朱海明 張生魁 劉忠明 高桂云 周 昊 魏學(xué)勇

(①中海建筑有限公司，深圳 518057，中國)(②應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085，中國)

0 引 言

隨著我國鐵路、公路建設(shè)工程的迅速發(fā)展，隧道也逐步向長大、深埋方向發(fā)展，隧道圍巖環(huán)境更易于遭受高地應(yīng)力作用。高地應(yīng)力會導(dǎo)致隧道圍巖硬巖巖爆和軟巖大變形問題，影響工程施工及運(yùn)行安全，例如青藏線關(guān)角隧道(沈軍明，2013)、蘭武二線烏鞘嶺隧道(錢偉平等，2007)和渝黔高鐵天坪隧道(劉永剛，2017)、武都隧道(程煒等，2019)、成蘭鐵路軟巖隧道(宋章等，2016)等均出現(xiàn)了不同程度的大變形或巖爆破壞(王成虎等，2011a; 楊汝華等，2019; 周航等，2020)。因而，地應(yīng)力狀態(tài)的確定對于隧道和其他地下工程的建設(shè)及風(fēng)險(xiǎn)評估具有重要的意義(馮雪磊等，2018)。然而，在勘察設(shè)計(jì)階段，地應(yīng)力測量的開展面臨著交通條件、地形條件等諸多困難，尤其是長大深埋隧道，測試難度及成本大大提高。在這種情況下，就需要發(fā)展地應(yīng)力的預(yù)測與復(fù)核方法，基于有限的地應(yīng)力數(shù)據(jù)和勘察資料對隧道地應(yīng)力狀態(tài)的估算和預(yù)測(王成虎等，2014)。

王成虎等(2011b，2014)在Shoerey應(yīng)力預(yù)測模型基礎(chǔ)上，利用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，對模型進(jìn)行了修正，考慮了巖體變形模量和質(zhì)量，從而發(fā)展了一種深埋隧道等線狀工程的地應(yīng)力量值預(yù)測方法，并成功應(yīng)用到了某水電站引水隧道的工程區(qū)原地應(yīng)力狀態(tài)的預(yù)測。本文在此工作基礎(chǔ)上，結(jié)合桃子埡深埋特長隧道工程對該預(yù)測方法進(jìn)一步修正與檢驗(yàn)，并通過多源的應(yīng)力數(shù)據(jù)，約束工程區(qū)應(yīng)力狀態(tài)；同時(shí)，在桃子埡隧道開挖過程中開展了4個(gè)鉆孔應(yīng)力測試，進(jìn)一步檢驗(yàn)與復(fù)核工程區(qū)應(yīng)力狀態(tài)。

貴州省德江至習(xí)水高速公路正安至習(xí)水段桃子埡隧道為分離式特長隧道，進(jìn)口位于桐梓縣羊磴鎮(zhèn)(間距約36m)，出口位于桐梓縣木瓜鎮(zhèn)木瓜村(間距約26m)，洞身穿過雞公嶺山脈(間距約34m)。左幅隧道(ZK56+730～ZK61+830)、右幅隧道(YK56+770～YK61+840)長度分別為5100m和5070m，最大埋深分別為978m和968m。隧址區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺黔北臺隆遵義斷拱之鳳岡NNE向構(gòu)造變形區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，基本構(gòu)造格局以NNE向褶皺及斷裂為主。依據(jù)貴州省德江至習(xí)水高速公路正安至習(xí)水段施工圖設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，2018)，與桃子埡隧道工程區(qū)密切相關(guān)的褶皺有松坎向斜(圖1)；相關(guān)的斷層主要有楠木園斷層(F1)、白毛坪斷層(F2)，均為非活動性斷層。隧址區(qū)地層眾多，巖性多樣，主要由白云質(zhì)灰?guī)r、泥巖和砂巖組成，多以Ⅳ級圍巖為主，部分為Ⅴ級圍巖，穩(wěn)定性較差。

