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摘要：近年来，国内高速公路工程掀起建设热潮，对于山区高速公路，隧道的地质条件和设计具有重要意义。笔者以福建省永春至永定高速公路吴同山隧道为例，对其地应力条件的测试方法作以说明，对类似隧道工程有一定的参考价值。
关键词： 高速公路隧道地应力地质勘察
中图分类号：P315.72+7文献标识码：A 文章编号：
Abstract: in recent years, domestic highway engineering a construction boom, for the mountainous area highway, the geological conditions and tunnel design is of great significance. The author quan in fujian province highway tunnel yongding to WuTongShan as an example, the ground stress test method of the conditions to explain to the similar tunnel project is of some reference value.
Keywords: highway tunnel geostress geological investigation
1 项目概况
1.1 工程概况
拟建的吴同山隧道位于福建省安溪县湖头镇，总体呈北东～南西向曲线形展布。隧道采用分离式，其中左洞起讫桩号ZK8+217～ZK11+394，总长3177m；右洞起讫桩号K8+215～K11+390，总长3175m；净空（宽×高）均为10.25×5.0m。设计时速80km/h，最大埋深489m，属特长隧道。
1.2 隧址区地质概况
本隧道在区域地质上位于闽西南拗陷带与闽东火山断拗带之间，区内构造较发育，在地质历史上先后经历了加里东、印支、燕山和喜山期重大构造运动，致使区内构造复杂及岩浆侵入频繁，奠定了本区地质构造基础。区域地震抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，峰值频谱周期为0.45s，设计地震分组属第二组。
隧址区属构造剥蚀低山丘陵地貌，地形起伏大，进出口均与山间沟谷盆地相连，切割深度10～25m，最大高程742.5m，最小高程188.5m，相对高差554m。山体表层为残积粘性土（Qel），层厚一般2.00～5.50m；下伏基岩为侏罗系上统南园组凝灰岩、流纹岩（J3nb）及燕山早期侵入花岗岩（γ52(3)c），其中花岗岩与凝灰岩、流纹岩呈侵入不整合接触关系，接触带内岩层蚀变较强烈，岩体节理裂隙发育，多破碎呈碎块状，对隧道洞身围岩稳定性有一定影响。微风化花岗岩层新鲜坚硬，节理裂隙弱發育，为隧道洞身主要围岩。
2 隧道的地应力条件
2.1 测试方法及步骤
勘察期间根据钻孔SZK吴7#岩芯的完整性，在钻孔不同深度采用水压致裂测量法进行测试。本方法是国际岩石力学学会测试方法委员会于1987年颁布的测定岩石应力的建议方法之一，其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，使用的设备示意图见图1。
本方法具有以下突出优点：（1）测量深度大；（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。因此，本方法被广泛应用于水利水电、交通、矿山等领域。
图1 水压致裂法测试设备示意图
在进行水压致裂测试之前，对钻孔进行检查，包括岩芯完整性指标RQD、透水率、钻孔倾斜度等参数，根据工程的需要选择合适的压裂段。同时现场对压力传感器进行标定，对每根加压钻杆进行密封检验。本次测试主要步骤如下：
（1）坐封：通过钻杆将两个可膨胀的橡胶封隔器放置到选定的压裂段，加压使其膨胀、坐封于孔壁上，形成承压段空间。
（2）注水加压：通过钻杆推动转换阀后，液压泵对压裂段注水加压（此时封隔器压力保持不变），钻孔孔壁承受逐渐增强的液压作用。
（3）岩壁破裂：在足够大的液压作用下，孔壁岩体沿阻力最小的方向出现破裂，该破裂将在垂直于截面最小主应力的平面内延伸。与之相应，当泵压上升到临界破裂压力Pb后，由于岩体破裂导致压力值急剧下降。
（4）关泵：关闭压力泵，泵压迅速下降，然后随着压裂液渗入到岩层，泵压下降缓慢。当压力降到使裂缝处于临界闭合状态时的压力，即垂直于裂缝面的最小主应力与液压回路达到平衡时的压力，称为瞬时关闭压力Ps。
（5）卸压：打开压力阀卸压，使裂缝完全闭合，泵压记录归零。
（6）重张：按（2）～（5）步骤连续进行多次加压循环，以便取得合理的压裂参数，以判断岩石破裂和裂缝延伸的过程。
（7）解封：压裂完毕后，通过钻杆拉动转换阀，使封隔器内液体通过钻杆排除，此时封隔器收缩恢复原状，即封隔器解封。
（8）破裂缝方向记录：采用定向印模器，通过扩张印模筒外层的生橡胶和能自动定向的定向器记录破裂缝的长度和方向。
2.2 测试成果
（1）应力量值
