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【摘要】本文以天池坪隧道施工为工程背景，通过应力测试研究围岩变形与地应力的关系，分析认为，隧道围岩的变形是在较强的构造应力与垂直重力共同作用的。围岩应力状态是支护设计的依据，适时支护是非常重要的，这对确保围岩稳定和支护安全具有重要意义。
【关键词】应力测试；围岩变形；地应力；适时支护；围岩稳定
The Study of Relationship Between Surrounding Rock and Crustal Stress for Tianchi Ping Tunnel
Xu Shao-ping1， Li De-fa2
(1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong UniversityLanzhouGansu73007;
2.The Second Branch of China Railway 3th Bureau Group Co.,LtdShijiazhuangHebei050000)
【Abstract】According to the construction of Tianchi Ping tunnel, in this paper, study the relationship between surrounding rock and crustal stress through stress test, analysis believe that the deformation of surrounding rock is the joint effect of strong tectonic stress and vertical gravity. Rock stress state is the basis for supporting design, timely support is very important, which have great significance to ensure surrounding rock stability and supporting safety.
【Key words】Stress test;The deformation of surrounding rock;Crustal stress;Timely support;Surrounding rock stability
1. 引言
我國地形东高西低，西部多为山区、高原：东部多为平原、丘陵。东部地区与西部地区的地应力状态大不相同，东部地区地应力量值较低，而西部地区地应力量值较高，是我国的高地应力地区，在低地应力地区，岩爆发生频率很低，而在高地应力地区，岩爆发生的频率很高，如果是软弱岩层，在地下洞室成洞期间极易发生塑性大变形，甚至发生洞室坍塌、无法成洞等现象。
地应力作用无处无时不在，尽管一定规模的地下洞室的人为开挖将导致洞壁围岩中的地应力作用重新分布，但其影响范围只是限于洞壁围岩的浅部，而且随着时间的延续会在一定时间内重新达到一个新的平衡［1］。由此可见，围岩稳定性的决定因素是其原地应力的作用。
一般而言，在地壳深部镶嵌紧闭的情况下，即使是结构并不十分完整的岩体，其本身也具有一定的抗载能力，只是由于岩性及其结构与构造的不同，其承载强度具有显著差别［2］。因此，在同一地壳应力场的作用下，完整坚硬的结晶岩体易于积蓄大量的弹性应变能，在开挖扰动的情况下，大多表现为脆性破坏，而对于各类软弱岩层，隧道围岩的破坏往往以流变变形为主。通过地质勘察或隧道开挖，可以准确地弄清岩体的岩性及其结构特征，而岩体的地应力状态则只有通过原地测量才能比较准确地确定。因此，长大隧道围岩变形的研究是工程建设的一个关键问题，而地应力状态资料是稳定性分析的依据，原地应力测量是不可或缺的地质勘测内容之一。
2. 工程概况
本文以兰渝铁路兰州至广元段天池坪隧道为工程背景，天池坪隧道位于甘肃省宕昌县境内，隧道全长14521m，为一座长双线隧道。隧道于龚家沟左岸（DK285+977）山坡进洞，下穿池家山沟(DK288+073)、邓邓桥沟(DK291+460)、天池里沟(DK293+590)、广坪沟（DK297+560）等大型沟谷，在庙下沟右岸（DK300+498）出洞。
该隧道在大的地貌单元上属于西秦岭高中山区，沿线山高沟深，岸坡陡峻，地面最小高程为1350m，最大高程2980m，相对高差为1630m。沿线经过的主要沟谷为：池家山沟、邓桥沟、天池里沟、广坪沟，多为'V'字型沟谷，坡降较大，沟谷中由于河流侵蚀，使得岸坡陡峻，山体陡崖遍布，部分基岩表层风化剥落，形成缓坡。隧道最大埋深1500m，洞身沟谷中最小埋深86m。