圖1 桃子埡隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

桃子埡隧道工程區(qū)巖性復(fù)雜，穿過煤層系、采空區(qū)、巖溶、地下水及老煤窯，幾乎集合了所有不良地質(zhì)，存在高地應(yīng)力、地溫、涌水、巖爆等潛在地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，其中高地應(yīng)力可能導(dǎo)致的隧道開挖過程中圍巖剝離、掉塊、成型性差，埋深較大位置甚至出現(xiàn)圍巖脆性破壞(巖爆)和軟巖大變形。桃子埡隧道工程地質(zhì)條件與渝黔高鐵天坪隧道、新涼風(fēng)埡隧道埋深基本相似。天坪隧道在施工過程中均出現(xiàn)了因高地應(yīng)力帶來的巖爆及軟巖變形問題(李樂，2015; 劉永剛，2017)。隧道周邊煤礦開采深度一般在540～800m，地質(zhì)條件及埋深與桃子埡隧道基本相似，周邊礦井埋深大于500m時(shí)，洞壁巖體有一定剝離、掉快和鼓凸，成形性稍差，應(yīng)力增高，巖爆和軟巖變形開始發(fā)生。因而，對于桃子埡隧道工程區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)預(yù)測及復(fù)核對于隧道工程設(shè)計(jì)、施工等具有重要的意義。

本研究在隧道勘察階段1個(gè)鉆孔的水壓致裂地應(yīng)力測量基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域多源應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過利用修正的Sheorey模型對隧道沿線應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了預(yù)測；在隧道開挖施工過程中，我們開展了4個(gè)鉆孔的地應(yīng)力快速測試，對隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了復(fù)核，驗(yàn)證了預(yù)測結(jié)果的可靠性，為隧道設(shè)計(jì)及施工方案的及時(shí)變更及預(yù)算調(diào)整等提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 初始應(yīng)力狀態(tài)確定

在隧道勘察設(shè)計(jì)階段，項(xiàng)目組在擬建隧道左幅ZK58+462與右幅YK58+474間開展了一個(gè)鉆孔ZK3的水壓致裂原地應(yīng)力測量(劉朝躍等，2019)。結(jié)合該鉆孔套管深度和巖芯狀況，在568～658m的深度段內(nèi)通過封隔器分段封隔開展了11個(gè)測試段的水壓致裂地應(yīng)力測量。各個(gè)試驗(yàn)段測試曲線重復(fù)性較好，在各個(gè)水壓致裂測試循環(huán)的過程中的破裂壓力Pb、重張壓力Pr和瞬時(shí)閉合壓力Ps清晰可見。利用計(jì)算機(jī)編程輔助確定各壓裂段的特征值(王成虎等，2016)，并依據(jù)水壓致裂地應(yīng)力測量理論(Amadei et al.，1997)，就可以確定各壓裂測試段的水平最大主應(yīng)力SH和水平最小主應(yīng)力Sh量值。計(jì)算結(jié)果見表1，表中P0為孔隙壓力，通過鉆孔水位(530m)進(jìn)行估算；T為巖石抗拉強(qiáng)度；垂向應(yīng)力Sv由上覆巖石的容重(取26.5kN·m-3)求解。由表1可知，在埋深550～600m范圍的測段內(nèi)，水平最大、最小主應(yīng)力值在13.4～16.83MPa和7.32～9.71MPa之間，垂直主應(yīng)力范圍為13.92～14.49MPa；埋深600～660m范圍內(nèi)，水平最大、最小主應(yīng)力范圍分別為15.95～21.41 MP和9.38～14.49MPa，垂直主應(yīng)力范圍為15.11～16.17MPa。對于測量深度范圍內(nèi)，應(yīng)力量值關(guān)系為SH>Sv>Sh，三向應(yīng)力狀態(tài)以水平應(yīng)力作用為主，有利于走滑斷層活動。

表1 ZK3鉆孔水壓致裂應(yīng)力測量結(jié)果

在水壓致裂測試結(jié)束后，可以通過電子羅盤自動定向印模封隔器，記錄上述測試段的水壓致裂裂縫，從而獲得水平最大主應(yīng)力的方向(表1)。3個(gè)印模段的水平最大主應(yīng)力方向分別為N18°W、N15°W和N40°W，表明ZK3鉆孔附近550～660m埋深位置的地應(yīng)力場以NNW～NW向的擠壓為主。

