韓曉玉, 董志宏, 付 平, 劉元坤

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

高地應(yīng)力條件下的斷裂帶等軟弱巖體開挖后易碎脹破裂甚至大變形失穩(wěn)，嚴(yán)重影響線路工程建設(shè)進(jìn)度和安全，對(duì)此需要了解軟弱巖體地應(yīng)力場(chǎng)。原位測(cè)量是準(zhǔn)確確定巖體地應(yīng)力的唯一方法，但常用測(cè)試方法中水壓致裂法適用于脆硬性巖體；孔壁應(yīng)變法和孔徑變形法等套鉆孔應(yīng)力解除法由于軟弱巖體在解除過(guò)程中巖心易破碎而難以應(yīng)用。對(duì)此，張芳等[1]和郭建偉等[2]基于流變應(yīng)力恢復(fù)理論分別研發(fā)了采用振弦和光纖光柵式傳感裝置的地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上可獲取巖體三維應(yīng)力狀態(tài)。韓曉玉等[3-4]提出了快速測(cè)定軟質(zhì)巖體地應(yīng)力的方法，研發(fā)了基于組合式單向液壓枕測(cè)斷裂帶地應(yīng)力的裝置和方法。沈榮喜等[5]研發(fā)了基于靜水壓原理的三向應(yīng)力傳感裝置，對(duì)煤巖體地應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量。上述技術(shù)方法為軟弱巖體地應(yīng)力探測(cè)提供了創(chuàng)新手段。

與此同時(shí)，在空心包體(HI)應(yīng)變計(jì)式孔壁套鉆孔解除法獲得國(guó)際巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)推薦[6]和廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，韓曉玉等[7]對(duì)HI應(yīng)變計(jì)等地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)的測(cè)量精度進(jìn)行了研究，Martin等[8]、尹愛民等[9]嘗試進(jìn)行了軟弱巖體地應(yīng)力測(cè)試，劉元坤等[10]進(jìn)行了白鶴灘水電站柱狀節(jié)理玄武巖試驗(yàn)洞開挖期的應(yīng)力擾動(dòng)監(jiān)測(cè)，瑞典的Dahnér等[11]通過(guò)在地下礦井里設(shè)置HI應(yīng)變計(jì)實(shí)現(xiàn)了三維應(yīng)力的高頻次觀測(cè)，劉寧等[12]實(shí)現(xiàn)了洞壁4.7 m部位隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)掘進(jìn)過(guò)程的應(yīng)力監(jiān)測(cè)。此外，李遠(yuǎn)等[13]研發(fā)了基于數(shù)字化雙溫補(bǔ)償方法的巖體擾動(dòng)應(yīng)力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，李子林等[14]和李天宇等[15]制作了只具有環(huán)向和軸向應(yīng)變片的HI應(yīng)變計(jì)，建立了圍巖擾動(dòng)應(yīng)力云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)獲得鉆孔環(huán)向和軸向的擾動(dòng)應(yīng)力。

2021年8月，長(zhǎng)江科學(xué)院采用深鉆孔水泥凈漿埋設(shè)HI應(yīng)變計(jì)的方式，首次實(shí)施了活動(dòng)斷裂帶巖體的三維地應(yīng)力監(jiān)測(cè)。本文對(duì)試驗(yàn)地質(zhì)條件、試驗(yàn)布置、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了介紹，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和影響因素進(jìn)行了討論。

2 工程及地質(zhì)概況

2.1 工程概況

滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，工程建成投入運(yùn)行后可以從根本上解決滇中區(qū)的水資源短缺問(wèn)題。工程受水區(qū)包括麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪及紅河的35個(gè)縣(市、區(qū))，多年平均引水量34.03億m3。工程由石鼓水源及輸水總干渠組成，其中水源工程為石鼓大同取水，輸水總干渠從麗江市玉龍縣石鼓鎮(zhèn)開始，終點(diǎn)為紅河州蒙自?？偢汕L(zhǎng)664 km，設(shè)計(jì)流量20～135 m3/s，共劃分為6段。輸水總干渠含隧洞58座，長(zhǎng)612 km，占干線全長(zhǎng)的92%?？刂菩怨こ虨橄銧t山隧洞，最大埋深1 394 m。