隧道通过区位于秦岭褶皱系，地质构造复杂，褶皱发育。受构造影响岩层产状较乱，走向总体以北西——北西西向为主，层面多张开，节理以近垂直岩层走向的两组节理为主，多为“X”“羽”状剪节理，微张——张开；裂隙发育，多为方解石填充。地层岩性有第四系全新统地层主要分布于冲沟、山坡缓坡及坡麓地带，成因以冲积、洪积、坡积为主。主要岩性为砂质黄土、粗角（圆）砾土、卵石土、碎石土；上更新统风积砂质黄土主要分布在池家山、天池坪山梁顶部地表。三叠系，为该隧道通过的主要基岩地层，岩性以砂岩、板岩、灰岩及三者互层为主。
3. 池坪隧道DSZ-1孔测试结果及分析
天池坪隧道SZ-1孔，设计孔深为225.00m，静水位约为14.50m。该孔岩芯主要为板岩和灰岩。钻孔结构为：0～30m为150套管，30～121.44m为130，121.44～205.00m为110，205.00～225.00m为91。212.44m附近有一段飞管残留孔内。
根据设计要求，测试主要在110和91的钻孔中进行。成功进行水压致裂法地应力测量6个点，应力方向测量3个点。
3.1主应力量值的测试结果。
图1是该孔压裂过程中的压力——时间记录曲线。共6个压裂段，各压裂段的破裂压力、重张压力、闭合压力在各次循环较清晰明确，这为准确地把握测段处的应力状态奠定了良好的基础。由重张压力和闭合压力分别计算给出各测段处的最大水平主应力和最小水平主应力值。测量结果详见表1。同时，根据岩石的容重（取岩石容重2.65g/cm3）和上覆岩层的厚度，给出了各测段的垂直应力（ SV）计算值。
3.2主应力方向的测量结果。
选定了124.43～125.23m、195.57～196.37m和218.10～218.90m 3个测段进行了印模测量。测试结果绘于图2，3个测段的破裂形态均为直立裂缝，计算求得破裂面的方向分别为N29°W、N37°W和N35°W。
图1天池坪隧道DSZ-1孔压力记录曲线
图2天池坪隧道DSZ-1孔水压致裂应力测量印模结果
3.3测试结果分析。
主应力量值：最大水平主应力值为11.45～21.28MPa，最小水平主应力值为6.81～12.14MPa。
主应力大小：根据《工程岩体分级标准》GB/50218-94：用洞身部位的最大水平主应力测值21.28MPa与该处板岩单轴抗压强度30MPa（估计值）比较RC/SH， 值为1.41，属于极高地应力状态。
主应力与深度的关系：从应力与深度的关系看，应力随深度变化有增加的趋势（图3）。根据6测点主应力测值进行线性回归，结果如下(深度域：120～220m)：
SH=3.32+0.074D 相关系数：0.772
Sh=3.45+0.035D 相关系数：0.707
其中，D为钻孔深度，单位为m；主应力单位为MPa。
三项主应力的关系：将地应力实测结果与按上覆岩层厚度计算得到的垂向应力相比较，三项主应力的关系为：SH ＞ Sh＞SV 。
水平主应力方向：该孔洞身附近的最大水平主应力优势方向为北西向(即N29°～35°W)，与拟设隧洞轴线走向即线路走向南偏西8度（N8°E）夹角约43°，对洞室围岩的稳定有一定影響。
岩石原地抗张强度：岩石原地抗拉强度多为2.5～3.5MPa。
图3天池坪隧道DSZ-1孔应力值随深度变化图
4. 结论
隧道围岩应力状态的测量研究为弄清围岩变形成因提供了重要资料，并为科学地制定隧道围岩变形的支护措施提供了依据。
隧道围岩的现今最大主应力值为22MPa左右，而岩层结构较为完整的砂岩、闪长岩洞段围岩均较完整，没有产生明显的变形破坏，因此这给支护强度的设计提供了参考依据。在该隧道变形的防治实践中，对初期支护严重变形的洞段，采用了拆除后进行二次衬砌，并适当调整设计支护的强度和刚度的措施，从而控制围岩的变形。工程实践表明，根据围岩的地应力特征，结合围岩变形的具体情况，采取的相应工程措施都是卓有成效的，有力地保证了工程的顺利进行。
隧道围岩变形的调查分析表明，支护时机的选择对确保支护安全与围岩稳定是至关重要的。《铁路隧道施工规范》并没有规定软岩大变形隧道的衬砌时机，如果等初期支护稳定后再施作二次衬砌，则变形不易控制，容易造成坍方，所以适当提前施作二次衬砌时间来承担部分初期支护而产生的荷载对软岩大变形隧道是可行的，也是对安全有利的。但如果二次衬砌施作过早，则可能使其受力过大而导致开裂，从而降低隧道结构的耐久性［3］。在较强的构造应力作用和大埋深的情况下，隧道的人为开挖势必改变原地应力状态，导致围岩应力的重新分布，软弱围岩的变形不可避免。因此隧道围岩变形的支护设计应预留一定的变形量，允许围岩适度变形，选择流变大变形尚未形成、围岩尚未完全丧失其抗载能力的时刻、施作衬砌支护，此后如继续变形且达到一定程度时，则及时进行支护补强。在此后的施工过程中，这一措施收到了良好的效果。
参考文献
［1］谷兆祺，彭守拙，李仲奎. 地下洞室工程［M］. 北京：清华大学出版社，1994.
［2］赵仕广，郭启良，候砚和. 小天都气垫调压室洞壁围岩原地承载力的水力劈裂测试［J］. 水力发电学报，2005，24(1)：107～112.
［3］刘志春，李文江，朱永全，等.软岩大变形隧道二次衬砌施作时机探讨［J］.岩石力学与工程学报，2008(3):580～588.