2 區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)

對桃子埡隧道工程區(qū)附近的主要斷裂資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，斷裂主要分為3組，NE向、NW向和近NS向。按照構(gòu)造地質(zhì)學(xué)原理分析，NE向和NW向斷層為共軛斷層，構(gòu)造上受統(tǒng)一的力源控制。依據(jù)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的理論分析，最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3應(yīng)該分別位于斷層線交角的平分線上，同時(shí)由圖1和圖2可知，該區(qū)域的主干斷裂走向?yàn)榻麼S向，按照Anderson理論和莫爾-庫侖理論分析(Amadei et al.，1997; 謝富仁等，2003; Zoback，2007; Zang et al.，2010)，一般巖石的摩擦系數(shù)在0.6～1.0之間(Byerlee，1978)，最大主應(yīng)力方向和斷層面走向的夾角范圍為22.5°～30°，因而，NS向斷裂的水平最大主應(yīng)力方向應(yīng)為NNW～NNE向，從而可以初步推出該區(qū)區(qū)域應(yīng)力場方向?yàn)镹NW～NNE。

圖2 工程區(qū)主要斷裂走向和傾角玫瑰統(tǒng)計(jì)圖

利用上述構(gòu)造形跡方法分析得到的應(yīng)力場方向主要是反映的古構(gòu)造應(yīng)力場方向，對于現(xiàn)代地應(yīng)力場方向，可以采用震源機(jī)制解以及震源機(jī)制解反演應(yīng)力場的方法得到深部應(yīng)力場方向及特征。隧址區(qū)隸屬于中國華南地區(qū)(謝富仁等，2004)，崔效鋒等(2005)利用震源機(jī)制解得到該區(qū)域整體的區(qū)域應(yīng)力場方向?yàn)镹WW向，約為290°左右，震源機(jī)制解類型主要是逆斷型和走滑型。而按照蔣維強(qiáng)等(1992)對華南地區(qū)震源機(jī)制解的分區(qū)研究，工程區(qū)的平均主壓應(yīng)力軸方位為334°，即主壓應(yīng)力方向?yàn)镹NW～NW。

為進(jìn)一步分析區(qū)域應(yīng)力場方向特征，我們采用基于震源機(jī)制解的應(yīng)力反演方法，對貴州省桃子埡隧道周邊區(qū)域應(yīng)力場進(jìn)行了反演。我們從數(shù)據(jù)庫收集到區(qū)域內(nèi)小震震源機(jī)制解82個(gè)，對應(yīng)的斷層應(yīng)力狀態(tài)如圖3所示，其中以逆沖型(TF)為主，約占50%，其次是未確定型(UD)占32.93%，走滑型(SS)約占14.63%，表明該區(qū)域主壓應(yīng)力軸接近水平，而震源深度都集中在5～41km深度段，因而深部應(yīng)力結(jié)為主?；谶@些震源機(jī)制解反演出的應(yīng)力方向如圖4所示，其中最大主應(yīng)力方向?yàn)镹NW向(349.5°±3.7°)，傾角2.3°；中間主應(yīng)力方位平均值為80.0°，傾角平均值為12.7°；最小主應(yīng)力傾角平均值為76.9°，近似垂直方向(圖4a)。應(yīng)力形因子R(R=(σ1-σ2)/(σ1-σ3))的平均值為0.89±0.01(圖4b)，接近1，說明中間主應(yīng)力與最小主應(yīng)力量值接近。另外，震源機(jī)制一致性參數(shù)misfit角度的平均值為34.1°，小于40°，表明應(yīng)力場在空間上較為一致(Michael et al.，1990)。

圖3 震源機(jī)制解給出的斷層應(yīng)力狀態(tài)