2.2 地質(zhì)概況

滇中引水工程輸水總干渠穿越西部高山峽谷亞區(qū)、 滇中高原亞區(qū)及滇東巖溶高原湖盆亞區(qū)， 區(qū)域構(gòu)造背景復(fù)雜。 線路區(qū)內(nèi)以NW、 NNW、 近SN和NE向構(gòu)造帶為主體， 斷裂構(gòu)造十分發(fā)育， 部分屬于區(qū)域性大斷裂， 第四紀(jì)至全新世活動(dòng)強(qiáng)烈。 受其影響， 工程區(qū)地殼破碎， 連續(xù)性差， 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)加之自適應(yīng)的應(yīng)力調(diào)整， 形成了極為復(fù)雜的工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)。 圖1為香爐山隧洞段的深大活動(dòng)斷裂分布情況。

圖1 香爐山隧洞深大活動(dòng)斷裂分布Fig.1 Location of deep active fault of Xianglushan tunnel

2.3 局部地質(zhì)條件

龍?bào)础獑毯髷嗔褳槿率郎畲蠡顒?dòng)斷裂，走向NNE，傾向NW，傾角65°～70°，長(zhǎng)度超過(guò)200 km。斷裂由3條分支斷裂組成，西支斷裂(F10-1)為主干斷裂。斷裂南起喬后北巖峰場(chǎng)，沿黑潓江而上，經(jīng)沙溪壩、劍川壩西側(cè)，至龍?bào)?。該斷裂有多期活?dòng)的復(fù)合性質(zhì)，是滇西北地區(qū)重要孕震構(gòu)造之一，近代地震沿?cái)嗔褞ьl繁發(fā)生，晚更新世晚期和全新世仍有活動(dòng)。水平和垂直位錯(cuò)速率分別為2.70～3.03、0.41～0.43 mm/a。

香爐山隧洞在樁號(hào)BK0+420至樁號(hào)BK0+726穿越龍?bào)础獑毯髷嗔盐髦嗔阎鲾鄮Ъ捌溆绊憥?，寬約306 m。該主斷帶構(gòu)造巖為碎裂巖、角礫巖、碎粒巖、碎粉巖及斷層泥，膠結(jié)差，結(jié)構(gòu)較松散，巖體破碎，圍巖屬特殊不良V類，圍巖穩(wěn)定問(wèn)題突出，成洞條件差。

3 試驗(yàn)布置

3.1 試驗(yàn)位置

綜合考慮地質(zhì)條件和施工進(jìn)度，在香爐山隧洞穿越龍?bào)础獑毯髷嗔褞髦嗔?F10-1)洞段選取典型斷面進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變監(jiān)測(cè)。本監(jiān)測(cè)斷面實(shí)施前，監(jiān)測(cè)洞段初襯施工完成時(shí)間超過(guò)3個(gè)月，隧洞變形接近穩(wěn)定。試驗(yàn)部位隧洞軸線高程約2 025.5 m，總體走向SE161°。試驗(yàn)鉆孔設(shè)置于主洞左側(cè)，在2#施工支洞口(樁號(hào)BK0+512.1)下游側(cè)樁號(hào)BK0+550 m處，鉆孔直徑130 mm，鉆進(jìn)方位N71°E，水平向鉆進(jìn)，終孔深度25.0 m，應(yīng)變計(jì)埋設(shè)距離孔深24.0 m，試驗(yàn)部位開挖洞徑為10.9 m，應(yīng)變計(jì)布置在以洞軸線為中心的2.7倍洞徑處。試驗(yàn)鉆孔與香爐山隧洞、龍?bào)?喬后斷裂的位置關(guān)系如圖2所示。監(jiān)測(cè)鉆孔及HI應(yīng)變計(jì)安裝位置如圖3所示。