测试后各项数据基本符合水压致裂法测试的一般规律，各压力特征值比较明显。钻孔SZK吴7#在160.6～379.9m测试深度范围内的最大水平主应力σH为5.5～13.3MPa，最小水平主应力σh为4.1～10.5MPa，铅直应力z 为4.3～10.3MPa。测试成果详见下表1。测试部位隧道围岩为微风化花岗岩，参考试验结果并根据工程经验，取单轴饱和抗压强度Rc=80MPa，测试区域的Rc/σmax=6.3（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），岩体应力量级为高应力水平。
表1 SZK吴7#钻孔水压致裂法地应力测试成果表
注：1、Pb-岩石破裂压力，Pr-裂缝重张压力，Ps –瞬时闭合压力，P0 –岩石孔隙压力，σt - 岩石抗拉强度，σH –最大水平主应力，σh–最小水平主应力，σz–铅直（自重）应力，λ最大水平主应力方向的侧压系数(σH/σz)。破裂压力、重张压力及关闭压力为测点孔口压力值；2、岩石容重取为27kN/m3，测试时钻孔水位位于孔口以下45m。
（2）测压系数
测深范围内测段的最大水平主应力侧压系数σH/z绝大多数在1.1～1.3之间，隧道围岩处应力场主要呈σH>σz >σh特征，说明该深度范围内地应力场水平应力起主导作用，主要受构造应力和山谷地形作用的影响。
（3）应力方位
钻孔所得破裂缝方向比较一致，最大水平主应力方向范围为N22°W～N40°W，平均方位为N31°W，与隧址区沿线内主要断裂构造走向基本一致，主要裂缝印模见下图2。
（4）地应力量值与埋深的关系
通过拟合，获得的水平主应力量值随深度（H，单位m）的变化关系见下式及图3，可以看出：在测试深度范围内，应力量值随深度的增加而增大。
（5）地应力场与隧道轴线布置
隧道轴线方向主要受整体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。研究表明，在以水平构造为主的应力场中，洞
H=298.9m H=343.9m H=370.9m
图2 钻孔SZK吴2#水压致裂法压裂缝印模图
图3水平主应力测值随深度的变化关系图
室轴线最好平行最大水平主应力方向布置，否则边墙将产生严重的变形和破坏。根据本隧道地应力测试结果，测孔深部最大水平主应力方向（N40°W）与隧道轴线方向（约78°）夹角较大（约62°），对隧道围岩的稳定性相对不利。
2.3 隧道围岩的地应力场评估
本次测试最大测深为379.9m，小于隧道的最大埋深（约489m）。因此，需对可能发生岩爆的深埋段隧道围岩应力状态进行粗略估计。
孔深272m以下测段的最大水平主应力侧压系数在1.1～1.3之间。对于埋深大于测孔深度的深埋段隧道，需对测试结果进行适当外延，估计适用埋深的隧道围岩应力状态。依据测试结果及已有工程经验，重点针对可能发生岩爆的深埋段隧道，初步建议隧道综合应力場如下式所表述（H为隧道围岩埋深，单位m）。
实测最大水平主应力方位为N22°W～N40°W， 建议深埋段隧道围岩的最大水平主应力方向为N40º W。据上式粗略估计最大埋深处（约489m）围岩最大水平主应力为17.2MPa，属高应力水平。
2.4 施工期间隧道岩爆预测
针对完整硬质隧道围岩，参考试验结果与工程经验，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下表2所示。
综合以上测试成果，当隧道埋深小于225m时，施工期一般不会发生岩爆；隧道埋深在225～370m范围，可能发生轻微岩爆；隧道埋深大于370m时，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，还有岩体性状、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，必须选择合理的开挖方式，并在施工过程中采取必要的安全措施。
表2吴同山隧道岩爆判别表
Russenes法 Turchaninov法
岩爆烈度 σθ/Rc H/m 岩爆烈度 （σθ+σL）/Rc H/m
无岩爆 <0.2 <225 无岩爆 ≤0.3 ≤245
弱岩爆 [0.2,0.3） [225,370） 有岩爆可能 （0.3,0.5] （245,560]
中岩爆 [0.3,0.55） [370,620） 肯定发生岩爆 （0.5,0.8] （560,900]
【参考文献】
（1）《工程地质手册》（2007年2月第四版）
（2）《公路工程地质勘察规范》（JTJ064-98）
（3）《工程岩体分级标准》（GB/50218-94）
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词： 高速公路隧道地应力地质勘察
中图分类号：P315.72+7文献标识码：A 文章编号：
Abstract: in recent years, domestic highway engineering a construction boom, for the mountainous area highway, the geological conditions and tunnel design is of great significance. The author quan in fujian province highway tunnel yongding to WuTongShan as an example, the ground stress test method of the conditions to explain to the similar tunnel project is of some reference value.