圖4 基于震源機(jī)制解數(shù)據(jù)反演得到的應(yīng)力主軸和應(yīng)力形因子R的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為了更好地了解該區(qū)域的區(qū)域應(yīng)力場狀態(tài)，筆者查閱了最新維護(hù)的《中國大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫》(謝富仁等，2007)中桃子埡隧道工程區(qū)附近(緯度26.7°N～30.7°N，經(jīng)度104.9°E～108.9°E)應(yīng)力數(shù)據(jù)，繪出該區(qū)域的實(shí)測數(shù)據(jù)水平最大主應(yīng)力方位玫瑰花圖(圖5)，優(yōu)勢方位為N15°～60°W。對比鉆孔ZK3測得的應(yīng)力方向與區(qū)域淺部實(shí)測應(yīng)力方向一致。因而，桃子埡隧道工程區(qū)淺部現(xiàn)代應(yīng)力場主應(yīng)力方向?yàn)镹NW～NW方向。

圖5 桃子埡隧道工程區(qū)附近實(shí)測水平最大主應(yīng)力方位統(tǒng)計(jì)結(jié)果

依據(jù)《中國大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫》，桃子埡隧道工程區(qū)周邊實(shí)測應(yīng)力量值見圖6，其中新涼風(fēng)埡隧道和渝黔線天坪隧道與桃子埡隧道鄰近，新涼風(fēng)埡隧道埋深大于400m洞身的水平最大主應(yīng)力量值為8～20MPa，水平最小主應(yīng)力為6～13MPa左右；天坪隧道DZ-5孔測段深度范圍(550～800m)的水平最大主應(yīng)力量值約為12～17MPa，水平最小主應(yīng)力約為7～10MPa。由于桃子埡隧道ZK3孔和涼風(fēng)埡隧道以及天坪隧道距離較近，地形地貌、地質(zhì)條件、埋深基本相當(dāng)，桃子埡隧道ZK3孔地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)與涼風(fēng)埡隧道和天坪隧道的地應(yīng)力數(shù)據(jù)反映的應(yīng)力特征有可比性，桃子埡隧道ZK3孔的應(yīng)力量值水平介于上述兩隧道之間，且量值都在區(qū)域?qū)崪y應(yīng)力量值范圍內(nèi)，應(yīng)力方向大體一致。

圖6 工程區(qū)附近地應(yīng)力隨深度變化

綜合上述構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)方法以及實(shí)測方法獲得的桃子埡隧道工程區(qū)附近應(yīng)力場結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)工程區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場方向與構(gòu)造行跡法得到的古應(yīng)力場方向基本一致，水平構(gòu)造應(yīng)力仍然占一定主導(dǎo)作用，應(yīng)力量值與區(qū)域?qū)崪y應(yīng)力量值范圍一致；對于不同深度范圍上，淺部實(shí)測數(shù)據(jù)顯示應(yīng)力方向以NNW～NW向?yàn)橹?，?yīng)力狀態(tài)以走滑型為主，而深部震源機(jī)制解揭示的主應(yīng)力優(yōu)勢方向?yàn)镹NW向，應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變以逆沖型為主?？偟膩碚f，利用淺部鉆孔所獲得的地應(yīng)力方向是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場和地表地形地貌等綜合作用結(jié)果，通過多源數(shù)據(jù)的分析可以對隧道工程區(qū)應(yīng)力場時(shí)空演化規(guī)律有較為深刻認(rèn)識。

3 應(yīng)力狀態(tài)預(yù)測

由于測試條件和成本等限制，在工程勘察和施工階段我們不可能通過密集布設(shè)鉆孔來了解整個(gè)工程區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)和隧道洞身部位的巖體工程地質(zhì)特性，又因?yàn)殚L大深埋隧道屬于線狀工程，不適合采用數(shù)值模擬方法開展沿線應(yīng)力狀態(tài)預(yù)測(王成虎等，2014)，但是我們可以通過合理的理論假設(shè)再結(jié)合有限的地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)來對整個(gè)工程區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)予以預(yù)測和確定。此處，筆者基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和修正的Sheorey模型(Sheorey，1994)開展桃子埡隧道沿線應(yīng)力預(yù)測。