圖2 監(jiān)測(cè)鉆孔及HI應(yīng)變計(jì)安裝位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of monitoring borehole and HI strain gauge installation position

圖3 HI應(yīng)變計(jì)安裝位置Fig.3 Installation position of hollow inclusion strain gauge

3.2 試驗(yàn)設(shè)備及主要安裝過(guò)程

基于HI應(yīng)變計(jì)在三維應(yīng)力測(cè)試和應(yīng)力擾動(dòng)監(jiān)測(cè)的廣泛應(yīng)用，首次將其應(yīng)用于斷裂帶巖體應(yīng)力監(jiān)測(cè)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)元件為澳大利亞HI Thinwall Cell三向應(yīng)變計(jì)。該應(yīng)變計(jì)由嵌入環(huán)氧樹脂筒中的12個(gè)電阻應(yīng)變片組成，成品應(yīng)變計(jì)環(huán)氧樹脂筒外徑為36 mm，筒上凸起包絡(luò)直徑38 mm，包體內(nèi)徑35 mm，中空樹脂筒長(zhǎng)約95 mm，其應(yīng)變片空間布置如圖4所示，應(yīng)變片布置角度見表1。同鉆孔埋設(shè)單軸應(yīng)變計(jì)3支，分別在孔深2.0 m、10.0 m和20.0 m處。

圖4 HI應(yīng)變計(jì)應(yīng)變片空間布置Fig.4 Location of hollow inclusion strain gauges

表1 應(yīng)變片布置角度Table 1 Layout angles of strain gauges

斷裂帶鉆孔穩(wěn)定性差，使用不取心鉆機(jī)快速成孔。該成孔方式無(wú)法鉆進(jìn)小孔粘結(jié)HI應(yīng)變計(jì)，故采用水泥凈漿灌漿埋設(shè)。為了保證HI應(yīng)變計(jì)的對(duì)中安裝，用細(xì)小鋼筋焊接兩個(gè)外環(huán)直徑接近鉆孔直徑的同心圓環(huán)，中間連接后形成簡(jiǎn)易對(duì)中裝置。HI應(yīng)變計(jì)通過(guò)內(nèi)圓環(huán)固定在第一個(gè)圓環(huán)外面，對(duì)中裝置形狀及HI應(yīng)變計(jì)如圖5所示。

將HI應(yīng)變計(jì)在孔口連接采集擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展模塊的數(shù)據(jù)和電源與主機(jī)DT80G相連。利用采集擴(kuò)展模塊的應(yīng)變測(cè)試功能在孔口組建惠斯通半橋測(cè)試電路，另外一臂采用高精度電阻。應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為1次/h，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)主機(jī)外接無(wú)線模塊進(jìn)行云讀數(shù)。本試驗(yàn)的主要時(shí)序節(jié)點(diǎn)：2021年7月30日成孔，隨即采用熱縮連接的PP質(zhì)中空水管送往預(yù)定孔深。8月6日采用標(biāo)號(hào)為425、水灰比為0.6∶1的水泥凈漿進(jìn)行灌漿封孔，8月28日開始數(shù)據(jù)采集。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及結(jié)果計(jì)算

4.1 試驗(yàn)原理及計(jì)算參數(shù)

