空心包體原巖應力測量方法及其工程應用

高 峰

原巖應力是指巖體處于天然產狀條件下所具有的內應力，亦稱巖體初始應力。這種天然內生應力主要是由于在漫長的地質歷史時期中，地殼構造運動而產生的水平應力造成，還有上覆巖層的自重造成的內應力及其他應力。原巖應力是地殼地層力學狀態最基礎的原始數據，是確定工程巖體力學屬性，進行圍巖穩定分析、巖土工程設計和決策所必需的原始資料。要準確了解某一地區的原巖應力狀態必須進行原巖應力測量。近半個世紀以來，全世界范圍內發展起來的原巖應力測量方法有幾十種，但目前應用最廣泛的還是應力解除法[1，2]。

1 空心包體原巖應力測量方法

1.1 空心包體應變計

空心包體應變計主體為用環氧樹脂制成的空心圓筒(壁厚3 mm)，外徑為36 mm，內徑為 30 mm。在其中間層，即直徑35 mm處沿同一圓周等距離(120°)嵌埋著3組電阻應變花。每組應變花由 4支應變片組成，互相間隔45°(見圖1)。制作時，空心圓筒分兩步澆筑。首先澆筑一個直徑為35 mm的空心圓筒，在規定的位置貼好電阻應變花后，再澆筑外面一層，使其直徑達到36 mm。應變計頂部設有一補償應變片，以消除溫度變化對測量結果的影響[3-5]。

使用時將內部注滿膠結劑，并將一個帶有錐頭的柱塞用鋁銷釘固定在其口部以防膠結劑流出。使用定位器將應變計推入安裝小孔中，當錐形頭碰到小孔底后，用力推應變計，剪斷固定銷，柱塞便慢慢進入內腔，將膠結劑壓出，使之流入并充滿應變計和孔壁之間的環形槽內。待膠結劑固化后，應變計與孔壁牢固地膠結在一起，通過單孔就可以比較準確地測定一點的三維原巖應力狀態。

以環氧樹脂為基質的空心包體應變計的突出優點是安裝簡便迅速，成功率和可靠性高。

1.2 空心包體應力測量方法

應力解除技術是實現原巖應力擾動、開展實測最通用的方法。所謂鉆孔應力解除技術，就是將一個試塊通過取芯(套芯技術)從周圍巖體施加給它的應力場內隔離開來的方法。實際采用的空心包體類環氧樹脂三軸應變法的應力解除過程簡述見圖2。

1)打大孔:在巷道或峒室內，用鉆機向圍巖鉆進應力解除孔，孔深以巷道圍巖應力場的范圍為準，終孔點要不受巷道圍巖應力場的影響(一般為巷道跨度的 4倍～5倍)。鉆孔上傾3°～5°，便于水流出并易于清洗鉆孔。2)做錐形孔底:換錐形鉆頭做錐形孔底，以保證后面的小孔與大孔同心。3)打小孔:裝上φ 36 mm特制的小鉆頭，將小鉆頭頂到孔底，在鉆桿的孔口處標記，然后向內打20 cm。4)清潔小孔、包體安裝:小孔打好后，必須先吹凈孔內巖粉、反復擦拭小孔，保證粘結劑將包體與小孔巖壁粘結牢固。接長推桿將包體送入大孔中，記錄長度，保證包體成功安裝于小孔中。5)應力解除:包體安裝24 h后，環氧樹脂固化，將推桿和定向器拔出，記下應變計的偏角，并用羅盤測量出鉆孔的方位和傾角。接通應變儀每10 min讀數一次，讀數穩定時的數值為初始值。按25 mm分級深度套芯解除至一定深度后，將包含包體的巖芯折斷并取出，應變計讀數趨于穩定，不再解除。

1.3 數據處理

為了取得準確數值，通常在單孔中進行多次測量，運用統計方法分析測試結果，以減少測量誤差和人為誤差。根據現場取得資料，可利用地科院地質力學所開發的基于最小二乘法的KBJ-12型錨桿測力儀數據處理軟件進行計算，求得了最大、中間、最小應力的大小、方向和方位角。

