套孔應力解除法在大峽谷隧道出口端的應用

葉少波

（四川公路橋梁建設集團有限公司，四川 成都 610093）

0 引言

在深埋硬巖隧道中施工常常面臨著巖爆的問題[1-4]。巖爆指的是在高地應力環境下，積聚過多彈性應變能的硬脆巖石在受到擾動后其彈性應變能突然釋放的過程，在工程上常常表現為洞頂巖塊掉落、掌子面巖塊彈射等動力失穩現象。相關研究已表明，巖爆的發生主要受控于隧址區巖性和地應力[5-6]。工程上常常通過現場地應力測量的方式來確定隧道是否處于高地應力環境，是否具備巖爆發生條件，從而確定合理安全的快速施工方式。

本文依托大峽谷隧道工程，采用鉆孔套芯應力解除法對隧道出口端進行地應力測量，研究分析隧道出口端初始地應力的分布規律，進而指導大峽谷隧道出口端快速安全施工。

1 工程概況

大峽谷隧道出口端位于四川省雅安市漢源縣烏斯河鎮，隧道全長12.146 km，埋深高達1 944 m，屬于典型的深埋特長隧道。整條線路穿越的巖性以層狀白云巖為主，巖性單一、巖質硬脆，圍巖等級為III級。通過大量文獻調研，巖性單一、巖質硬脆的圍巖在高地應力環境下會由于積累過高的彈性應變能而極易發生巖爆[4，6-7]。進而急需對大峽谷隧道出口端展開地應力測量，研究分析地應力分布規律，嚴防隧道巖爆事故，保證工程安全快速進行。

2 測試方法及原理

2.1 測試方法及儀器

工程上用于原巖地應力測量的方法有直接法和間接法，使用最多的是應力解除法和水壓致裂法[8-9]。而以應力解除法為基本原理的空心包體應變計由于可以在一個鉆孔中一次性測得原巖全部六個應力分量而廣泛應用于礦山、隧道等工程[10]。借鑒以往工程經驗，同樣采取空心包體應變計進行隧道出口端地應力測量，選用KX－2021型地應力計，如下圖1所示。

圖1 KX－2021型空心包體地應力計Fig.1 KX-2021 hollow inclusion geostress meter

包體工作長L=180 mm，外徑D=36 mm，于中部位置布置著間距120°的A、B、C三組應變花，每組含4個應變片，兩兩之間間隔45°，如下圖2所示。

圖2 應變花布圖Fig.2 Strain pattern

2.2 測試原理

空心包體地應力計是通過測試鉆孔內原巖應變并通過巖石的本構關系間接計算出鉆孔坐標系（xyz）下原巖6個應力分量，再通過坐標轉換得到大地坐標系（XYZ）下的6個應力分量，從而得出主應力 σ1、σ2、σ3的大小和方向。

原巖某一點處存在如下圖3所示相互制衡的六個原巖應力分量 σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx，這 6 個分量表征了該點處的應力狀態。由于地殼構造運動導致原巖中的構造應力極其復雜，一般很難通過理論分析得出其實際大小。但可以通過擾動原巖，使其從原有平衡過渡到新的平衡狀態，同時再借助空心包體地應力計記錄整個再平衡的過程，得到原巖產生的應變，最后通過計算間接獲得原巖應力。

圖3 原巖中某點的應力狀態Fig.3 Stress state of a point in original rock

原巖應力可通過下式[11]計算：

式中：εθ、εz、γθz分別為周向應變、軸向應變、剪切應變；ε±45為與鉆孔軸成45°方向的應變。

2.3 巖石彈性模量和泊松比的測定

將取出的巖芯放入率定儀，再施加不同大小圍巖圍壓并讀取應變值，通過數據擬合可得出應力應變近似為線性關系，可用式ε=A+Bp表達，同時根據擬合的直線可求出A、B。其中彈性模量E和泊松比ν可用下式計算：

式中：r為巖芯內孔半徑；R為巖芯外徑；P0為圍壓；K1為由實驗確定的系數；εθ為周向應變；εz為軸向應變。

3 測試方案

3.1 測點選擇

為防止爆破開挖對鉆孔的不利影響，鉆孔位置須遠離掘進掌子面；為了得到更精確的原巖應力，測孔深不應小于1.5D（D為洞徑）；同時為了排水出渣，測孔須有一定的仰角，測孔布設如圖4所示。具體參數見表1。

圖4 測孔位置布設Fig.4 Measuring hole position layout

表1 地應力測試鉆孔位置Tab.1 Borehole position of in-situ stress test

3.2 現場測試步驟

現場測量步驟簡化圖如圖5所示。

圖5 測試步驟Fig.5 Test steps

（1）打設大孔

在測點位置采用TAZYE-370P-D7H型履帶式液壓淺孔鉆機打設深18.38 m、直徑?=130 mm的大孔，現場取芯良好，在孔底附近存在巖芯餅化現象，如圖6所示。