空心包體式孔壁應(yīng)變解除法地應(yīng)力測(cè)試基于彈性理論，利用應(yīng)變片解除前后的應(yīng)變差值、應(yīng)變片并非直接粘貼在鉆孔巖壁上的修正系數(shù)、應(yīng)變片布置尺寸及空間布置、鉆孔尺寸及空間方位、以及巖體和HI材料的彈性參數(shù)計(jì)算巖體的絕對(duì)應(yīng)力張量。其中具有三維地應(yīng)力狀態(tài)的鉆孔巖壁上粘結(jié)HI應(yīng)變計(jì)的應(yīng)力狀態(tài)和試驗(yàn)原理由多個(gè)文獻(xiàn)[6,16]給出。采用HI應(yīng)變計(jì)進(jìn)行巖體應(yīng)力監(jiān)測(cè)無(wú)解除過(guò)程，但利用一時(shí)期的應(yīng)變變化進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果反映該期間的應(yīng)力變化。推論認(rèn)為，以合適時(shí)間為起點(diǎn)的應(yīng)力增量計(jì)算結(jié)果反映巖體、水泥凈漿結(jié)石和HI應(yīng)變計(jì)的應(yīng)力耦合過(guò)程，并最終反映巖體應(yīng)力場(chǎng)特征。

本試驗(yàn)巖體為活動(dòng)斷裂帶的碎粒巖，未能成功進(jìn)行巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，其彈性模量設(shè)計(jì)建議值低于0.1 GPa，同時(shí)，HI應(yīng)變計(jì)與巖體之間有水泥凈漿結(jié)石，該情況下考慮所有介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)極為復(fù)雜，不存在解析解。分析認(rèn)為：①斷裂帶碎粒巖流變特性明顯，應(yīng)變計(jì)包裹在水泥凈漿結(jié)石中，巖體、水泥凈漿結(jié)石和應(yīng)變計(jì)最終將處于完全耦合狀態(tài)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果反映巖體應(yīng)力場(chǎng)特征。②碎粒巖的流變特性對(duì)水泥結(jié)石材料與巖壁空間填充作用明顯，實(shí)際成孔孔壁的二次應(yīng)力效應(yīng)不明顯。③水泥凈漿結(jié)石中由HI應(yīng)變計(jì)所形成的圓柱形空間等同于地應(yīng)力測(cè)試的“小鉆孔”，HI應(yīng)變計(jì)“粘結(jié)”在該孔“孔壁”上，其二次應(yīng)力效應(yīng)不可忽略。

綜上分析，HI應(yīng)變計(jì)通過(guò)測(cè)量水泥凈漿結(jié)石應(yīng)力狀態(tài)間接反映巖體應(yīng)力場(chǎng)，修正系數(shù)計(jì)算可以只考慮水泥凈漿和HI材料。此外，由于無(wú)解除過(guò)程，計(jì)算過(guò)程中水泥凈漿結(jié)石的彈性模量采用變形模量。HI彈性模量為2.6 GPa，泊松比為0.40，內(nèi)外徑分別為35 mm和36 mm。水泥凈漿材料室內(nèi)28 d齡期單軸壓縮試驗(yàn)所得變形模量均值為6.0 GPa，泊松比均值為0.35。基于前述分析及試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到修正系數(shù)K1—K4分別為1.006 5、1.011 0、1.004 5和0.998 9。

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律分析及計(jì)算初始日期確定

應(yīng)力增量計(jì)算初始取值影響計(jì)算結(jié)果，一般做法是在HI應(yīng)變計(jì)埋設(shè)后盡早讀數(shù)，以便獲得全過(guò)程數(shù)據(jù)。對(duì)HI應(yīng)變計(jì)埋設(shè)后的耦合過(guò)程分析認(rèn)為，只有在介質(zhì)材料固結(jié)、巖體、水泥凈漿結(jié)石和HI完全接觸后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)才能反映巖體應(yīng)力的實(shí)際變化。本試驗(yàn)未能取得最初數(shù)據(jù)，確定計(jì)算初始日期具有重要意義。將每天的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行平均并隨日期成圖，結(jié)果見圖6。圖中包括隧洞向下游開挖的時(shí)序進(jìn)度曲線，L為孔口至掌子面距離。

圖6 應(yīng)變與時(shí)間及隧洞開挖進(jìn)度關(guān)系曲線Fig.6 Curves of strain versus time and tunnel excavation progress

