基于應(yīng)力解除法在軟巖深埋隧道地應(yīng)力測(cè)試與分析

鄭小洋 吳耀宗 胡赟 何小波

摘要 文章對(duì)深埋高地應(yīng)力隧道工程實(shí)例，采用應(yīng)力解除法對(duì)其地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試與分析，并針對(duì)高地應(yīng)力地區(qū)隧道的施工提出了幾點(diǎn)建議。測(cè)試結(jié)果表明，該次測(cè)試選取的三個(gè)點(diǎn)均位于極高地應(yīng)力地帶，在高地應(yīng)力地區(qū)進(jìn)行隧道施工時(shí)應(yīng)該提前做好高地應(yīng)力開(kāi)挖及施工應(yīng)對(duì)措施，避免變形或坍塌，確保支護(hù)及襯砌施作后的安全性；施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)掌子面地質(zhì)素描及圍巖變形觀測(cè)。

關(guān)鍵詞 深埋隧道；高地應(yīng)力；應(yīng)力解除法

中圖分類(lèi)號(hào) TU195文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）08-0134-03

0 引言

地應(yīng)力是指原存于地殼地層中未受到工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，也稱(chēng)原巖應(yīng)力或巖體初始應(yīng)力[1]。在隧道工程中，地應(yīng)力是使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形甚至破壞的最根本作用力[2]，因此探明隧道結(jié)構(gòu)所處區(qū)域地應(yīng)力至關(guān)重要，尤其是在超大埋深、超大地應(yīng)力地區(qū)。目前國(guó)內(nèi)有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)三類(lèi)測(cè)試地應(yīng)力的方法，毫無(wú)疑問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是其中最為準(zhǔn)確的測(cè)試方法[3]。

1 工程概況

籃家?guī)r隧道是連接茂縣和綿竹的控制性工程，隧址區(qū)地處龍門(mén)山深切割的中高山區(qū)，地形陡峻，地表沖溝發(fā)育，屬中造蝕地貌，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，褶皺和斷裂發(fā)育，巖層具有變形強(qiáng)、變質(zhì)低的特點(diǎn)。隧道進(jìn)口里程K43+206，出口里程K51+355，全長(zhǎng)8 149 m，隧道最大埋深為1 800 m，設(shè)計(jì)為單洞雙線(xiàn)隧道。

K47+150段至隧道出口段地層巖性主要以千枚巖為主，千枚巖易發(fā)生塑性大變形，設(shè)計(jì)為單洞雙線(xiàn)隧道。該隧道設(shè)計(jì)施工期間，有三個(gè)方面位居全國(guó)第一：①單洞兩車(chē)道對(duì)向行車(chē)隧道+平導(dǎo)長(zhǎng)度位居全國(guó)第一；②隧道埋深位居全國(guó)第一；③高地應(yīng)力軟巖大變形段落的長(zhǎng)度位居全國(guó)第一。可見(jiàn)，籃家?guī)r隧道埋深大，地質(zhì)情況復(fù)雜。

2 地應(yīng)力測(cè)試

2.1 地應(yīng)力測(cè)試方法

目前國(guó)內(nèi)地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法中使用最為廣泛的兩種分別為水壓致裂法和應(yīng)力解除法。水壓致裂法是以彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)選取一段基巖裸露的鉆孔，用封隔器將上下兩端密封起來(lái)；然后注入液體，加壓直到孔壁破裂，并記錄壓力隨時(shí)間的變化，并用印模器或井下電視觀測(cè)破裂方位；然后根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)和彈性力學(xué)公式計(jì)算得到地應(yīng)力的大小與方向[4]。應(yīng)力解除法的原理是地下某點(diǎn)的巖體在應(yīng)力作用下處于三向壓縮狀態(tài)，當(dāng)人為解除其應(yīng)力時(shí)，一定會(huì)發(fā)生彈性恢復(fù)，測(cè)定其恢復(fù)的應(yīng)變，利用彈性力學(xué)公式則可算出巖體初始應(yīng)力，即破壞聯(lián)系，解除應(yīng)力；彈性恢復(fù)，測(cè)出變形；根據(jù)變形，轉(zhuǎn)求應(yīng)力[5]。

應(yīng)力解除法是目前歷史最為悠久的一種地應(yīng)力測(cè)試方法，具有許多的優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)和對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，該次隧道地應(yīng)力測(cè)試選用的就是空心包體應(yīng)力解除法。

2.2 測(cè)試設(shè)備

此次應(yīng)力解除法使用設(shè)備如下：

（1）防爆智能型采集儀。

（2）KX-2002型空心包體應(yīng)力計(jì)。

（3）KX-2002型圍壓率定儀。

（4）KX-2002型定向儀。

（5）專(zhuān)用Φ130 mm薄壁金剛石取芯鉆頭。

（6）專(zhuān)用Φ130 mm磨平金剛石鉆頭。

（7）專(zhuān)用Φ130 mm錐形金剛石鉆頭。

（8）專(zhuān)用Φ36 mm實(shí)心金剛石鉆頭。

（9）洗孔器、導(dǎo)向器等配件。

空心包體地應(yīng)力測(cè)量相關(guān)設(shè)備，如圖1所示。

2.3 地應(yīng)力測(cè)試步驟

應(yīng)力解除法測(cè)試地應(yīng)力的主要步驟：

（1）測(cè)點(diǎn)選擇。該次地應(yīng)力測(cè)試選擇測(cè)點(diǎn)有三個(gè)，如表1所示。

（2）鉆大孔。在測(cè)點(diǎn)的預(yù)定方向利用鉆機(jī)打應(yīng)力解除孔，直到不受除了鉆孔以外其他工程影響的位置。該次隧道地應(yīng)力測(cè)試鉆孔直徑均為130 mm。