圖6 巖芯餅化現象Fig.6 Core cake phenomenon

（2）打設小孔

首先將孔底磨平，再用?=36 mm的小鉆頭打設直徑?=36 mm、深0.31 m的同心小孔。

（3）安裝空心包體應力計

首先精確計算孔深，拼接好對應長度的導向桿，同時混合A、B膠并攪拌5 min做好黏結劑；綁定好應力計后向里面灌入黏結劑；最后將應力計推送到預定位置。

（4）套孔取芯

待安裝儀器30 h左右后，可進行套孔取芯。取芯之前先接好應變計連線，再進行調零，最后方可進行應力解除。套孔過程中需要同步監測，每進尺1 cm讀一次數，直到讀數穩定后取出巖芯，如圖7所示。

圖7 套孔取芯Fig.7 Sleeve coring

套孔取芯過程中，傳感器記錄的測試數據見表2。

表2 鉆孔方位角及轉角Tab.2 Borehole azimuth and rotation angle

3.3 現場測試結果

巖石是一種彈塑性材料，在受力后會產生相應的彈塑性變形，當巖石受力未超過其彈性極限時僅發生彈性變形，此變形將在卸壓后復原。鉆孔套芯后（對應著卸壓）巖芯將恢復變形，由于應變片與巖芯很好地黏結在了一起，繼而應變計會產生同步變形。

在鉆孔的過程中，巖芯的受力逐漸解除，包體應力計記錄的12個應變值不斷波動，直到鉆孔全部覆蓋空心包體應變計后，數據波動速率才緩慢降下，最終穩定，最終數值如表3所示。通過表3可以看出，在B組應變片存在最大應變，其值高達3 019×10-6，可初步判定測點處地應力偏大。

表3 最終穩定應變值（單位：10-6）Tab.3 Final stable strain value（unit：10-6）

4 數據后處理

4.1 室內試驗

將獲得的巖芯加工成標準試件，如圖8所示，通過單軸壓縮等室內試驗得到巖芯的物理力學參數，如表4所示。

表4 最終穩定應變值（單位：10-6）Tab.4 Final stable strain value（unit：10-6）

4.2 地應力計算結果

將測出的彈性模量、泊松比等巖石材料參數與現場空心包體應變計測出的應變值、傳感器測出的A片轉角等導入后處理計算軟件中，可計算得到測點處地應力大小和方向。具體結果見表5、表6。

表5 測點應力分量表Tab.5 Measuring point stress component table

表6 測點主應力計算表Tab.6 Calculation table of measuring point principal stress

由表5、6可知，所測最大主應力 σ1=42.69 MPa，與隧道軸線方向的傾角為 5.16°，近似為水平主應力，同時可根據方位角的計算得出最大主應力方向與隧道軸線方向夾角為 68.33°；中間主應力σ2=26.86 MPa，與隧道軸線方向夾角為 84.77°，近似為豎向主應力；最小主應力 σ3=15.41MPa，與水平方向夾角為 0.87°，為水平應力。

由表6還可看出，最大水平主應力遠大于豎向主應力，兩者的關系為σ1≈1.59σ2，說明大峽谷隧道地應力場以水平構造應力場為主導；同時最大水平主應力也遠大于最小水平主應力，兩者的關系為σ1≈2.77σ3。

4.3 地應力水平評價

參考《工程巖體分級標準》（GB50218—2014），可用下式對大峽谷隧道出口端K83+900處地應力水平進行評價。

式中，Q為原巖所處應力環境的評價指標，當Q〈 4時，為極高應力狀態，當Q=4～7時，為高應力狀態；Rc為巖石抗壓強度，MPa；σmax為最大地應力，MPa；

巖石抗壓強度Rc和隧道洞身最大地應力σmax可參考表4取值，由公式可以得出Q=4.3，其值在4～7之間，表明隧道在出口端地應力環境屬于高應力狀態，隧道在開挖掘進過程中遇到巖爆的概率較高，施工時需要預防塊體彈出。

5 結語

根據大峽谷隧道出口端右洞K83+900處地應力測量結果可知隧道出口端地應力場以構造應力場為主，其圍巖應力環境為高應力狀態，有可能發生強烈巖爆，為確保施工安全快速進行，建議綜合采用超前地質探測、預加固和預支護等措施，降低隧道施工風險。

同時建議優化施工方案，采用短進尺、弱爆破的施工方式以減少對圍巖的擾動，還可以在掌子面打設泄壓孔，加快開挖面為巖應力釋放。