由圖6可以將監(jiān)測(cè)期劃分后6個(gè)時(shí)段。其中時(shí)段1自安裝之日至2021年9月16日(以下本年度日期省略年度)，其中8月28日前未能取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其后在時(shí)段1內(nèi)E90、B45、C45和B135等多個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變值大幅變動(dòng)；4個(gè)(共5個(gè))切向應(yīng)變片的應(yīng)變值讀數(shù)迅速減小，反映HI周向呈快速壓縮態(tài)勢(shì)，其中A90、B90、E90和F90四個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變改變值為(-695～-830)×10-6，僅C90應(yīng)變值先變小后變大，期末變化值為104×10-6。在該時(shí)段的相關(guān)現(xiàn)象有：①香爐山主隧洞的下游掌子面恢復(fù)開挖，孔口至掌子面距離從15 m推進(jìn)至45 m(1.4～4.1倍開挖洞徑)；②同孔安裝的最接近單軸應(yīng)變計(jì)——20 m測(cè)點(diǎn)被持續(xù)軸向壓縮，在9月16日達(dá)到最大值47×10-6(見圖7)。圖中“L”曲線由孔口至掌子面的距離數(shù)據(jù)繪制，反映了隧洞向下游開挖的進(jìn)度。

圖7 同鉆孔單軸應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變觀測(cè)曲線Fig.7 Strain observation curves of uniaxial strain gauge in the same borehole

時(shí)段2接續(xù)時(shí)段1至該年度11月初，在該時(shí)段全部應(yīng)變片的應(yīng)變值變化趨緩，其中10月20日至29日因線纜斷裂無(wú)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但上述趨勢(shì)未變。時(shí)段3從11月5日至12月初，該時(shí)段所有應(yīng)變片應(yīng)變由平緩變化全部轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖贉p小趨勢(shì)，11月11日線纜斷裂，至11月24日和12月上旬?dāng)?shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)，全部應(yīng)變片的應(yīng)變值再次趨于緩慢變化狀態(tài)，推測(cè)11月中上旬有應(yīng)變快速增加的過(guò)程。該變動(dòng)現(xiàn)象反映了監(jiān)測(cè)洞段存在一次較大范圍的應(yīng)力和變形調(diào)整。其他相關(guān)現(xiàn)象有：10月底在樁號(hào)BK0+660至BK0+680洞段的部分襯砌破裂，同鉆孔埋設(shè)的10 m和2 m單軸應(yīng)變計(jì)在10月底的應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)陡然改變。

時(shí)段4接續(xù)時(shí)段3至2022年1月底，該期間各應(yīng)變片應(yīng)變值緩慢變化，部分應(yīng)變片應(yīng)變值呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。時(shí)段5接續(xù)時(shí)段4至2022年3月初，該期間各應(yīng)變值平緩變小或接近穩(wěn)定，與其他監(jiān)測(cè)儀器顯示圍巖變形和應(yīng)變趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象一致。時(shí)段6從2022年3月初開始，該期間采集擴(kuò)展模塊損壞，多次嘗試修復(fù)但監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，該期間及以后的數(shù)據(jù)未采用。

綜合應(yīng)變片變化規(guī)律及同時(shí)期相關(guān)現(xiàn)象判斷，時(shí)段1期間多個(gè)應(yīng)變片應(yīng)變的大幅變動(dòng)原因在于洞室開挖的空間效應(yīng)造成監(jiān)測(cè)部位巖體應(yīng)力擾動(dòng)，巖體應(yīng)力擾動(dòng)加速了巖體變形，并使得巖體、水泥凈漿結(jié)石和HI應(yīng)變計(jì)迅速接觸耦合。9月16日是多個(gè)應(yīng)變片應(yīng)變值和同孔最接近單軸應(yīng)變計(jì)應(yīng)變值變化趨勢(shì)改變的日期，顯示三者全方位接觸基本完成，故以該日期作為計(jì)算初始時(shí)間具有重要意義。以該日期應(yīng)變?yōu)橛?jì)算初始應(yīng)變值的增量應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線如圖8所示。由圖8可知，在時(shí)段2和時(shí)段4多數(shù)應(yīng)變片總體呈現(xiàn)出較為明顯的線性變化趨勢(shì)，體現(xiàn)了巖體、水泥凈漿和HI應(yīng)變計(jì)的應(yīng)力不斷耦合的過(guò)程，而時(shí)段5多數(shù)應(yīng)變片應(yīng)變?cè)隽拷咏Ｖ够蚓徛?fù)增長(zhǎng)，可認(rèn)為三者的應(yīng)力耦合過(guò)程基本結(jié)束。

