合福高铁闽侯隧道地应力测量与岩爆预测分析

摘 要根据国家重点工程合肥一福州(以下简合福高铁)高速铁路闽侯隧道某钻孔水压致裂法地应力测量实测资料分析研究，预测该隧道施工期岩爆发生可能性，该钻孔在140.8~594.6m最大水平应力7.1～19.2MPa，最小水平主应力为5.3～13.7MPa，铅直应力z 为3.8～16.1MPa。施工期间隧道埋深小于250m时，不会发生岩爆，埋深在250～460m范围，有可能发生弱岩爆，埋深在460m以上，可能发生中等岩爆。

关键词：水压致裂法 岩爆预测地应力测量闽侯隧道

拟建闽侯隧道位于福建省福州市闽侯县境内，进口位于福建省闽侯县白沙镇白沙村，洞身穿过青田顶、潭山塔、祖厝，出口位于福建省闽侯县荆溪镇关东村，起点里程DK785+662，终点里程DK793+583，全长7921m。隧道最大埋深628m。

为了研究闽侯隧道工程区地应力分布，为隧道轴线、开挖方式的选择以及隧道的稳定性分析和支护设计提供依据，在闽侯隧道的JZ－Ⅳ1000-790972钻孔中进行测试。钻孔深598.0m，在140.8～594.6m范围内共获得23点实测资料。

1 工程地质概况

隧道址区穿越的山脉走向为近南北向，为剥蚀（中）低山地形，火成岩地貌，山峰林立，地形陡峭，沟谷多为“V”形谷，线路经过地区多悬崖峭壁。进口段地面标高为37.0～153.0m，坡度为20～35°，出口段地面标高为78.0～142.0m，坡度为20～25°。隧址区属于闽东火山断坳带中北部，主要地层隧址区分布的地层岩性主要为侏罗纪南园组流纹质晶屑熔结凝灰岩（J3n），燕山早期第二次侵入（γδ52(3)b）花岗闪长岩；隧道区没有较大的区域断裂带通过。

2测试原理及方法

水压致裂法[1]地应力测试原理是利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度封隔一段钻孔，然后泵入液体对该段钻孔施压，根据压裂过程曲线的压力特征值计算地应力。水压致裂法具有以下突出优点：（1）测量深度深；（2）资料整理时不需要岩石弹性参数参与计算，可以避免因岩石弹性参数取值不准引起的误差；（3）岩壁受力范围较广(钻孔承压段长)，可以避免“点”应力状态的局限性和地质条件不均匀性的影响；（4）操作简单，测试周期短。

采用水压致裂法进行地应力测试时，对岩体作了下列假定：围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体；围岩为多孔介质时，注入的流体按达西定律在岩体孔隙中流动。另外，当钻孔为铅直方向时（如本次测试孔），假定铅直向应力V为主应力之一，大小等于上覆岩层的自重压力，则水压致裂法地应力测试的力学原理可以简化为弹性平面问题。如图1。含有圆孔的无限大平板受两向应力A和B（AB）的作用时，则孔周附近的二次应力状态为

式中：a为钻孔半径，r为径向距离，为极径与轴X的夹角，r 、和r分别为径向应力，切向应力和剪切应力，A 和B分别为钻孔横截面上最大和最小主应力。

破裂缝产生在钻孔孔壁拉应力最大的部位。因此，围岩二次应力场中最小应力出现的部位最为关键。由式（4）可见，在孔壁=0或=π处切向应力为最小

（5）

3地应力测试成果

3.1测试结果

根据岩芯的完整性，在钻孔不同深度进行水压致裂地应力测试。测试成果表1，其孔口测量记录曲线及印模结果见附图。从测试曲线来看，其形态符合水压致裂法测试的一般规律，各压力特征值比较明显。

拉强度，σH最大水平主应力，σh最小水平主应力，λ最大水平主应力侧压力系数σH/z。（2）测试时孔内静止水位距孔口3m。

3.2测试成果分析

应力量值：

该钻孔在140.8～594.6m测试深度范围的最大水平主应力为7.1～19.2MPa，最小水平主应力为5.3～13.7MPa，铅直应力z 为3.8～16.1MPa。

