鄭小洋 吳耀宗 胡赟 何小波

摘要 文章對深埋高地應(yīng)力隧道工程實例，采用應(yīng)力解除法對其地應(yīng)力進行測試與分析，并針對高地應(yīng)力地區(qū)隧道的施工提出了幾點建議。測試結(jié)果表明，該次測試選取的三個點均位于極高地應(yīng)力地帶，在高地應(yīng)力地區(qū)進行隧道施工時應(yīng)該提前做好高地應(yīng)力開挖及施工應(yīng)對措施，避免變形或坍塌，確保支護及襯砌施作后的安全性；施工過程中應(yīng)加強掌子面地質(zhì)素描及圍巖變形觀測。

關(guān)鍵詞 深埋隧道；高地應(yīng)力；應(yīng)力解除法

中圖分類號 TU195文獻標識碼 A文章編號 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的天然應(yīng)力，也稱原巖應(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)。目前國內(nèi)有現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬和經(jīng)驗估計三類測試地應(yīng)力的方法，毫無疑問現(xiàn)場測試是其中最為準確的測試方法[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)造作用強烈，褶皺和斷裂發(fā)育，巖層具有變形強、變質(zhì)低的特點。隧道進口里程K43+206，出口里程K51+355，全長8 149 m，隧道最大埋深為1 800 m，設(shè)計為單洞雙線隧道。

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)計為單洞雙線隧道。該隧道設(shè)計施工期間，有三個方面位居全國第一：①單洞兩車道對向行車隧道+平導長度位居全國第一；②隧道埋深位居全國第一；③高地應(yīng)力軟巖大變形段落的長度位居全國第一?？梢?，籃家?guī)r隧道埋深大，地質(zhì)情況復雜。

2 地應(yīng)力測試

2.1 地應(yīng)力測試方法

目前國內(nèi)地應(yīng)力現(xiàn)場測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為理論基礎(chǔ)，通過在現(xiàn)場選取一段基巖裸露的鉆孔，用封隔器將上下兩端密封起來；然后注入液體，加壓直到孔壁破裂，并記錄壓力隨時間的變化，并用印模器或井下電視觀測破裂方位；然后根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)和彈性力學公式計算得到地應(yīng)力的大小與方向[4]。應(yīng)力解除法的原理是地下某點的巖體在應(yīng)力作用下處于三向壓縮狀態(tài)，當人為解除其應(yīng)力時，一定會發(fā)生彈性恢復，測定其恢復的應(yīng)變，利用彈性力學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，測出變形；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)力測試方法，具有許多的優(yōu)點，如測量精度高、穩(wěn)定性好、抗環(huán)境干擾能力強和對測量環(huán)境要求低等優(yōu)點，該次隧道地應(yīng)力測試選用的就是空心包體應(yīng)力解除法。

2.2 測試設(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。

（3）KX-2002型圍壓率定儀。

（4）KX-2002型定向儀。

（5）專用Φ130 mm薄壁金剛石取芯鉆頭。

（6）專用Φ130 mm磨平金剛石鉆頭。

（7）專用Φ130 mm錐形金剛石鉆頭。

（8）專用Φ36 mm實心金剛石鉆頭。

（9）洗孔器、導向器等配件。

空心包體地應(yīng)力測量相關(guān)設(shè)備，如圖1所示。

2.3 地應(yīng)力測試步驟

應(yīng)力解除法測試地應(yīng)力的主要步驟：

（1）測點選擇。該次地應(yīng)力測試選擇測點有三個，如表1所示。

（2）鉆大孔。在測點的預定方向利用鉆機打應(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小孔，保證小孔垂直，孔壁光滑。該次隧道地應(yīng)力測試小孔直徑均為36 mm。

（6）安裝貼有應(yīng)變花的測試探頭，讀取初讀數(shù)。

（7）套鉆包有探頭的巖芯進行應(yīng)力釋放。

（8）讀取終讀數(shù)。

地應(yīng)力測試步驟圖解，如圖2所示。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 現(xiàn)場測試結(jié)果

在鉆孔的過程中，巖芯的受力會逐漸解除，這一期間空心包體應(yīng)力計記錄的12個應(yīng)變值會不斷變化，記錄值會在空心包體應(yīng)力計被鉆孔全部覆蓋后趨于穩(wěn)定，這一穩(wěn)定值即為用于計算地應(yīng)力的最終應(yīng)變值[6]。3個測點應(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

從現(xiàn)場測試點附近取得巖芯后，在實驗室中加工得到標準試件，通過室內(nèi)試驗確定巖芯彈性模量，具體數(shù)值如表3所示。

3.3 地應(yīng)力計算結(jié)果

根據(jù)實測的應(yīng)變數(shù)據(jù)、測點巖石力學參數(shù)及鉆孔的幾何參數(shù)，使用地應(yīng)力計算專用計算機軟件，即可分析計算得出該測點的地應(yīng)力分量及主應(yīng)力的大小和方向，地應(yīng)力測試計算結(jié)果如表4和表5所示。

3.4 地應(yīng)力計算結(jié)果分析

從檢測結(jié)果中可以看出：

（1）籃家?guī)r隧道PDK48+753測點處的埋深為1 077 m，該次在測點處測得的原位地應(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，導致應(yīng)力集中有關(guān)。

（2）籃家?guī)r隧道PDK48+270測點處的埋深為1 353 m，該次在測點處測得的原位地應(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測點處的埋深為1 595 m，該次在測點處測得的原位地應(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)力段落支護措施

所測三處測點的地應(yīng)力值均為極高地應(yīng)力，針對該段落極高地應(yīng)力對隧道安全帶來的風險，應(yīng)加強支護措施，根據(jù)實際地質(zhì)情況選用的襯砌支護參數(shù)為導洞采用PG2型襯砌、主洞采用ZG2型襯砌，支護參數(shù)如表6所示。

4 結(jié)論與建議

該文中所測三處測點的地應(yīng)力值均為極高地應(yīng)力，針對極高地應(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（如開挖時先采用潛孔鉆超前打孔，或采用CD或CRD法短進尺進行開挖，超前鉆孔和小斷面開挖有利于高地應(yīng)力的釋放）。避免變形或坍塌，確保支護及襯砌施作后的安全性。

（2）施工過程中應(yīng)加強掌子面地質(zhì)素描及圍巖變形觀測。

（3）加強支護措施。建議應(yīng)加強超前支護、初期支護參數(shù)，加大開挖及初期支護預留變形量。

參考文獻

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