Sheorey模型(Sheorey，1994)，也稱作靜態(tài)黏彈熱應(yīng)力模型，將地球假設(shè)為一個(gè)不同物質(zhì)分層的球形殼體，且在不同地殼和地幔分層及深度上的巖體物理力學(xué)性能隨著深度的增加而變化，從而建立起水平應(yīng)力量值與深度變化的關(guān)系。對于各向同性材料，有：

(1)

式中：σhor為水平應(yīng)力量值；β為巖石線性膨脹系數(shù)；γ為巖石的重度；E和v分別為巖石彈性模量和泊松比；G為地殼中溫度梯度；H為距地表的深度。考慮淺部地殼，取β=8.0×10-6℃-1，G=0.024℃·m-1，垂直應(yīng)力取Sv=γH，則上式可以轉(zhuǎn)換為水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值k表示的關(guān)系式：

k=0.25+7E(1/H+0.001)

(2)

對于同一構(gòu)造區(qū)域或構(gòu)造單元，結(jié)合Hoek-Brown強(qiáng)度理論，可以對Sheorey模型進(jìn)行修正，從而可以通過已知測點(diǎn)的應(yīng)力量值來預(yù)測另一不同巖性和埋深區(qū)域的地應(yīng)力狀態(tài)，即修正的Sheorey模型(王成虎等，2009)：

(3)

σci為完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；GSI為巖體強(qiáng)度指數(shù)，與巖體分級相關(guān)；mi、mb、s為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。mi的取值范圍在0.0000001～25之間，為反映完整巖石的軟硬程度的參數(shù)；s取值范圍在0～1之間，為反映巖體破碎程度的參數(shù)式中：H1、H2為距地表的不同深度；Erm1、Erm2為不同深度上原位巖體變形模量，由Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則(Hoek et al.，1997)確定；k1、k2為不同深度的水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值。該模型考慮了原位巖體變形模量及其隨深度變化，從而將巖性、結(jié)構(gòu)面等信息考慮在應(yīng)力預(yù)測中，可以有效地處理較為離散的實(shí)測應(yīng)力值的歸一化問題。

依據(jù)工程地質(zhì)資料對隧道圍巖基本巖體質(zhì)量的描述(劉朝躍等，2019)，巖性以白云質(zhì)灰?guī)r、泥巖和砂巖為主，圍巖級別以Ⅳ級圍巖為主，部分為Ⅴ級圍巖。利用Hoek-Brown準(zhǔn)則(Hoek et al.，1997)及RocLab軟件(Hoek et al.，2002)，可以估算ZK3鉆孔附近的巖體強(qiáng)度和變形模量等參數(shù)，結(jié)果如表2所示。取鉆孔附近完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為61MPa時(shí)，考慮地質(zhì)體強(qiáng)度、破碎程度等因素后，巖體的變形模量為8793.77MPa，而巖體整體強(qiáng)度為20.14MPa。

表2 基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的ZK3鉆孔周邊巖體強(qiáng)度估算表

對于桃子埡深埋隧道工程，利用Sheorey模型式(2)對工程區(qū)周邊實(shí)測地應(yīng)力結(jié)果(圖6)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，當(dāng)埋深超過300m時(shí)，側(cè)壓力系數(shù)的離散性開始降低且應(yīng)力量值受地形地貌等的影響小，為保守起見，采用600m左右的側(cè)壓力系數(shù)kH=1.15、kh=0.67和k=0.9作為基準(zhǔn)值開展應(yīng)力量值預(yù)測。以該側(cè)壓力系數(shù)為參考值，并結(jié)合工程區(qū)圍巖強(qiáng)度、等級、破碎程度等條件，參考表2計(jì)算巖體的模量及強(qiáng)度參數(shù)，從而利于修正的Sheorey模型式(3)，可以開展隧道沿線地應(yīng)力量值的預(yù)測。由于修正的Sheorey模型考慮了巖體強(qiáng)度、圍巖等級、結(jié)構(gòu)面及破碎程度等，上述應(yīng)力預(yù)測方法，對于斷層帶和地形陡變帶同樣適用。