Keywords: highway tunnel geostress geological investigation
1 项目概况
1.1 工程概况
拟建的吴同山隧道位于福建省安溪县湖头镇，总体呈北东～南西向曲线形展布。隧道采用分离式，其中左洞起讫桩号ZK8+217～ZK11+394，总长3177m；右洞起讫桩号K8+215～K11+390，总长3175m；净空（宽×高）均为10.25×5.0m。设计时速80km/h，最大埋深489m，属特长隧道。
1.2 隧址区地质概况
本隧道在区域地质上位于闽西南拗陷带与闽东火山断拗带之间，区内构造较发育，在地质历史上先后经历了加里东、印支、燕山和喜山期重大构造运动，致使区内构造复杂及岩浆侵入频繁，奠定了本区地质构造基础。区域地震抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，峰值频谱周期为0.45s，设计地震分组属第二组。
隧址区属构造剥蚀低山丘陵地貌，地形起伏大，进出口均与山间沟谷盆地相连，切割深度10～25m，最大高程742.5m，最小高程188.5m，相对高差554m。山体表层为残积粘性土（Qel），层厚一般2.00～5.50m；下伏基岩为侏罗系上统南园组凝灰岩、流纹岩（J3nb）及燕山早期侵入花岗岩（γ52(3)c），其中花岗岩与凝灰岩、流纹岩呈侵入不整合接触关系，接触带内岩层蚀变较强烈，岩体节理裂隙发育，多破碎呈碎块状，对隧道洞身围岩稳定性有一定影响。微风化花岗岩层新鲜坚硬，节理裂隙弱發育，为隧道洞身主要围岩。
2 隧道的地应力条件
2.1 测试方法及步骤
勘察期间根据钻孔SZK吴7#岩芯的完整性，在钻孔不同深度采用水压致裂测量法进行测试。本方法是国际岩石力学学会测试方法委员会于1987年颁布的测定岩石应力的建议方法之一，其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，使用的设备示意图见图1。
本方法具有以下突出优点：（1）测量深度大；（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。因此，本方法被广泛应用于水利水电、交通、矿山等领域。
图1 水压致裂法测试设备示意图
在进行水压致裂测试之前，对钻孔进行检查，包括岩芯完整性指标RQD、透水率、钻孔倾斜度等参数，根据工程的需要选择合适的压裂段。同时现场对压力传感器进行标定，对每根加压钻杆进行密封检验。本次测试主要步骤如下：
（1）坐封：通过钻杆将两个可膨胀的橡胶封隔器放置到选定的压裂段，加压使其膨胀、坐封于孔壁上，形成承压段空间。
（2）注水加压：通过钻杆推动转换阀后，液压泵对压裂段注水加压（此时封隔器压力保持不变），钻孔孔壁承受逐渐增强的液压作用。
（3）岩壁破裂：在足够大的液压作用下，孔壁岩体沿阻力最小的方向出现破裂，该破裂将在垂直于截面最小主应力的平面内延伸。与之相应，当泵压上升到临界破裂压力Pb后，由于岩体破裂导致压力值急剧下降。
（4）关泵：关闭压力泵，泵压迅速下降，然后随着压裂液渗入到岩层，泵压下降缓慢。当压力降到使裂缝处于临界闭合状态时的压力，即垂直于裂缝面的最小主应力与液压回路达到平衡时的压力，称为瞬时关闭压力Ps。
（5）卸压：打开压力阀卸压，使裂缝完全闭合，泵压记录归零。
（6）重张：按（2）～（5）步骤连续进行多次加压循环，以便取得合理的压裂参数，以判断岩石破裂和裂缝延伸的过程。
（7）解封：压裂完毕后，通过钻杆拉动转换阀，使封隔器内液体通过钻杆排除，此时封隔器收缩恢复原状，即封隔器解封。
（8）破裂缝方向记录：采用定向印模器，通过扩张印模筒外层的生橡胶和能自动定向的定向器记录破裂缝的长度和方向。
2.2 测试成果
（1）应力量值
测试后各项数据基本符合水压致裂法测试的一般规律，各压力特征值比较明显。钻孔SZK吴7#在160.6～379.9m测试深度范围内的最大水平主应力σH为5.5～13.3MPa，最小水平主应力σh为4.1～10.5MPa，铅直应力z 为4.3～10.3MPa。测试成果详见下表1。测试部位隧道围岩为微风化花岗岩，参考试验结果并根据工程经验，取单轴饱和抗压强度Rc=80MPa，测试区域的Rc/σmax=6.3（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），岩体应力量级为高应力水平。