（3）取出巖芯并用平鉆頭磨平孔底。

（4）錐形鉆頭打漏斗狀喇叭口。

（5）鉆小孔。在大孔的同心位置鉆一個(gè)小孔，保證小孔垂直，孔壁光滑。該次隧道地應(yīng)力測(cè)試小孔直徑均為36 mm。

（6）安裝貼有應(yīng)變花的測(cè)試探頭，讀取初讀數(shù)。

（7）套鉆包有探頭的巖芯進(jìn)行應(yīng)力釋放。

（8）讀取終讀數(shù)。

地應(yīng)力測(cè)試步驟圖解，如圖2所示。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

在鉆孔的過(guò)程中，巖芯的受力會(huì)逐漸解除，這一期間空心包體應(yīng)力計(jì)記錄的12個(gè)應(yīng)變值會(huì)不斷變化，記錄值會(huì)在空心包體應(yīng)力計(jì)被鉆孔全部覆蓋后趨于穩(wěn)定，這一穩(wěn)定值即為用于計(jì)算地應(yīng)力的最終應(yīng)變值[6]。3個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力解除后的最終穩(wěn)定應(yīng)變值如表2所示。

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)附近取得巖芯后，在實(shí)驗(yàn)室中加工得到標(biāo)準(zhǔn)試件，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定巖芯彈性模量，具體數(shù)值如表3所示。

3.3 地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)實(shí)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)、測(cè)點(diǎn)巖石力學(xué)參數(shù)及鉆孔的幾何參數(shù)，使用地應(yīng)力計(jì)算專(zhuān)用計(jì)算機(jī)軟件，即可分析計(jì)算得出該測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力分量及主應(yīng)力的大小和方向，地應(yīng)力測(cè)試計(jì)算結(jié)果如表4和表5所示。

3.4 地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

從檢測(cè)結(jié)果中可以看出：

（1）籃家?guī)r隧道PDK48+753測(cè)點(diǎn)處的埋深為1 077 m，該次在測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的原位地應(yīng)力σ1在58.4 MPa范圍內(nèi)，σ2、σ3的值在20～30 MPa。該段圍巖地應(yīng)力已超出高地應(yīng)力范疇，屬于極高地應(yīng)力，而掌子面揭露巖性為千枚巖（軟巖）夾有灰?guī)r（硬巖）。因此，產(chǎn)生極高地應(yīng)力的原因除與隧道埋深相關(guān)外，還與巖體中巖性不均，導(dǎo)致應(yīng)力集中有關(guān)。

（2）籃家?guī)r隧道PDK48+270測(cè)點(diǎn)處的埋深為1 353 m，該次在測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的原位地應(yīng)力σ1在54.9 MPa范圍內(nèi)，σ2、σ3的值在20～30 MPa。該段圍巖地應(yīng)力已超出高地應(yīng)力范疇，屬于極高地應(yīng)力。

（3）籃家?guī)r隧道PDK47+984測(cè)點(diǎn)處的埋深為1 595 m，該次在測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的原位地應(yīng)力σ1在58.7 MPa范圍內(nèi)，σ2、σ3的值在20～30 MPa。該段圍巖地應(yīng)力已超出高地應(yīng)力范疇，屬于極高地應(yīng)力。

3.5 高地應(yīng)力段落支護(hù)措施

所測(cè)三處測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力值均為極高地應(yīng)力，針對(duì)該段落極高地應(yīng)力對(duì)隧道安全帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)措施，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況選用的襯砌支護(hù)參數(shù)為導(dǎo)洞采用PG2型襯砌、主洞采用ZG2型襯砌，支護(hù)參數(shù)如表6所示。

4 結(jié)論與建議

該文中所測(cè)三處測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力值均為極高地應(yīng)力，針對(duì)極高地應(yīng)力區(qū)隧道施工，提出以下施工建議：

（1）提前釋放應(yīng)力。建議隧道施工應(yīng)做好高地應(yīng)力開(kāi)挖措施，提前釋放地應(yīng)力及排放可能存在高壓地下水等（如開(kāi)挖時(shí)先采用潛孔鉆超前打孔，或采用CD或CRD法短進(jìn)尺進(jìn)行開(kāi)挖，超前鉆孔和小斷面開(kāi)挖有利于高地應(yīng)力的釋放）。避免變形或坍塌，確保支護(hù)及襯砌施作后的安全性。

（2）施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)掌子面地質(zhì)素描及圍巖變形觀測(cè)。

（3）加強(qiáng)支護(hù)措施。建議應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)、初期支護(hù)參數(shù)，加大開(kāi)挖及初期支護(hù)預(yù)留變形量。

參考文獻(xiàn)

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