圖7 基于Sheorey理論的k值擬合圖

沿著桃子埡隧道左幅、右幅隧洞軸線的應(yīng)力值預(yù)測結(jié)果如圖8所示，應(yīng)力預(yù)測的量值隨著隧道埋深的增加而增加，且應(yīng)力量值與隧道圍巖質(zhì)量有關(guān)，隨著圍巖質(zhì)量的降低而降低。埋深300m左右時(shí)，水平最大、最小主應(yīng)力分別約為9.8MPa和6.6MPa；埋深600m左右時(shí)，水平最大、最小主應(yīng)力分別約為16MPa和10MPa；埋深超過900m時(shí)，水平最大、最小主應(yīng)力量值分別超過23MPa和15MPa。在鉆孔ZK3處，左右幅隧道預(yù)測應(yīng)力量值與實(shí)測應(yīng)力量值較為一致，預(yù)測值在實(shí)測值所限定的應(yīng)力值誤差范圍內(nèi)。分析隧道不同埋深的三向應(yīng)力，在淺部以水平應(yīng)力作用為主，三向應(yīng)力關(guān)系為SH>Sv≥Sh，在埋深超過600m時(shí)，水平最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力接近，三向應(yīng)力值關(guān)系表現(xiàn)為SH≥Sv>Sh。這與區(qū)域三向應(yīng)力關(guān)系有所不同，推測可能是巖體破碎帶的卸荷作用等影響。

圖8 基于修正的Sheorey模型的桃子埡隧道左右幅軸線應(yīng)力預(yù)測結(jié)果與測試結(jié)果對比

4 應(yīng)力狀態(tài)復(fù)核

如前所述，天坪隧道及桃子埡隧道周圍煤礦在施工或開采過程中出現(xiàn)了因高地應(yīng)力帶來的巖爆及軟巖變形問題(李樂，2015; 劉永剛，2017)，而桃子埡隧道在實(shí)際開挖過程中，Ⅲ級圍巖在500m左右埋深并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的脆性破壞現(xiàn)象，Ⅳ、Ⅴ級圍巖在560m也未發(fā)現(xiàn)明顯的大變形現(xiàn)象。因而需要對現(xiàn)場地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步測試，復(fù)核隧道沿線應(yīng)力狀態(tài)，一方面便于及時(shí)變更設(shè)計(jì)及施工方案，科學(xué)控制工程造價(jià)并保證施工和工程結(jié)構(gòu)安全。另一方面，可以檢驗(yàn)預(yù)測結(jié)果的可靠性。隧道開挖后隧洞內(nèi)地應(yīng)力檢測，可以獲得隧道當(dāng)前埋深位置的真實(shí)原地應(yīng)力值，從而為隧道設(shè)計(jì)和施工方案變更及預(yù)算調(diào)整等提供有力依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)力復(fù)核測點(diǎn)的選擇主要依據(jù)桃子埡隧道周邊隧道及煤礦開挖過程中巖爆或軟巖變形可能發(fā)生的埋深、桃子埡隧道勘察設(shè)計(jì)階段應(yīng)力預(yù)測結(jié)果以及施工過程中圍巖變形破壞情況，并結(jié)合隧道施工進(jìn)度進(jìn)行選擇。首先天平隧道與桃子埡隧道埋深及地質(zhì)條件類似，在開挖中發(fā)生了大變形，尤其是埋深較大位置，周邊煤礦在開采過程中也出現(xiàn)巖爆或軟巖變形問題，因而應(yīng)力狀態(tài)復(fù)核重點(diǎn)側(cè)重埋深較大位置。其次，桃子埡應(yīng)力預(yù)測結(jié)果顯示，在埋深大于600m時(shí)，應(yīng)力量值可能超過16MPa，

