42嚴(yán)重片幫0.56需重型支護(hù)0.70有嚴(yán)重巖爆(6)以上三種判別法都是通過一定的巖爆工程實例總結(jié)出來的,式(4)、式(6)僅顯示出σθ和RC的影響,沒有考慮軸向應(yīng)力σL的影響,Turchaninov判別法則克服了這一缺點。在對整個隧道進(jìn)行巖爆預(yù)測時,需綜合運用上述三種判別法分析。4.2根據(jù)隧道埋深的范圍計算分析根據(jù)勘察資料,隧道圍巖主要是硬質(zhì)脆性的晶屑凝灰熔巖,其抗壓強(qiáng)度(RC)為80MPa,巖石容重(γ)為27kN/m3。應(yīng)用上列三個巖爆判別方法及式(3)建議的圍巖應(yīng)力狀態(tài),可以估算發(fā)生不同等級巖爆的隧道埋深范圍,詳見表1。綜合分析可知,隧道埋深小于240m時,不會發(fā)生巖爆;埋深在250～400m范圍,有可能發(fā)生輕微巖爆;埋深在400～670m范圍,有可能發(fā)生中等巖爆;埋深大于670m時,會發(fā)生嚴(yán)重巖爆。由于影響巖爆發(fā)生的因素很多,除地應(yīng)力因素外,還有巖石性狀、地質(zhì)構(gòu)造、隧洞形狀及開挖方式等,且隧道沿線的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地應(yīng)力分布都比較復(fù)雜,所以上述預(yù)測結(jié)果還應(yīng)根據(jù)實際條件綜合分析。5圍巖地應(yīng)力分析通過對隧道區(qū)兩個鉆孔的地應(yīng)力測量與巖爆分析,得出以下結(jié)論:(1)