圖8 增量應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.8 Curves of incremental strain versus time

4.3 應(yīng)變數(shù)據(jù)處理及結(jié)果計(jì)算

利用長(zhǎng)江科學(xué)院空心包體式孔壁應(yīng)變解除法的計(jì)算程序[16]，基于上述參數(shù)、應(yīng)變計(jì)空間布置數(shù)據(jù)和增量應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力增量計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中將12個(gè)應(yīng)變片的增量應(yīng)變數(shù)據(jù)均輸入程序中，由該程序采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)最小二乘法原理、基于增量應(yīng)變數(shù)據(jù)殘差平方和最小原則獲取最佳一組數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力增量計(jì)算，最終結(jié)果如圖9所示。圖中σ1、σ2、σ3為應(yīng)力增量計(jì)算結(jié)果的第一、第二和第三主應(yīng)力，σH和σh分別為應(yīng)力增量計(jì)算結(jié)果的最大和最小水平主應(yīng)力分量，α1、α2和α3為各主應(yīng)力的傾角，β1、β2、β3和αH分別為各主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力的方位角。

圖9 主應(yīng)力形式的增量計(jì)算結(jié)果Fig.9 Calculation results of principal stress increments and principal stress angle increments

由圖9可知，在時(shí)段2應(yīng)力增量計(jì)算結(jié)果的主應(yīng)力量值先減小后增加，顯示巖體、水泥凈漿結(jié)石和HI進(jìn)一步耦合。時(shí)段3應(yīng)力量值和方向明顯變動(dòng)，顯示監(jiān)測(cè)洞段有一次明顯的應(yīng)力和變形調(diào)整。在時(shí)段4和時(shí)段5，各主應(yīng)力量值變動(dòng)范圍較小，各主應(yīng)力角度保持不變，反映該期間監(jiān)測(cè)部位巖體擾動(dòng)因素減少，巖體、水泥凈漿結(jié)石和HI應(yīng)變計(jì)的應(yīng)力耦合過(guò)程接近結(jié)束，計(jì)算結(jié)果主要反映巖體應(yīng)力。兩期間σ1的變動(dòng)范圍為10.3～15.0 MPa，α1為10°～28°，β1為262°～267°。σ2的變動(dòng)范圍為3.1～4.6 MPa，α2為58°～79°，β2為61°～115°。σ3的變動(dòng)范圍為0.2～1.8 MPa，α3為1°～14°，β3為173°～181°。σH和σh的變動(dòng)范圍分別為10.1～13.9 MPa和0.2～1.8 MPa，αH為83°～87°。