按照勘察設(shè)計(jì)報(bào)告對應(yīng)力狀態(tài)的評估認(rèn)為可能存在高應(yīng)力破壞，因而應(yīng)力狀態(tài)復(fù)核測試點(diǎn)主要布置在埋深超過600m位置，初始設(shè)計(jì)是埋深每增加100m，在隧道左幅或者右幅布置一個(gè)應(yīng)力復(fù)核鉆孔進(jìn)行水壓致裂應(yīng)力測量。在桃子埡隧道開挖施工過程中，我們結(jié)合上述測點(diǎn)選擇原則依據(jù)施工進(jìn)度安排，采用水壓致裂法在右幅隧洞內(nèi)進(jìn)行了4個(gè)鉆孔的原地應(yīng)力測試，測點(diǎn)位置及埋深見表3。隧洞內(nèi)鉆孔深度在40m左右，相對勘察階段的鉆孔應(yīng)力測量，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的快速檢測。隧洞內(nèi)水壓致裂地應(yīng)力測試的壓力-時(shí)間結(jié)果見圖9，在各個(gè)測段內(nèi)測試曲線重復(fù)性好，且各個(gè)循環(huán)的特征壓力清晰可見。

表3 應(yīng)力復(fù)核測點(diǎn)及測試結(jié)果

圖9 A8-2鉆孔水壓致裂壓力-時(shí)間曲線

應(yīng)力量值的計(jì)算結(jié)果如圖8所示，其中在A7-1鉆孔(埋深615～639m)內(nèi)測試結(jié)果顯示水平最大、最小主應(yīng)力量值范圍為12.24～19.58MPa和7.53～10.70MPa；A7-2鉆孔的測試埋深766.10～776.25m，水平最大、最小主應(yīng)力范圍分別為10.88～14.77MPa和6.19～8.13MPa，平均值為12.77MPa和7.17MPa；A8-1在測點(diǎn)區(qū)域洞身部位(埋深799.35～831.05m)的水平最大主應(yīng)力為8.67～20.97MPa，水平最小主應(yīng)力為5.81～13.95MPa；A8-2鉆孔測段的埋深最深(925～937m)，其水平最大主應(yīng)力為21.15～23.58MPa左右，平均值為22.57MPa；水平最小主應(yīng)力為11.49～13.41MPa左右，平均值為12.32MPa。4個(gè)鉆孔的水平最大主應(yīng)力優(yōu)勢方位為N16°W～N37°W范圍內(nèi)，該方位與勘察階段應(yīng)力測試結(jié)果一致，且與區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)基本一致。

對比隧洞內(nèi)實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)與基于修正的Sheorey模型的應(yīng)力預(yù)測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)除了A7-2鉆孔外，其他鉆孔實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)測結(jié)果基本一致，說明基于修正的Sheorey模型可以在勘察設(shè)計(jì)階段不具備應(yīng)力測試條件或者為節(jié)約成本情況下，對應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行初步的預(yù)測和評估。A7-2鉆孔實(shí)測地應(yīng)力量值較預(yù)測值偏低，一方面，從鉆孔取芯結(jié)果來看，A7-2鉆孔的巖芯破碎，巖體質(zhì)量較差，且穿過煤層，在鉆孔及地應(yīng)力測試過程中出現(xiàn)大量煤層氣冒出，測試過程中封隔器密封問題及煤層氣存在都可能影響應(yīng)力測試結(jié)果，導(dǎo)致應(yīng)力測量結(jié)果偏低。另一方面在勘察設(shè)計(jì)階段，對該位置附近巖石質(zhì)量等的評價(jià)存在一定的高估，從而導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果偏高。距離A7-2鉆孔(YK58+760)約60m的開挖面(YK59+020)處圍巖出現(xiàn)輕微破壞現(xiàn)象，掌子面有異常掉塊、片幫，但不明顯，沒有觀察到明顯的高應(yīng)力破壞現(xiàn)象，多為輕微變形破壞(圖10)，進(jìn)一步驗(yàn)證了應(yīng)力量值預(yù)測和測試結(jié)果。另外，A8-1鉆孔接近斷裂破碎帶，應(yīng)力量值也略低于預(yù)測結(jié)果，其原因與上述情況類似，破碎帶的存在一方面影響水壓致裂地應(yīng)力測試中密封問題，導(dǎo)致破裂壓力偏低，應(yīng)力量值偏低，另一方面目前應(yīng)力預(yù)測是按照勘察劃分樁號進(jìn)行的，破碎帶巖石質(zhì)量評價(jià)可能存在高估情況。因而，在應(yīng)力復(fù)核階段，對于巖性變化復(fù)雜、構(gòu)造存在等巖體質(zhì)量較差情況下，建議一方面結(jié)合鉆取的巖芯質(zhì)量或鉆孔圖像掃描等，慎重選擇水壓致裂試驗(yàn)段，另一方面，建議采用小孔徑水壓致裂技術(shù)可以將水壓致裂測試段減小，從而減小鉆孔巖石質(zhì)量對測試結(jié)果影響并增加測試數(shù)據(jù)量。