表1 SZK吴7#钻孔水压致裂法地应力测试成果表
注：1、Pb-岩石破裂压力，Pr-裂缝重张压力，Ps –瞬时闭合压力，P0 –岩石孔隙压力，σt - 岩石抗拉强度，σH –最大水平主应力，σh–最小水平主应力，σz–铅直（自重）应力，λ最大水平主应力方向的侧压系数(σH/σz)。破裂压力、重张压力及关闭压力为测点孔口压力值；2、岩石容重取为27kN/m3，测试时钻孔水位位于孔口以下45m。
（2）测压系数
测深范围内测段的最大水平主应力侧压系数σH/z绝大多数在1.1～1.3之间，隧道围岩处应力场主要呈σH>σz >σh特征，说明该深度范围内地应力场水平应力起主导作用，主要受构造应力和山谷地形作用的影响。
（3）应力方位
钻孔所得破裂缝方向比较一致，最大水平主应力方向范围为N22°W～N40°W，平均方位为N31°W，与隧址区沿线内主要断裂构造走向基本一致，主要裂缝印模见下图2。
（4）地应力量值与埋深的关系
通过拟合，获得的水平主应力量值随深度（H，单位m）的变化关系见下式及图3，可以看出：在测试深度范围内，应力量值随深度的增加而增大。
（5）地应力场与隧道轴线布置
隧道轴线方向主要受整体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。研究表明，在以水平构造为主的应力场中，洞
H=298.9m H=343.9m H=370.9m
图2 钻孔SZK吴2#水压致裂法压裂缝印模图
图3水平主应力测值随深度的变化关系图
室轴线最好平行最大水平主应力方向布置，否则边墙将产生严重的变形和破坏。根据本隧道地应力测试结果，测孔深部最大水平主应力方向（N40°W）与隧道轴线方向（约78°）夹角较大（约62°），对隧道围岩的稳定性相对不利。
2.3 隧道围岩的地应力场评估
本次测试最大测深为379.9m，小于隧道的最大埋深（约489m）。因此，需对可能发生岩爆的深埋段隧道围岩应力状态进行粗略估计。
孔深272m以下测段的最大水平主应力侧压系数在1.1～1.3之间。对于埋深大于测孔深度的深埋段隧道，需对测试结果进行适当外延，估计适用埋深的隧道围岩应力状态。依据测试结果及已有工程经验，重点针对可能发生岩爆的深埋段隧道，初步建议隧道综合应力場如下式所表述（H为隧道围岩埋深，单位m）。
实测最大水平主应力方位为N22°W～N40°W， 建议深埋段隧道围岩的最大水平主应力方向为N40º W。据上式粗略估计最大埋深处（约489m）围岩最大水平主应力为17.2MPa，属高应力水平。
2.4 施工期间隧道岩爆预测
针对完整硬质隧道围岩，参考试验结果与工程经验，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下表2所示。
综合以上测试成果，当隧道埋深小于225m时，施工期一般不会发生岩爆；隧道埋深在225～370m范围，可能发生轻微岩爆；隧道埋深大于370m时，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，还有岩体性状、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，必须选择合理的开挖方式，并在施工过程中采取必要的安全措施。
表2吴同山隧道岩爆判别表
Russenes法 Turchaninov法
岩爆烈度 σθ/Rc H/m 岩爆烈度 （σθ+σL）/Rc H/m
无岩爆 <0.2 <225 无岩爆 ≤0.3 ≤245
弱岩爆 [0.2,0.3） [225,370） 有岩爆可能 （0.3,0.5] （245,560]
中岩爆 [0.3,0.55） [370,620） 肯定发生岩爆 （0.5,0.8] （560,900]
【参考文献】
（1）《工程地质手册》（2007年2月第四版）
（2）《公路工程地质勘察规范》（JTJ064-98）
（3）《工程岩体分级标准》（GB/50218-94）
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。