隧道围岩为凝灰岩，参考试验结果并根据工程经验，取单轴饱和抗压强度Rc=80MPa（仅针对可能发生岩爆的完整硬质脆性围岩），该钻孔测试深度范围内的Rc/σmax=5.0~14.2（σmax为垂直洞轴线方向的最大初始应力），依据《工程岩体分级标准》（GB/50218-94）［2］，岩体应力量级为中高水平。

地应力量值与埋深的关系：

通过拟合获得水平主应力量值随深度（H）变化关系，见式6及图2。可以看出，在测试范围内，应力测值均不同程度地随深度的增加而增大。

（6）

应该说明的是：本次测试最大测深为594.6m，接近隧道的最大埋深（约628.0m），深部测试结果可以代表该测试区域隧道洞身围岩应力状态。最深测试部位的最大水平主应力为19.2MPa，从应力绝对值角度分析，依照《工程岩体分级标准》（GB50218-94），属于高应力水平。

3.2.2地应力场与隧道轴线布置

隧道轴线方向主要受整个工程布置情况及地质条件决定，但地应力的大小和方向对它有重要影响。根据地应力测试结果，最大水平主应力方向与隧道轴线方向（约EW向）的夹角较小（约25），对隧道围岩的稳定性相对有利。

4隧道施工期岩爆预测分析[3]

4.1硬质围岩施工期岩爆预测方法

岩爆是指坚硬岩石在高应力状态下应力突然释放所发生的脆性破裂现象，目前有关岩爆的研究方法主要有强度理论、刚度理论、能量理论、失稳理论等。

本次岩爆分析从地应力角度着手，采用强度理论中普遍应用的Russenes判别法和Turchaninov判别法进行定性或定量的综合评价。

在各种岩爆预测分析中，因为实际上地应力方向与隧道洞轴并不呈正交，因此根据实测的最大、最小水平主应力值及其方向以及垂直方向应力值，按下式计算隧道横断面上的应力分量

上述判别方法给出了已知应力状况和围岩力学参数推断围岩是否发生岩爆以及岩爆级别的标准。在本报告下面的分析中，将式（6）代入式（7）经坐标转换后，代入式（8）求得隧道围岩的切向应力和轴向应力，然后分别对应于Russenes和Turchaninov岩爆判别法即可求得在不同判别标准下不同等级岩爆下隧道埋深的范围。

4.2硬质围岩施工期岩爆预测结果

针对可能发生岩爆的完整硬质脆性围岩，参考试验结果，取单轴饱和抗压强度Rc=80MPa。隧道施工开挖期岩爆预测评价结果如表2所示。

综合以上结果，对于硬质脆性岩类地段的围岩，在隧道埋深小于250m时，施工期不会发生岩爆，埋深在250～460m范围，有可能发生弱岩爆，埋深在460m以上，可能发生中等岩爆。

由于影响岩爆发生的因素很多，除地应力因素外，还有岩石性状、地质构造及开挖方式等。在应用上述预测结论时应对多种影响因素加以考虑，进行综合分析。

5结 论

通过对闽侯隧道的JZ－Ⅳ1000-790972钻孔水压致裂法地应力测试资料的分析及进行相应的岩爆预测, 可获得以下结论：

该钻孔在140.8～594.6m测试深度范围的最大水平主应力为7.1～19.2MPa，最小水平主应力为5.3～13.7MPa，铅直应力z 为3.8～16.1MPa。

测试区域的最大水平主应力方向为N46°W～N70°W。测孔深部岩体最大水平主应力方向与隧道轴线方向的的夹角较小（约25°），对隧道围岩的稳定性较为有利。

综合岩爆预测分析结果，对于硬质脆性岩类地段的围岩，在隧道埋深小于250m时，施工期不会发生岩爆，埋深在250～460m范围，有可能发生弱岩爆，埋深在460m以上，可能发生中等岩爆。

参考文献

[1] 刘允芳著，在单钻孔中水压致裂法的三维地应力测量［J］．岩体力学与工程学报，1999,18（2）：192-196．

[2] 《工程岩体分级标准》（GB50218-94），长江科学院主编，中国计划出版社，1994

[3] 侯发亮等，圆形隧道中岩爆的判据及防治措施．岩石力学在工程中的应用．北京：知识出版社，1989

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。