圖10 掌子面(YK59+020)附近圍巖照片

本研究在桃子埡隧道勘察設(shè)計(jì)階段的初始應(yīng)力測量及基于多源應(yīng)力數(shù)據(jù)的應(yīng)力場預(yù)測，為隧道的設(shè)計(jì)及施工提供了較為可靠的應(yīng)力結(jié)果，指導(dǎo)隧道的設(shè)計(jì)及施工。然而在遇到巖性變化復(fù)雜、斷層破碎帶等構(gòu)造時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)預(yù)測的結(jié)果將依賴于前期巖性及圍巖質(zhì)量勘察結(jié)果。而隧道開挖后的應(yīng)力測試及復(fù)核，可以快速有效地復(fù)核隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，從而進(jìn)一步確定隧道沿線應(yīng)力狀態(tài)，提高隧道施工質(zhì)量，并據(jù)此可及時(shí)調(diào)整與變更隧道施工方案，縮短施工工期、調(diào)整預(yù)算，保障工程的安全、順利完成及高效的成本控制。

5 結(jié) 論

本文首先基于桃子埡深埋特長隧道的水壓致裂地應(yīng)力測試結(jié)果和區(qū)域應(yīng)力資料，采用修正的Sheorey模型，對桃子埡隧道沿著隧道軸線的應(yīng)力量值進(jìn)行了預(yù)測，并在隧道開挖后對應(yīng)力量值進(jìn)行了復(fù)核，主要結(jié)論如下：

(1)桃子埡隧道工程區(qū)的實(shí)測應(yīng)力場方向與古構(gòu)造應(yīng)力場、區(qū)域應(yīng)力場方向基本一致，為NW～NNW向，三向應(yīng)力量值滿足SH≥Sv>Sh，水平應(yīng)力占主導(dǎo)。

(2)在深度方向上，淺部ZK3鉆孔實(shí)測應(yīng)力方向和量值與數(shù)據(jù)庫內(nèi)區(qū)域應(yīng)力場方向和量值范圍較為一致，但不同于深部震源機(jī)制解反演應(yīng)力場結(jié)果。淺部應(yīng)力場方向和應(yīng)力狀態(tài)受地表地形地貌等的影響發(fā)生了適度的偏轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)變。

(3)基于工程區(qū)鉆孔實(shí)測應(yīng)力結(jié)果和區(qū)域有限的應(yīng)力資料，利用修正的Sheorey模型可以對隧道沿線應(yīng)力量值進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果顯示，鉆孔附近的預(yù)測值在實(shí)測應(yīng)力量值變化范圍內(nèi)，在埋深超過900m時(shí)，應(yīng)力量值偏高，水平最大和最小應(yīng)力值分別超過23MPa和15MPa。

(4)隧道開挖后進(jìn)行的4個(gè)鉆孔的應(yīng)力復(fù)核結(jié)果顯示，除了局部受到巖性變化、斷裂破碎帶等影響出現(xiàn)偏差，預(yù)測結(jié)果與實(shí)測應(yīng)力量值基本一致。

(5)基于修正的Sheorey模型可以較好地預(yù)測隧道等線狀工程的應(yīng)力狀態(tài)，而隧道開挖過程中隧道內(nèi)的應(yīng)力檢測也是十分必要的，可以有效地復(fù)核應(yīng)力狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整施工方案、保證施工質(zhì)量并節(jié)約施工成本等。