［文章编号］1006-7619（2011）12-14-246
［作者简介］ 许绍平（1984.3-）， 男，学历：岩土工程硕士研究生。
【关键词】应力测试；围岩变形；地应力；适时支护；围岩稳定
The Study of Relationship Between Surrounding Rock and Crustal Stress for Tianchi Ping Tunnel
Xu Shao-ping1， Li De-fa2
(1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong UniversityLanzhouGansu73007;
2.The Second Branch of China Railway 3th Bureau Group Co.,LtdShijiazhuangHebei050000)
【Abstract】According to the construction of Tianchi Ping tunnel, in this paper, study the relationship between surrounding rock and crustal stress through stress test, analysis believe that the deformation of surrounding rock is the joint effect of strong tectonic stress and vertical gravity. Rock stress state is the basis for supporting design, timely support is very important, which have great significance to ensure surrounding rock stability and supporting safety.
【Key words】Stress test;The deformation of surrounding rock;Crustal stress;Timely support;Surrounding rock stability
1. 引言
我國地形东高西低，西部多为山区、高原：东部多为平原、丘陵。东部地区与西部地区的地应力状态大不相同，东部地区地应力量值较低，而西部地区地应力量值较高，是我国的高地应力地区，在低地应力地区，岩爆发生频率很低，而在高地应力地区，岩爆发生的频率很高，如果是软弱岩层，在地下洞室成洞期间极易发生塑性大变形，甚至发生洞室坍塌、无法成洞等现象。
地应力作用无处无时不在，尽管一定规模的地下洞室的人为开挖将导致洞壁围岩中的地应力作用重新分布，但其影响范围只是限于洞壁围岩的浅部，而且随着时间的延续会在一定时间内重新达到一个新的平衡［1］。由此可见，围岩稳定性的决定因素是其原地应力的作用。
一般而言，在地壳深部镶嵌紧闭的情况下，即使是结构并不十分完整的岩体，其本身也具有一定的抗载能力，只是由于岩性及其结构与构造的不同，其承载强度具有显著差别［2］。因此，在同一地壳应力场的作用下，完整坚硬的结晶岩体易于积蓄大量的弹性应变能，在开挖扰动的情况下，大多表现为脆性破坏，而对于各类软弱岩层，隧道围岩的破坏往往以流变变形为主。通过地质勘察或隧道开挖，可以准确地弄清岩体的岩性及其结构特征，而岩体的地应力状态则只有通过原地测量才能比较准确地确定。因此，长大隧道围岩变形的研究是工程建设的一个关键问题，而地应力状态资料是稳定性分析的依据，原地应力测量是不可或缺的地质勘测内容之一。
2. 工程概况
本文以兰渝铁路兰州至广元段天池坪隧道为工程背景，天池坪隧道位于甘肃省宕昌县境内，隧道全长14521m，为一座长双线隧道。隧道于龚家沟左岸（DK285+977）山坡进洞，下穿池家山沟(DK288+073)、邓邓桥沟(DK291+460)、天池里沟(DK293+590)、广坪沟（DK297+560）等大型沟谷，在庙下沟右岸（DK300+498）出洞。
该隧道在大的地貌单元上属于西秦岭高中山区，沿线山高沟深，岸坡陡峻，地面最小高程为1350m，最大高程2980m，相对高差为1630m。沿线经过的主要沟谷为：池家山沟、邓桥沟、天池里沟、广坪沟，多为'V'字型沟谷，坡降较大，沟谷中由于河流侵蚀，使得岸坡陡峻，山体陡崖遍布，部分基岩表层风化剥落，形成缓坡。隧道最大埋深1500m，洞身沟谷中最小埋深86m。
隧道通过区位于秦岭褶皱系，地质构造复杂，褶皱发育。受构造影响岩层产状较乱，走向总体以北西——北西西向为主，层面多张开，节理以近垂直岩层走向的两组节理为主，多为“X”“羽”状剪节理，微张——张开；裂隙发育，多为方解石填充。地层岩性有第四系全新统地层主要分布于冲沟、山坡缓坡及坡麓地带，成因以冲积、洪积、坡积为主。主要岩性为砂质黄土、粗角（圆）砾土、卵石土、碎石土；上更新统风积砂质黄土主要分布在池家山、天池坪山梁顶部地表。三叠系，为该隧道通过的主要基岩地层，岩性以砂岩、板岩、灰岩及三者互层为主。