5 結(jié)果討論

5.1 計(jì)算初始取值影響

本試驗(yàn)取得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)始于8月28日，以該日期作為計(jì)算初始日期的結(jié)果顯示：期間1的9月1日至9月16日，計(jì)算結(jié)果的主應(yīng)力量值和角度劇烈變動(dòng)，其中σ1由3.3 MPa變?yōu)?.3 MPa，σ2由0.3 MPa變?yōu)?1.9 MPa，σ3由-1.2 MPa變?yōu)?6.8 MPa，α2由39°變?yōu)?0°，α3由40°變?yōu)?2°。期間4和期間5的σ1值超過(guò)20 MPa，遠(yuǎn)大于以9月16日為計(jì)算初始日期的結(jié)果。σ3在全部期間表現(xiàn)為拉應(yīng)力，應(yīng)力狀況與未完全約束巖塊進(jìn)行二維加載的情況類似。綜上所述及4.2小節(jié)的監(jiān)測(cè)應(yīng)變規(guī)律分析有以下結(jié)論：①8月28日巖體與水泥凈漿結(jié)石和HI組合體未完全接觸，隧洞開挖施工的空間效應(yīng)造成巖體應(yīng)力擾動(dòng)，加速了巖體、水泥凈漿結(jié)石和HI應(yīng)變計(jì)的接觸和應(yīng)力耦合。②以8月28日為初始計(jì)算日期不能完全反映巖體的應(yīng)力變化，而以9月16日作為計(jì)算初始日期較為合理。③以9月16日為計(jì)算初始日期減少了洞室開挖造成的應(yīng)力擾動(dòng)影響和灌漿不飽滿導(dǎo)致的巖體與水泥凈漿結(jié)石未完全接觸的影響。④兩計(jì)算初始日期計(jì)算結(jié)果的β1均為緩傾角270°左右，表明HI應(yīng)變計(jì)首先并持續(xù)受到緩傾角W向第一主壓應(yīng)力的影響，該方向應(yīng)為監(jiān)測(cè)部位巖體的最大主應(yīng)力方向。

5.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果影響因素分析

(1)洞室開挖空間效應(yīng)的應(yīng)力擾動(dòng)影響。一般認(rèn)為，隧洞開挖造成的圍巖應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)半徑一般為3～5倍洞直徑[17]，其外為原巖應(yīng)力區(qū)。本試驗(yàn)中HI應(yīng)變計(jì)實(shí)際埋設(shè)位置為2.7倍開挖洞徑，接近原巖應(yīng)力區(qū)。前述應(yīng)變數(shù)據(jù)規(guī)律分析、計(jì)算結(jié)果分析、同孔單軸應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的佐證和計(jì)算初始取值的影響分析表明：期間1的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化由多種因素造成，其中有洞室開挖空間效應(yīng)造成的應(yīng)力擾動(dòng)影響。

(2)監(jiān)測(cè)隧洞段的應(yīng)力和變形調(diào)整影響。應(yīng)變片應(yīng)變變化規(guī)律分析顯示，在期間3各應(yīng)變片應(yīng)變值均有一次較大改變。應(yīng)力增量計(jì)算結(jié)果顯示，11月10日至12月5日，σ1由-3.7 MPa變?yōu)?0.9 MPa，σ2由-4.7 MPa變?yōu)?.3 MPa，σ3由-7.9 MPa變?yōu)?.3 MPa，應(yīng)力量值變化劇烈。同時(shí)期，同鉆孔的單軸應(yīng)變計(jì)(見圖7)和附近的其他監(jiān)測(cè)設(shè)備均有明顯反應(yīng)；樁號(hào)BK0+660至BK0+680洞段襯砌在10月底出現(xiàn)破裂。上述情況說(shuō)明，在期間3整個(gè)監(jiān)測(cè)洞段有一次較大范圍的應(yīng)力和變形調(diào)整。

(3)其他影響因素。①水泥凈漿埋設(shè)HI應(yīng)變計(jì)方式的對(duì)中裝置和安裝桿等裝置導(dǎo)致巖體應(yīng)力場(chǎng)再分布，影響試驗(yàn)結(jié)果。②全面考慮巖體、水泥凈漿結(jié)石和HI應(yīng)變計(jì)的修正系數(shù)計(jì)算方法待研究，本試驗(yàn)采用的修正系數(shù)計(jì)算方法有偏差。③HI應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果計(jì)算基于彈性理論，斷裂帶巖體和水泥基材料彈性參數(shù)試驗(yàn)及其取值方法待研究。④長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)過(guò)程中，采集設(shè)備、環(huán)氧樹脂材料、通訊線路等受環(huán)境影響易產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤差。上述影響因素需要進(jìn)一步研究。

