隧道地应力检测方法

‘壹’ 初始地应力水力压裂法测试成果及分析

4.1.1 地应力水力压裂法测试成果

20世纪60年代末，美国人费尔赫斯特(C.Fairhurst)和海姆森(B.C.Haimson)提出了用水压致裂法测量地应力的理论。至80年代，这一方法已在全世界范围内得到了较为广泛的应用。该方法的突出优点是能够测得深部的地应力值，这是应力解除法所无法达到的。水压致裂法测量结果只能测得垂直于钻孔平面内的最小主应力(S_h)的大小与方向，经计算求得最大主应力。故从原理上讲，它只是一种二维应力测量方法，其测量结果的可靠性和准确性尚达不到应力解除法的水平。若要测定测点的三维应力状态，须打互不平行的交汇于一点的三个钻孔，这在隧道勘察设计阶段往往是难以做到的。一般情况下，多假定钻孔方向为一个主应力方向，例如将钻孔打在垂直方向，则认为垂直应力是一个主应力，其大小为自重应力，那么由单孔水压致裂测定结果就可以确定一个三维应力场了。但在某些情况下，垂直方向并不是一个主应力的方向，其大小也不完全等于自重应力。如果钻孔方向和实际主应力的方向偏差15°以上，那么上述假设就会对测试结果造成较大的误差。此外，水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位，即平行于最大主应力的方向。这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设。如果孔壁本来就有天然节理裂隙存在，那么初始开裂将很可能发生在这些部位，而并非切向应力最小部位，因而水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中进行。所以工程实践中，一般在工程前期勘察设计阶段，可以先使用水力压裂法总体上初步查明工程区岩体的地应力状态，而在工程施工过程中，则可以用应力解除法比较准确地测定工程区的地应力。

在隧道勘察设计阶段，国家地震局地壳应力研究所采用钻孔水力压裂法完成了地应力的测试工作，其主要测试成果如表4-1所示。

水压致裂法地应力测量成果表明：

(1)工程区最大水平主应力S_H的方向为N59°W～N82°W；

(2)隧道主轴线及其附近测得的S_H最大值可达53.47MPa(CZK3 孔深707.43～708.26m)；

表4-2 川西应力解除法S_H方向测定结果Tab.4-2 S_Hmeasured results by the stress-relief method in West Sichuan

注：S_H为最大水平主应力(资料来源：四川省地震局)。

从钻孔岩心描述资料分析可知，隧道中部CZK3钻孔穿过F₅断层及其下部影响带部位测试段，由于受到断裂构造作用的影响，出现了局部应力调整作用。此外，砂岩、粉砂岩岩心节理裂隙较发育，均一性和完整性相对较差(隧道开挖后实际情况也如此，且局部渗水)，属Ⅲ类围岩，因而难以满足水压致法所需的基本要求和假设条件，测得的所谓“地应力集中带”(图4-1)S_H量级与隧道开挖后无岩爆活动等实际情况不相符，结果普遍偏大。