3. 池坪隧道DSZ-1孔测试结果及分析
天池坪隧道SZ-1孔，设计孔深为225.00m，静水位约为14.50m。该孔岩芯主要为板岩和灰岩。钻孔结构为：0～30m为150套管，30～121.44m为130，121.44～205.00m为110，205.00～225.00m为91。212.44m附近有一段飞管残留孔内。
根据设计要求，测试主要在110和91的钻孔中进行。成功进行水压致裂法地应力测量6个点，应力方向测量3个点。
3.1主应力量值的测试结果。
图1是该孔压裂过程中的压力——时间记录曲线。共6个压裂段，各压裂段的破裂压力、重张压力、闭合压力在各次循环较清晰明确，这为准确地把握测段处的应力状态奠定了良好的基础。由重张压力和闭合压力分别计算给出各测段处的最大水平主应力和最小水平主应力值。测量结果详见表1。同时，根据岩石的容重（取岩石容重2.65g/cm3）和上覆岩层的厚度，给出了各测段的垂直应力（ SV）计算值。
3.2主应力方向的测量结果。
选定了124.43～125.23m、195.57～196.37m和218.10～218.90m 3个测段进行了印模测量。测试结果绘于图2，3个测段的破裂形态均为直立裂缝，计算求得破裂面的方向分别为N29°W、N37°W和N35°W。
图1天池坪隧道DSZ-1孔压力记录曲线
图2天池坪隧道DSZ-1孔水压致裂应力测量印模结果
3.3测试结果分析。
主应力量值：最大水平主应力值为11.45～21.28MPa，最小水平主应力值为6.81～12.14MPa。
主应力大小：根据《工程岩体分级标准》GB/50218-94：用洞身部位的最大水平主应力测值21.28MPa与该处板岩单轴抗压强度30MPa（估计值）比较RC/SH， 值为1.41，属于极高地应力状态。
主应力与深度的关系：从应力与深度的关系看，应力随深度变化有增加的趋势（图3）。根据6测点主应力测值进行线性回归，结果如下(深度域：120～220m)：
SH=3.32+0.074D 相关系数：0.772
Sh=3.45+0.035D 相关系数：0.707
其中，D为钻孔深度，单位为m；主应力单位为MPa。
三项主应力的关系：将地应力实测结果与按上覆岩层厚度计算得到的垂向应力相比较，三项主应力的关系为：SH ＞ Sh＞SV 。
水平主应力方向：该孔洞身附近的最大水平主应力优势方向为北西向(即N29°～35°W)，与拟设隧洞轴线走向即线路走向南偏西8度（N8°E）夹角约43°，对洞室围岩的稳定有一定影響。
岩石原地抗张强度：岩石原地抗拉强度多为2.5～3.5MPa。
图3天池坪隧道DSZ-1孔应力值随深度变化图
4. 结论
隧道围岩应力状态的测量研究为弄清围岩变形成因提供了重要资料，并为科学地制定隧道围岩变形的支护措施提供了依据。
隧道围岩的现今最大主应力值为22MPa左右，而岩层结构较为完整的砂岩、闪长岩洞段围岩均较完整，没有产生明显的变形破坏，因此这给支护强度的设计提供了参考依据。在该隧道变形的防治实践中，对初期支护严重变形的洞段，采用了拆除后进行二次衬砌，并适当调整设计支护的强度和刚度的措施，从而控制围岩的变形。工程实践表明，根据围岩的地应力特征，结合围岩变形的具体情况，采取的相应工程措施都是卓有成效的，有力地保证了工程的顺利进行。
隧道围岩变形的调查分析表明，支护时机的选择对确保支护安全与围岩稳定是至关重要的。《铁路隧道施工规范》并没有规定软岩大变形隧道的衬砌时机，如果等初期支护稳定后再施作二次衬砌，则变形不易控制，容易造成坍方，所以适当提前施作二次衬砌时间来承担部分初期支护而产生的荷载对软岩大变形隧道是可行的，也是对安全有利的。但如果二次衬砌施作过早，则可能使其受力过大而导致开裂，从而降低隧道结构的耐久性［3］。在较强的构造应力作用和大埋深的情况下，隧道的人为开挖势必改变原地应力状态，导致围岩应力的重新分布，软弱围岩的变形不可避免。因此隧道围岩变形的支护设计应预留一定的变形量，允许围岩适度变形，选择流变大变形尚未形成、围岩尚未完全丧失其抗载能力的时刻、施作衬砌支护，此后如继续变形且达到一定程度时，则及时进行支护补强。在此后的施工过程中，这一措施收到了良好的效果。
参考文献
［1］谷兆祺，彭守拙，李仲奎. 地下洞室工程［M］. 北京：清华大学出版社，1994.
［2］赵仕广，郭启良，候砚和. 小天都气垫调压室洞壁围岩原地承载力的水力劈裂测试［J］. 水力发电学报，2005，24(1)：107～112.
［3］刘志春，李文江，朱永全，等.软岩大变形隧道二次衬砌施作时机探讨［J］.岩石力学与工程学报，2008(3):580～588.
［文章编号］1006-7619（2011）12-14-246
［作者简介］ 许绍平（1984.3-）， 男，学历：岩土工程硕士研究生。