5.3 與已有試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

本試驗(yàn)的HI應(yīng)變計(jì)埋設(shè)部位接近原巖應(yīng)力區(qū)，通過(guò)試驗(yàn)布置和數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)總體反映原巖應(yīng)力。已有近場(chǎng)地應(yīng)力試驗(yàn)鉆孔[18-19]為TSZK53和XLZK4。其中TSZK53鉆孔位于玉龍縣九河鄉(xiāng)白漢場(chǎng)水庫(kù)西北側(cè)，靠近龍?bào)础獑毯髷嗔?，孔口高? 400.7 m，孔深412.3 m。揭露巖層主要為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。測(cè)試深度在274.7～384.1 m范圍的最大水平主應(yīng)力為11.1～12.0 MPa，最小水平主應(yīng)力為7.4～9.3 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)?06°～111°(或286°～291°)，為E—SEE向(或W—NWW向)。

XLZK4鉆孔位于玉龍縣九河白族鄉(xiāng)白漢場(chǎng)，屬于龍?bào)础獑毯髷嗔褞?，孔口高? 382.4 m，孔深385.1 m，試驗(yàn)孔深207～380 m。試驗(yàn)范圍內(nèi)巖質(zhì)呈較疏松～較堅(jiān)硬狀，巖體完整性較差。其中孔深319 m以上為主斷帶，巖性主要為角礫灰?guī)r夾板巖，其下為斷層帶物質(zhì)，巖性主要為角礫灰?guī)r夾灰質(zhì)白云巖?？咨?00 m以下試段的σH為12.3～13.7 MPa，σh為9.8～11.2 MPa，αH為44°(或224°)，為NE向(或SW向)。

結(jié)果對(duì)比顯示，本試驗(yàn)與已有試驗(yàn)結(jié)果的σH量級(jí)接近，本試驗(yàn)增量計(jì)算結(jié)果反映巖體原巖應(yīng)力量值。應(yīng)力增量計(jì)算結(jié)果的αH集中為近EW向，處于兩測(cè)孔試驗(yàn)結(jié)果之間，角度偏差分別為19°～28°和39°～43°，與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近。綜上所述，本試驗(yàn)結(jié)果反映龍?bào)础獑毯髷嗔褞r體地應(yīng)力場(chǎng)特征。

6 結(jié) 論

(1)通過(guò)在大直徑鉆孔中采用水泥凈漿埋設(shè)空心包體應(yīng)變計(jì)、建立云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、合理確定修正系數(shù)計(jì)算方法和計(jì)算初始取值日期的基礎(chǔ)上，成功獲得斷裂帶巖體的三維應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果。

(2)HI應(yīng)變計(jì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)受多因素影響，其中灌漿質(zhì)量影響巖體、水泥凈漿結(jié)石和空心包體應(yīng)變計(jì)的接觸時(shí)間和應(yīng)力耦合過(guò)程，通過(guò)應(yīng)變觀測(cè)規(guī)律分析確定以9月16日為計(jì)算初始日期，所得結(jié)果減少了洞室開挖造成的應(yīng)力擾動(dòng)影響和巖體與水泥凈漿結(jié)石未完全接觸的影響。

(3)試驗(yàn)結(jié)果討論顯示，本試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果受隧洞開挖空間效應(yīng)造成的應(yīng)力擾動(dòng)影響和監(jiān)測(cè)隧洞段的應(yīng)力、變形調(diào)整影響，活動(dòng)斷裂帶的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)應(yīng)向更深部巖體埋設(shè)。

(4)與已有試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析顯示，應(yīng)力增量計(jì)算所得最大水平主應(yīng)力量值和方向與實(shí)測(cè)結(jié)果接近，本案例試驗(yàn)結(jié)果反映龍?bào)础獑毯髷嗔褞У貞?yīng)力場(chǎng)特征。