隧道地應力檢測方法

『壹』 初始地應力水力壓裂法測試成果及分析

4.1.1 地應力水力壓裂法測試成果

20世紀60年代末，美國人費爾赫斯特(C.Fairhurst)和海姆森(B.C.Haimson)提出了用水壓致裂法測量地應力的理論。至80年代，這一方法已在全世界范圍內得到了較為廣泛的應用。該方法的突出優點是能夠測得深部的地應力值，這是應力解除法所無法達到的。水壓致裂法測量結果只能測得垂直於鑽孔平面內的最小主應力(S_h)的大小與方向，經計算求得最大主應力。故從原理上講，它只是一種二維應力測量方法，其測量結果的可靠性和准確性尚達不到應力解除法的水平。若要測定測點的三維應力狀態，須打互不平行的交匯於一點的三個鑽孔，這在隧道勘察設計階段往往是難以做到的。一般情況下，多假定鑽孔方向為一個主應力方向，例如將鑽孔打在垂直方向，則認為垂直應力是一個主應力，其大小為自重應力，那麼由單孔水壓致裂測定結果就可以確定一個三維應力場了。但在某些情況下，垂直方向並不是一個主應力的方向，其大小也不完全等於自重應力。如果鑽孔方向和實際主應力的方向偏差15°以上，那麼上述假設就會對測試結果造成較大的誤差。此外，水壓致裂法認為初始開裂發生在鑽孔壁切向應力最小的部位，即平行於最大主應力的方向。這是基於岩石為連續、均質和各向同性的假設。如果孔壁本來就有天然節理裂隙存在，那麼初始開裂將很可能發生在這些部位，而並非切向應力最小部位，因而水壓致裂法較為適用於完整的脆性岩石中進行。所以工程實踐中，一般在工程前期勘察設計階段，可以先使用水力壓裂法總體上初步查明工程區岩體的地應力狀態，而在工程施工過程中，則可以用應力解除法比較准確地測定工程區的地應力。

在隧道勘察設計階段，國家地震局地殼應力研究所採用鑽孔水力壓裂法完成了地應力的測試工作，其主要測試成果如表4-1所示。

水壓致裂法地應力測量成果表明：

(1)工程區最大水平主應力S_H的方向為N59°W～N82°W；

(2)隧道主軸線及其附近測得的S_H最大值可達53.47MPa(CZK3 孔深707.43～708.26m)；

表4-2 川西應力解除法S_H方向測定結果Tab.4-2 S_Hmeasured results by the stress-relief method in West Sichuan

註：S_H為最大水平主應力(資料來源：四川省地震局)。

從鑽孔岩心描述資料分析可知，隧道中部CZK3鑽孔穿過F₅斷層及其下部影響帶部位測試段，由於受到斷裂構造作用的影響，出現了局部應力調整作用。此外，砂岩、粉砂岩岩心節理裂隙較發育，均一性和完整性相對較差(隧道開挖後實際情況也如此，且局部滲水)，屬Ⅲ類圍岩，因而難以滿足水壓致法所需的基本要求和假設條件，測得的所謂「地應力集中帶」(圖4-1)S_H量級與隧道開挖後無岩爆活動等實際情況不相符，結果普遍偏大。