2 工程實踐

2.1 地質概況

井田為二疊系下統山西組(P1s)，從K3砂巖底至K4砂巖底，巖性為灰白色砂巖，灰色～灰黑色砂質泥巖、泥巖及煤層。厚度41 m～87 m，平均62 m，含植物化石。5號煤層賦存于山西組的下部，煤層厚度1.0 m～3.3 m，平均2.2 m，煤層傾角 4°～ 6°，屬近水平煤層，含3層夾矸。頂板巖性為灰黑色泥巖，局部為細砂巖，比較穩定。底板巖性為灰黑色砂質泥巖，局部為粉砂巖。

2.2 測試地點選擇

1)測點原巖應力狀態應能反映該區域的一般情況，所選地點應具有代表性，針對煤礦實際情況，選點的重點區域應集中在主產采區，一個采區至少布置一個測點。2)受原巖應力測試方法的限制，測點應盡可能地在較完整、均質、層厚合適的煤層頂板的穩定巖層中進行。3)應避免原巖應力測點的應力狀態受到采煤、掘進等附加應力場的影響，盡量遠離采煤工作面、采空區、掘進頭和交叉點等應力集中區域，特別要遠離斷層，避開巖石破碎帶、斷裂發育帶。4)根據巖石力學分析，地應力測孔深度至少為巷道寬度的3倍～5倍，使應變傳感器位于影響范圍以外;在實際測量中，根據巖石的強度、變形條件不同，設置不同深度的鉆孔，在地應力不發生變化的范圍測得地應力。根據礦區生產實際情況和科研需要將測點定于5-201巷。

2.3 原巖應力測試技術參數與測試數據

1號測點原巖應力實測選用的技術參數如表1所示。

表1 原巖應力測試技術參數表

將實測數據導入專用處理軟件，得到的應變—鉆進解除距離曲線如圖3所示。

由圖3原巖應力測量應變—解除距離曲線可以看出，套芯法應力解除曲線總體變化趨勢明顯，大體可分為3個階段:

1)應變平緩區。應力解除初始階段，解除位置距離應變片位置較遠，應變片受影響程度較小，表現為實測應力解除曲線較為平緩。2)應變劇變區。隨著應力解除深度增加至12 mm～21 mm，即解除深度逐步逼近應變片時，應變數值急劇變化;一般在應力解除達到應變片上方附近位置時，應變量達到最大。3)應變穩定區。應力解除深度超過21 mm后，應變計測量值受應力解除的影響程度變小，應變值逐漸趨于穩定，表現為應力解除曲線趨向水平?？梢钥闯?，測點應力解除曲線總體質量良好，未發現感測性能明顯異常的應變片，說明應力解除過程較為成功，從而保證了原巖應力計算結果的準確性。

3 結語

傳統的巖石工程開挖設計和施工一般是根據經驗進行的。在開挖活動的規模和深度較小的情況下，經驗類比方法是有效的。但是隨著開挖規模的不斷擴大和逐步向深部發展，特別是大型礦山、水電站、大壩、大斷面地下隧道、地下洞室以及高陡邊坡等出現后，經驗類比方法就逐漸失去了作用，單純依據經驗開挖施工，就不足以保障地下工程的穩定性。在現場調查研究的基礎上，合理選擇原巖應力測點，采用空心包體法得到應力實測資料，結合數值模擬及現場實時動態監測，從而達到巖土工程合理設計，提高工程整體的穩定性。

[1] 蔡美峰.原巖應力測量技術和原理[M].北京:科學出版社，2000.

[2] 王連捷，潘立宙.原巖應力測量及其在工程中的應用[M].北京:地質出版社，1991.

[3] 喬 蘭，蔡美峰.應力解除法在某金礦原巖應力測量中的新進展[J].巖石力學與工程學報，1995，14(1):25-32.

[4] 李梅梅，關英斌，金瞰昆.利用應力解除法測量顯德旺煤礦原巖應力[J].河北建筑科學學院學報，2003，19(1):67-70.

[5] 張延新，蔡美峰，王克忠.平頂山一礦地應力分布特征[J].巖石力學與工程學報，2004，23(23):4033-4037.